森林の三次元構造を用いて、衛星で観測された反射率から影を除去する方法の開発

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K05669
• 研究機関: 三重大学
• 研究代表者: 松岡 真如 三重大学, 工学研究科, 准教授 (50399325)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 光学リモートセンシング / 影の補正 / 森林の三次元モデル / 航空機レーザスキャナ

研究実績の概要

本研究の目的は、航空機レーザスキャナで取得した森林の三次元構造を用いて、衛星で観測した反射率から影を除去する手法を開発する事である。研究実施計画に記載した5項目のうち、2021年度は(1)森林構造を用いた影生成シミュレーションと、(3)極軌道衛星を用いた影の除去を実施した。
森林構造を用いた影生成シミュレーションでは、航空機レーザスキャナの点群に半径を持たせて球とすることで森林の三次元構造をモデル化し、衛星の観測時刻における太陽と衛星の位置から、衛星データの画素に含まれる影の面積率を計算した。計算には光線追跡法を用いた。はじめに衛星データの各画素の中心が森林の三次元モデルにおいてどの球を観測しているかを計算し、その球が他の球の影になっているか否かを判定することで日照/日陰を決定した。なお、航空機レーザスキャナのデータは林野庁森林整備部より提供を受けた。
極軌道衛星を用いた影の除去では、空間解像度10mのSentinel-2/MSIを使用した。上でシミュレーションした日照率と、衛星データの反射率とを回帰分析することで、反射率に及ぼす影の影響を定量化した。その結果、関係性に季節変化が見られ、夏には直線的な、冬には二次曲線的な関係となった。この傾向は、ドローンを用いた過去の研究では見られなかった。理由として、航空機レーザスキャナの点群密度が低く樹冠の形状を詳細に再現できていないことや、夏には太陽高度が高く林冠内で多重反射が多くなることが考えられるが、詳細については検討中である。また、日照率と反射率の関係は点群の半径によっても変動し、半径が大きくなるほど直線的な関係となった。現時点では、回帰モデルの二乗平均平方根誤差が最小となる半径を採択している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

広域の航空機レーザスキャナのデータが利用できるようになったこと、影のシミュレーションや極軌道衛星データによる解析を進めていることなどから、おおむね順調に進展していると判定した。現在解析を行っている、日照率と反射率の関係性の季節変化については、林齢が低く間伐率の低い人工林において高い反射率が見られる一方で、日照率ではその傾向が弱いことから、二次曲線的な関係性となっていると考えられる。これまで、航空機の観測コースにおける点群密度の違いを軽減するために、空間的に間引いたデータを使用してきたため、その影響は顕著である。現在、点群密度を低下させないデータを用いて解析をやり直しており、結果を見て判断したい。
研究実施計画の(4)静止軌道衛星を用いた影の除去については、8月に国際学会での発表を予定しており、それに向けて準備している。広域のデータが使えるようになったことで、極軌道衛星で使用しているデータを共有することができるため、データ生成と分析を効率化できる。季節変動に注目している極軌道衛星に対し、静止軌道衛星では反射率の日内変動に注目することで相補的な解析を進めたい。

今後の研究の推進方策

令和４年度は、適切な点群サイズを決定する手法を検討する。適切な点群サイズであれば、日照率と反射率の関係性においてモデルの残差が小さく、かつ、日照条件の変化に対する応答が季節によらず安定しているという仮定をおいて評価を行い、適切な点群サイズを求める工程を確立したい。加えて、(2)点群密度の違いによる影生成状況の違いの解析を行う。点群のサイズとともに、点群の密度は森林の三次元構造と衛星観測値を再現するための重要なパラメータである。ここでは、過去にドローンデータから作成した高密度点群データを間引きながら衛星データをシミュレーションし、航空機レーザスキャナのデータと比較しながら、点群の密度の影響を定量化する。また、(3)静止軌道衛星を用いた影の除去では、二方向性反射モデルを用いた反射率のモデル化と、点群を用いたモデル化の比較を行う。既存の二方向性反射モデルは、日本のような急峻な山地において地形の影響を強く受けることが示されている。ここでは、点群を用いてモデル化した反射率が地形や樹冠の影響を適切に表現できているかに注目し、幾何条件を用いた既存のモデルよりも高精度な二方向性反射モデルの構築を目指す。
令和５年度は、極軌道衛星と静止軌道衛星の結果を統合し、空間解像度や観測幾何条件の異なる衛星データに共通に利用できる(5)影を除去した反射率の精度評価方法を検討する。影を除去した反射率を得ることが困難なため、絶対的な精度評価が難しい。そこで、植生などの季節変化が小さい場所で、観測時期の異なるデータの補正結果が安定しているかという点から評価を行う。また、空間解像度の低い極軌道衛星と、空間解像度の高い静止軌道衛星について、同じ場所の補正結果を比較することで、空間解像度の違いを評価する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染症の影響で、学会がオンラインとなったことで旅費を使用しなかったこと、現地調査をとりやめたため旅費・謝金を使用しなかったことによる。令和4年度以降に使用する計画である。