早稲田大学大学院 基幹理工学研究科
博士論文審査報告書
論 文 題 目
マッコウクジラの鳴音による 水中位置推定手法に関する研究
Underwater Localization of Sperm Whales using Clicks
申 請 者
廣津 良
Ryo Hirotsu
情報理工学専攻 マルチメディアシステム研究
2010 年 2 月
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深 海 を 自 由 に 行 動 す る 水 中 生 物 に 対 し ， 人 間 が 持 つ 観 測 手 段 は 限 ら れ て い る ． 近 年 の 科 学 技 術 の 発 達 に よ り ， 従 来 の 目 視 観 測 に 加 え ， デ ー タ ロ ガ ー を 用 い た バ イ オ ロ ギ ン グ ， 複 数 の ハ イ ド ロ フ ォ ン を 用 い た 音 響 観 測 が 行 わ れ て い る ． 目 視 観 測 は ， 海 面 に 浮 上 し た 個 体 に 対 し て の み 行 わ れ る た め ， そ の 水 中 行 動 を 知 る 事 が で き ず ， ま た バ イ オ ロ ギ ン グ で は ， デ ー タ ロ ガ ー の 装 着 ・ 回 収 の 困 難 さ か ら 限 ら れ た 個 体 し か 観 測 で き な い ． こ れ に 対 し て 音 響 観 測 は ， 水 中 生 物 の 発 す る 鳴 音 を 受 信 ・ 解 析 し ， そ の 位 置 を 推 定 す る こ と で 水 中 で の 行 動 を 知 る 事 が 出 来 る 手 法 で あ る ．本 研 究 は ，音 響 観 測 と 自 律 型 海 中 ロ ボ ッ ト AUV(Autonomous Underwater Vehicle)を 組 み 合 わ せ た 水 中 生 物 の 観 測 手 法 を 扱 っ て い る ． こ れ は 音 響 観 測 に よ り 求 め ら れ た 生 物 の 位 置 情 報 を AUV に 与 え る こ と で ， そ の 水 中 で の 生 態 を 解 明 し よ う と す る 新 し い 試 み で あ る ． 観 測 対 象 と し て い る マ ッ コ ウ ク ジ ラ は ， 水 中 で 鳴 音 を 発 す る 事 が 知 ら れ て お り ， 音 響 観 測 に 適 し て い る 生 物 で あ る と い え る が ， 数 頭 か ら 十 数 頭 の 群 れ で 行 動 す る た め ， 音 響 観 測 の 最 中 に ハ イ ド ロ フ ォ ン で 受 信 さ れ る 鳴 音 が ど の 個 体 か ら 発 せ ら れ た も の で あ る の か 識 別 し な け れ ば 位 置 を 推 定 す る こ と は で き な い ． こ の よ う な 研 究 背 景 の も と ， 本 論 文 で は ， 群 れ で 行 動 す る マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 位 置 推 定 を 目 的 と し て ， ハ イ ド ロ フ ォ ン ア レ イ か ら 得 ら れ る 複 数 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 鳴 音 を ク ラ ス 分 け す る こ と で ， そ の 水 中 位 置 を 推 定 す る 手 法 を 提 案 し て い る ．
本 論 文 は 6 章 か ら 構 成 さ れ て い る ． 以 下 ， 各 章 の 概 要 を 述 べ ， 評 価 を 加 え る ．
第 1 章 「 序 章 」 で は ， 本 論 文 の 背 景 と 目 的 お よ び 概 要 を ま と め ， 複 数 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ を 音 響 観 測 で 位 置 推 定 す る 際 の 問 題 点 を 指 摘 し ， 本 論 文 の 位 置 付 け を 明 ら か に し て い る ．
第 2 章 「 観 測 対 象 と し て の マ ッ コ ウ ク ジ ラ 」 で は ， 先 ず 鯨 類 全 般 を 取 り 巻 く 環 境 を 述 べ ， 観 測 す る マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 生 態 を 述 べ て い る ． 音 響 観 測 で 解 析 対 象 と な る マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 鳴 音 に つ い て ， そ の 種 類 と 特 徴 を 述 べ て い る ． 鳴 音 は 通 常 ク リ ッ ク と 呼 ば れ ， 仲 間 同 士 の コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン や ， 周 囲 の 環 境 を 確 認 す る エ コ ロ ケ ー シ ョ ン に 用 い ら れ て い る ． 次 い で ， マ ッ コ ウ ク ジ ラ に 対 す る こ れ ま で の 観 測 手 法 と し て ， 目 視 観 測 ， バ イ オ ロ ギ ン グ ， 音 響 観 測 ， バ イ オ ロ ギ ン グ と 音 響 観 測 を 組 み 合 わ せ た 観 測 手 法 に つ い て ， そ れ ぞ れ の 観 測 手 法 を 述 べ る と と も に ， そ の 利 点 と 欠 点 を 明 ら か に し て い る ．
第 3 章 「 マ ッ コ ウ ク ジ ラ 観 測 シ ス テ ム 」 で は ， 位 置 推 定 手 法 を 実 装 す る 観 測 シ ス テ ム の 全 体 構 成 を 述 べ た 後 に ， 位 置 推 定 の 原 理 を 述 べ て い る ． 観 測 シ ス テ ム は 4つ の ハ イ ド ロ フ ォ ン か ら な る 2基 の ハ イ ド ロ フ ォ ン ア レ イ か ら 構 成 さ れ て い る ．
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4 つ の ハ イ ド ロ フ ォ ン で 構 築 さ れ る SBL(Short Baseline)シ ス テ ム は ， ハ イ ド ロ フ ォ ン 間 で の ク リ ッ ク の 到 達 時 間 差 か ら そ の 到 来 方 向 を 推 定 し ， ア レ イ に 取 り 付 け ら れ た 傾 斜 計 ・ 磁 気 計 か ら ， ア レ イ の 傾 き を 補 正 し ， 計 算 さ れ た 相 対 的 な 到 来 方 向 を 絶 対 方 位 に 変 換 し て い る ． 2 基 の ア レ イ か ら 構 築 さ れ る LBL(Long Baseline)シ ス テ ム で は ， ボ ー ト に 搭 載 さ れ た GPS で 得 ら れ る 位 置 情 報 と ， そ れ ぞ れ の ア レ イ で 求 め ら れ た ク リ ッ ク の 到 来 方 向 を 元 に 三 角 測 量 に よ る 位 置 推 定 を 行 う ． こ れ に よ り ， 音 源 の 位 置 ， す な わ ち マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 位 置 推 定 原 理 を 示 し て い る ． ま た そ の 位 置 推 定 誤 差 に つ い て 解 析 し ，2 基 の ア レ イ の 展 開 方 法 を 示 し た 後 に ， 追 跡 観 測 に 用 い る AUV に つ い て の 使 用 ・ 性 能 ・ 運 用 法 に つ い て 考 察 し て い る ．
第 4 章 「 位 置 推 定 手 法 」 で は ， 提 案 す る 位 置 推 定 手 法 に つ い て 述 べ て い る ． 提 案 す る 位 置 推 定 手 法 は ， ま ず ， 音 声 デ ー タ を セ グ メ ン ト 分 割 し ， セ グ メ ン ト の エ ネ ル ギ ー を 比 較 す る こ と で ク リ ッ ク の 自 動 検 出 を 実 現 し て い る ．4 つ の ハ イ ド ロ フ ォ ン ア レ イ か ら ク リ ッ ク を 抽 出 し た 後 に ， そ れ ぞ れ の 相 互 相 関 関 数 か ら 到 達 時 間 差 を 計 算 し ， そ の 到 来 方 向 を 推 定 す る ． こ こ で ， ク リ ッ ク の 到 来 方 向 を 元 に ク ラ ス 分 け を 行 っ て い る ． 求 め ら れ た 到 来 方 向 ベ ク ト ル を こ れ ま で に 構 築 し た ク ラ ス が 持 つ 到 来 方 向 ベ ク ト ル と の 成 す 角 を 計 算 し ， 角 度 閾 値 以 内 で ， 成 す 角 が 最 小 の ク ラ ス に 新 し く 検 出 さ れ た ク リ ッ ク を ク ラ ス 分 け す る こ と で ， 動 的 な ク ラ ス 分 け を 実 現 し て い る ． ク ラ ス 分 け さ れ た ク リ ッ ク の 解 析 結 果 を ク ラ ス と し て 扱 い ， 2 つ の ア レ イ で 構 築 さ れ る ク ラ ス を マ ッ チ ン グ さ せ る こ と で ， 音 源 が 複 数 あ る 状 況 で あ っ て も ， そ れ ぞ れ の 音 源 か ら の ク リ ッ ク を ク ラ ス 分 け す る こ と で ， そ れ ら の 音 源 の 位 置 を 推 定 す る 事 を 可 能 に し て い る ． ク ラ ス 同 士 を マ ッ チ ン グ さ せ る 際 に ， ク リ ッ ク の み に よ る 個 体 識 別 が 困 難 で あ る こ と か ら ， 誤 っ た ク ラ ス 同 士 を 対 応 さ せ て し ま う と 本 来 は 存 在 し な い 位 置 を 推 定 す る ミ ス マ ッ チ ン グ に つ い て 言 及 し ， こ れ を 防 ぐ た め に 提 案 手 法 で は ， ク ラ ス が 持 つ 活 動 時 間 や 到 来 方 向 の 同 期 性 に 注 目 す る 事 で ア レ イ 間 で の 対 応 ク ラ ス を 発 見 し て い る ． こ の よ う に 提 案 手 法 で は ，複 数 頭 に 対 す る 位 置 推 定 手 法 と し て ，ク ラ ス 分 け と マ ッ チ ン グ を 行 う こ と で ， そ れ ぞ れ の 音 源 位 置 を 推 定 す る こ と を 可 能 と し て い る ．
第 5 章 「 計 算 機 実 験 結 果 」 で は ， 提 案 す る 位 置 推 定 手 法 を 計 算 機 上 で 実 装 し ， こ れ を 評 価 し て い る ． 提 案 手 法 の 評 価 に は ， 小 笠 原 近 海 で 行 っ た 海 洋 実 験 に よ り 得 ら れ た 音 声 デ ー タ を 用 い て い る ． ク リ ッ ク 検 出 及 び 到 来 方 向 推 定 結 果 の 軌 跡 か ら 6 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ が 存 在 し て い た 事 を 指 摘 し て い る ． ク ラ ス 分 け と 直 線 近 似 を 用 い た ク ラ ス 結 合 の 結 果 か ら ， そ れ ぞ れ の ア レ イ で 存 在 す る 6 つ の ク ラ ス に 対 し て ， そ の 出 現 時 間 ， 到 来 方 向 の 深 さ 成 分 の 同 期 性 か ら 対 応 す る ク ラ ス を 発 見 し ， こ れ を 決 定 す る こ と で ，6 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 潜 水 行 動 軌 跡 を 得 る こ と に
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成 功 し た ．6 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ は ，5 頭 が 水 平 方 向 に 広 が り な が ら ，200〜800m の 深 度 で 上 昇 ・ 下 降 を 繰 り 返 し な が ら 泳 い で お り ， 残 る 1 頭 は 他 の 5 頭 か ら 離 れ て 水 面 付 近 を 泳 い で い る 事 が 判 明 し た ．次 に ，著 者 は ，鳴 音 と 鳴 音 の 間 隔 ICI(Inter Click Interval)に 注 目 し ，群 れ を な し て 泳 ぐ 5 頭 の ICI が 0.4〜0.5 秒 に 集 中 し て い る こ と を 示 し た ． ク リ ッ ク 間 隔 は ， 音 波 が 目 標 ま で 往 復 す る 時 間 と そ の 反 射 音 を 聞 い て 次 の 音 を 出 す ま で の 思 考 時 間 と の 和 の と し て 表 す 事 が で き る こ と を 示 し ， こ れ に よ り ， ク リ ッ ク で 約 330m 先 の タ ー ゲ ッ ト を 鳴 音 に よ り 確 認 し て い た こ と を 明 ら か に し た ． ま た 提 案 手 法 に よ り 得 ら れ た 位 置 情 報 か ら ， 隣 り 合 う ク ジ ラ 同 士 の 距 離 が 330m 以 内 で 活 動 し て い る 期 間 が 多 い こ と が 判 明 し た ． 著 者 は 提 案 手 法 に よ り 得 ら れ た こ れ ら の 研 究 成 果 に つ い て ，(1)群 れ を な し て い る マ ッ コ ウ ク ジ ラ が 水 平 面 上 で は 同 じ 方 向 に 泳 い で い る こ と ，(2)ク リ ッ ク の 間 隔 か ら 考 え ら れ る ク リ ッ ク の レ ン ジ 内 に 隣 り 合 う ク ジ ラ が 存 在 す る こ と ，(3)捕 食 の 際 に 見 ら れ る ク リ ー ク が 確 認 で き な い こ と か ら ， お 互 い が 分 か る 距 離 範 囲 で ク ジ ラ が 行 動 し て お り ， 協 力 し て タ ー ゲ ッ ト を 探 し て い た 可 能 性 が あ る こ と を 指 摘 し て い る ．
第 6 章 「 結 論 」 で は ， 本 論 文 の 成 果 の 総 括 を 行 っ て い る ．
以 上 ， こ れ を 要 す る に ， 本 論 文 で は 2 基 の ハ イ ド ロ フ ォ ン ア レ イ で 得 ら れ た マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 鳴 音 を 対 象 と し て ， そ れ ぞ れ の ア レ イ で 鳴 音 の 到 来 方 向 を 元 に ク ラ ス 分 け し ， ク ラ ス 間 で 対 応 す る ク ラ ス を 同 期 性 に 注 目 す る 事 で 発 見 し ， 複 数 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 位 置 を 推 定 す る 手 法 を 提 案 し た ．提 案 す る 位 置 推 定 手 法 を 計 算 機 上 で 実 装 し ， 小 笠 原 近 海 で 実 施 さ れ た 海 洋 実 験 で 得 ら れ た 音 声 デ ー タ に 対 し 適 用 し た 実 験 結 果 よ り 6 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ を そ れ ぞ れ 識 別 し ， そ れ ら の 行 動 軌 跡 を 得 る こ と に 成 功 し て い る ． ま た 得 ら れ た 位 置 推 定 結 果 と 鳴 音 の 間 隔 か ら ， 群 れ で 行 動 す る マ ッ コ ウ ク ジ ラ が お 互 い を 認 識 で き る 距 離 間 隔 で ， 広 が り な が ら 泳 い で い た 事 が わ か っ た ． こ の 成 果 は ， 水 中 で の マ ッ コ ウ ク ジ ラ の 行 動 を 解 明 す る と と も に ，複 数 頭 の マ ッ コ ウ ク ジ ラ に 対 す る 音 響 観 測 手 法 を 確 立 す る も の で あ る ． よ っ て 本 論 文 は 博 士(工 学)早 稲 田 大 学 の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る ． 2010 年 2 月
審 査 員 主 査 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(早 稲 田 大 学) 柳 澤 政 生 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(早 稲 田 大 学) 大 附 辰 夫 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(早 稲 田 大 学) 後 藤 敏 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(早 稲 田 大 学) 小 林 哲 則 早 稲 田 大 学 教 授 博 士(工 学)早 稲 田 大 学 戸 川 望 東 京 大 学 教 授 工 学 博 士(東 京 大 学) 浦 環
