宮城県林業技術総合センター成果報告第 20 号 (2012.3) GPS やレーザー距離計を活用した森林測量手法の確立水田展洋佐々木智恵要旨現在, 森林測量で広く用いられているコンパス測量に代わる手法として期待される GPS やレーザー距離計を使用した場合の作業効率, 測量精度などについて

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ゆきすえがら
4 years ago
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1 GPS やレーザー距離計を活用した森林測量手法の確立水田展洋佐々木智恵要旨現在, 森林測量で広く用いられているコンパス測量に代わる手法として期待される GPS やレーザー距離計を使用した場合の作業効率, 測量精度などについて調査を行った作業効率については, 従来のコンパス測量と比較して, レーザー距離計を使用した場合は約倍,GPS やでは約 ~ 倍となり, 作業効率は大幅に向上した測量精度については, 場所によっては GPS による測量誤差が大きく, 測量対象地に上空が遮蔽されたような地形が含まれる場合などは GPS による測量は好ましくないことが分かった林分条件が異なる森林内で GPS との連続測位を行い, 測位精度に影響を与える要因について調査を行った結果, 胸高断面積合計と真値からのずれに相関が見られた GPS, とも胸高断面積合計が 5m /ha を越えたあたりから急激に誤差が大きくなり,5m /ha で誤差 m, 3m /ha で誤差 5m を越えたキーワード : 森林測量, レーザー距離計,GPS 1 はじめに平地における測量では, 水平角, 垂直角, 距離を一度に測定できるトータルステーション ( 以下,TS) や衛星からの電波を利用した GPS による測量が主流になっている一方, 森林測量では, ポケットコンパスと巻き尺を使ったコンパス測量と呼ばれる方法が未だに一般的であるこのコンパス測量は操作が比較的簡単で機器も軽量であるといった利点があるが, 作業には最低人以上の人員が必要であり, 巻き尺を張るためには障害物があっても基本的に測点間は直進しなければいけない, 見通しが悪い場合は測点間の刈り払いが必要になるなど, 作業効率が低下し労働負担が大きくなる場合も多々見受けられる森林測量分野においても,GPS 等の機器を利用するための研究は比較的古くから行われている山本ら (199) は衛星が個しか打ち上げられていない時点で周囲測量の精度を検定したが, 測位上空に衛星が 3~ 個飛来したときにのみ測位することができる状態で, 常時測位はできなかったと報告している 199 年に個の衛星配置が完了し, 本格運用されるようになってからは, 長谷川ら (199) がスギ, ヒノキの山岳林においてコードディファレンシャル方式による GPS 測位試験を行い, 境界測量, 林道測量, 基準点測量に適用可能であることを示している 1997 年以降には海上保安庁の補正ビーコンが利用できるようになった立木ら () が林内におけるリアルタイムディファレンシャル GPS の林内での操作性や有効性について試験し, 衛星と補正ビーコンを受信することで正確なデータが取得できるが, 林内全てで受信可能ではないとしている年 5 月日には GPS の精度を意図的に劣化させていた SA(Selective Availability) が解除された小林 () は SA 解除前後に森林内外で GPS とリアルタイムディファレンシャル GPS の比較試験を行い, 精度が大幅に向上し, リアルタイムディファレンシャル GPS の測位精度は依然としてより優れているがその差はあまり大きくないとしているまた, 澤口ら (1) は SA

2 解除前後のリアルタイムディファレンシャル GPS 測位結果を比較して,SA 解除後も測位精度向上は見られなかったとしているここ数年では現場の技術者が実際に使用した事例の報告がなされており ( 樽谷大家,; 笹木和田,7), レジャー用 GPS の林業の現場での活用例を示した書籍も出版されている ( 全国林業改良普及協会,9,11) しかし, 従来のコンパス測量と比較した場合の作業効率, 測量精度等の検討はあまりなされていないそこで, 本課題では GPS やレーザー距離計を使用した場合の作業効率, 測量精度, 作業をする際の注意事項などを解明し, コンパス測量に代わる手法として確立を図ることを目的として調査を行った調査方法.1 作業効率, 測量精度調査調査は宮城県白石市 ( 調査地 A,F,G), 黒川郡大衡村 ( 調査地 B,C), 石巻市 (D,E) の7ヶ所に設定したうち5ヶ所で作業効率調査を,7ヶ所で測量精度調査を行った調査地の概要および調査種類, 測量方法は表 -1のとおりである測量方法は, コンパス測量, ポケットコンパスと超音波距離計, 電子コンパスとレーザー距離計, GPS, リアルタイムディファレンシャル GPS の5 通りで行ったが, 各調査地で全ての測量方法を調査したわけではなく, 調査地によって3~5 通りの調査となった使用機材の概要を表 -に示す表 -1 調査地一覧調査地 A 調査地 B 調査地 C 調査地 D 調査地 E 調査地 F 調査地 G 林相スギ林伐採跡地スギ林広葉樹人工林スギ林, 広葉樹天然林スギ林, 広葉樹天然林スギ林, 広葉樹天然林 GIS 上の面積地形谷底平坦山腹山腹尾根 ~ 谷底尾根 ~ 谷底尾根 ~ 谷底傾斜作業効率調査 - - 測位精度調査コンパス測量超音波測量レーザー測量 GPS リアルタイムディファレンシャル GPS トータルステーション - 1 -

3 表 - 測量方法一覧組み合わせ方法ポケットコンパスと巻き尺 ( 以下, コンパス測量 ) ポケットコンパスと超音波距離計 ( 以下, 超音波測量 ) 電子コンパスとレーザー距離計 ( 以下, レーザー測量 ) GPS ( 以下, ) リアルタイムディファレンシャル GPS ( 以下,) 使用機種コンパス: 牛方商会 LS-5 レベルトラコン巻き尺: 5m 巻き尺コンパス: 牛方商会 LS-5 レベルトラコン超音波距離計: ハグロフ社 VERTEXⅢ 電子コンパス: LaserTechnology 社 MapStar Compass Module レーザー距離計: LaserTechnology 社 Impulse TRANSYSTEM 社 i-blue77 トリップレコーダー GPS 受信機 : Trimble 社 GPS Pathfinder Pro XR PDA: Hewlett-Packard 社 ipaq Pocket PC h GIS ソフト : ESRI 社 ArcPad7.1.1 との調査にあたっては, 事前に GPS 衛星飛来予測プログラムを用いて, 衛星配置状態が良好な時間帯に調査を行った ( 仙台市上空で仰角マスク 5 に設定したときに,PDOP 値が5 以下となる時間帯 ) の機器設定は,PDOP マスク 1 以下,SNR マスク以上, 仰角マスク5 以上, 補正ビーコン受信はオート選局, データ出力は1 秒としたは SBAS 利用可能, データ出力 1 秒としたが, 各種マスク設定は変更不可能なため初期設定のままとした現地作業は, コンパス測量, 超音波測量, レーザー測量では, 各調査地の各測点を前視のみ閉合トラバース測量したの場合は各測点に到着後秒以上静止し, その後に POI ボタンを押して位置を記録したの場合は同様に秒以上静止してから記録ボタンを押して, 回測位したデータの平均値を用いることとしたデータ記録方法は, コンパス測量, 超音波測量, レーザー測量では野帳への手書き記入, では内蔵ロガー, では shp ファイル形式による PDA への保存とした上記作業をストップウォッチで計測し, 各測量方法による所要時間を算出したただし, 自動車 ~ 現地の徒歩の往復時間, 作業前の機械のセッティング, 作業後の後片付け, 屋内での図化作業は所要時間に含めなかったまた, 得られた測量結果から面積を算出した調査地 F,G についてはトータルステーション ( 以下,TS) での測量結果があるため, 面積比較の対象に加えた. GPS 測量の測位条件調査調査は宮城県白石市 3カ所, 黒川郡大衡村 1カ所, 石巻市 1ヶ所の計 5カ所で実施した調査にあたっては,.1と同様に衛星配置状態が良好な時間帯に調査した機器設定も.1と同じにしたデータは, 各機種ともコールドスタート後分連続測位した NMEA13 データのうち, 最初の分間を除外したものを使用した測位間隔は, とも1 分とし, 衛星数や DOP によるデータの選別

4 は特に行わなかったデータ取得直前に, デジタルカメラと魚眼レンズを用いて全天空写真を撮影し, フリーソフト LIA3 を用いて, 林冠植被率を算出したまた, 測点を中心とする 1ha の円内 ( 半径 5.5m) にある胸高直径 cm 以上の立木の胸高直径を測定し, 平均胸高直径, 立木密度, 胸高断面積合計を算出した各地点の林況は表 -3のとおりである各地点とも三角点もしくは地籍調査の測点であり, 絶対座標が既に判明しているこの値を真の値として, やでの測位結果との比較を行った表 -3 測位条件調査地の林況場所白石 1 白石白石 3 大衡石巻林冠植被率 (%) 胸高断面積合計 (m /ha) 立木密度 ( 本 /ha), 1,7,9 5,, 3 結果および考察 3.1 作業効率, 測量精度調査測量に要した時間は, コンパス測量で 1 分秒から分秒, レーザー測量で分秒から 55 分 1 秒, 超音波測量で 3 分秒から 3 分 55 秒, で分 7 秒から分 1 秒, で分秒から 5 分 9 秒となった ( 表 -) 調査地によって面積が違うため,5カ所全てで実施したレーザー測量の所要時間をとした場合の, 各測量の所要時間割合で比較を行った ( 図 -1) レーザー測量の所要時間をとすると, コンパス測量はから 3 となり, 面積の大小に関わらず倍以上の時間がかかった逆に言えば, レーザー測量はコンパス測量の半分以下の時間で測量を実施できるということであり, レーザー測量は作業効率の向上につながることが分かった超音波測量の場合は 5 から 7 となり, コンパス測量と所要時間は余り変わらなかった今回の調査地は測点間の見通しが良好で傾斜も以下だったため, 巻き尺を持って測点間を直進することが容易であったそのため, 超音波距離計での測距の利点が現れなかったものと思われる表 - 各測量での所要時間調査地 A 調査地 B 調査地 C 調査地 D 調査地 E コンパス測量 1 分秒分秒 3 分秒レーザー測量分秒 17 分秒 1 分秒 3 分秒 55 分 1 秒超音波測量 3 分 55 秒 3 分秒分 7 秒 11 分秒 1 分 15 秒 1 分 59 秒分 1 秒分秒 13 分 31 秒 1 分 7 秒 5 分 9 秒 - 1 -

では, 所要時間割合はから 3 であったレーザー測量の半分から 3/ 程度, コンパス測量と比較すると 1/ から 1/3 程度の時間で測量が可能であり, 作業効率はレーザー測量以上の大幅な向上が期待できるの所要時間割合は 3 からとなり, 概ねレーザー測量の /3 ないし同等となった移動にかかる時間はとほとんど変わらなかったが, 受信環境が良好なら回測位するのに要する時間は

5 では, 所要時間割合はから 3 であったレーザー測量の半分から 3/ 程度, コンパス測量と比較すると 1/ から 1/3 程度の時間で測量が可能であり, 作業効率はレーザー測量以上の大幅な向上が期待できるの所要時間割合は 3 からとなり, 概ねレーザー測量の /3 ないし同等となった移動にかかる時間はとほとんど変わらなかったが, 受信環境が良好なら回測位するのに要する時間は秒のところを, 秒要した測点があるなど測位に時間がかかることが多く, 所要時間の増大につながったでは高感度型 GPS 受信機が相次いで開発されており, 本調査地のどの測点でも問題なく測位が可能であった一方, 受信機は精度向上を果たすために受信感度が低く抑えられている場合が多いその代わり受信機はマスク設定で受信感度を調整することができ, 本調査では.1 に記載されているとおり設定できる限界まで受信感度を上げて調査を行ったしかし, それでも受信に時間を要し, 森林内での受信機利用の難しさを露呈する格好となった図 -1 調査地別の測量所要時間割合各測量方法で算出された各調査地の面積は表 -5のとおりであるこれを面積割合に換算したものを図 -に示す閉合誤差を算出できるコンパス測量, 超音波測量, レーザー測量の閉合誤差はそれぞれ 1/35 ~1/33,1/97~1/,1/7~1/75 となり, レーザー測量の測量精度が良好だったため, レーザー測量もしくは TS の測量結果から得られた面積をとした面積割合を比較すると, コンパス測量, 超音波測量, では概ね% 以内の差に収まり, 面積の大小や林分条件に関係なく, ほぼ正確に測量できることが分かった一方, の測量誤差は, 調査地 A で 115%, 調査地 D で 9%, 調査地 F で 9% となり, 他の方法に比べると誤差が大きくなった調査地 A はレーザー測量との面積差は 5ha しかなく, 実際にはそれほど問題となる誤差ではないが, 対象となる測量面積が小さかったため, 面積割合で示すと誤差が大きくなったまた,D と F は,V 字谷の窪地など上空が遮蔽された環境にも測点があり, その測点での誤差が大きかったことが面積誤差の拡大につながった

表 -5 各測量での面積調査地 A 調査地 B 調査地 C 調査地 D 調査地 E 調査地 F 調査地 G コンパス測量 3.31. 超音波測量.3. レーザー測量 3.99..5.71 37.99.1.7.7 1.5.7.3.1.75.79 1.1.9 TS 1.1.1 図 - 調査地別の測量面積割合 3.

6 表 -5 各測量での面積調査地 A 調査地 B 調査地 C 調査地 D 調査地 E 調査地 F 調査地 G コンパス測量超音波測量.3. レーザー測量 TS 図 - 調査地別の測量面積割合 3. GPS 測量の測位条件調査各測点の測量結果は図 -3~7のとおりである白石 1~3では西方向に, 石巻では東方向にずれる傾向があった森武田 () は SA 解除前後に森林内での測位精度試験を実施した結果, 北東方向に偏る傾向があり, 座標系が持つ誤差によるものと考察しているしかし, 本調査を実施した平成 ~ 年度の時点では既に世界測地系に移行済みであり, 本調査には当てはまらないまた,, ともに誤差方向が同一であること, の各測位点のばらつき具合や平均測位点のずれがのそれよりも大きいことを考慮すると, 樹木や地形からのマルチパスの影響によるものではないかと考えられる各測点の測位誤差は測位精度を現す指標として真値からのずれ, DRMS, 測位率の3 要因, 測位精度に影響を与える要因として開空度, 胸高断面積合計, 立木密度,3 の3 要因を仮定した ( 図 - ~1) その結果, 胸高断面積合計と真値からのずれ, 胸高断面積合計と DRMS に高い相関が見られた真値からのずれの程度は,, とも胸高断面積合計が 5m /ha を越えたあたりから急激に誤 - 1 -

7 差が大きくなり,5m /ha で誤差 m,3m /ha で誤差 5m を越えたこの値を宮城県民有林スギ林々分収穫表 (1957) の地位 1 等と照らし合わせると, 概ね 35 年生以上の林分で誤差 m,5 年生以上の林分で誤差 5m となる DRMS についても同様の傾向が見られ, 胸高断面積合計が m/ha を超えると DRMS も m を超えるようになったの場合では胸高断面積合計が増えると測位率が上がり, 逆に立木本数が増えると測位率が下がる傾向が見られたが, では林分条件に関わらず測位率は % となった表 - 各地点での測位誤差調査地機種座標 X 座標 ( 東西方向 ) Y 座標 ( 南北方向 ) X 座標 ( 東西方向 ) Y 座標 ( 南北方向 ) 真の値からの平均ずれ白石 1 真の値からの最大ずれ DRMS.57.3 測位率 %.3% 真の値からの平均ずれ白石真の値からの最大ずれ DRMS 測位率 % 93.9% 真の値からの平均ずれ白石 3 真の値からの最大ずれ DRMS 1.. 測位率 % 9.7% 真の値からの平均ずれ大衡真の値からの最大ずれ DRMS 測位率 % 3.5% 真の値からの平均ずれ石巻真の値からの最大ずれ DRMS 測位率 % 91.1%

8 真値からのずれ (m) DRMS 測位率真値からのずれ (m) DRMS 測位率真値からのずれ (m) DRMS 測位率 - - 平均 - - 平均 - - 平均 - 平均 - 平均 - 平均 - 白石 1 - 白石 - 白石平均 - - 平均 - 平均 - 平均 - 大衡 - 石巻図 -3~7 およびの測位誤差 (X 軸が東西方向,Y 軸が南北方向,(,) 点が既知座標点, 白抜きマーカーが各測位点, 塗りつぶしマーカーが平均測位点 ) % 95% 9% 5% % cover(%) cover(%) cover(%) y = 15x x R² = y = 91x -.797x R² = % 95% 9% 5% % 胸高断面積合計 (m /ha) 胸高断面積合計 (m /ha) 胸高断面積合計 (m /ha) ,,,, ,,,, % 95% 9% 5% %,,,, 立木密度 ( 本 /ha) 立木密度 ( 本 /ha) 立木密度 ( 本 /ha) 図 -~1 林況と測位精度の相関関係 - 1 -

9 おわりにレーザー測量や, による測位はコンパス測量と比較すると大幅な作業時間の短縮が図られ, 作業効率の向上につながることが分かったまた, 超音波測量についても, 急傾斜の場所や測点間の直進が難しいところなどでは, 巻き尺や検縄での測距となるコンパス測量よりも効率化できると示唆されるただし, で測量を実施する場合は, 対象地の面積や地形を事前に把握し, 小面積である場合や谷地形がある場合などは, 他の方法で代替するか, 問題となる測点部分についてはコンパス測量やレーザー測量でオフセットするなど, 場面に応じた使い方が重要であるについても, 林分によっては測位に時間がかかったり, 最悪の場合は測位できない可能性もあるので, 代替手段を確保しておくことが重要であろうやによる測位では, トラバース測量における閉合比のような測量成果の信頼性を評価する手法がないため, 測量精度の指標を求められるような場面では使用が困難である一方, 近年の用機器の進歩はめざましいものがある平成 3 年末時点で,GPS のみならずロシアが運用している GLONASS を同時受信できる機器が数万円台で販売されるなど, 機器は今後も低コスト化や測量精度の向上が進んでいくものと期待されるとの価格差や操作性を考えると, 今後は森林内における GPS 利用はが主流になっていくと考えられる現状では, 測量精度が求められるような場面では超音波測量やレーザー測量, 対象地の大まかな面積や概要を簡便に把握したい場合にはを用いるのが妥当であろう引用文献長谷川尚史吉村哲彦山手規裕境慎二朗福田昌史 : 山岳林におけるディファレンシャル GPS の測位精度と手法の検討森利学誌 13(): 宮城県林政課 : 宮城県民有林材積表および林分収穫表宮城県 1997 森章武田博清 :S/A 解除による森林の測位精度への影響日林誌 (): 笹木征道和田弘夫 :GPS の業務への活用について- 現場職員への普及定着に向けた取組と今後の方向 - 機械化林業 5:17-7 澤口勇雄渡邉悟猪内正雄 : リアルタイムの測位精度に及ぼす林況の影響森利学誌 1(1): 35-1 立木靖之尾張敏章吉村暢彦石崎英治 : 林内におけるディファレンシャル GPS の試用事例日林北支論 :17-17 樽谷宣彦大家広路 : 林業分野における携帯型 GPS の活用について機械化林業 9:9-17 山本誠後藤純一松井信行南方清克前川国利 : 森林空間での GPS 情報の利用技術に関する研究 (Ⅰ) -GPS の概要と利用可能性の検討 - 日林論 : 全国林業改良普及協会編 : 林業 GPS 徹底活用術. 林業改良普及協会 9 全国林業改良普及協会編 : 続林業 GPS 徹底活用術応用編. 林業改良普及協会

モバイルマッパー 6 の測位方法は各頂点において GPS が安定するまで 30 秒待ちその後 30 秒間データの記録を行うという操作説明書で推奨されている方法で行いましたガーミン GPS についても GPS が安定するまで 30 秒待ち測点を行いました面積測量結果は以下の表のとおりです

モバイルマッパー 6 の測位方法は各頂点において GPS が安定するまで 30 秒待ちその後 30 秒間データの記録を行うという操作説明書で推奨されている方法で行いましたガーミン GPS についても GPS が安定するまで 30 秒待ち測点を行いました面積測量結果は以下の表のとおりです高機能 GPS( モバイルマッパー 6) の活用方法について後志森林管理署宮田英明北野喜彦野崎龍彦 1 課題を取り上げた背景国有林野事業ではこれまでにも現場業務に GPS(GARMIN 社 etrex Venture 以下ガーミン GPS) を導入してきましたが現場業務における GPSの活用状況は必ずしも高くはなく森林内における測位精度が低い地図情報を取り込め現在地が分かるようになると便利