LiDARの様々な表面に対する驚くべき透過能力

Jul 02, 2025

LiDAR point clouds provide relevant information for forestry applications

LiDAR技術は、毎秒数十万のレーザーパルスを送信する。LiDAR技術は、毎秒数十万のレーザーパルスを送信し、調査されたエリアにおいて2.5～10センチメートルという驚異的な精度を達成します。この精度は、地質学から都市計画まで、あらゆる種類のアプリケーションに役立つ詳細な3D点群を作成するためのデータ取得に最適な方法です。

LiDARは、植生を透過して森林キャノピー下の地表面をマッピングするときに真価を発揮する。この技術の性能は素材によって大きく異なる。LiDARは水深を効果的に測定し、生い茂った葉の隙間を見通すことができる。しかし、木材や密度の高い土壌のような固い表面では苦戦する。地下の検知は、一般的な土壌条件では数センチにしか達しない。

この詳細な記事では、LiDARのさまざまな表面（植生や水面から大気条件や地盤材料まで）を貫通する能力に迫ります。異なる環境におけるこの技術の長所と限界がわかります。LiDARが最適に機能する場所と、代替アプローチが必要な場合を理解するのに役立ちます。

植生と建物の構造を詳細に示すトップダウンLiDARビュー

LiDAR技術の基礎と貫通原理

LiDAR技術は基本的な原理で動作する。レーザーパルスを表面に送り、そのパルスが跳ね返ってくるまでの時間を測定する。この時間測定は、簡単な計算式を使って正確な距離を算出するのに役立つ：距離＝（光速×経過時間）÷2。異なる表面へのシステムの到達距離は、いくつかの技術的要因に依存する。

LiDARの波長が貫通能力に与える影響

レーザーの波長は、LiDARが様々な物質にどれだけ深く到達できるかに重要な役割を果たします。約1064nmの近赤外線（NIR）波長は、植物や建物からの強い反射がある陸地のマッピングに最適です。この波長は陸地では優れていますが、水面を透過するのは困難です。

532nmの緑色波長は水中でより良い結果を示し、水中の地形をマッピングする水深測定LiDARシステムに最適です。この波長は、水中での透過率と水中粒子からの後方散乱の抑制の間で適切なバランスを保っている。

海洋マッピングは、世界の海洋の61.82%で波長488nmが最も効果的であり、443nmはさらに14.81%をカバーしている。太陽フラウンホーファー線に一致する特殊な波長（486.134nmと438.355nm）は、背景光を約70％カットする。この削減により、システムは水深5.0%まで到達することができる。

浸透深度を決定する主な要素

LiDARがどの程度の深さまで到達できるかは、いくつかの重要な要素によって決まる：

1.レーザー特性：パルスエネルギー、繰り返し周波数、ビームの広がりは、システムがどの程度の深さまで見ることができるかに影響する。パルスエネルギーが高ければ高いほど飛距離は向上するが、波長によっては目の安全性に問題が生じる可能性がある。
2.材料特性：LiDARは、乾燥した土壌、砂地、または粘土質の土壌を、密度の高い材料や岩石質の材料よりもよく透過します。含水率も浸透に影響し、濡れた材料はレーザーパルスを吸収し、表面下の物体を発見するのが難しくなります。
3.センサーの感度：より優れた検出器はより弱い信号を拾うことができるため、パルスが物質を通過してエネルギーの多くを失った後でも物体を見つけることができる。
4.スキャニング・メカニズム：ビームの角度は反射の質に影響する。通常、水面を透過する場合、角度が急なほど良い結果が得られる。
5.ビーム発散：集光されたレーザービームは、森林の樹冠を透過するのに適している。

貫通力強化のための信号処理技術

最新の信号処理方法は、LiDARがより深く見るのを助ける：

全波形解析は、単一点だけでなく、完全な反射レーザー信号をキャプチャします。この方法は、パルス強度、エコー幅、波パターンを調べることで、水柱、水中の特徴、水の透明度の詳細なモデルを作成するのに役立ちます。また、厳しい条件下での微弱な反射信号の信号処理を微調整することで、システムの深海探査を支援します。

後方散乱低減法は、壁透過レーダーシステムの空間フィルタリング技術を使用する。これらの方法は、水中の粒子からの不要な反射をカットし、濁った状態での測定精度を向上させる。

二重周波数変調は、高周波システムにおけるレンジの混乱を軽減します。一例を挙げると、20MHzの差のある2つの周波数（160MHzと140MHz）を使用することで、澄んだ水中でも濁った水中でもクリアな信号が得られることをご覧ください。

森林環境のLiDAR点群レンダリング

植生と樹冠の浸透能力

LiDARシステムは実際には植生を見通すことはできない。レーザーパルスの一部が樹冠の下の地面に届くような葉の隙間を検出するのだ。この違いは、従来の写真測量技術では直接見えない対象物を特定することができない、密林下の地形マッピング技術を理解するのに役立つ。

森林キャノピーを貫通する最大侵入深度

密生した熱帯雨林では、LiDARパルスの10％から30％しかキャノピーを透過して地上に到達しない。透過率は森林の種類や構造によって変化する。より複雑な構造を持つ森林では、LiDARデータの解像度を調整する必要があります。より単純な構造を持つ南部の森林は25～50メートルの解像度でマッピングできますが、太平洋岸北西部の複雑な森林は異なるパラメータが必要です。

ガイガーモードLiDARは、キャノピー貫通能力を向上させた。この技術は、従来のリニアモードシステムとは異なり、単一光子を検出できるフォトダイオードアレイを使用している。システムは赤外光でエリアを照らし、アレイの各ダイオードは照らされた表面から跳ね返ってくる個々の光子を捉える。

技術的な利点は大きな違いを生む：ガイガーモードでは、1秒間に最大50,000回のフラッシュを行い、1回のフラッシュにつき4,096回の測定値を取り込む。これは毎秒約2億500万サンプルに相当する。1回の上空飛行で、1平方メートルの地形を何千回もサンプリングできる。レーザーパルスが葉や枝の間の隙間を見つける機会が複数あるため、密集したキャノピーの下でも地上の検知が向上する。

植生を見通すLiDARの能力に影響する要因

これらの重要な変数は、LiDARの植生浸透能力に影響を与える：

パルス特性とシステム設計

ビーム発散角：ビーム発散角が小さいシステム（例：0.5ミリラジアン）では、スポットサイズが狭くなる（キャノピーレベルで約2インチ）。これにより、葉の隙間を発見できる可能性が高まります。
リターン分析：高度なLiDARシステムは、各送信パルスから最大5つのリターンを解析することができる。これは、キャノピートップから地面までの複数のレイヤーを検出するのに役立ちます。
パルス密度：より高い密度（1平方メートルあたり800以上のパルス）により、地上の検出率が大幅に向上します。

環境条件は浸透効果に重要な役割を果たす。研究によると、水分レベルは性能に影響する。降雨直後のLiDAR調査は、表面上の水分がレーザーエコー信号を弱めるため、より低い浸透率を示しています。現在の空中LiDARは1000-1500nmの近赤外線波長を使用しています。これらの波長は、植生からの反射率を低下させるいくつかのシステムで使用されている緑色の波長（532 nm）とは植生との相互作用が異なります。

季節によっても性能は変わる。落葉樹林では、葉のある状態と葉のない状態で浸透率の違いが見られる。冬季のスキャンでは、春、夏、秋の採取に比べ、一般的に高さの偏りが大きくなる。現地調査によると、夏の落葉樹林では、透過率が平均樹高の18%（6.2メートル）に達することがある。これは冬季には24％（8.2メートル）に増加する。

林業と保全における地上での応用

キャノピーを貫通する方法を知ることで、様々な分野が変わりました。LiDARは森林管理者が樹木の高さ、キャノピー密度、地形を正確に測定するのに役立ちます。このデータは、木材伐採、間伐、全体的な健全性評価の計画に役立ちます。

リンカーン研究所は、密生した熱帯雨林の樹冠の下で人間を検知できるドップラーシフトセンシングLiDARという新しいものに取り組んでいる。このシステムは、自然の植生の動きとは異なる、人間のユニークな動きの「シグネチャー」を特定することを目的としている。現在のシステムでは、樹冠下の構造物は検出できるが、人間は検出できない。

キャノピー貫通機能により、野生生物の保護に貢献。詳細な地形マッピングにより、倒木、水源、営巣の可能性のある場所など、他の方法では隠れてしまうような重要な生息地の特徴がわかる。この技術は、樹木の密生下に隠れた建造物やキャンプを明らかにすることで、無許可の伐採から野生動物の密売まで、保護林における違法行為の抑制に役立っている。

LiDARは、水文学と侵食制御のために森林流域の地盤高を正確に測定するのに役立ちます。これは洪水リスクの評価と管理計画をサポートする。以前は見えなかった小さな流れや排水パターンが見えるようになり、より正確な水文学的モデリングが可能になります。

分類なしの森林の点群

地盤分類による森林の点群

水と雪の浸透性能

LiDARシステムは、意味のある深さに到達するために特別なセットアップを必要とする水や雪の環境でユニークな課題に直面しています。レーザーパルスは、驚くべき能力と明確な限界の両方を明らかにする方法で、これらの環境と相互作用します。

水深測定LiDAR：水面を見通す

水深測定LiDARは、水面を透過するのに非常に有効なグリーンレーザーパルス（通常、波長532nm）を使用します。澄んだ水はこの波長をほとんど吸収・散乱しないため、水中マッピングが可能になる。水の透明度は、システムが到達できる深さに影響する。透明度が高い場合、最大深度は25メートルに達する。これらのシステムは通常、セキ深度（水の透明度の標準的な尺度）の3倍までの深度を測定する。

光は水に入ると曲がるため、測定プロセスには複雑な飛行時間計算が必要だ。レーザーパルスは2つの信号を生成し、1つは水面から跳ね返ってくるが、残りは水中を移動して海底で反射する。最新のシステムは、この2つの信号を解析して正確な深度を計算する。

いくつかの要素が、システムの浸透性に影響する：

水の濁度（浮遊物質と藻類）
サーフェスコンディション（波とチョップ）
底面反射率特性
レーザーエネルギー出力と受信感度

雪の貫通能力と限界

科学者たちは、雪に覆われた地表面とむき出しの地表面のデータを比較することで、雪の深さを測定する。この方法は非常に正確である。不確かさが10センチ以下になるシステムもある。これらのシステムがうまく機能するかどうかは、環境条件が大きく影響する。

iPhone LiDARモジュールを民生用ドローンに搭載したテストでは、素晴らしい結果が得られた。二乗平均平方根誤差はわずか3cm、積雪深の絶対平均誤差は2.5cmだった。先進的なシステムでも、時には苦労することがある。1550nmの波長は、905nmの波長よりも積雪に対して問題がある。

森林はさらなる課題を生む。調査によると、森林地帯では野外に比べて誤差が非常に大きいことが明らかになっている。ある研究によると、平均絶対偏差（MAD）は畑では0.96cmだが、森林では9.6cmだった。

水文・氷河マッピングのケーススタディ

氷河学者がLiDARを好むのは、広域の詳細なデータを素早く収集できるからだ。この技術は、10cm近い精度で小さな氷の表面の特徴をとらえる。

LiDARシステムは特定の氷河の特徴を見つけることに優れている。クレバス、モレーン、メルトストリーム、ムーラン（陥没穴）など、他の方法では見逃すような氷河の特徴を発見することができるのだ。科学者たちは現在、氷河の動きを驚くほど正確に追跡している。ヘルハイム氷河の地上レーザースキャニング（TLS）は、手作業とデジタルの両方で小さな特徴も追跡することができる。

LiDARの価値は実世界での応用が証明している。LiDARは、氷河-水文学的プロセスをこれまで以上に優れた形でモデル化するために不可欠なデータを提供します。エアボーンLiDARは、マスバランスのモニタリングのような氷河マッピングタスクに、予算に見合ったソリューションを提供します。

YellowScan Navigatorで作成した水深測定点群

海底地盤を示す水深測定点群のスライス

霧、雨、雲を通しての大気透過性

天候はLiDARセンサーに大きな課題をもたらします。霧、雨、雪のような大気の状態は、さまざまな物理的メカニズムを通して性能に影響を与えます。最新のセンサー技術の進歩は、地上アプリケーションにとって重要なこれらの環境的障害を排除していません。

LiDARはどのように異なる気象条件を透過するか

悪天候は、吸収、散乱、表面反射率の低下という3つのメカニズムを通してLiDARの性能に影響を与える。雨は2つの方法でLiDARの有効性を低下させます。レーザーパルスがターゲットに当たる前に雨粒で跳ね返るため、点群（NPC）が減少する。パルスが降水物に当たって早く戻りすぎると、距離精度が低下する。

LiDARの波長は、大気の状態によって異なる反応を示す。1550nmの波長システムは、完璧な条件下ではより長い範囲を提供しますが、悪天候ではこの優位性が失われる可能性があります。AEye 4Sight Mセンサーは1550nmの波長を使用し、様々な雨の強さに対して顕著な強さを示します。その高いレーザー出力は、より良い透過性によって安定した点群数を維持するのに役立ちます。

耐候性はシステム設計で大きく変わる。EarthCARE衛星に搭載された大気ライダーは、特化した設計の最たるものだ。紫外線レーザービームを照射し、スマートな検出方法で異なるタイプの散乱を見分ける。受信機は後方散乱信号を3つのチャンネルに分解する。これは粒子と分子の相互作用を別々に測定するのに役立つ。

晴天と霧の中でのパフォーマンス比較

晴天と悪天候では、性能に歴然とした差が見られる。時速25ミリの大雨はLiDARの範囲を15～20％削減する。霧の場合は50％低下する。リンホフのチームは、これを裏付ける6ヶ月間の研究を行った。雨量10mm/hでセンシングが失敗し始め、50mm/hでターゲット検出が停止することがわかった。

LiDAR技術は、霧の中では人間の視覚やカメラを凌駕することがある。視界と性能の関係は必ずしも単純ではない。

視界不良下での自律走行アプリケーション

自律走行車には悪天候でも信頼できるLiDARが必要。ディープラーニングはここで有望である。研究では、晴天時の大きなデータセットでのトレーニングが、あらゆる天候で同様に機能することが証明されている。これは、システムには悪天候のトレーニングデータが必要だという信念に挑戦するものだ。

より優れた信号処理も役立つ。完全な波形解析は、自動運転システムが厳しい条件下での信号を理解するのに役立つ。多くのメーカーが特別なアルゴリズムを作成している。これらは点群から雨、霧、埃をフィルタリングする。その結果、知覚と検出精度の向上に役立っている。

将来的には、単一のセンサー・ソリューションではなく、センサー・フュージョンが重要になる。これにより、車両はどのような状況でも最高の環境認識を得ることができる。LiDARはレーダーや他のセンサーと連携し、悪天候時の個々の弱点をカバーする。

YellowScan Mapper LiDARシステムを搭載した空中マッピング用ドローン

地面と固体表面の貫通制限

LiDARは表面の特徴をマッピングするのに優れていますが、その下にあるものについては疑問が残ります。固体表面は、レーザーの透過に関して、植生や水とは異なるユニークな課題をもたらします。

LiDARは地下を見ることができるか？よくある誤解を覆す
人々は、LiDAR技術が森林キャノピーの下の地形をマッピングするように、地下を「見る」ことができると考えがちです。この比較は科学的な精査には耐えない。LiDARが使用するレーザーパルスは地表で跳ね返ったり、吸収されたりするからだ。

科学的には理にかなっている。木々や草木には隙間があり、一部のパルスは地面に到達する。土や岩は強固な障壁となる。これらの表面に当たった光は吸収または反射され、ほとんど通過しない。透過したわずかな光は、標準的なLiDAR機器では検出できないほど弱い信号を送り返す。

調査によると、標準的なLiDARシステムは土壌の数センチしか到達できない。このため、LiDARによる地下マッピングは現実的ではありません。LiDARの地下マッピング能力に関する主張は現実と一致しない。

砂と土壌の浸透能力

素材によって、光を通すレベルは異なる。乾燥した土壌は、密度の高い、または岩の多い物質よりも光をよく透過させます。LiDARがどの程度の深さまで到達できるかを決定する主な要因は以下の通りです：

1.土壌の水分量：水分はレーザーパルスを吸収し、強度を低下させる。
2.素材の密度：コンパクトでない素材は、光をわずかに深く通す
3.センサーの感度：より優れたセンサーが、より深い層からの微弱な信号をキャッチする可能性がある

キャリブレーションとデータ処理アルゴリズムは、浅い浸透にもかかわらずマッピング精度を高めるのに役立つ。特殊な商業用LiDARシステムでさえ、一般的な地表に数センチメートル以上入り込むことはほとんどない。

地下マッピングの代替技術

LiDARの地下での限界は、より良い地下マッピングオプションにつながった：

地中レーダー（GPR）がその筆頭だ。GPRは、光の代わりにレーダーパルスを使用して、地下にあるものの画像を作成します。これにより、他の方法よりも埋もれた地物の鮮明な画像が得られる。

Exodigo “システムは、現代のテクノロジーで何が可能かを示している。GPR、電磁波測量、磁気技術、高解像度3DイメージングとAI処理を組み合わせたものだ。これにより、掘削することなく詳細な地下地図を作成し、既知の電線と隠れた電線の両方を見つけることができる。

電磁気法は、金属や特定の鉱物のような導電性物質を見つけるのに最も効果的です。比抵抗画像は、電気抵抗に基づいて物質を区別します。地震探査は、GPRよりも深いところまで到達しますが、それほど詳細な情報は得られないため、より大きな地質構造をマッピングするのに適しています。

水深LiDARデータシステムでマッピングされた沿岸域の点群

LiDARペネトレーション能力に関する要点

LiDAR技術はあらゆる種類の表面で効果を発揮するが、浸透する能力は材料の特性や環境条件によって大きく異なる。最新のLiDARシステムは、特殊な波長と高度な信号処理を用いて素晴らしい結果を達成している。これらのシステムは、透明な水中で最大25メートルまで浸透することができ、10〜30％の成功率で厚い森林の樹冠を通して地表面を検出することができます。

基本的な物理学の原理は、いくつかの変更不可能な限界を作り出す。固体表面はレーザーの透過をほぼ完全に遮断するため、地面からの透過は数センチにしか達しない。天候も大きな役割を果たす。大雨は有効射程を15～20％短縮し、濃霧は能力を最大50％低下させる。

LiDARは特定の用途で輝きを放つ一方で、仕事を成し遂げるために他の技術が必要な場所を示している。LiDARは水深調査、森林構造分析、大気モニタリングに優れている。地下のマッピングには、地中レーダーや電磁法などの別のツールが必要です。

これらの長所と限界を知っている専門家は、必要な適切なツールを選ぶことができる。LiDAR技術は、特に信号処理とセンサー感度が向上し続けている。これにより、物理的な限界の中で作業しながら、できることが広がっています。