林業向けのデジタル技術の研究開発は、林業を変革し、人間が世界中の森林に与える影響を変えつつあります。森林の伐採や劣化により、2018年には世界中で年間約2,093万ヘクタールの樹木が失われており、企業が持続可能な運営を採用することが重要です。林業におけるLiDARは、林業の変革に役立つ最新技術の一つです。
鉱業、建設、不動産などの他の業界でも、その汎用性と有用かつ正確なデータを取得できる能力から、LiDARが多用されています。技術が発展するにつれて、専門家はデータを取得してLiDARをさまざまな林業用途に使用する新たな方法を模索しています。ここでは、LiDARがどのように使用されているか、そしてこうした動きがこのセクターにもたらしている変化について説明します。
森林でデータを取得する方法
- 衛星画像
- 地上型レーザースキャン（TLS）
- 無人航空機(UAV)
- ハンディLiDARスキャン
- 森林破壊の抑制
- 森林計画と管理
- 樹幹の属性の識別
- 炭素吸収量の計測
- 野生動物の保護
- 森林火災の管理
- SFI SmartForest
- エデン・プロジェクト
衛星は、広大な地域にわたる大規模なデータセットを取得するための一般的なツールです。NASAの科学者は高解像度の衛星を使って森林の木の高さや樹冠の厚さを計測し、伐採や火災などの被害や変化を評価しています。しかし、他のデータ収集方法と比較すると、衛星画像は小さくて細かい詳細を提供することができないため、広いエリアの全体像を把握するのに適しています。
TLSは、林業データを取得するための便利なツールで、通常、樹冠下の非常に正確なデータを取得するために使用されます。TLSを使えば、高解像度の点群データを作成し、木の高さやその他の構造情報を取得することができます。
地上型レーザースキャナーは三脚の上に置かれるため、起伏のある地形で効果的に使用したり、樹冠の上からデータを収集したりするのは難しい場合があります。さらに、環境全体を正確に表示するには、複数のスキャンを取得して重ね合わせる必要があるため、TLSを使用して広い領域をスキャンするには時間がかかることがあります。
レーザースキャナーをUAVに取り付けたり、写真測量を採用したりすることで、専門家はスキャンできる領域をより柔軟に選択できます。この方法では、樹冠の上から詳細なデータセットを取得できますが、鬱蒼とした森の上を飛行する場合、地面まで到達するのは困難です。取得されたUAV情報を地上からの他の形式のデータと統合すると、エリアの全体像を取得するときに役立ちます。
ハンディレーザースキャナーまたはポールや車両に取り付けられたレーザースキャナーの使用は、最も手軽なデータ取得方法の1つです。ハンディマッピングシステムを使えば、短時間で、また厳しい地形でも広い範囲をマッピングできます。データの精度は多くの林業用途に十分な高さであり、データ取得の使いやすさにより、繰り返し使用できます。
汎用性の高いハンディマッピングソリューションをUAVなどの他のマッピング方法と組み合わせることで、正確なデータを迅速かつ効率的に得ることができます。このデータは、森林破壊、森林計画、山火事防止に役立つアプリケーションとして業界全体で使用され始めています。
林業におけるLiDARの用途
林業におけるLiDARは、精密林業や森林マッピングを支援するデータの提供から、汚染モデリングや炭素吸収量推定のような生物多様性への応用まで、さまざまな実用的用途があります。
航空LiDARを使用すると、伐採された木の量を迅速に評価して予測量と比較でき、専門家が差異を判断できます。
ドローンを搭載したレーザースキャナーは送電線のスキャン、樹冠の衝突の検出、森林の計画と管理に役立ちます。デジタル標高をマッピングする機能があれば、レーザースキャンは地形や複雑な森林環境の記録にも使用できます。
データを取得したら、専用のアルゴリズムを使用して個々の樹木を検出し、樹木の位置を特定できます。アルゴリズムは、個々の樹木をセグメント化して、広い範囲で簡単に樹木の数を数えるのに役立ち、森林管理にも適しています。
LiDARデータを分析して、炭素吸収量を判断できます。科学者たちは、樹木や樹冠の直径といった個々の立木の属性を調べ、炭素吸収特性についてより詳しく知るのに役立てることができます。
後処理分析では、バイオマスから樹木の計測データに至るまでの専門的な計測値を表示できます。これは、鳥などの特定の野生生物種に対する森林の適合性の評価から、戦略的な森林計画まで、あらゆることに役立ちます。
世界の指導者たちが気候変動の影響を緩和するために奮闘する中、林業に携わる多くの人々も航空LiDAR技術を使用して森林火災のリスクを予測し、発生した場合の影響を監視しています。
LiDARデータは、山火事の危険をもたらす火種となる可能性のある地上の木材の残骸をマッピングして特定することができます。これを利用して山火事のパターンを追跡できるほか、時間の経過による変化から過去の火災の経路を推測することもできます。
林業分野におけるモバイルLiDARの例
ノルウェー研究評議会の研究ベースのイノベーションセンター計画によるSFI SmartForestプログラムは、2028年までにノルウェーの林業部門をデジタル化の最前線に位置付けることを目的としています。その目標は、情報の自由な流れとリアルタイムのコミュニケーションを促進し、生産性の向上と業界の環境への影響の軽減に貢献することです。
同プログラムのチームは研究にLiDARを利用したいと考えていました。チームは、汎用性だけでなく、森林を正確に監視するために非常に正確な計測も必要としていました。
TLSは高い精度を実現しますが、チームは時間効率よくデータ収集を完了できるソリューションを必要としていました。UAVベースのソリューションも検討しましたが、生い茂った植生を貫通する効果が低く、必要なデータ範囲を捕捉できませんでした。
SFI SmartForestは密集した起伏の多い地形をスキャンするためにハンディモバイルマッピングシステムを選択しました。これにより、チームは地上と上空から大量のデータを素早く取得し、高精度のデータセットを収集し、木材の品質やバイオマスなどの特徴を抽出するための点群モデルを作成することができました。
初期段階での成功に続き、研究プログラムでは、ディープラーニング研究の基礎となる正確な点群データを作成するために、モバイルスキャナーを使用し続ける予定です。
英国レスター大学の博士課程研究者であるTom Potter氏は、複数の複雑な森林環境にわたって最先端のモバイルLiDARセンサーを使用して、バイオマスと炭素をより効率的に推定する技術の開発に着手しました。
英国コーンウォールのエデン・プロジェクトには、世界最大の熱帯雨林と地中海、北アメリカ、チリの地域に生息する種、そして 1,000 本を超える樹木や植物からなる「熱帯雨林」バイオームが存在します。同氏は取得できる多様なデータセットを活用するためにここでデータを収集することにしました。
データを迅速に取得できるため、ポータブルSLAMスキャナーが選ばれました。1秒間に43,000以上の計測点を取得した後、単純な円形ループを歩いて環境全体をスキャンしました。
複雑な森林環境におけるモバイルLiDARセンサーの活用についての詳細はこちらをご覧ください。
LiDARが変える林業
森林の景観は一般的に田園地帯にあり、地形は起伏が多く不均一です。木々が密集しているため、対象物を遮ったり、問題になりうる影を作ることなく、個々の木の計測を行うのは難しいのです。
モバイルマッピングLiDARスキャナーはこれらの課題を克服します。スキャナーから最大100mの範囲のデータを取得し、ハンディスキャナーとして使用したり、ポール、バックパック、ドローンや車両に取り付けることもでき、届きにくい場所を高精度で取得する複数の方法により活用できます。
モバイルLiDARによって実現される時間の節約は林業分野に変革をもたらしています。現在では、現場での計測やエリアの調査に要する期間が数日から数時間に短縮されたため、重要な決定をより迅速に下せるようになっています。
さらに、ディープラーニングモデルとアルゴリズムが常に改善されているため、LiDARシステムから提供されるデータも時間の経過とともにますます有用性を増していくでしょう。
