Study on Detection of Heavy Metal Minerals Using Hyperspectral Imaging and Machine Learning in Environmentally Harmonized Mining Operations

Abstract

現代社会においては、脱炭素社会の実現に向け環境に配慮した金属資源の安定的な供給が欠かせない。 しかし、持続可能な資源開発への取り組みは未だ不十分で、深刻な環境問題が発生している。本論文で は、ハイパースペクトルイメージングおよび機械学習を活用した重金属鉱物検出に関する研究を行った。 重金属鉱物は、人体及び周辺環境に悪影響を及ぼす場合がある。それを人間の目の数十倍という高い波 長分解能を持つハイパースペクトルデータを用いることによって検出する。ハイパースペクトルデータ はその複雑なデータ構造により、データ処理・解析には高度な機械学習アルゴリズムの適用が必要不可 欠である。しかしながら、重金属鉱物を検出するための解析手法は確立されておらず、また、検出フロー は最適化されていない。本研究では、（i）重金属鉱物を検出するハイパースペクトルイメージングベース の AI モデルの開発及び（ii）検出フローを最適化するアプリケーション・プロトコルの開発を行った。 提案された手法は、鉱業活動によって生じる重金属汚染地域のモニタリングに貢献し、環境調和型鉱山 操業を強力に先導する。 本論文は下記に示される章によって構成される。 第１章では、本研究の背景について、特にハイパースペクトルイメージングを用いた鉱害モニタリング についての概要が述べられ本論文の重要性を強調した。また、先行文献調査を通じて、関連する研究動向 と課題を整理した。 第２章では、ハイパースペクトルデータの解析に適した機械学習手法についての考察が加えられている。 ハイパースペクトルデータは高い識別性能を持つことが実証されているものの、そのデータ構造は複雑 であり、データ処理・解析には機械学習が不可欠である。本章では、10 種類の機械学習モデル（CNN、 ツリー、判別、ロジスティック回帰、ナイーブベイズ、SVM、KNN、アンサンブル、浅層ニューラルネ ットワーク、カーネル近似）を用い、4 つの代表的なデータセット（Indian Pines、Salinas、Pavia University、 Botswana）を対象に分類性能を比較した。 第３章では、ハイパースペクトルデータ解析を支援するユーザフレンドリな解析アプリ「AI Powered Intelligence Spectrum Analyzer（APiS）」を紹介する。ハイパースペクトルデータは数百のスペクトル波 長を含み、鉱物種を特定する強力なツールである一方、データの複雑性が一般ユーザにとって扱いにく い課題となっている。この問題を解決するため、コーディング不要のインタラクティブな解析環境とし て APiS を開発した。APiS はデータの可視化、学習データ生成、高度な機械学習分析、モデル評価を可 能とする直感的なインターフェースを備えユーザ金分野の多様なユーザが容易に利用できる環境を提供 する。 第４章では、鉱物種を同定するためのアルゴリズムについて述べる。深層学習を活用することで、ハイ パースペクトルデータから各鉱物に固有のスペクトルパターンを抽出・解析し、非破壊で迅速な鉱物種 の同定を実現する。本章では、提案手法により従来の RGB 画像解析で 30%だった識別精度を、ハイパー スペクトルデータ解析によって 90%以上に向上させた結果を示す。 第５章では、AI の判定根拠の可視化及び次元削減手法の提案を行った。ケーススタディとして鉱物中の ヒ素品位推定を扱った。低品位鉱物に含まれるヒ素（As）は環境汚染リスクを伴うため、非破壊的かつ高 精度な検出技術が求められる。本章では、深層学習とハイパースペクトルイメージングを組み合わせた システムを提案し、近傍成分分析（NCA）による次元削減、また CNN の逆解析による判定根拠の可視 化手法が新たに示された。 第６章では、リモートセンシングデータを解析するためのプロトコルを提案した。人工衛星やドローン による異高度データの統合により、従来のスペクトルデータでは困難だった高解像度スペクトルマップ の生成を実現した。本プロトコルは画像レジストレーション技術を活用し、より精確な土地汚染モニタ リングを可能にするものである。 第７章では、本研究の成果と意義を総括した。本研究では、ハイパースペクトルイメージングおよび機械 学習を組み合わせて重金属鉱物の検出を行い、また、検出フローを最適化した。本提案のアプリケーショ ン・プロトコルは、鉱業活動に起因する金属汚染地域のモニタリングを支援し、持続可能で環境調和型の 鉱山操業を先進的に牽引する役割を果たす