ハイパースペクトルカメラで環境を調査！
リモートセンシングで広範囲をスムーズに分析

今回は「自然環境の調査」や「作物の管理」に、ハイパースペクトルカメラをご活用いただけるというお話をお伝えします。

環境保全を始め、分析や評価、モニタリングなど「自然環境」の調査には、多様な計測器を使った様々な方法で行われます。しかし、こうした調査には、時間や手間のかかる方法も多くあります。

ハイパースペクトルカメラを用いることで、手間をかけずに、定量的な分析を行うことができます。

今回はハイパースペクトルカメラでの「自然環境の調査」について、様々な撮影事例をもとにご紹介します。

記事前半では「ハイパースペクトルカメラの強み」や「データ分析の仕組み」をまとめました。
後半では、実際の撮影事例（森林の調査）を見ながら、具体的な撮影・データ分析について、お伝えしていきます。

ハイパースペクトルカメラの強み

私たちが普段使用している「RGBカメラ」は、3バンド（Red, Green, Blueの3波長）のみ撮影しますが、ハイパースペクトルカメラは数百バンド以上の波長情報を取得できます。

このため「植生図の作成」など、RGBカメラにはできないことも、ハイパースペクトルカメラを使うことで可能になります。

ポイントは、ハイパースペクトルカメラの撮影データは「画像情報である」ということです。

つまり、データは「視覚的」に確認できます。
これがハイパースペクトルカメラの一つ目の強みです。

視覚的に確認できる

通常のRGBカメラで撮影した画像（RGB画像）では、外来種の雑草の見分けがつきません。
しかし、ハイパースペクトルカメラで撮影し、ソフトウェアで処理を施すと、外来種の雑草を視覚的に確認できることがわかります。

このように、ハイパースペクトルカメラで、特定の区域を撮影することで「外来種の雑草」と「その他植物」を区別する、といったことが可能です。

「植生図の作成」や「土地被覆の分類」も可能です。
例えば、植生分布も画像で色分けして確認できます。

様々な対象を分析できる

ハイパースペクトルカメラの二つ目の強みは、植物、鉱物、水など、固体から液体まで様々な対象を分析できることです。

このように、ハイパースペクトルカメラで撮影することで、異なる対象を分類できます。
目視では確認しづらい対象であっても、ハイパースペクトルカメラのデータを使うことで区別できます。

次は「植物」を分析した事例を見ていきましょう。

このように、ハイパースペクトルカメラで撮影することで、クロロフィルといった「成分」レベルでの分析も可能になります。例えば、クロロフィルの含有量を求める、といったように、定量的な分析も可能です。

ハイパースペクトルカメラ分析の仕組み

ハイパースペクトルカメラは、様々な対象を分類したり、定量的に分析できます。

なぜ、このようなことが可能なのでしょうか？

それは、ハイパースペクトルカメラが「波長」を分析しているからです。
ここからは「ハイパースペクトルカメラの分析の仕組み」を見ていきます。

まずは、大まかな撮影のプロセスから、お伝えします。

ハイパースペクトルカメラの撮影プロセス

このように、ハイパースペクトルカメラは「リモートセンシング」での撮影も可能ですので、フィールドワークや、自然環境の調査でも活躍しています。

撮影したデータは、専用のソフトウェアを使って分析します。

ポイントは、この「波長データ」にあります。

波長データを見ることで、様々な対象を分類したり、定量的に分析できるようになります。

波長データの分析

実は、物質ごとに、反射や吸収する波長は異なっています。

こちらは岩石の波長データです。

石によってグラフの傾き（波長ごとの強度）が異なっていることが見て取れます。
さらに、波長データは物質ごとに一定のパターンがあります。

つまり、物質ごとの波長パターンを見ることで「岩石の種類を特定する」といった、物質の「特定」が可能になります。

これは分子レベルでも可能で、例えば「コンクリートの塩分量」や「植物の葉のクロロフィル含有量」を割り出すこともできます。

様々な対象を分類したり、定量的に分析できるため、ハイパースペクトルカメラは様々な用途で活用されています。

ハイパースペクトルカメラによる森林調査

ここからは、ハイパースペクトルカメラの撮影事例として、植生分類を中心に「森林調査」の事例を見ていきます。

植生分類

ハイパースペクトルカメラを航空機やドローンに搭載することで広範囲の植生分類が可能です。

こちらは、ヒースランドを撮影した事例です。

ヒース（Heath）とは、ツツジ科の低灌木（エリカ属）のことで、ヒースが群生する荒地も指します。（本来はヨーロッパ北部の平坦地の荒地を表す言葉でした。）
ヒースの土壌は、酸性で肥沃度が低く、多くは砂質のため排水されやすいといった特徴があります。

面積の大部分を占める「紫色」で表されたエリアは、ヘザー（Heather）で、ヒースの表土に生えたエリカ属の植物を指します。
「緑色」は樹木を指し、「肌色」は裸地や草むらを表しています。

ハイパースペクトルカメラで撮影した波長データ（スペクトルデータ）は、機械学習で解析できます。

スペクトルデータは、物質ごとに一定のパターンが見られます。ヘザー、樹木、裸地では、それぞれ、異なるパターンを示します。
さらに、ハイパースペクトルカメラは「1ピクセルごと」に、膨大な波長データを取得できます。

つまり「1ピクセルごと」の波長データを見ることで、そのピクセルが、ヘザー、樹木、裸地のどれに分類されるかがわかります。

このように、ピクセルごとに分類できるため、裸地に生えている、わずかな「わらびの分布」もしっかりと確認できます。

加えてハイパースペクトルカメラは「特定の樹木」を識別できます。こちらをご覧ください。

ハイパースペクトルカメラで撮影し、機械学習によって分析することで、植生分類が可能です。

通常の植生分類は、人手も時間もかかる作業ですが、ハイパースペクトルカメラを用いることで、植生分類もスムーズに行えます。

樹木の分析

ハイパースペクトルカメラで撮影することで「樹木の高さ」をマッピングしたり、「植物・樹木の健康状態」を評価できます。

こちらは「樹木の高さ」をマッピングした事例です。

樹冠の高さ（m）が高いほど「濃い緑色」として表現されています。

「植生分類」や「樹冠の高さ」による分類の他にも、ハイパースペクトルカメラによる分析で、様々な分析が実現します。

ハイパースペクトルカメラで様々な対象をスムーズに分析！

ハイパースペクトルカメラは、様々な対象を分析できます。
例えば、土壌の分析では、種類を見分けたり、含水比を推定するといったことが可能です。

他にも、ミシシッピ川流域で、ハイパースペクトルカメラが現場測定を行い、硝酸塩、リン酸塩などを検出しました。このように、河川の汚染の分析もできます。

また、ハイパースペクトルカメラは農業分野でも使われています。

鉱物の分類

作物の収穫量を予測

ハイパースペクトルカメラを用いることで、クロロフィル量など「収穫量の予測に必要なデータ」を取得できます。

こちらの事例の詳細は「農業分野」の事例記事に記載しておりますので、必要に応じてご参照ください。

詳細はこちら（農業分野の事例）

リモートセンシングでデータ取得がスムーズに

「冬小麦の収穫量の予測」を始め「植生分析」でも、リモートセンシングによって、広範囲の撮影・分析が可能になりました。

ドローン技術の進歩によって、安定したスペクトルデータの撮影が可能になりました。

スペクトルインデックスを使用することで、データから、健康状態、クロロフィル含有量、水分含有量、構造情報等の情報を抽出できるため、広範囲を、素早く、定量的に、分析できます。

手作業による調査や管理、モニタリング、ラボでの分析には、膨大な時間と労力が必要ですが、リモートセンシングによって、必要なデータの取得がスムーズになる可能性があります。

「リモートセンシングでのハイパースペクトルカメラの撮影の様子」をまとめたコンテンツもございます。「機材一覧」や「カメラの取り付け手順」など、他では見られない詳細な情報をご覧いただけます。

【動画あり】UAV×ハイパースペクトルカメラ撮影デモ

関連製品のご紹介

当ページでご紹介した研究事例で実際に使用されたハイパースペクトルカメラです。

他にも、リモートセンシングが可能なUAVハイパースペクトルカメラを取り揃えております。
「UAVハイパースペクトルカメラご紹介」ページでは、ハイパースペクトルカメラの強みがわかりやすくまとまっていますので、ご参考ください。

UAVハイパースペクトルカメラご紹介

KLV大学「ハイパースペクトルカメラコース」には、基礎から用途例、研究例まで、多数の情報がまとまっていますのでご参考ください。

弊社（ケイエルブイ株式会社）はハイパースペクトルカメラの導入実績が豊富にございます。（実際にリモートセンシングでの製品の導入実績もございます。）
豊富な経験をもとに、お客様の用途に合わせた、最適な一台をご紹介いたします。

また弊社はハイパースペクトルカメラの専門家として「データ分析」でもお客様をサポートできます。
ソフトウェアの基本的な使い方を始め、機械学習を使ったスペクトルデータ分析にも知見がございます。（関連コンテンツ：機械学習/ディープラーニングを活用したスペクトル解析）

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