2018 Fiscal Year Research-status Report
Radiative transfer in forests with distributed spheres
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17K07843
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| Research Institution | Kochi University |
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Principal Investigator |
松岡 真如 高知大学, 教育研究部自然科学系農学部門, 准教授 (50399325)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
守屋 均 香川大学, 創造工学部, 講師 (50150371)
吉岡 博貴 愛知県立大学, 情報科学部, 教授 (40332944)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | リモートセンシング / 分散球群 / 三次元構造 / 放射伝達機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
針広混交林や育成複層林など、構造が複雑化する森林を高精度に解析するには、森林における光の伝播過程のより細密な理解が不可欠である。本研究の目的は、複雑な立体構造をもつ森林の放射伝達機構を解明することである。そのために、森林の立体構造を三次元空間に散らばる球群で表現し、空間解像度と観測頻度の異なる衛星で観測した分光反射率を利用した解析を行なう。
平成30年度は、現地調査と森林構造の取得、植生量推定手法の衛星データへの適用、林床植生の葉面積推定を実施した。現地調査と森林構造の取得では、工石山の人工林（高知県土佐町森林組合の協力による）において、無人航空機観測、トラバース測量、基準点測量を実施した。また、林床植生の毎木調査と写真撮影を行った。無人航空機と林床植生の画像からStructure from Motionにより、樹冠と林内の三次元球群モデルを作成するとともに、測量結果と合わせることで森林の三次元球群データを作成した。植生量推定手法の衛星データへの適用では、平成29年度に開発した手法をLandsat-8/OLIのデータに適用した。この手法は森林を植生層と土壌層で表現し、層内と層間の放射伝達から植生量を推定するモデルであり、針葉樹人工林の構造に適したモデルである。推定された葉面積指数を現地観測や文献資料と比較した結果、季節変化も含めて妥当な結果が得られた。林床植生の葉面積推定では、林床植生の三次元モデルから葉点群を抽出してボクセル化することで葉面積を推定した。現地調査との比較では、ケクロモジとシロモジで昨年度の解析結果と同程度（誤差率で15%程度）の推定精度であったが、ツルシキミでは葉色と樹冠構造の影響で過小推定であった。現在、衛星データの影の影響を球群を用いて解析している。なお、平成29年度に実施した「GNSSによる面積測量の精度指標の開発」は学術雑誌に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定どおり、現地調査によってデータの蓄積を増やすと同時に、昨年度に得られた知見を活かし、放射伝達モデルを用いた光の伝播過程の解析に重点を移して解析を進めている。
現地調査は、平成29年度の6月に加えて、平成30年の8月と12月に実施した。これにより下層植生の季節変化も含めた解析が可能となったため、今後の現地調査は補助的な調査のみとなる。中解像度衛星による解析では、調査地区を含む四国地域のLandsat-8/OLI（2014年～2018年の季節の異なる14シーン）を用いて葉面積指数の時系列を計算した。得られた葉面積指数は最大で3.0程度であり、季節変化は落葉広葉樹林で大きく、針葉樹林で小さかった。一方で、南向き斜面で大きく推定される傾向がみられ、衛星データの斜面補正の必要性が示された。現在、分散球群を用いた影補正の手法を検討している。この手法は、レイトレーシングによってセンサに入射する光を追跡し、山地の斜面によって生じる太陽―地表―衛星の位置関係の変化と、樹冠構造によって生じる影の影響を同時に補正する手法である。この手法を適用し、衛星データに含まれる太陽位置の違いによる反射率の変化を補正することで、樹冠の反射率を用いた植生量推定の高精度化に取り組んでいる。林床植生の葉面積推定では、間伐率の異なる林分の調査区において、夏季と冬季に、樹種ごとの葉面積を推定した。三次元点群の色や幾何構造から葉点群を抽出し、点群をボクセルに変換することで面積に換算した。葉点群の抽出では、幾何情報を追加するよりも、色情報のみを利用する方が抽出精度が高かった。また、比較的高木で葉色が明るいケクロモジやシロモジと比較して、葉が深緑で葉が密生しているツルシキミは過小評価であった。現在、夏季と冬季の違いを評価している。間伐率の異なる林分の反射率の季節変動に与える下層植生の影響について解析する計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度の令和元年度は、森林の三次元構造情報を用いて放射伝達機構をモデル化する。植生量推定手法については、手法の妥当性評価と高精度化のため、より高頻度観測が可能なHimawari-8/AHIを援用した解析を行なう。Landsat/OLIとの波長応答関数の違いを考慮したアルゴリズムの調整と実装の後、両センサの推定結果を比較することで妥当性を評価するとともに、設定パラメータを相補的に調整することで高精度化を図る。加えて、三次元球群を用いたレイトレーシングによって、調査対象林の放射伝達をシミュレーションする。現在までの解析で、衛星が観測する反射率は樹冠構造によって生じる影の影響を大きく受けていることが分かっている。球群から得られた影の面積率と、衛星の可視～近赤外域の分光反射率とを用いて、両者の関係性をモデル化し、影や地形の影響を除去した分光反射率を算出する。また、時系列衛星データと球群を組み合わせ、樹冠による影と反射率との時間変化を解析することで、衛星データに含まれる影の影響を除去する新しい手法を提案する。林床植生の解析では、Structure from Motionを用いた葉面積推定の高精度化を継続するとともに、夏季と冬季の変化についても定量的に評価する。特に、間伐率の高い調査区では下層植生の樹高が4mを超えるため、立体構造を考慮した解析を実施する。加えて、オルソ画像を用いた調査プロット内の下層植生面積率と、高木層の樹冠構造や相対照度との関係性を解析し、間伐率の異なる調査区における衛星が観測する反射率における下層植生の寄与率を求める。これらの解析を通じて、衛星リモートセンシングによる森林施業管理の高精度化を達成する。
研究体制については、これまでと同様、年4回程度の合同研究会を予定している。また、最終年度であることから学術雑誌や国際会議などでの情報発信にも重点を置いて活動する。
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| Causes of Carryover |
平成30年度当初の計画では、高解像度衛星(WorldView-3相当)の購入を予定していた。現地調査を実施した季節を中心にデータを検索したが、主に雲がかかっ ていることが原因で適切なデータがなかった。そのため、平成30年度の購入を見送った。また、オープンアクセスの国際学術雑誌への投稿費を確保していたが、査読の関係で掲載が平成31年度となったため、予算を繰り越した。いずれも次年度の使用が確定している。
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Research Products
(6 results)
