JP2003143961A

JP2003143961A - 植物又は植物群の３次元構造測定方法

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Publication number: JP2003143961A
Application number: JP2001349857A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Tanaka; 隆文田中; Shigeaki Hattori; 重昭服部; Kotaku Boku; 昊澤朴
Original assignee: Nagoya University NUC; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Nagoya University NUC; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-05-20
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: JP3548152B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な方法によって、測定装置と植物群との
距離が広範囲に渡る場合でも、植物群の構造全体を計測
することができる技術を実現する。【解決手段】測定対象物Ｂにスリット光を照射するレ
ーザユニット１０と、レーザユニット１０から照射され
るレーザ光Ｌに対し光軸が斜交するような位置関係に配
置されるＣＣＤカメラ２０とを有する光学式測定装置を
用いる。レーザユニット１０から測定対象物Ｂ（植物又
は植物群）にスリット状のレーザ光を照射し、測定対象
物Ｂ（植物又は植物群）上に描かれる光切断像ＴをＣＣ
Ｄカメラ２０で測定する。レーザユニット１０から照射
されるレーザ光の一つの照射方向について複数の露出時
間で測定対象物Ｂ上に描かれる光切断像Ｔを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、植物又は植物群
の３次元構造を測定する方法に関し、詳しくは測定対象
である植物又は植物群を破壊することなく非接触で測定
するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】木（植物の一種）や森（植物群の一
種）の活力（健康度）を評価する一つの指標として、従
来から葉の状態（葉の数、生え方等）や枝の状態（枝の
数、枝の伸び方等）が用いられる。このため、従来から
木（又は森）を構成する葉や枝の状態（すなわち、木や
森の構造）を測定するための種々の技術が開発されてい
る。それら従来の技術の一つとして、本発明者等は、レ
ーザ光切断法を用いた木や森の構造を測定する技術を開
発している（Agricultural and Forest Meteorology 91
(1998) 149-160）。この技術では、測定対象物にスリッ
ト光を照射する光源と、スリット光の光面に対して光軸
が斜交するような位置関係で配置される撮像器とを用い
る。具体的には、光源から測定対象物（木や森等）にス
リット光を照射し、測定対象物（木や森等）によって反
射された光（反射光の輝度）を撮像器で撮像する。そし
て、撮像器で撮像された画像（スリット光によって形成
される光断面像）から、測定対象物（木や森等）の３次
元構造を求める。すなわち、光源の位置と撮像器の位置
と撮像された画像上の光の位置から、測定対象物（木や
森等）の３次元位置を算出する。このようなスリット光
の照射、反射光の取得、取得した画像のデータ解析を、
スリット光の照射方向を変えながら複数の光切断面に対
して行うことで、測定対象物の３次元構造を測定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、木（又は
森）は、多数の葉、多数の枝、多数の幹等により構成さ
れ、これらの各構成要素（葉、枝・幹）は、それぞれ光
の反射特性が異なる性質を有している。したがって、上
述した従来の技術を発展させ、測定された光の輝度（光
の強度，エネルギ）と測定対象物までの距離から反射特
性を算出し、その算出された反射特性から測定対象物が
葉なのか枝・幹なのかを判定することが考えられてい
る。しかしながら、木や森は多数の葉、多数の枝・幹等
が何重にも重なって構成される。したがって、測定装置
（光源，撮像器）と測定対象物（木や森）との距離は、
数メートルから２０メートル以上の範囲に及ぶこととな
る。このため、測定装置から近くにある反射率の高い対
象物の場合と、測定装置から遠くにある反射率の低い対
象物の場合では、撮像器で測定される光の輝度が大きく
異なることとなる。このため、現在の撮像器の解像度で
は、木や森を広範囲に渡って測定（葉・枝・幹等の判
定）を行うことは不可能であって、測定対象物の一部し
か測定することできなかった。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、簡易な方法によって、測定
対象物（植物又は植物群）を広範囲に渡って計測するこ
とができる技術を実現する。

【０００５】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記課
題を解決するため本発明に係る方法は、測定対象物に光
を照射する光源と、光源から照射される光に対し光軸が
斜交するような位置関係に配置される撮像器とを有する
光学式測定装置を用い、光源から植物又は植物群に光を
照射し、植物又は植物群から反射される光の輝度を撮像
器で測定することで植物又は植物群の３次元構造を測定
する方法であり、下記の位置決め工程、第１測定工程、
第２測定工程を有する。位置決め工程は、植物又は植物
群に対する光の照射方向が所定の方向となるように光源
を位置決めする。第１測定工程は、位置決め工程で位置
決めされた光源から光を照射し、第１の測定時間内に植
物又は植物群から反射される反射光の輝度を測定する。
第２測定工程は、位置決め工程で位置決めされた光源か
ら光を照射し、第２の測定時間内に植物又は植物群から
反射される反射光の輝度を測定する。そして、位置決め
工程を繰り返すことで光の照射方向を変えながら、位置
決めされた各照射方向について第１測定工程と第２測定
工程を行うことで、植物又は植物群の３次元構造を測定
する。

【０００６】上記の方法では、光源から照射される光の
方向が決まると、その照射方向に対してそれぞれ、第１
の測定時間内に測定対象物（植物又は植物群）から反射
される反射光の輝度と、第２の測定時間内に測定対象物
（植物又は植物群）から反射される反射光の輝度が測定
される。したがって、短い測定時間の測定結果から測定
装置の近くにある測定対象物（植物又は植物群）の構造
を求めることができ、長い測定時間の測定結果から測定
装置の遠くにある測定対象物（植物又は植物群）の構造
を求めることができる。すなわち、短い測定時間（撮像
器の露出時間が短い）では、撮像器から近い距離にある
植物（特に、反射率の高い部分）から反射された光の輝
度だけが測定され、これによって測定装置から近い距離
にある植物（特に、反射率が高い部分）の構造を求める
ことができる。一方、長い測定時間（撮像器の露出時間
が長い）では、撮像器から近い距離にある植物と遠い距
離にある植物の両者から反射された光の輝度が測定され
る。ここで、長い測定時間とすると（すなわち、撮像器
の露出時間を長くすると）、近い距離にある植物（特
に、反射率の高い部分）から反射された光の輝度は撮像
器の解像度を越えて飽和することとなる（葉と枝・幹の
判別が不能となる）。しかしながら、近い距離にある植
物（植物群）の構造については、短い測定時間による測
定結果から求めることができるため、長い測定時間の測
定結果からは遠い距離にある植物（特に、反射率の低い
部分）の構造について求めることができれば良い。した
がって、上記の方法では測定時間を変えることによっ
て、測定装置と測定対象物（木や森等）との距離が広範
囲に渡っても測定対象物の構造を求めることができる

【０００７】ここで、上記「第１の測定時間」と「第２
の測定時間」は、測定装置から測定対象物までの距離
（測定範囲）や撮像器の解像度に応じて適宜設定するこ
とができる。例えば、一桁程度異なる測定時間とするこ
とで広範囲に渡って測定対象物を測定することができ
る。また、測定対象物との距離（測定範囲）によって
は、第３の測定時間を設定して計測を行うようにしても
良い。すなわち、測定回数は、測定対象物、撮像器の解
像度等に応じて種々に変更することができる。また、
「光源」としては、光源からの光の照射角、反射光の撮
像器への入射角から測定対象物の３次元位置が特定でき
るものであればどのようなものでも良く、例えば、スリ
ット状（直線状）の光を照射するスリット光源や点状の
光を照射する光源等を用いることができる。

【０００８】前記光源は少なくとも第１の波長の光と第
２の波長の光が照射可能となっており、前記の第１測定
工程と第２測定工程では、第１の波長と第２の波長の光
をそれぞれ照射し、それぞれの場合について反射される
反射光の輝度を測定することが好ましい。このような構
成によると、第１の波長の光を照射した場合と第２の波
長の光を照射した場合における反射光の輝度をそれぞれ
測定することで、測定対象物（植物又は植物群）の構造
をより正確に測定することができる。なお、第１の波長
の光として６００〜７００ｎｍの波長帯域の光（赤色
光）を用い、第２の波長の光として７００〜９００ｎｍ
の波長帯域の光（近赤外）を用いることが好ましい。植
物（詳しくは、植物を構成する葉）の反射特性は、赤色
と近赤外の光のときに大きな違いがあり、この二つの波
長帯域の光を利用することで植物の構造をより正確に測
定することができる。

【０００９】前記第１測定工程で測定される反射光の輝
度は、光源から光を照射しない状態で第１の測定時間内
に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって
補正され、前記第２測定工程で測定される反射光の輝度
は、光源から光を照射しない状態で第２の測定時間内に
植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって補
正されていることが好ましい。このような構成による
と、測定装置の光源以外の外光（例えば、月光、屋外広
告灯等）の影響を取除くことができ、より正確に測定対
象物（植物又は植物群）の構造を測定することができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、下記に示す形態によ
って好適に実施することができる。（形態１）第１の波長の光は６８５ｎｍの波長の光
（赤色レーザ光）であり、第２の波長の光は８３０ｎｍ
（近赤外レーザ光）である。木や森等の一構成要素であ
る葉は、赤色レーザ光に対する反射率が低く、近赤外レ
ーザ光に対する反射率が高い。一方、木や森等の他の構
成要素である枝・幹等は、赤色レーザ光に対する反射率
が高く、近赤外レーザ光に対する反射率も高い。したが
って、赤外レーザ光と近赤外レーザ光を用いて測定する
ことで、測定対象物が葉であるのか、それとも枝・幹で
あるのかの判別を正確に行うことができる。（形態２）測定装置の光源からはスリット状の光が照
射される。スリット状の光を照射することで、点状の光
を照射する場合に比較して、光の照射・反射光の測定の
回数を少なくすることができる。

【００１１】

【実施例】本発明の測定方法に係る具体的な実施例に
ついて図面を参照して説明する。図１に本発明の測定方
法を実施するための測定装置の構成を模式的に示してい
る。図１に示すように、本実施例に係る測定装置は、プ
ラットホーム３０上の測定ヘッド（図示省略）に取付け
られるレーザユニット１０及びＣＣＤカメラ２０と、Ｃ
ＣＤカメラ２０で撮影された画像データを記憶すると共
に、レーザユニット１０，ＣＣＤカメラ２０の動作を制
御する制御装置２４とで構成される。レーザユニット１
０は、測定対象である植物群に対しスリット光を照射す
るレーザラインマーカ１２（スリットレーザ）を備え
る。レーザラインマーカ１２は、波長６８５ｎｍの赤色
レーザ光と波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光のいずれか
を選択的に出射可能となっており、制御装置２４の指示
に応じて一方の波長のレーザ光を出射する。また、レー
ザラインマーカ１２は、ポテンションメータ１４及びス
テッピングモータ１６を介してプラットホーム３０の測
定ヘッドに取付けられており、ステッピングモータ１６
が回転することでレーザラインマーカ１２から照射され
るレーザ光の照射方向が変わるようになっている。ステ
ッピングモータ１６の回転角度はポテンションメータ１
４によって検出され、ポテンションメータ１４で検出さ
れた回転角度は制御装置２４に出力されるようになって
いる。制御装置２４は、ポテンションメータ１４から出
力される検出信号に基づいてステッピングモータ１６を
駆動することで、レーザラインマーカ１２から照射され
るレーザ光の照射角度が所望の角度となるように制御す
る。ＣＣＤカメラ２０は、測定対象物から反射された光
の像（反射輝度）を撮像する装置であって、プラットホ
ーム３０の測定ヘッドに対して撮影方向を調整可能に取
付けられている。ＣＣＤカメラ２０とレーザユニット１
０間の距離は、測定前に予め所定の間隔となるように調
整され、また、ＣＣＤカメラ２０の撮影方向は、ＣＣＤ
カメラ２０の光軸とレーザユニット１０から照射される
スリット光の光面とが斜めに交わるよう（斜交するよ
う）に調整されている。ＣＣＤカメラ２０には制御装置
２４が接続されており、ＣＣＤカメラ２０で撮像された
画像データは制御装置２４に記憶される。制御装置２４
は、汎用のパーソナルコンピュータであり、レーザユニ
ット１０の動作を制御することでレーザ光の照射方向を
調整し、同時に、ＣＣＤカメラ２０で撮影された画像デ
ータを制御装置内のハードディスクに格納する処理と、
制御装置２４のハードディスクに格納された画像データ
を処理することで植物群の３次元構造を算出する処理を
行う。

【００１２】次に、上述した測定装置を用いた測定方法
を説明する。なお、本発明に係る測定方法では、レーザ
ユニット１０以外の光源による光の影響を少なくするた
め、測定対象物の測定は夜間に行われる。まず、図２〜
図４を用いて、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０
の配置からＣＣＤカメラ２０による画像の撮像、撮像し
た画像データから測定対象物の３次元位置の算出までの
手順を説明する。ここで、図２はレーザユニットから照
射されたスリットレーザ光により測定対象物に描かれる
光切断像をＣＣＤカメラで撮像する状態を模式的に示す
図であり、図３はＣＣＤカメラで撮像された画像から測
定対象物の３次元的位置を算出する際の原理を説明する
ための図であり、図４はレーザユニットから照射される
スリットレーザの照射角を変えながら測定対象物の全体
を測定する際の手順を説明するための図である。上述し
た測定装置によって測定対象物（植物群）を測定するに
は、まず、図２に示すように、測定対象物Ｂに対してス
リット光を照射するレーザユニット１０を配置する。次
いで、レーザユニット１０から測定対象物Ｂに対して照
射されるスリットレーザ光の光面とＣＣＤカメラ２０の
光軸（撮像方向）が斜交するようにＣＣＤカメラ２０を
配置する。なお、ＣＣＤカメラ２０は、測定対象物Ｂの
全体が撮像できる位置に配置され、測定中にその光軸
（撮像方向）が変更されることはない。また、既に説明
したようにレーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０は、
プラットホーム３０上に所定の間隔を設けて取付けられ
ているため、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０の
間隔（位置）が測定中に変更されることはない。

【００１３】上述のようにしてレーザユニット１０とＣ
ＣＤカメラ２０の位置が位置決めされると、レーザユニ
ット１０からスリット光Ｌが照射される。レーザユニッ
ト１０から照射されたスリット光Ｌの光面に測定対象物
Ｂがあると、測定対象物Ｂから光が反射され、これによ
って測定対象物Ｂの上に光切断像Ｔが描かれる。この光
切断像Ｔ（測定対象物Ｂにより反射された光）がＣＣＤ
カメラ２０で撮像され、撮像された画像データは制御装
置２４のハードディスクに記憶される。このようなスリ
ット光Ｌの照射と、測定対象物Ｂ上に描かれた光切断像
Ｔの撮像とを、スリット光Ｌの照射方向を変えながら行
うことで、測定対象物Ｂの全体について光切断像Ｔを撮
像する。すなわち、図４に示すように、ステッピングモ
ータ１６を駆動することでレーザラインマーカ１２から
照射されるレーザ光の照射方向をＬ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ
４→Ｌ５・・と変えながら、各照射方向（レーザユニッ
ト１０の各走査角）における光切断像ＴをＣＣＤカメラ
２０で撮像し、撮像した画像を制御装置２４のハードデ
ィスクに記憶する。

【００１４】レーザユニット１０の各照射方向（各走査
角）における光切断像Ｔが撮像されると、撮像された各
画像から測定対象物Ｂの３次元の位置座標が算出され
る。３次元の位置座標を算出する原理を図３に基づいて
説明する。図３には、Ａ点にレーザユニット１０（光
源）が、Ｃ点にＣＣＤカメラ２０（撮像器）が配置さ
れ、測定対象物Ｂの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する場合
を示している。図３に示すように、レーザユニット１０
（光源）から照射されるスリット光の照射角θはポテン
ションメータ１４によって検出されて既知であり、ま
た、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０はプラット
ホーム３０上に取付けられて両者の距離ｄは既知であ
る。さらに、ＣＣＤカメラ２０で撮像した画像内におけ
る座標値（画像内のピクセルの座標値）から、ＣＣＤカ
メラ２０から見た対象物Ｂの方向〔すなわち、反射光の
ＣＣＤカメラ２０への入射角（図３に示すαとβで規定
される）〕を求めることができる。このように３つの角
度θ，α，βと、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２
０間の距離ｄが分かると、図３に示す幾何学的関係から
以下に示す関係式が成立する。ここで、測定対象物Ｂの
位置座標は（ｘ，ｙ，ｚ）とする。

【００１５】

【式１】

【００１６】したがって、上記の連立方程式を解くこと
によって、測定対象物Ｂの位置（ｘ，ｙ，ｚ）が算出さ
れる。このような計算を撮像した画像内の全てのピクセ
ルについて行うことで画像内の各点の３次元の位置座標
が算出され、その点の反射輝度から各位置に何があるの
か（測定対象物の３次元構造）を特定することができ
る。

【００１７】上述したレーザユニット１０のレーザ照射
角を所定の角度に位置決めするレーザユニット１０の位
置決め動作と、レーザユニット１０から照射されたレー
ザ光による光切断像のＣＣＤカメラ２０による撮像と、
撮像された画像の制御装置２４のハードディスクへの記
憶は、制御装置２４がレーザユニット１０及びＣＣＤカ
メラ２０を制御することにより自動的に行われる。以
下、測定対象物測定時における制御装置２４の処理フロ
ーを図５，６を用いて説明する。ここで、図５は制御装
置２４における画像撮影処理全体の手順を示すフローチ
ャートであり、図６は撮影した画像のデータ取込処理の
手順を示すフローチャートである。図５に示すように、
制御装置２４は、まずレーザユニット１０の照射方向が
所定の角度となるようレーザユニット１０を位置決めす
る（Ｓ０１）。具体的には、ステッピングモータ１６を
駆動することでレーザラインマーカ１２を回転させる。
この際、ポテンションメータ１４でステッピングモータ
１６の回転角を検出し、検出されたステッピングモータ
１６（レーザラインマーカ１２）の回転角から、レーザ
ラインマーカ１２が所定の角度となる位置でステッピン
グモータ１６の駆動を停止する。なお、レーザユニット
１０の位置決め（ただし、最初の走査線上への位置決め
のみ）はレーザ光を照射しながら行われ、これにより測
定者は意図した測定範囲にレーザ光が照射されるか否か
を確認することができる。次に、ＣＣＤカメラ２０によ
る測定対象物の撮影時間（露出時間）を決定し、ステッ
プＳ０３で行われるＣＣＤカメラ２０の撮影のためにレ
ーザユニット１０から照射されるレーザをＯＦＦする
（Ｓ０２）。すなわち、本実施例では、測定対象物を撮
影する撮影時間（ＣＣＤカメラ２０の露出時間）を予め
設定された複数の条件（本実施例では２条件）に変え
て、それぞれの撮影時間で測定対象物を撮影する。この
ため、ＣＣＤカメラ２０の露出時間を予め設定された複
数の露出時間の中の一つに決定する。また、ステップＳ
０３では測定対象物にレーザが照射されていない状態で
画像を撮影するため、ステップＳ０２ではレーザユニッ
ト１０をＯＦＦする。

【００１８】次いで、制御装置２４はＣＣＤカメラ２０
にデータ取込指令を出力することでデータ取込処理を行
う（Ｓ０３）。このデータ取込処理については図６を用
いて説明する。図６に示すように、データ取込処理で
は、まず制御装置２４はＣＣＤカメラ２０に対してデー
タ取込指令を出力する（Ｓ１１）。この制御装置２４か
らＣＣＤカメラ２０に出力されるデータ取込指令には、
図５のステップＳ０２で決定された露出時間が含まれて
いる。データ取込指令がＣＣＤカメラ２０に出力される
と、ＣＣＤカメラ２０は、測定対象物の撮影を開始し、
撮影開始からの経過時間がデータ取込指令で指示された
露出時間となったか否かを判断する（Ｓ１２）。そし
て、指示された露出時間が経過していない場合〔ステッ
プＳ１２でＮＯの場合〕にはＣＣＤカメラ２０による撮
影を続行する。一方、指示された露出時間が経過してい
る場合〔ステップＳ１２でＹＥＳの場合〕には撮影（デ
ータ取込）を終了する（Ｓ１３）。したがって、このス
テップＳ０３のデータ取込処理によって、レーザユニッ
ト１０からレーザ光が照射されていない状態でステップ
Ｓ０２で設定された露出時間だけ測定対象物が撮影さ
れ、撮影された画像データが取込まれることとなる。な
お、ＣＣＤカメラ２０により撮影された画像データは制
御装置２４に転送され、制御装置２４のハードディスク
上の所定のアドレスに格納される。

【００１９】上述のステップＳ０３のデータ取込処理が
終了すると、次に、制御装置２４はレーザユニット１０
から照射されるレーザ光の波長を設定する（Ｓ０４）。
すなわち、本実施例では、レーザユニット１０から波長
６８５ｎｍの赤色レーザ光と、波長８３０ｎｍの近赤外
レーザ光を交互に照射し、それぞれのレーザ光照射時に
おいて測定対象物の反射光の輝度をＣＣＤカメラ２０で
撮像する。したがって、このステップＳ０４では、どち
らの波長のレーザ光を測定対象物に照射するかを設定す
る。ステップＳ０４でレーザユニット１０から照射する
レーザ光の波長が決まると、制御装置２４はレーザユニ
ット１０にステップＳ０４で決定された波長のレーザ光
を測定対象物に照射するよう指令を出力する（Ｓ０
５）。これにより、レーザユニット１０からは、ステッ
プＳ０４で決定された波長のレーザ光が照射される。レ
ーザ光が照射が開始され、照射されるレーザ光の出力が
安定すると、次に、前述したデータ取込処理（図６参
照）を行う（Ｓ０６）。したがって、このステップＳ０
６の処理では、ステップＳ０４で決定された波長のレー
ザ光がレーザユニット１０から測定対象物に照射された
状態で、ステップＳ０２で決定された露出時間だけ測定
対象物を撮像する。

【００２０】データ取込処理が終了すると、レーザユニ
ット１０から照射されるレーザをオフし（Ｓ０７）、次
いで、全ての波長についてステップＳ０６のデータ取込
処理を行ったか否かを判断する（Ｓ０８）。すなわち、
本実施例では、赤色レーザと近赤外レーザの２種類のレ
ーザ光を測定対象物に照射し、それぞれの場合について
ＣＣＤカメラ２０で画像を撮像する。したがって、２種
類の波長のレーザ光を照射したそれぞれの場合について
測定対象物を撮像しているか否かを判定する。全ての波
長について画像を撮像していない場合〔ステップＳ０８
でＮＯの場合〕には、ステップＳ０４に戻ってステップ
Ｓ０４からの処理を繰返す。これによって、レーザユニ
ット１０から照射されるレーザ光の波長が変更されて、
測定対象物の画像が撮像される。一方、全ての波長につ
いて画像を撮影している場合〔ステップＳ０８でＹＥＳ
の場合〕にはステップＳ０９に進んで、撮像しなければ
ならない全ての露出時間で測定対象物を撮像したか否か
が判断される（Ｓ０９）。すなわち、本実施例では、測
定対象物を予め設定された複数の露出時間のそれぞれの
条件で撮影する。したがって、ステップＳ０９では、全
ての露出時間（本実施例では２条件）で測定対象物を撮
影したか否かを判断する。

【００２１】全ての露出時間で測定対象物を撮影してい
ない場合〔ステップＳ０９でＮＯの場合〕には、ステッ
プＳ０２に戻ってステップＳ０２からの処理を繰返す。
したがって、ステップＳ０２で露出時間が変更され、変
更された露出時間についてステップＳ０３からの処理が
行われる。一方、全ての露出時間で測定対象物を撮影し
ている場合〔ステップＳ０９でＹＥＳの場合〕にはステ
ップＳ１０に進んで、予め設定された全てのレーザ照射
角（ステッピングモータ１６の走査角）についてステッ
プＳ０１〜ステップＳ０９までの処理が終了しているか
否かが判断される（Ｓ１０）。全てのレーザ照射角につ
いて処理が終了していない場合〔ステップＳ１０でＮＯ
の場合〕は、ステップＳ０１に戻ってステップＳ０１か
らの処理が繰返される。したがって、レーザユニット１
０のレーザ照射角が変更されて、ステップＳ０２からの
処理が繰返される。一方、全てのレーザ照射角について
処理が終了している場合〔ステップＳ１０でＹＥＳの場
合〕には画像撮影処理を終了する。

【００２２】上述の説明から明らかなように、本実施例
に係る方法では、１つのスリット光（レーザユニット１
０の１つの照射方向）について、各露出時間毎に、(1)
レーザ光が照射されていない状態、(2)赤色レーザ光が
照射されている状態、(3)近赤外レーザ光が照射されて
いる状態の３条件で測定対象物が撮影される。なお、本
実施例では、露出時間は２条件であるので、レーザユニ
ット１０の１つの照射方向について撮影条件を変えて計
６枚の画像が撮影され、次に説明する画像解析処理が行
われる。

【００２３】制御装置２４で行われる画像解析処理につ
いて図７に示すフローチャートを参照して説明する。図
７に示すように画像解析処理では、まず、解析対象とな
る画像を選択するための条件として、まず、撮影した画
像の各レーザ照射角（ステッピングモータ１６の走査
角）の中から一つのレーザ照射角を選択する（Ｓ１
４）。すなわち、図４に示すようにレーザユニット１０
でＬ１〜Ｌ５・・とレーザ照射角を変えて測定対象物を
撮影しているので、これらのレーザ照射角Ｌ１〜Ｌ５・
・の一つを選択する。レーザ照射角が選択されると、そ
のレーザ照射角で撮影された画像内の各点の座標（２次
元座標）を３次元の位置座標に変換する（Ｓ１５）。す
なわち、既に説明した式１の連立方程式を解くことによ
って、画像内の各点の座標を３次元の位置座標に変換す
る（図３参照）。

【００２４】次に、撮影条件の一つであるＣＣＤカメラ
２０の露出時間を選択する（Ｓ１６）。具体的には、撮
影した２つの露出時間の中の一つの露出時間を選択す
る。ステップＳ１４とステップＳ１６により解析対象と
なる画像のレーザ照射角と露出時間が決定されると、ま
ずは、当該レーザ照射角及び当該露出時間で撮影した各
画像（具体的には、レーザ非照射時，赤色レーザ照射
時，近赤外レーザ照射時の３画像）の中からレーザ非照
射時の画像データを制御装置２４のハードディスクから
読み込む（Ｓ１７）。次に、照射されたレーザ光の波長
の一つを選択する（Ｓ１６）。すなわち、赤色レーザ照
射時か近赤外レーザ照射時のいずれかを選択する。レー
ザ光の波長が選択されると、その波長のレーザ光を照射
した時の画像データ（ステップＳ１４で選択されたレー
ザ照射角でレーザが照射され、ステップＳ１６で選択さ
れた露出時間で撮影した画像のデータ）を制御装置２４
のハードディスクより読み込む（Ｓ１９）。次に、ステ
ップＳ１９で読み込んだ画像データ（ステップＳ１８で
選択された波長のレーザ光照射時の画像データ）の各点
の反射輝度を、ステップＳ１６で読み込んだ画像データ
（レーザ非照射時の画像データ）の対応する点の反射輝
度によって修正する（Ｓ２０）。すなわち、レーザ照射
時の画像データの反射輝度からレーザ非照射時の画像デ
ータの反射輝度を減算することによって、レーザ以外の
光源（例えば、月光、屋外広告灯等の外光）による影響
を除去する。各画像データの反射輝度が修正されると、
次に、その修正された各点の反射輝度をステップＳ１５
で算出された３次元の位置座標とを関連付けて記憶する
（Ｓ２１）。これによって、各位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）
における反射輝度とが関連付けられて記憶されることな
る。

【００２５】ステップＳ２２では、ステップＳ１４で選
択されたレーザ照射角で、かつ、ステップＳ１６で選択
された露出時間で撮影された全ての波長の画像データに
ついて、上記ステップＳ２１の処理が行われたか否かを
判断する（Ｓ２２）。全ての波長（本実施例では、赤色
レーザ光と近赤外レーザ光の２種類）についてステップ
Ｓ２１の処理が終了していない場合〔ステップＳ２２で
ＮＯの場合〕には、ステップＳ１８に戻ってステップＳ
１８からの処理を繰り返す。これによって、ステップＳ
１４で選択されたレーザ照射角で、かつ、ステップＳ１
６で選択された露出時間で撮影された赤色レーザ光照射
時の画像データと近赤外レーザ光照射時の画像データに
ついて、３次元の位置座標とその位置座標における反射
輝度とが関連付けられて記憶される。全波長についてス
テップＳ２１の処理が終了している場合〔ステップＳ２
２でＹＥＳの場合〕には、ステップＳ１４で選択された
レーザ照射角について，全ての露出時間の画像データ
（すなわち、短露出時間と長露出時間）についてデータ
処理が終了しているか否かを判断する（Ｓ２３）。全て
の露出時間の画像データについてデータ処理が終了して
いない場合〔ステップＳ２３でＮＯの場合〕には、ステ
ップＳ１６に戻ってステップＳ１６からの処理を繰り返
す。これによって、ステップＳ１４で選択されたレーザ
照射角で撮影された全ての画像データについてステップ
Ｓ１６からの処理が実行される。全ての露出時間につい
てデータ処理が終了している場合〔ステップＳ２２でＹ
ＥＳの場合〕には、次に、上述したデータ処理が全ての
レーザ照射角の画像データについて終了しているか否か
かを判断する（Ｓ２４）。全てのレーザ照射角の画像デ
ータについてデータ処理が終了していない場合〔ステッ
プＳ２４でＮＯの場合〕には、ステップＳ１４に戻って
ステップＳ１４からの処理を繰り返す。これによって、
撮影した全画像データの全てについてステップＳ２１の
処理が実行されることとなる。

【００２６】全ての画像データについてデータ処理が終
了している場合〔ステップＳ２４でＹＥＳの場合〕に
は、ステップＳ２１で格納された位置座標（ｘ，ｙ，
ｚ）と、その位置座標の各反射輝度（赤色レーザ光の反
射輝度，近赤外レーザ光の反射輝度）から、その位置に
葉があるのか枝・幹があるのかを判別する（Ｓ２５）。
すなわち、葉がある場合は、赤色レーザ光の反射輝度は
低く、近赤外レーザ光の反射輝度は高くなる。一方、枝
・幹がある場合は、赤色レーザ光と近赤外レーザ光の反
射輝度はともに高くなる。また、葉・枝・幹のいずれも
が無い場合は、赤色レーザ光と近赤外レーザ光の反射輝
度はいずれも低くなる。したがって、これらの特徴か
ら、各位置に葉があるのか枝・幹があるのかを判別す
る。これによって、測定対象物（植物又は植物群）の３
次元構造（葉と枝・幹の判別）が測定される。なお、衛
星画像解析の分野で提案されているＮＤＶＩ（正規化植
生指標）を用いて、求めた反射輝度から植物（植物群）
の分光反射特性を評価することもできる。具体的には、
露出時間を短くして撮影した画像データの反射輝度をそ
の露出時間で除算することで正規化し、また、露出時間
を長くして撮影した画像データの反射輝度をその露出時
間で除算することで正規化する。そして、この正規化し
た反射輝度でＮＤＶＩを求め、測定した植物（植物群）
を総合的に評価する。ＮＤＶＩは、次に示す式２であら
わされる。

【００２７】

【式２】

【００２８】式２中、Ｌ_refはレーザ光非照射時の正規
化された反射輝度を示し、Ｌ_redは赤色レーザ光照射時
の正規化された反射輝度を示し、Ｌ_irは近赤外レーザ光
照射時の正規化された反射輝度を示している。上述した
葉と枝・幹の相違による反射特性の相違から明らかなよ
うに、ＮＤＶＩの値が大きくなると、その位置に葉が存
在すると判定することができる。また、ＮＤＶＩの値が
小さくなると、その位置には葉が存在せず、枝・幹又は
植物が存在しないと判定することができる。したがっ
て、ＮＤＶＩの値によって植物（又は植物群）の葉の状
態が判定することができ、これによって植物の活性度
（健康度）を判定することができる。

【００２９】以上本実施例に係る測定装置の構造及び動
作を説明してきたが、次に、上述の測定装置を用いて森
林（植物群）を測定した例について説明する。まず、本
実施例に係る測定装置を用いた森林測定の応用例につい
て図８を参照して説明する。図８は、測定装置を用いた
森林の測定の応用例を模式的に示した図である。図８
（ａ）に示す例は、森林内にレーザユニット１０とＣＣ
Ｄカメラ２０を地面上に、地面と水平方向を撮影するよ
うに配置し、森林の低層部分を測定した例である。この
測定によって森林の低層部の植物群の状態（樹木の植
生，低層木の活性度）を判定することができる。図８
（ｂ）に示す例は、森林内にレーザユニット１０とＣＣ
Ｄカメラ２０を地面から上方に向って撮影するように配
置し、森林の上層部分を測定した例である。この測定に
よって森林内における高さ方向の葉の状態を判定するこ
とができる。図８（ｃ）に示す例は、森林の上方にレー
ザユニット１０とＣＣＤカメラ２０をセットし、森林の
林冠部を測定した例である。この測定によって林冠部の
葉の状態を判定することができる。図９及び図１０は、
実際に測定した実験結果を示している。すなわち、森林
の林床（地面）に測定装置を真上に向けて設置した場合
（図８（ｂ）の場合）の測定結果を３次元的に横から示
した図である。図中左側に落葉樹（コナラ）が、右側に
常緑樹（クスノキ）が示されており、植生指標（ＮＤＶ
Ｉ）が高いほど濃い色で示されている。各図の測定条件
は、それぞれ、図９は落葉期に露出時間０．０３秒（単
一露出時間）で測定した例であり、図１０は落葉期に露
出時間０．０６３秒（単一露出時間）で測定した例であ
る。図９，図１０から明らかなように、露出時間が短い
と測定装置から距離が近い植物群のみが観測され、一方
露出時間が長くなると測定装置から距離が離れた植物群
までが観測されている。ただし、露出時間が長くなる
と、測定装置から距離が近い植物群の植生指標が全て飽
和し、葉と枝・幹の区別が不能となっている（一方、図
９では測定装置から近い植物群の濃淡が表れている）。
したがって、露出条件を変えて複数の露出時間で植物群
を測定することで、植物群の３次元構造を広範囲に渡っ
て測定できることが確認された。

【００３０】上述の説明から明らかなように、本実施例
に係る測定方法では、ＣＣＤカメラ２０の露出時間を変
えて複数条件で撮影することで、短露出時間の測定によ
って測定装置から近い距離の植物（又は植物群）の３次
元構造を測定することができ、長露出時間の測定によっ
て測定装置から遠い距離の植物（又は植物群）の３次元
構造を測定することができる。また、赤色レーザ光と近
赤外レーザ光を照射して得られた輝度を、レーザ非照射
時に得られた輝度で修正するため、レーザ以外の光源
（月光、屋外広告灯等）の影響を除去することができ
る。

【００３１】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性
を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定方法を実施するための測定装置
の構成を模式的に示す図。

【図２】レーザユニットから照射されたスリットレー
ザ光による測定対象物の光切断像をＣＣＤカメラで撮像
する状態を模式的に示す図。

【図３】ＣＣＤカメラで撮像された画像から測定対象
物の３次元的位置を算出する際の原理を説明するための
図。

【図４】レーザユニットから照射されるレーザ光の照
射角を変えながら測定対象物の全体を測定する際の手順
を説明するための図。

【図５】画像撮影処理の手順を示すフローチャート。

【図６】データ取込処理の手順を示すフローチャー
ト。

【図７】画像解析処理の手順を示すフローチャート。

【図８】本実施例に係る測定装置による森林測定の応
用例を模式的に示す図。

【図９】測定結果の一例を示す図。

【図１０】測定結果の一例を示す図。

【符号の説明】

１０・・レーザユニット１２・・レーザラインマーカ１４・・ポテンションメータ１６・・ステッピングモータ２０・・ＣＣＤカメラ２４・・制御装置（パーソナルコンピュータ）３０・・プラットホーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者朴昊澤愛知県名古屋市千種区千代ヶ丘１番102− 314千代ヶ丘団地Ｆターム(参考） 2F065 AA53 CC00 FF04 FF66 GG04 GG22 HH05 HH18 JJ03 JJ08 JJ26 QQ24 QQ31 UU05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物に光を照射する光源と、光源
から照射される光に対し光軸が斜交するような位置関係
に配置される撮像器とを有する光学式測定装置を用い、
光源から植物又は植物群に光を照射し、植物又は植物群
から反射される光の輝度を撮像器で測定することで植物
又は植物群の３次元構造を測定する方法であり、植物又は植物群に対する光の照射方向が所定の方向とな
るように光源を位置決めする位置決め工程と、その位置決め工程で位置決めされた光源から光を照射
し、第１の測定時間内に植物又は植物群から反射される
反射光の輝度を測定する第１測定工程と、前記位置決め工程で位置決めされた光源から光を照射
し、第２の測定時間内に植物又は植物群から反射される
反射光の輝度を測定する第２測定工程とを有し、前記位置決め工程を繰り返すことで光の照射方向を変え
ながら、位置決めされた各照射方向について第１測定工
程と第２測定工程を行うことで、植物又は植物群の３次
元構造を測定することを特徴とする植物又は植物群の３
次元構造測定方法。
【請求項２】前記光源は少なくとも第１の波長の光と
第２の波長の光が照射可能となっており、前記の第１測
定工程と第２測定工程では、第１の波長と第２の波長の
光をそれぞれ照射し、それぞれの場合について反射され
る反射光の輝度を測定することを特徴とする請求項１に
記載の植物又は植物群の３次元構造測定方法。
【請求項３】前記第１測定工程で測定される反射光の
輝度は、光源から光を照射しない状態で第１の測定時間
内に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によっ
て補正され、前記第２測定工程で測定される反射光の輝
度は、光源から光を照射しない状態で第２の測定時間内
に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって
補正されていることを特徴とする請求項１又は２に記載
の植物又は植物群の３次元構造測定方法。