EBImageを用いた VR画像の変化域抽出と生態系ヘの活用 Wakamatsu Takumu @wakama1994 SappoRo.R #10

自己紹介 出身...北海道 経歴... 2018年 北海道大学　法学部卒 ❏ 計量政治学との出会いがデータ分析を始めるきっかけ 2020年 北海道大学 農学院　環境資源学専攻　修士修了 ❏ VR技術を用いた湿地景観のアーカイブ化 >今日の発表 2020年4月〜 Weathernews.Inc ❏ スポーツアナリティクス(2年) >気候変動の分析と開発(1年) R歴...主に学生時代 ❏ データ分析勉強会サテライトビューイングの運営 趣味... 一人旅 食べ歩き スポーツ観戦 物事の分析 wakama1994 Wakamatsu Takumu

VRカメラで湿原を撮影し EBImageで植生変化を抽出してみた！ 今日の発表内容

なぜVR画像を活用するのか？ ● 省力的な調査が可能で 植物の種の同定までできる ○ 人が出向いた調査は高齢化に伴い 専門家が激減 ○ 上空からの撮影技術 を活用する場合 内部の細かな状況は確認が困難 ○ VR画像だと 1度撮影するだけで誰でも湿原の内部環境 が確認できる 活用例 ① バーチャルツアーによる 映像アーカイブ Google street viewを活用 ②複数時期の画像からの 植生変化域の抽出 Rのcolormapを使用 リモートセンシング

映像の取得方法 ● 札幌市の篠路福移湿原で撮影 ● 撮影期間は2019年6~10月で 計5回（月1の頻度） ● 撮影地点は10地点 札幌 江別 石狩 小樽 篠路福移 当別 手動設営による タイムラプス撮影

実験方法 ● 画像の背景差分を行い 緑輝度値の標準偏差から変化を抽出 ○ 手動撮影によるズレも考慮し 複数ピクセルの正方形グリッド で抽出 ○ 生物の専門家が使うため OpenCVではなくRで実装されているEBImageを使用

解析コード # EBImage導入 install.packages("EBImage") library("EBImage") #ColroRamps導入 install.packages("colorRamps") library("colorRamps") #ディレクトリー選択 setwd("C:/Users/takum/Desktop/jikkenn_1") #画像読み込み img1 <- readImage("PIC_2019_06_13_1.jpg") img2 <- readImage("VID_2019_07_18_1.jpg") img3 <- readImage("VID_2019_08_27_1.jpg") img4 <- readImage("VID_2019_09_20_1.jpg") img5 <- readImage("VID_2019_10_31_1.jpg") #G輝度画像生成 img1g<- channel(img1，"green") img2g<- channel(img2，"green") img3g<- channel(img3，"green") img4g<- channel(img4，"green") img5g<- channel(img5，"green") #各グリッドサイズ(40，80，160，320px) の標準偏差を算出 g40<-array(numeric(192*96)，dim=c(192，96)) for(j in 1:192) {for(k in 1:96){ g40[j，k] <- sd(rbind(img1g[(j*40-39):(40*j)， (k*40-39):(40*k)]，img2g[(j*40-39):(40*j)， (k*40-39):(40*k)]，img3g[(j*40-39):(40*j)， (k*40-39):(40*k)]，img4g[(j*40-39):(40*j)， (k*40-39):(40*k)]，img5g[(j*40-39):(40*j)， (k*40-39):(40*k)])) } } g80<-array(numeric(96*48)，dim=c(96，48)) for(j in 1:96) {for(k in 1:48){ g80[j，k] <- sd(rbind(img1g[(j*80-79):(80*j)， (k*80-79):(80*k)]，img2g[(j*80-79):(80*j)， (k*80-79):(80*k)]，img3g[(j*80-79):(80*j)， (k*80-79):(80*k)]，img4g[(j*80-79):(80*j)， (k*80-79):(80*k)]，img5g[(j*80-79):(80*j)， (k*80-79):(80*k)])) } } g160<-array(numeric(48*24)，dim=c(48，24)) for(j in 1:48) {for(k in 1:24){ g160[j，k]<-sd(rbind(img1g[(j*160-159):(160*j)， (k*160-159):(160*k)]，img2g[(j*160-159):(160*j) ，(k*160-159):(160*k)] ，img3g[(j*160-159):(160*j)， (k*160-159):(160*k)]，img4g[(j*160-159):(160*j) ，(k*160-159):(160*k)] ，img5g[(j*160-159):(160*j)， (k*160-159):(160*k)])) } } g320<-array(numeric(24*12)，dim=c(24，12)) for(j in 1:24) {for(k in 1:12){ g320[j，k]<-sd(rbind(img1g[(j*320-319):(320*j)， (k*320-319):(320*k)]，img2g[(j*320-319):(320*j) ，(k*320-319):(320*k)] ，img3g[(j*320-319):(320*j)， (k*320-319):(320*k)]，img4g[(j*320-319):(320*j) ，(k*320-319):(320*k)] ，img5g[(j*320-319):(320*j)， (k*320-319):(320*k)])) } }

解析コード #各グリッドサイズの画像標準偏差の値をcsvファイルに書き込み write.csv(g40，"40g.csv") write.csv(g80，"80g.csv") write.csv(g160，"160g.csv") write.csv(g320，"320g.csv") #各グリッドサイズの画像標準偏差を正規化 nmax40<-max(g40) nmin40<-min(g40) nnorm40<-(g40-nmin40)/(nmax40-nmin40) nmax80<-max(g80) nmin80<-min(g80) nnorm80<-(g80-nmin80)/(nmax80-nmin80) nmax160<-max(g160) nmin160<-min(g160) nnorm160<-(g160-nmin160)/(nmax160-nmin160) nmax320<-max(g320) nmin320<-min(g320) nnorm320<-(g320-nmin320)/(nmax320-nmin320) #サイズ調整 nnorm_resize40<-resize(nnorm40，7680，3840) nnorm_resize80<-resize(nnorm80，7680，3840) nnorm_resize160<-resize(nnorm160，7680，3840) nnorm_resize320<-resize(nnorm320，7680，3840) #カラーマップ化 o= colormap(nnorm_resize40， blue2red(10)) writeImage(o，"color40.jpg") p= colormap(nnorm_resize80， blue2red(10)) writeImage(p，"color80.jpg") q= colormap(nnorm_resize160， blue2red(10)) writeImage(q，"color160.jpg") r= colormap(nnorm_resize320， blue2red(10)) writeImage(r，"color320.jpg") #カラーマップとエッジ域（6月の映像）の合成 kansei_40<-o+img1*0.3 kansei_80<-p+img1*0.3 kansei_160<-q+img1*0.3 kansei_320<-r+img1*0.3 #完成した図の書き込み writeImage(kansei_40，"kansei_40.jpg") writeImage(kansei_80，"kansei_80.jpg") writeImage(kansei_160，"kansei_160.jpg") writeImage(kansei_320，"kansei_320.jpg")

有効性の評価 変化域抽出に活用可能かを2つの事象で検証 ①適切な複数グリッドの選定 ○ 40px,80px,160px,320pxで比較 ■ 標準偏差の平均値を取り 一元配置分散分析を実施 ○ 6つのカテゴリーで検証 ■ 植物の成長（撮影近傍 ), 植物の成長（撮影遠方 ), 植物の枯死, 花の開花, 出穂,成長無 ■ 各カテゴリーの画像選定は目視で判別 ○ ピクセル間で差が無かった場合は実用面を考慮 ②植生変化抽出の有効性評価 ○ 選定した複数グリッドで成長無以外の 5つのカテゴリーと成長無との 平均の差の検定で植生変化 を抽出できたかの評価 ■ 撮影遠方成長の比較は別途遠方の成長無を リサンプルして評価 出穂 植物の 成長から枯死まで 出穂 湿原に咲く ノハナショウブ

①適切な複数グリッドの選定 40px単位 80px単位 160px単位 320px単位 ● どのカテゴリーでもpx間で有意な差が検出されない ● VR上での表示を考慮し 160pxが妥当と判断 ○ 40,80pxだとノイズのように表示され 320だと変化が特定しにくい恐れ

②植生変化抽出有効性評価 ● 撮影近傍の成長と枯死に有意差あり ● 遠望の成長,出穂,開花では有意差なし ○ 開花や出穂は緑輝度が不適当 ○ 遠方の成長に関しては グリッド数に問題あ り 同じpxでも表現する距離が異なる

まとめ ● 複数時期のVR画像から湿原植生の変化域抽出を実験 ○ 緑輝度値の標準偏差では植物の成長と枯死が検出可能 ○ 開花や出穂などの湿原特有の植生の検出は困難 ■ 検出できなかった項目は オブジェクト検出で改良できる可能性 ○ 今後研究室の方では 湿原への侵入による破壊を防ぐため UAVとVRカメラ使用した植生 調査とバーチャルツアー教材を制作予定 チューリップのオブジェクト検出例（バウンディングボックス）

研究室紹介 ● 北海道大学　農学部　生態環境物理学研究室 ○ https://sites.google.com/view/hiroyuki-yamada ● 指導教官　山田浩之先生 ● 学生さんの研究テーマ (計 7名) ○ 鳥類のモニタリング（ M2 1名 B4 2名） ○ 湿原再生地域の植生モニタリング (M2 1名) ○ 湖沼の生態系調査（ M1 2名 B4 1名） ■ 今回紹介した技術は阿寒湖のマリモを VRカメラ調査している学 生さんに引き継がれてます！ ● 学生さん作成の研究室紹介動画もあります ○ https://www.youtube.com/watch?v=v9ZsjvYN1eM IoTカメラを用いた水鳥モニタリング カメラによるマリモ調査

補足資料: 研究で撮影したバーチャル（VR）ツアー ● 篠路福移湿原のバーチャルツアー ● 雨竜沼湿原のバーチャルツアー　 ● 別寒牛湿原（厚岸町）のバーチャルツアー