ドローンの目には何が見える？ 光・熱・レーザーで見る世界

第3弾では、ドローンが安全に飛ぶために、自分の場所やかたむきを確かめるセンサーを見ました。今回は、ドローンが仕事の情報を集めるために積んでいる「目」の話です。
第3弾「ドローンはどうして迷子にならないの？」など、これまでの回を読んでいなくても、ここから読めます。

今回のナビゲーター

スカイ博士：ドローン研究ひとすじ40年。「なぜだと思う？」と問いを返します。

ひなた：小学4年生。口ぐせは「なんで？ やってみたい！」。みんなの代わりに、気になることを聞きます。

ひなた

テレビで見たの。真っ暗な夜なのに、ドローンの画面には人の形が白く光ってた！ 暗い夜でも見えるなら、ドローンには特別な目があるの？

スカイ博士

半分は当たりじゃ。あの画面は、人の体から出ている、目には見えない光を受け取って、色をつけて見せたものなんじゃよ。

ひなた

体から光が出てるの？

スカイ博士

人の目には見えんがな。ドローンは、見える光、見えない光、自分で出した光を使い分けて調べておる。ただし、どの目にも得意なものと苦手なものがある。なぜだと思う？

今日の問いは、人間の目だけでは見つけにくいものを、ドローンはどう調べるの？です。先に答えを言うと、一番すごいセンサーがひとつあるわけではありません。知りたいことに合わせて、センサーを選んでいるのです。

第1章 飛ぶための目と、仕事のための目

第3弾で見たIMU、GNSS（GPSなど）、コンパス、障害物を見つけるカメラや距離センサーは、ドローン自身が安全に飛ぶための部品でした。今回の主役は、それとは別に、点検や測量、農業、災害の現場で仕事の情報を集めるために積むセンサーです。

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表1｜同じドローンに積んでいても、役目がちがいます。

ひなた

あれ？ 第3弾にもカメラやレーザーが出てきたよ。

スカイ博士

よく覚えておるな。同じレーザーでも、ぶつからないために使うのか、地面の形を記録するために使うのかで、求められることがちがう。今日は「記録するため」の目じゃ。

光には、見える光と見えない光がある

人の目に見える光は、虹の紫から赤までのせまい範囲です。NASAの解説では、人の目が感じられるのはおよそ380〜700ナノメートルの波長はちょう（光の波の長さ。1ナノメートルは1ミリメートルの100万分の1）とされています。

赤よりも波長の長い側には、目に見えない赤外線せきがいせんが続きます。赤に近い「近赤外線」は植物を調べるのに、もっと波長の長い「熱赤外線」は温度のちがいを調べるのに使われます。同じ赤外線でも、使い道がちがうのです。

第2章 RGBカメラは「色と形」を見る

スマートフォンのカメラと同じように、多くのカメラは光を赤（R）・緑（G）・青（B）に分けて受け取り、組み合わせて色を作ります。だからRGBカメラと呼ばれます。人の目に近い見え方なので、写真を見た人がすぐに状況を理解できるのが強みです。

得意なのは、ひび、さび、色の変わったところ、物の形や位置です。ズームを使えば、近づかなくても細かく写せます。重なり合う写真をたくさん撮ってつなぐと、地図や立体の模型も作れます（第1弾の「お仕事ずかん」に出てきた測量の仕事です）。

一方で、写真に写るのは表面だけです。ひびが奥のどこまで続いているか、中の鉄筋がさびているか、なぜひびが入ったのかは、写真だけでは決められません。暗い場所や強い逆光、こい影も苦手です。

ひなた

すごく細かく写るカメラなら、橋がこわれそうかどうかも分かる？

スカイ博士

写真は、見つけるための大切な手がかりじゃ。じゃが「どれくらい危ないか」を決めるのは、写真を見た専門の人なんじゃよ。

国土交通省の道路橋の点検の決まりでは、橋の状態は近くで目で見る近接目視きんせつもくしか、それと同じように評価できる方法で調べることになっています。集めた情報から橋の状態を区分するのは、知識と技能をもつ点検者です。ドローンの写真は、その判断に使う情報のひとつです。

第3章 サーマルカメラは「赤外線」から温度のちがいを見る

同じような材質なら、温かいほど赤外線を多く出す

すべての物は、目に見えない赤外線を出しています。同じような材質のものなら、温度が高いほど、出す赤外線の量も多くなります。たき火や日なたの道路から感じる「ぽかぽか」も赤外線です。

サーマルカメラ（熱画像カメラ）は、この赤外線を受け取るカメラです。あるメーカーのドローン用サーマルカメラの仕様表には、受け取る赤外線の波長が8〜14マイクロメートル（1マイクロメートルは1ミリメートルの1000分の1）と書かれています。

画面の色は、あとからつけた色

サーマル画像の赤や黄色は、物の本当の色ではありません。受け取った赤外線の強さに合わせて、コンピューターが色を割り当てています。同じデータでも、白黒にしたり、温かい所を白く見せたりできます。冒頭でひなたが見た「白く光る人」も、そういう見せ方のひとつです。

暗くても見える。でも、かべの向こうは見えない

物が出す赤外線は、明かりがなくても届きます。だから夜でも、まわりとの温度のちがいをとらえられることがあります。消防庁の資料でも、建物火災の確認や捜索、夜間の訓練で、ドローンの赤外線カメラが使われていることが紹介されています。

ただし、サーマルカメラは透視とうし装置ではありません。サーマルカメラのメーカーは、かべは向こう側からの赤外線をさえぎるので、かべの向こうは見えないと説明しています。映っているのはかべの表面の温度です。葉が重なった森も、葉にさえぎられて下が見えにくくなります。

ひなた

ガラス窓ごしなら見えるんじゃない？

スカイ博士

ガラスは目に見える光は通すが、サーマルカメラが使う赤外線はほとんど通さん。窓に向けると、向こうの部屋ではなく、窓に映った自分の熱が見えることがあるんじゃ。

温度の数字は「見かけ」。条件で変わる

サーマルカメラが直接受け取っているのは、温度そのものではなく赤外線の強さです。そこから温度を計算するので、次のような条件で数字が変わります。

• 放射率ほうしゃりつ：同じ温度でも、物によって赤外線の出しやすさがちがう。ぴかぴかの金属は出しにくい
• 反射：つるつるの面は、空やまわりの物、人の熱を鏡のように映す
• 距離と空気：遠いほど、とちゅうの空気で赤外線が弱まる。湿気も関係する
• 角度：ななめから見ると反射が増え、正しく測りにくくなる

ひなた

じゃあ、パネルが熱く見えても、本当に熱いとはかぎらないんだ。

スカイ博士

そのとおり。「熱く見える場所」は「調べるべき候補」なんじゃ。そこから先は、別の方法で確かめる。

使われている場面

• 太陽光パネル：一部だけ周りより熱いパネルは「異常の候補」です。原因は、こわれかけの部品だけでなく、汚れや影のこともあります。
• 電気の設備：つなぎ目がふつうより熱くなっていないかを確かめます。
• 捜索：夜でも、まわりより温かいものを探せます。ただし、動物や、日なたで温まった岩なども同じように映ることがあります。

第4章 マルチスペクトルカメラは「植物の反射のちがい」を見る

RGBカメラが光を3つに分けるのに対して、マルチスペクトルカメラは、赤や緑などの見える光に加えて、目に見えない近赤外線など、いくつもの「光の帯（波長帯）」を分けて記録します。

植物は、赤を吸って、近赤外線をはね返す

NASAの解説によると、葉の中の葉緑素ようりょくそは光合成こうごうせいのために、見える光、とくに赤い光を強く吸います。一方、葉の細胞のつくりは、近赤外線を強くはね返します。葉が多いほど、このちがいがはっきりします。

人の目には同じ緑に見える畑でも、近赤外線と赤のはね返り方をくらべると、育ち方のちがいが見えてくることがあります。

NDVIは「くらべるための数字」

赤と近赤外線のはね返り方の差から計算する数字の代表が、NDVI（正規化植生指数）です。葉が多く、よく育っているところほど大きくなりやすい数字です。

ひなた

じゃあ、NDVIが低いところは病気なんだ！

スカイ博士

そう決めつけるのは早いぞ。なぜだと思う？

ひなた

うーん……まだ苗が小さいとか？

スカイ博士

それもある。土が見えている、水が足りない、寒さで育ちがおくれている。くもりや撮った時間で光の量が変わることもあるし、カメラによって受け取る光の帯が少しずつちがう。数字が低い理由はひとつではないんじゃ。

だから実際の農業では、撮る前後に反射の強さが分かっている板（校正こうせいパネル）を撮ったり、地上で何か所か測った値で空からの値を補正したりします。そして、色の変わった場所には実際に行って、葉や土を自分の目で確かめます。NDVIの地図は、「どこを見に行けばいいか」を教えてくれる地図なのです。

第5章 LiDARは「光で距離」を測る

受け取るだけの目、自分で光を出す目

ここまでの3つのカメラは、太陽の光のはね返りや、物が出す赤外線を受け取るだけでした。こういうセンサーを受動型じゅどうがた（パッシブ）といいます。

LiDAR（ライダー）は、自分でレーザー光を出し、はね返ってきた光を受け取ります。自分で出すタイプは能動型のうどうがた（アクティブ）です。JAXAも、能動型のセンサーは自分で電波や光を出し、はね返ってくるまでの時間から距離を測れると説明しています。

行って帰ってくる時間から、距離を出す

光は1秒間におよそ30万キロメートルも進みます。LiDARは、光を出してから戻るまでのとても短い時間を測り、光の速さを使って距離を計算します。

測った距離に、「その瞬間ドローンがどこにいて、どちらを向いていたか」を組み合わせると、光が当たった点の場所が決まります。ここで、第3弾で出てきたGNSSとIMUが活躍します。これを何度もくり返してできる点の集まりを、点群てんぐんといいます。

LiDARは色を撮らない

LiDARが記録するのは、おもに点の場所と、はね返ってきた光の強さ（反射強度はんしゃきょうど）です。写真のような色は記録しません。点群に色がついて見えるときは、たいてい次のどちらかです。

• 一緒に積んだカメラの写真の色を、点に重ねたもの
• 高さや反射強度を、見やすいように色分けしたもの

森の中の地面が測れるわけ

ひなた

第1弾で、レーザーは木の葉のすきまをぬけるって言ってたよね。葉っぱを通りぬけるの？

スカイ博士

通りぬけるのではない。葉に当たった光は、そこではね返る。じゃが、葉と葉、枝と枝のあいだには小さなすきまがある。たくさん出した光のうち、すきまを通った一部が地面まで届いて、もどってくるんじゃ。

レーザーを森に当てると、1回のレーザーパルスから、葉や枝、地面など異なる場所で反射した光を複数回の反射として記録できることがあります。レーザーパルスは、短く出した光のことです。あとでコンピューターが地面の点だけを選び出し、木を取りのぞいた地面の形を作ります。

ただし、届き方は森によってちがいます。国土地理院のマニュアルは、すきまを通りぬける程度は予測が難しく、広葉樹や竹林、熊笹くまざさなどの下草が多い場所では、地面に届く割合が下がるとしています。

第6章 同じ場所でも、センサーがちがえば見えるものが変わる

同じ「家と畑と森がある場所」を、4つの目で見てみましょう。

屋根の色や形、パネルの温度のムラ、畑の育ち方のちがい、木の高さと森の下の地面。同じ場所でも、見える情報がまったくちがいます。では、仕事から考えるとどうなるでしょう。

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表2｜どの仕事にも「それだけでは分からないこと」があります。

ひなた

どの仕事にも「それだけでは分からないこと」があるんだね。

スカイ博士

そこが大事なところじゃ。足りないところは、別のセンサーを組み合わせたり、人が現地で確かめたりして補う。「一番すごいセンサー」より、「この仕事にはどれか」を考えるんじゃよ。

親子で挑戦｜センサー選びミッション

ひなた

条件カードを引いたら、答えが変わっちゃった！

スカイ博士

それでよいんじゃ。本物の現場でも、夜か昼か、晴れかくもりか、夏か冬かで、選ぶ目も、使い方も変わる。だからプロは、出かける前に「今日の条件」を確かめるんじゃよ。

今日わかったこと

1. 飛ぶためのセンサーと、仕事の情報を集めるためのセンサーは、役目がちがう。
2. 人の目に見える光はほんの一部。センサーなら、赤外線など見えない光も受け取れる。
3. RGBカメラは色と形が得意。でも、中のようすや原因までは写らない。
4. サーマルカメラは赤外線から温度のちがいを見る。暗くても使えることがあるが、透視はできず、放射率・反射・距離・角度などで数字が変わる。
5. マルチスペクトルカメラは植物のはね返し方のちがいを見る。NDVIはくらべるための数字で、病気かどうかは現地で確かめる。
6. LiDARは自分で出した光が戻る時間から距離を測る。色は撮らない。森では、葉のすきまを通った一部の光で地面を測る。
7. どのセンサーにも、見つけやすいものと苦手なものがある。
8. 大切なのは、一番高性能なセンサーではなく、知りたいこと・調べる物・環境・必要な精度に合うセンサーを選ぶこと。

ひなた

ドローンの特別な目って、ひとつのすごい目じゃなくて、何種類もの目を使い分けることだったんだね。

スカイ博士

うむ。そして、どの目でも分からないことは、人が行って確かめる。センサーと人がチームになって、はじめて仕事になるんじゃ。