JP7000174B2 - 樹木診断装置及び樹木診断方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成２９年９月２７日 一般社団法人電子情報通信学会発行の電子情報通信学会技術研究報告 Ｖｏｌ．１１７ Ｎｏ．２２２ ＳＡＮＥ２０１７－４３ － ＳＡＮＥ２０１７－６２ 宇宙・航行エレクトロニクスに発表 平成２９年１０月５日 電子情報通信学会 宇宙・航行エレクトロニクス研究会（ＳＡＮＥ） 地下電磁計測ワークショップにおいて発表 平成２９年１１月１日 第３２回日本道路会議において発表 平成２９年１０月３１日 公益社団法人日本道路協会発行の第３２回日本道路会議論文集に発表 平成２９年１１月１０日 公益社団法人物理探査学会 第１３７回（平成２９年度秋季）学術講演会において発表 平成２９年１１月８日 公益社団法人物理探査学会発行の第１３７回（平成２９年度秋季）学術講演会 講演論文集に発表

本発明は、樹木の内部の状態、例えば腐朽の有無や心材の有無を判定するための技術に関するものである。

従来から、樹木の幹内部の内部状態、例えば腐朽を診断する方法として、レジストグラフと呼ばれる方法が知られている。レジストグラフは、電動ドリルで樹幹に細長く穿孔し、穿孔の際の抵抗値を記録する。この作業を幹の複数方向から繰り返すことで腐朽領域を推定する。この方法は、幹の穿孔という破壊作業を伴うため、穿孔箇所が傷となってそこから腐朽菌が侵入し、幹が腐朽する可能性がある。このためこの手法は、銘木等のように、保存の必要性が高い樹木への適用が難しいと考えられる。

非破壊で腐朽を推定する方法としては、音響トモグラフィを用いたものがある。この方法は、樹幹に対して、十数個ほどのマイクロフォン（センサ）を樹皮から打ち込んだ後、音波を幹内に送信し、音波の走時を測定して、幹断面上におけるＰ波の速度分布を再構成する。この方法においては、樹皮に対してネジやクギ等をコルク層下面まで打ち込むことによりセンサを設置しているために、完全な非破壊ではなく、わずかな傷を伴う。下記特許文献１では、粘土を用いてセンサを非破壊で樹皮に取り付ける手法が提案されているが、この手法では、弾性波である音波の取得感度（Ｓ／Ｎ比）が劣化する可能性が高いと考えられる。

音波を使った手法以外には、γ線透過量を用いた測定手法がある。この手法では、樹幹を挟んで配置された放射線源と放射線検出器とを用いて透過線量を測定し、腐朽状況を推定している。しかしながら、この手法は、放射線を用いているため、装置コストや作業コストが高くなりがちであるという問題がある。

また、音響トモグラフィ等を用いて幹内部を画像化する手法では、樹木内部における空洞の有無を判定することが難しいという問題もある。

特開２００６－５３０４５号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、樹木の内部状態、例えば腐朽の有無や心材の有無を、非破壊で高速に診断する技術を提供することである。

本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。

（項目１）
送信部と受信部と処理部とを備えており、
前記送信部は、樹木内部に向けて電波を送信する構成となっており、
前記受信部は、前記送信部との間に前記樹木を挟む位置に配置されており、かつ、前記樹木内部を透過した電波を受信する構成となっており、
前記送信部又は受信部のいずれか一方は、前記樹木の周方向に走査可能とされており、
前記処理部は、前記樹木内部における前記電波の伝搬時間、及び、前記受信部で受信された前記電波の振幅と、前記送信部又は受信部のいずれか一方における走査位置との関係を取得する構成とされている
ことを特徴とする樹木診断装置。

（項目２）
さらに出力部を備えており、
前記出力部は、前記伝搬時間及び前記振幅と、前記走査位置との関係を出力する構成となっている
項目１に記載の樹木診断装置。

（項目３）
樹木内部に向けて電波を送信するステップと、
前記樹木内部を透過した電波を受信するステップと、
前記電波の送信位置又は前記電波の受信位置のいずれか一方を、前記樹木の周方向に走査させるステップと、
前記樹木内部における前記電波の伝搬時間、及び、前記電波の受信振幅と、前記一方における走査位置との関係を取得し、この関係に基づいて樹木の内部状態を判定するステップとを有する
ことを特徴とする樹木診断方法。

（項目４）
前記判定は、下記のいずれかの処理を含む、項目３に記載の樹木診断方法：
（１）前記樹木内部を透過した前記電波の受信振幅と前記走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が連続している場合は前記樹木を健全とする；又は
（２）前記樹木内部を透過した前記電波の受信振幅と前記走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が不連続の場合は、前記樹木中に空洞が存在するおそれがあると判定する。

本発明によれば、樹木の内部状態を非破壊で効率よく診断することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る樹木診断装置の概略的な構成を示すためのブロック図である。 図１の装置における送信部と受信部の配置状態を説明するための説明図である。 図１の装置を用いた樹木診断方法の手順を説明するためのフローチャートである。 健全な樹木において観測された透過波を示す画像であって、横軸は、幹の周方向での位置（この例では受信部の移動距離）、縦軸は透過波の受信時間、濃度は透過波の振幅（黒いほど負の大きな振幅、白いほど正の大きな振幅）である。 心材を有する樹木において観測された透過波を示す画像であって、横軸は、幹の周方向での位置（この例では受信部の移動距離）、縦軸は透過波の受信時間、濃度は透過波の振幅（黒いほど負の大きな振幅、白いほど正の大きな振幅）である。 空洞を有する樹木において観測された透過波を示す画像であって、横軸は、幹の周方向での位置（この例では受信部の移動距離）、縦軸は透過波の受信時間、濃度は透過波の振幅（黒いほど負の大きな振幅、白いほど正の大きな振幅）である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る樹木診断装置（以下「診断装置」又は単に「装置」と略称することがある）について説明する。

（本実施形態の構成）
本実施形態の診断装置は、送信部１と受信部２と処理部３とを備えている（図１参照）。この装置は、さらに出力部４を追加的な要素として備えている。

（送信部）
送信部１は、樹木１０（図２参照）の内部に向けて電波を送信する構成となっている。送信部１は、送信用アンテナ（図示せず）を備えており、所定の周波数帯域及びパワーを持つ電波を所定のタイミングで送信できるようになっている。

（受信部）
受信部２は、送信部１との間に樹木１０を挟む位置に配置されている。さらに、受信部２は、送信部１から送信されて樹木１０の内部を透過した電波を受信する構成となっている。

本実施形態の受信部２は、樹木１０の周方向に、樹木１０の表面に沿って走査可能とされている。走査の具体的手法としては、例えば、作業者の手動による手法や、レールを介して自動で走行させる手法があるが、これに限らず、適宜の手法を採用できる。本例の受信部２は、走査しながら電波を受信できるようになっている。なお、受信部２の走査に代えて、送信部１を又は樹木１０の周方向に走査可能に構成することも可能である。

（処理部）
処理部３は、樹木１０の内部における電波の伝搬時間、及び、受信部２で受信された電波の振幅と、送信部１及び受信部２のうちのいずれか一方における走査位置との関係を取得する構成とされている。処理部３における動作の具体例は後述する。

（出力部）
出力部４は、伝搬時間及び受信振幅と、走査位置との関係を表す情報を出力する構成となっている。出力部４としては、例えば、ユーザにそのような情報を提示するためのディスプレイであるが、それには制約されず、例えば、情報を記録するための各種のメモリや、ネットワークを介して情報を外部に転送するためのインタフェースであってもよい。

（本実施形態における画像生成方法）
次に、図３をさらに参照して、本実施形態における画像生成方法について説明する。

（図３のステップＳＡ－１）
まず、送信部１を樹木１０の側面に押し当てた状態（図２参照）で、送信部１から樹木１０の内部方向に向けて電波を送信する。

（図３のステップＳＡ－２）
一方、前記のステップＳＡ－１と同時にあるいは前後して、受信部２を樹木１０の側面に押し当てる。この状態では、送信部１と受信部２との間に樹木１０を挟む状態となる。図２の例では、初めに、図中の符号（ａ）で示す位置に受信部２を配置する。この状態で、樹木１０内部を透過した電波を、受信部２により受信することができる。処理部３は、受信部２で取得された電波（透過波）の振幅（時間波形）と走時（送信から受信までに要した時間）とを、受信部２の移動距離に応じて取得するようになっている。ここで、受信部２の移動距離は、例えば受信部２に取り付けられて樹木１０に接触したローラ（図示せず）の回転により取得できる。

（図３のステップＳＡ－３）
ついで、電波の受信位置を、樹木１０の周方向に走査させる。より具体的には、この例では、図２において符号（ａ）、（ｂ）、…、（ｇ）の方向に受信部２を走査させつつ、ステップＳＡ－２における電波受信動作を行う。ここで、本実施形態の電波受信動作は、実用上支障がない程度の間隔をあけて離散的に行われる。

（図３のステップＳＡ－４）
前記したステップＳＡ－３での走査により、樹木内部における電波の伝搬時間と、電波の受信振幅と、受信部２の走査位置（樹木表面上での移動距離）との関係を取得する。健全な幹の樹木において取得された例を図４に示す。この図は、それぞれの受信位置において得られた受信波形（時間波形）を、受信位置に応じて配置することで得られたものである。このような関係に基づいて樹木の内部状態を判定することができる。図４の例では、図中符号Ａ部分において、振幅の大きい（つまり白色度または黒色度の高い）帯ないし線で表される明確な透過波を観察することができる。また、符号Ａの部分では、透過波の走時曲線（信号が観察され始める受信時間を走査方向につないだ曲線）が、樹木断面形状にほぼ対応した円弧状をなしており、このことは、電波の伝搬距離の変化に応じて受信時間（走時）が変化していることを示している。したがって、樹木１０の内部を透過した電波の受信振幅と走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が連続している場合は樹木を健全と判定することができる。

図５には、樹木１０の内部に心材がある場合の透過波の測定データを示す。この例では、図中符号Ｂ部分において透過波の振幅が弱くなっている。さらにこの部分では、透過波の走時曲線の湾曲が緩くなっており、これは、電波の伝搬速度が、通常の場合（図４参照）よりも早くなっている部分（すなわち心材）が存在していることを意味する。また、図中符号Ｃ部分において、図４の健全な樹木では見られない波形が観察される。これは、心材からの反射によるものと考えられる。この場合も、樹木１０の内部を透過した電波の受信振幅と走査位置との関係を示す透過波の走時曲線は連続している。したがって、このような波形が観察される場合は、樹木を健全と判定することができる。また、本実施形態では、前記したような透過波の波形の特徴や、あるいは反射波を考察することによって、健全な樹木内における心材の有無も判定することができる。

図６には、樹木１０の内部に空洞がある場合の透過波の測定データを示す。この例では、図中符号Ｄ部分においてごく小さい変化の波形が表れており、これは、電波の伝搬速度が図５の例よりもさらに早くなっていることを示していると考えられる。また、符号Ｅ部分では、透過波の走時曲線がほぼ完全に途切れている（すなわち透過波の波面が不連続となっている）。つまり、この例では、通常（図４参照）の場合には観察できる透過波の強度が相当に低くなっている。また、図中符号Ｆ部分において、図４の健全な樹木では見られない波形が観察される。これは、空洞からの反射によるものと考えられる。樹木１０の内部を透過した電波の受信振幅と走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が不連続の場合は、樹木中に空洞が存在するおそれがあると判定することができる。

出力部４は、図４～図６に示されるような状態を出力して、作業者（判定者）に呈示することができる。作業者は、これらのような特徴を用いて、樹木内部の状態を判定することができる。また、適宜な判定基準を設定したり、教師データを用いた適宜な学習を行うことで、自動的な判定を行うことも可能である。

以上説明したように、樹木内部状態の判定は、例えば下記のいずれかの処理として行うことができる。
（１）樹木内部を透過した電波の受信振幅と走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が連続している場合は樹木を健全とする。
（２）樹木内部を透過した電波の受信振幅と走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が不連続の場合は、樹木中に空洞が存在するおそれがあると判定する。

ここで本実施形態では、受信部２の走査位置に応じた透過波のデータを取得できるので、心材や空洞のおおよその位置を知ることも可能である。

なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

例えば、前記した実施形態では、電波の受信位置を樹木１０の周方向に走査させたが、電波の送信位置を樹木１０の周方向に走査させながら、電波を受信することも可能である。この場合における樹木内部状態の判定は、基本的には前記と同様である。

１ 送信部
２ 受信部
３ 処理部
４ 出力部
１０ 樹木

Claims (4)

1. 送信部と受信部と処理部と出力部とを備えており、
   前記送信部は、樹木内部に向けて電波を送信する構成となっており、
   前記受信部は、前記送信部との間に前記樹木を挟む位置に配置されており、かつ、前記樹木内部を透過した電波を受信する構成となっており、
   前記送信部又は受信部のいずれか一方は、前記樹木の周方向に走査可能とされており、前記送信部又は受信部の他方は、前記樹木に相対的に固定されており、
   前記処理部は、前記樹木内部における前記電波の伝搬時間、及び、前記受信部で受信された前記電波の振幅と、前記送信部又は受信部のいずれか一方における走査位置との関係を取得する構成とされており、
   前記出力部は、前記送信部又は受信部の前記一方と前記他方との間で伝搬する電波についての前記伝搬時間及び前記振幅と、前記走査位置との関係を出力する構成となっている
   ことを特徴とする樹木診断装置。
2. 前記伝搬時間及び前記振幅と、前記走査位置との関係とは、樹木内部を透過した前記電波の受信振幅と前記走査位置との関係を示す、走時を観察可能な透過波の受信波形である
   請求項１に記載の樹木診断装置。
3. 樹木内部に向けて電波を送信するステップと、
   前記樹木内部を透過した電波を受信するステップと、
   前記電波の送信位置又は前記電波の受信位置のいずれか一方を、他方を前記樹木に相対的に固定しつつ、前記樹木の周方向に走査させるステップと、
   前記樹木内部における、前記送信位置又は前記受信位置の前記一方と前記他方との間で伝搬する前記電波の伝搬時間、及び、前記電波の受信振幅と、前記一方における走査位置との関係を出力し、この関係に基づいて樹木の内部状態を判定するステップとを有する
   ことを特徴とする樹木診断方法。
4. 前記判定は、下記のいずれかの処理を含む、請求項３に記載の樹木診断方法：
   （１）前記樹木内部を透過した前記電波の受信振幅と前記走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が連続している場合は前記樹木を健全とする；又は
   （２）前記樹木内部を透過した前記電波の受信振幅と前記走査位置との関係を示す透過波の走時曲線が不連続の場合は、前記樹木中に空洞が存在するおそれがあると判定する。

Images