課題名

F―4 高度情報・通信技術を用いた渡り鳥の移動経路と生息環境の解析および評価に関する研究

課題代表者名

田村正行(独立行政法人国立環境研究所社会環境システム研究領域)

研究期間

平成13−15年度

合計予算額

132,933千円(うち15年度 43,137千円)

研究体制

(1)衛星画像解析とGIS手法を用いた渡り鳥生息地の環境解析と変化予測に関する研究

(独立行政法人国立環境研究所)

(2)衛星追跡による鳥類の渡り経路選択の機構解明に関する研究

(東京大学)

(3)GPSによる渡り鳥の長期自動位置情報収集システムの開発に関する研究

(独立行政法人情報通信研究機構、静岡大学、沼津工業高等専門学校)

研究概要

1.序(研究背景等)

 近年,長距離移動性の渡り鳥が世界各地で急速に減少している.その主な原因は,繁殖地,中継
地,越冬地それぞれでの環境破壊であると考えられている.渡り鳥の急減は,単に渡り鳥そのもの
の絶滅の危機を意味するだけでなく,渡る先々での生態系の劣化を意味している.渡り鳥が絶滅す
ることになれば,それらを媒介とする生物間の相互作用が機能しなくなり,生態系の健全性が損な
われることになる.その意味で,渡り鳥の保全は,渡り鳥によって連結されている世界各地の自然
環境の保全に深く関わっており,私たち人間の生活とも密接に結びついている.
 渡り鳥の保全を目指す研究を進展させるためには,渡り鳥が非常に広い範囲を移動するため,人
工衛星を利用した移動追跡や衛星画像による環境解析などの技術が不可欠である.本研究は,これ
らの高度情報・通信技術を利用するとともに,全地球測位システム(GPS)を用いた新たな追跡技
術をも開発しながら,渡り鳥とその生息環境の保全を進めることに貢献する.

2.研究目的

 本研究は,衛星追跡と衛星画像解析を組み合わせることにより,渡り鳥の移動経路と生息環境特
性を明らかにする.また,渡りにおける経路選択行動と経路近傍の各地点の環境特性との因果関係
を定量的に評価することにより,渡り鳥の経路選択行動をモデル化する.さらに,移動追跡手法の
精度と効率を向上させるために,GPSを用いた新たな追跡技術の開発を行う.各サブテーマの研究
目的は以下の通りである.
(1)衛星画像とGIS手法を用いた渡り鳥生息地の環境解析と変化予測に関する研究
衛星画像を用いて渡り鳥生息地の環境状態を計測する手法を開発するとともに,GIS手法を用い
て渡り鳥の行動範囲や営巣地と,地理環境特性との関連性を明らかにする.また,大規模な土地利
用改変や水資源開発などによる生息地環境の変化が,渡り鳥の生息状況に及ぼす影響の予測を行
う.
(2)衛星追跡による鳥類の渡り経路選択の機構解明に関する研究
 衛星追跡によって得られた渡り経路がどのように決まっているのかを研究する.成鳥,幼鳥それ
ぞれについて渡りの経時パターンや環境利用を調べ,繁殖地,中継地,越冬地などの候補となる地
点をネットワークで結ぶ.これと実際の渡り経路との比較によって,渡りにおける経路選択行動と
各地点の環境特性および接続特性などとの因果関係を定量的に評価し,渡り鳥の経路選択行動をモ
デル化する.
(3)GPSによる渡り鳥の長期自動位置情報収集システムの開発に関する研究
 渡り鳥など広範囲を移動する野生動物の移動経路を調査するため,GPSを用いた長期自動位置情
報収集システムを開発する.本システムは,従来の衛星追跡システム(ARGOS)に比べて,位置精
度と観測コストを飛躍的に改善することができる.

3.研究の内容・成果

(1)衛星画像解析とGIS手法を用いた渡り鳥生息地の環境解析と変化予測に関する研究
 渡り経路網の構造を有向グラフで表現し,その接続性を評価することにより,重要中継地を特定
する手法を開発した.本手法を,1998〜2000年に得られたコウノトリの衛星追跡データに適用した
結果,中国東部の渤海湾沿岸に位置する中継地が利用不可能になった場合,渡り経路網が南北に分
断され,中国南部・揚子江中下流域の越冬地が地理的に孤立することが示された(図1).このこ
とから,コウノトリを保護するためには,この地域における中継地環境を保全し,渡り経路網の接
続性を維持することが重要であると結論した.
 衛星追跡の結果明らかとなった中継地(渤海湾沿岸,ザーロン自然保護区周辺,莫莫格自然保護
区周辺,向海自然保護区周辺)について,Landsat-7ETM+画像を用いた土地被覆/土地利用解析を
行い,土地被覆/土地利用分類図を作成した.そして,衛星追跡データの位置誤差を考慮しながら,
コウノトリの出現位置と土地被覆/土地利用の空間的な位置関係を解析し,水域が,コウノトリの生
息地の重要な構成要素であることを明らかにした.
 朝鮮半島非武装地帯および大韓民国の鉄原周辺で越冬するタンチョウの環境利用を解析するた
め,2時期のLandsat-7ETM+を用いた土地被覆解析を行い,当該地域の詳細な土地被覆/土地利用分
類図を作成した.この結果とタンチョウの衛星追跡データとを重ね合せ,タンチョウが昼夜を問わ
ず,水田を高頻度で利用している可能性が高いことを明らかにした.
 コウノトリにとって特に重要な中継地である渤海湾北岸のJiantuozhi Gley Mireに着目し,その地
点と類似した環境特性を備えた地点の空間分布を,高時間分解能衛星画像にCEM(Constrained
Energy Minimization)演算子を適用することにより推定した.その結果,類似した環境を備えた地
点は,渤海湾北岸を中心とした僅かな範囲にのみ分布することがわかった.これにより,Jiantuozhi
Gley Mireの中継地環境の希少性が確認され,環境悪化の懸念される当該地域において,積極的な保
全対策を推進する必要性を裏付けた.
渡り鳥の行動範囲のような広域を対象とし,高時間分解能衛星画像を用いて環境変化を抽出するた
めの新たな手法を開発した.開発した手法は,時系列観測値のコレログラムに基づいて環境変化を
検出するものである.開発した手法を,1998年と2002年に渡り鳥の生息地を観測したSPOT-4
VEGETATION時系列データに適用した結果,これまで一般的に用いられてきたCVA(Change Vector
Analysis)などの広域変化抽出手法よりも,有意に優れた変化検出性能を持つことが確認された.

(2)衛星追跡による鳥類の渡り経路選択の機構解明に関する研究
 ツル類およびタカ類を対象に,衛星追跡の結果にもとついて,渡り経路,経時移動様式,経路選
択について解析を行なった.対象となったのはマナヅル5羽,サシバ4羽,ハチクマ3羽である.
 マナヅルについては,実際に選択された経路上と繁殖地から越冬地までの最短距離上にある湿地
や草地の面積,および実際に選択された経路上と各中継地点から越冬地までの最短経路上にある湿
地と草地の面積を比較し,実際に選んだ経路の方に対象環境がより多く存在することを明らかにし
た.
 サシバについては,越冬地と繁殖地間の往復の経路を比較した結果,北上と南下はほぼ同じ経路
をたどるが,部分的に異なる地域を通過すること,同一個体の北上経路は年が異なってもほぼ同じ
であることが明らかになった.春の北上は秋の南下よりも短時間で終着点まで到達することが多か
った.春秋ともに,内陸を渡るさいには山岳の間を流れる大きな河川沿いに移動する傾向があった.
ハチクマは秋,サシバと違って中国大陸を南下してマレー半島を経由し,インドネシアやフィリピ
ンまで渡るという,大きな迂回経路をたどることがわかった.春の北上では,途中まで秋の南下経
路を逆に戻るが,途中から大きくずれて朝鮮半島北部に向かい,その後,朝鮮半島を南下して九州
に入り,東進して繁殖地に戻る,非常に大きな迂回経路をとった.春のこの渡り経路は,これまで
どの鳥でも知られていなかったものである.幼鳥は日本には戻らず,東南アジアにとどまった.

(3)GPSによる渡り鳥の長期自動位置情報収集システムの開発に関する研究
 近年,人工衛星を利用したARGOSシステムによる渡り鳥追跡技術が急速に発達し,渡り鳥
の保全に関する研究を飛躍的に進展させてきたが,機器の価格,衛星回線の使用料,位置の測
定精度,測定間隔の設定自由度,欠測率などにいくつかの問題点がある.そこで本研究では,
衛星への信号送信を一切行わずGPS信号の受信により位置を測定し,メモリーに記録する新し
い方式によるシステムを開発し,世界各地でのアホウドリなどによる実験により,その性能を
確認した.
 最終的試作機BGDL-II+は,GPS用パッチアンテナ,18チャネルGPS受信機,タイマー,メモリー,
バッテリー,30m耐水の筐体からなり,重量67gである.これにより,あらかじめ設定されたスケジ
ュールに従って自動的に最大600回の位置測定が行える.この機器には,研究者らにより特許を申
請中の,受信スタートタイミングと受信時間の最適化などに関して,独自の新しいアイディアを用
いている,
 本研究では,開発した機器の性能を実証するための国内での種々の実験のほか,米国,ニュー
ジーランド,英国の研究者の協力を得て,それぞれ,ガラパゴス諸島におけるWaved albatross,
ニュージーランドオタゴ半島におけるRoyal albatrossおよびチャタム諸島におけるChatham
mollymawk,南米サウスジョージア島におけるGrey-headed albatrossおよびWandering
albatrossの追跡実験を行った.その結果,BGDL-II+では多くの実験において飛行中ですら欠測率が
10%程度であった.時に起る欠測率の大きい場合は,明らかに機器の取り付け方法に問題があると
思われ,BGDL-II+に至って測定精度,信頼性,操作性などの機器の性能は十分実用レベルに達した
と判断される.
 例として,オタゴ半島タイアロア岬での17個の機器による2002年11月の追跡実験結果を図
1に示しておく.



 本方式の特徴は,信号の送信を一切行わないことにより,機器の小型・軽量・低価格化を達成し
たことであるが,そのため位置データの取得に鳥の再捕獲・機器の回収が必要となる.この点が各
種の応用において根本的な制約となる場合も多いので,特定小電力方式により機器からデータを送
信する機能の付加に関しても検討を行い,性能評価機の作成を行った.

4.考察

(1)衛星画像解析とGIS手法を用いた渡り鳥生息地の環境解析と変化予測に関する研究
 渡り鳥は各中継地において,不確定な環境変化に伴う餌獲得効率の変動,餌をめぐる競争,捕食
関係に由来する危険など,生存をかけた様々な困難に遭遇する.しかし,好適な環境を備えた代替
中継地が移動可能範囲に多く存在すれば,こうした困難にともなうリスクは軽減され,渡りをより
安全に行うことができるであろう.こうした視点から,渡り鳥を保全するためには,繁殖地や越冬
地だけでなく,中継地環境も保全し,渡り経路網全体の接続性を維持することが重要であると言え
る.
 これまで,渡り鳥の生息地の重要性は,主に渡来個体数に基づいて評価されてきた.この評価方法
では,繁殖地,中継地,越冬地間の空間的な位置関係は考慮されていない.また,評価基準となる
渡来数データを,広範囲に点在する各中継地において収集することは極めて困難である.本研究で
は,衛星追跡データの解析結果から潜在渡り経路網を生成し,その接続性維持への貢献度に基づい
て重要中継地を特定する手法を開発した.この手法は,衛星追跡を行う渡り鳥の種に依存せず,高
い汎用性を持っている.そのため,これまでに蓄積されてきた,世界各地の渡り鳥の衛星追跡デー
タに適用可能であり,渡り鳥保全研究の推進に大きく貢献するに違いない.
 この手法を13羽のコウノトリの衛星追跡データに適用した結果,中国渤海湾沿岸の中継地が,渡
り経路の接続性を維持するうえで重要な役割を果たしていることが明らかとなった.この地域に
は,黄河三角州自然保護区や天津古海岸湿地自然保護区などの国家級自然保護区が設置されている
地点もあるが,急速な経済発展と人口集中に伴う開発行為により,中国で最も深刻な環境問題を抱
える地域の1つでもある.そのため,沿岸環境が適切に制御されているとは言い難い.この地域の
中継地環境の保全を推進するためには,今後,より詳細な空間スケールでの調査が必要となる.
衛星画像から作成した土地被覆/土地利用分類図に衛星追跡データを重ね合わせ,重要中継地におけ
るコウノトリおよび重要越冬地におけるタンチョウの環境利用を調査した.その結果,それぞれの
生息地を構成する重要な環境要素が明らかとなった.また,高時間分解能衛星画像を利用し,コウ
ノトリの重要中継地である,渤海湾北岸のJiantuozhi Gley Mireと類似した環境特性を備えた地点の
空間分布を推定した結果,Jiantuozhi Gley Mireに類似した地点は極めて少ないことが示された.こ
うした情報,今後,具体的な保全策の立案やそのための調査計画の策定において有用な基礎資料に
なる.また,本研究で開発した,高時間分解能衛星画像を利用した変化抽出手法は,渡り鳥の行動
範囲全域を対象とした環境変化監視に貢献するに違いない.

(2)衛星追跡による鳥類の渡り経路選択の機構解明に関する研究
 渡りというのは,大量のエネルギーを必要とする行動である.また,途中にいろいろな危険も存
在する.渡り鳥にとっては,いかにしてエネルギーを節約しながら安全に渡るかということが重要
である.エネルギーを節約するという点では,繁殖地から越冬地まで最短距離をとって渡るのが合
理的と考えられる.しかし,渡る距離が長いため,途中に十分な食物や安全な生息地がなければ,
効率よく渡ることはできない.
 マナヅルでの渡り経路選択の研究は,マナヅルが繁殖地から越冬地まで最短距離を移動するので
はなく,迂回することが多いこと,それは迂回経路の方に好適な生息地がより多く存在するからで
あることを示唆した.ここでいう好適な生息地とは湿地や草原であり,そこにはマナヅルの食物が
豊富に存在し,またいろいろな意味で安全であるのではないかと考えられる.
 サシバの渡り経路は,季節,個体,目的地により差異が認められた.これらの違いは地形と
関係があるように思われる.サシバは渡りのさい,上昇気流をとらえて高度を数千メートルま
で上げ,気流に乗って滑翔する.季節や個体,目的地の違いによって山脈の異なる斜面を移動
したり,湖の対岸を移動したりするのは,個体の飛翔能力や,発生する上昇気流が地形,季節
により異なっていることと関連があると考えられる,
 サシバは個体数の減少が心配されている夏鳥の一種である.本種の個体数の減少や生息条件
の悪化は,環境省のレッドデータブックにおける絶滅危惧粁爐△襪い禄狎簗粘轅種のカテゴ
リーを満たすものではないかと考えられる.しかも,渡り鳥であることから,繁殖地だけでな
く,越冬地,渡り経路上の重要中継地の環境,および渡りに必要な上昇気流の発生する地形な
ども視野に入れた保全策が必要となる.具体的な保全策の提言に向けて,今後さらに解析を進
める必要がある.
 ハチクマの渡り経路はサシバの渡り経路とは大きく異なることが明らかになった.サシバの渡り
は直線的であり,同じ季節の中で方向が大きく変化することはない.また,秋と春で経路が大きく
ずれることもない.一方,ハチクマの渡りは目的地に対して大きく迂回し,同じ季節の中で方向が
一,二度大きく変化する.しかも経路は季節によって変化するのである.
 2種のこの違いが何にもとづくのかは,今のところはっきりしない.しかし,おそらく食習性の
違いが関係しているのではないかと思われる.春から夏にかけての繁殖期には,サシバはカエル,
ヘビ,トカゲなどの両生・爬虫類を主食にし,ハチクマはハチの幼虫,蛹,成虫などを好んで食べ
る.渡りの中継地や越冬地での食習性についてはよくわかっていないが,おそらく繁殖期と同様の
食習性を維持しているのではないかと予想される.ハチクマが日本の南西諸島を中継地または越冬
地としないのは,この地域にハチ類が多くないことと関係しているのかもしれない.今後,食物と
なる動物の分布や多さが東アジア全体でどのようになっているのか,またそれと両種の渡り経路が
どのように関連しているのかを調べていく必要がある.

(3)GPSによる渡り鳥の長期自動位置情報収集システムの開発に関する研究
 図1より,鳥のチャタム諸島以遠までの往復2000kmにも及ぶ採食旅行の様子が詳細に分かる.同
様のデータはこれまでにもARGOSにより得られてはいたが,測定点数,精度の上でBGDLの方が格段
に優れている.現在このデータをもとにして論文をCanadian Journal of Fisheries and Acquatic
Scienceに投稿中である.この実験時の測定失敗率は巣に滞在中でも旅行中よりわずかに低いだけ
でほとんど同じであった.全平均失敗率は24%であるが,中には10%以下の実験も多数あった.一方
50%以上の失敗率を示した場合もあるが,これまでのテストから機器の性能にそのような差は認め
られないので,その差は機器の装着法によるものと思われる.表1にBGDL-II+を用いた主なフィー
ルド実験の一覧を示す。

表1.BGDL- II+によるフィールド実験一覧

 測定失敗率の欄からわかるように,ここにおいて,BGDI-II+は十分実用に供することができる性
能と信頼性を持つことが実証されたといえる.

5.研究者略歴

課題代表者:
   田村正行
   1950年生まれ,東京大学大学院工学系研究科修士課程修了,工学博士,
   現在,国立環境研究所社会環境システム研究領域上席研究官.
   主要論文:
   Yamano,H.& Tamura,M.(2004)Detection limits of coral reef bleaching by satellite
       remote sensing:simulation and data analysis,Remote Sensing of Environment,
       Vol.90.pp.86-103.
   Matsushita B.& Tamura M.(2002)Integrating remotely sensed data with an ecosystem
       model to estimate net primary productivity in East Asia,Remote Sensing of
       Environment Vol.81,pp.58-66.
   Tamura M.,Higuchi H.,Shimazaki H.,Oguma H.,Darman Y.A.,Andronov V.A.,Nagendran
       M,,& Parilov M.(2001) Satellite observation of migration routes and habitats
       of cranes and storks in Russian Far East,Global Environmental Research Vol.4,
       pp.207-217.

主要参画研究者
(1)田村正行(同上)
(2)樋口広芳
   1948年生まれ、東京大学大学院農学系研究科博士課程終了,東京大学農学部助手,米国ミシ
   ガン大学動物学博物館客員研究員,日本野鳥の会研究センター所長を経て,現在,東京大学
   大学院農学生命科学研究科教授.
   主要論文:
   Higuchi,H.,Pierre J.P.,Krever,V.,Andronov,V.,Fujita,G.,Ozaki,K.,Goroshko,
       0.,Ueta,M.,Smirensky,S.& Mita,N.(2004)Conservation using remote
       technologies:satellite-tracking White-naped Cranes in Russia and Asia.
       Conservation Biology Vol.18,pp.136-147.
   Higuchi,H.,Shibaev,Y.,Minton,J.,Ozaki,K.,Surmach,S.,Fujita,G.,Momose,K.,
       Momose,Y.,Ueta,M.,Andronov,V.,Mita,N.,and Kanai,Y.(1998) Satellite
       tracking of the migration of the red-crowned crane Grus japonensis.Ecological
       Research Vol.13,pp.273-282.
   Higuchi,H.,Ozaki,K.,Fujita,G.,Minton,J.,Ueta,M.,Soma,M.,and Mita,N.(1996)
       Satellite-tracking White-naped Crane Grus vipio migration and the importance
       of the Korean DMZ.Conservation Biology,Vol.10,pp.806-812.
(3)井上真杉
   1970生まれ,京都大学工学部卒業,東京大学大学院修了,
   現在、独立行政法人情報通信研究機構 主任研究員.
   主要論文:
   Inoue,M.,Mahmud,K.,Murakami,H.,Hasegawa,M.,&Morikawa,H.(2004)Novel
       out-of-band signaling for seamless interworking between heterogeneous
       networks,IEEE Wireless Communications,Vol.11,No.2.
   Inoue,M.(2000)Channel state dependent resource scheduling for wireless message
       Transport with framed ALOHA-reservation access protocol,IEICE Trans.
       Fundamentals,Vol.E83-A,No.7.
   Inoue,M.,Wu,G.,Hase,Y.,Sugitani,A.,Kawakami,E.,Shimizu,S.,&Tokuda,K.
       (2000)An IP-over-Ethernet-based ultrahigh-speed wireless LAN prototype
       operating in the 60-GHz band,IEICE Trans.Commun,Vol.E83-B,No.8.
   福田明
   1944生まれ,東京大学工学部卒業,同大学院修了,現在静岡大学工学部教授.
   主要論文:
   Fukuda,A.,Miwa,K.,Hirano,E.,Suzuki,M.,Higuchi,H.,Morishita,E.,Anderson,
       D.,Waugh,S.,&Phillips,R.(2004)BGDL-II-A GPS data logger for birds,
       Mem.Natl.Inst.Polar Res.Spec.Issue,58,"Bio-logging Science".
   福田明(2002)GPSによる渡り鳥の追跡,マイクロメカトロニクス(時計学会誌),VoL.46,
       No.4.
   Mahmud,K.,Mukumoto,K.,&Fukuda,A.(2000)Development of MBC system using software
       modem,電子情報通信学会論文誌E,Vol.E83-B,No.06,pp.1269-1281.