課題名

課題名	J-1　人工衛星データを利用した陸域生態系の三次元構造の計測とその動態評価に関する研究
課題代表者名	田村正行（環境庁国立環境研究所社会環境システム部情報解析研究室）
研究期間	平成９－１１年度	合計予算額	133,348千円（11年度　44,683千円）
研究体制（１）生態系の構造計測手法に関する研究　①　光学センサによる植生三次元構造の計測手法の開発（国立環境研究所、東京大学、岩手大学、北海道大学、山梨県）　②　多機能マイクロ波レーダによる植生環境の定量的評価（通信総合研究所）　③　衛星データによる現存植生調査手法の開発（環境庁自然保護局）（２）スケーリングによる広域生態系の構造評価手法に関する研究　①　衛星データの画素分解手法の開発（森林総合研究所）　②　多スケール計測と植生生理モデルによる植物機能評価手法の開発（農業環境技術研究所）（３）衛星リモートセンシングと結合した植生構造動態モデルによる植物群集変動の推定システムの開発（農業環境技術研究所）
研究概要１．序　1997年に京都で開催された温暖化枠組み条約締約国会議（COP-3）において、先進国における二酸化炭素の削減目標値が決められ、同時に、削減量の評価に際して、陸域生態系（植生、土壌等）による吸収効果を算入することが認められた。しかしながら、生態系がどのような条件下でどれだけの二酸化炭素を吸収し、放出するかについては科学的に明確なデータはいまだ出されておらず評価の手法も確立していない。陸域生態系の構造や機能を把握することは、熱帯林の減少、生物多様性の減少など生態系にとっての直接的な問題のみならず、温暖化、気候変動などの全球規模での環境問題にとっても重要な課題であることが明らかとなってきており、大陸レベルや全球レベルでの広い範囲を対象として植生分布やバイオマス、純一次生産量など陸域生態系域生態系の基本的パラメータを評価する手法を確立することは急務といえよう。２．研究目的　本研究では、植生の種組成や樹高など生態系の三次元構造やその動態に着目し、これらのパラメータを計測・評価する手法を開発することを目的とする。植生の空間構造は生態系を把握する上で最も基本的なパラメータであるが、地域レベル、大陸レベルさらには全球レベルを対象として、広い範囲でその構造を評価することは従来からの地上調査による方法のみでは難しく、このために精度の高い情報が得られていなかった。ここでは、人工衛星等からのリモートセンシング手法を利用して、地上調査との組み合わせにより、植物群集レベルからより広域な地域を対象として、植生の三次元構造とその動態を計測・評価する手法を開発する。　上記の目的の実現に向けて、（１）生態系の構造計測手法に開する研究（２）スケーリングによる広域生態系の構造評価手法に関する研究（３）植物構造動態モデルによる植物群集変動の推定モデルの開発の三つのサブテーマに沿って研究を進める。第一のサブテーマでは、樹種、樹高など植生の三次元構造を計測するためのリモートセンシング手法を確立する事を目的とする。第二のサブテーマでは、地上レベルでの局所的な情報をリモートセンシングデータを介してより広域へ外挿するためのスケーリング手法について検討する。また、第三サブテーマでは、植物の群集レベルでの変動を評価するための構造動態モデルを開発し、生態系の変動をモデル化するための手法を開発する。３．研究の内容・成果（１）生態系の構造計測手法に開する研究 ①　光学センサによる植生三次元構造の計測手法の開発（国立環境研究所）　陸域生態系の変化を把握しその地球環境における役割を解明する上で、リモートセンシング画像データ、とくに人工衛星データの有用性が認識されつつある。人工衛星を利用することにより広域の地表面を定期的に観測し、現在起こりつつある変化を実証的に検証することが可能である。また、地球環境を駆動する生物地球化学的プロセスをモデル化する際に、衛星データを入力データあるいは検証データとして用いることにより、精度の高いモデル開発が可能になる。さらに、大陸レベルで二酸化炭素など温暖化ガスの収支を推定する上で、陸域生態系の分布や変動に関する衛星データは不可欠である。　本研究サブテーマでは、陸域生態系の地球環境における役割の解明に資するために、人工衛星データを用いて植生の種類、構造、バイオマス、スペクトル反射特性、及び季節・経年変化等を計測する手法の開発を行った。まず、森林構造パラメータの計測に関して、航空機搭載レーザースキャナーによる森林樹高計測方法、植生三次元構造の地上計測方法、及び樹木形状の三次元計測方法の開発を行った。また、衛星画像データの高度処理方法に関して、衛星画像における歪み補正方法に関する検討とサブピクセルカテゴリーの検出方法の検討を行った。さらに、地上検証方法に関して、ラジオコントロールヘリコプターによる現地検証データ取得方法の開発とイメージング・スペクトロメータの開発を行った。 ②　多機能マイクロ波レーダによる植生環境の定量的評価（通信総合研究所）　環境問題では広範囲な変化を捉える手段を必要とされており、合成開ロレーダ（SAR）は地表面の広い領域を天候や昼夜によらず高分解能で観測できるという利点を持ち光学センサーを補完する重要な情報源となる、マイクロ波は波長により、森林の内部に透過する率が変わるので、光学センサーと異なり樹木の上層部だけでなく森林内部の情報を取り出すことができる。また異なる波長のマイクロ波を使うと散乱する対象も変わり、樹冠、枝、幹、地面、それらの複合での散乱する割合が変わる。このため、多周波で森林の異なる構造を捉えることが期待できる。さらに、偏波を変えて送受信することで異なる散乱機構のデータを取り出すことができる。このマイクロ波の特有な性質を利用して航空機搭載の多周波多偏波SARを使って、森林の計測技術について北海道苫小牧のテストサイトを使って以下の4つの観点から研究を実施した。（１）林構造の高分解能SAR画像による判読。（２）多周波・多偏波の情報を利用した樹種の分類。（３）森林の季節変化の特徴。（４）森林特徴量とSARデータの関係の抽出、その結果、カラマツ、エゾマツ、アカエゾマツの樹種について、偏波を利用した場合、また、夏、秋、冬の他時期データを使うことで、分類可能であることを示した。また、LバンドのVV及びHV偏波では後方散乱係数と森林の胸高直径及び樹高について高い相関をもっことを確認した。さらに、アカエゾマツについて、1ha当たりの体積相当量とLバンドVV偏波の後方散乱係数の関係で0.67の相関を得た。 ③　衛星データによる現存植生調査手法の開発（環境庁自然保護局）　森林を中心として生物多様性の豊かなアジア地域、特に熱帯・亜熱帯地域において、その保全と持続可能な利用を図るためには、広範囲に広がる森林の実態を的確に把握、分類することが必要である。熱帯・亜熱帯地域は一般的に現地調査が困難な地域であり、効率的に植生情報を整備するためにはリモートセンシング技術等を活用し、森林の優占種、種組成、活性度などの情報を効率的に収集する植生分類手法の開発が急務になっている。インドネシアのグヌンハリムン国立公園は、1924年以来保護地域と定められており、現在まで多様な生息環境と植物相を維持している。本研究では、グヌンハリムン国立公園において衛星データ及び現地調査による植生解析を行った。　1996年6月23日に撮影されたLANDSAT TMデータから、土地利用を以下の30に概略分類した。「原生林・撹乱された原生林」、「若い・古い2次林」、「農耕地」（11クラス）、「裸地」（6クラス）、「集落」（4クラス）、「水域・河川」（3クラス）、「雲」（3クラス）、「影」（3クラス）。地上確認の結果は、最終的な土地利用・植生の分類に利用した。出力はRaster Baseの形の土地利用・被覆図とした。　これを、サンプリングポイントでの地上確認後、概略の30分類を14の土地利用に再分類した。現地調査と照合した土地利用システムとその分布は、土地被覆図に表した。この成果を昨年度までの成果とあわせ土地利用現況図にまとめた。（２）スケーリングによる広域生態系の構造評価に関する研究 ①　衛星データの画素分解手法の開発（森林総合研究所）　近年、地球環境問題や森林管理問題に対応して、森林調査の効率化が求められており、地上調査情報と衛星情報との融合化が進められている。衛星データは高分解能化が進み、より詳細な地表状況を観測できる衛星も現れてきている。そこで、情報システムを利用して分解能の異なる観測データを多段的に関連づけることで、広域かつ詳細な被覆情報が得られることが期待できる。この、「多段的な関連づけ」の手法として、分解能の粗い衛星データの画素内の構成要素を推定する手法が画素分解法であり、極めて重要な役割を担うことになる。そこで、画素分解法の特徴解明が必要となっている。また、日本の森林地帯における衛星データの利用では、1画素内の状況が類推できること、地形の影響が小さいこと、上層木の常・落混交率など林分構造をある程度区別しえること、植生が比較的密な状態でも林分構造の変化に鋭敏であること、などの特徴を持つ「森林観測に適応した解析」が必要とされている。そこで、本研究ではまず森林調査で利用する場合の最適な基本パターンを決定して、画素ごとのパターン展開処理を行い、その展開係数と森林データとの関連分析を行って、画素分解法の適用性を調べた。　衛星データによって画素ごとの森林モニタリングを可能にする画素分解法として、パターン展開法に着目し、様々な森林でその特徴を分析した。その結果、以下のようなことがわかった。（１）画素分解法であるパターン展開によって、森林地帯の画素は一般的に、針葉樹パターン、広葉樹パターンおよび土壌パターンに展開することで森林構造に関する情報を得ることができる。（２）針葉樹パターン展開係数CPIは、常緑針葉樹の樹冠被覆度に比例する。（３）広葉樹パターン展開係数VPIは、植生の総量に反応する。（４）土壌パターン展開係数SPIは、落葉量、土壌に反応する。（５）VPI値は、CPI値よりも大気の影響が少ない。また密な常緑針葉樹林の季節変化に対しても鋭敏である。（６）パターン展開係数は、地形の影響が軽減されている。（７）青森ヒバ天然林地帯で、パターン展開法の有効性が確認できた。（８）木曽ヒノキ天然林地帯でも、パターン展開法の有効性が確認できた。（９）営林署単位の質的な針葉樹分布情報は本研究で初めて得られた。 ②　スケーリングと植生生理モデルによる植物変動評価手法の開発（農業環境技術研究所）　本研究課題では、多スケールのリモートセンシング実験に基づいて、主としてリモートセンシングデータとモデリングを結合するアプローチで植生の活力を評価する基礎手法を考案し、その有効性を検証した。　(1) 可視～近赤外域および熱赤外域のリモートセンシングデータを同時利用するVITT（Vegetation Index-Temperature Trapezoid）手法の考案と、それに基づいた植生活性評価手法の検討：可視～近赤外波長域の反射率と、熱赤外域の放射データに基づいて、植生を含む複合的な地表面を対象に、植物活性および地表面の水分状態の評価手法を考案した（VITT法）。この方法は、反射率に基づいた植生指数と放射測温に基づいた表面温度－気温差を二つの軸とする平面上の位置によって、地表面の水分状態、そしてそこに含まれる植生の活性を推定、評価するものである。植物体の光合成蒸散速度、気孔コンダクタンスなどの生理的変量と、VITT法によりリモートセンシングデータから求めた相対的な活性評価指数との間には密接な相関関係が得られることがわかった。さらに、航空機およびヘリからのマルチスペクトル計測画像および地上観測要因のデータセットを取得して、本手法の検証と改良を行い、その有効性を明らかにした。　(2) AOTF素子を用いたハイパースペクトル画像計測装置の試作と反射率画像による植物体窒素濃度の推定：試作したAOTF画像計測装置は野外でのハイパースペクトル画像計測に有効であった。多波長の反射係数と窒素濃度、クロロフィル指数、窒素量等各種の植物体パラメータとの相関関係を調べた結果、いずれも520-570nm、610-680nm、720-800nmの波長帯において高い寄与率を持つ波長が選択された。反射係数を用いた重回帰モデルにより、窒素濃度、クロロフィル指数、窒素量を比較的精度良く推定できる可能性が示された。　(3) ハイパースペクトルデータの計測とその効果的利用手法：ハイパースペクトルデータを用いて有効指標を策定するとともに、反射モデルのインバージョンによる手法について検討した。950-970nmの弱い水分吸収帯の反射率を相対化した指数R900/R970は、葉の水分含有率と高い相関関係があることがわかった。また、この指数をNDVI［=(NIR-RED)/(NIR+RED)］で補正した指数ではより直線的な関係が得られた。一方、色素変動を表す指数（［R800-R445］/［R800-R680］）も相対含有率と高い相関関係があることがわかった。また、ハイパースペクトル計測データを用いた反射シミュレーションモデルのインバージョンにより、水分状態など葉の特性値を推定する方法の有効性が検証された。（３）植物構造動態モデルによる植物群集変動の推定モデルの開発（農業環境技術研究所）　衛星リモートセンシングデータを導入できるようにデザインされた植生分布の動態を記述する数理モデル（植生構造動態モデル）を構築し、広域的な植物群集変動の推定システムを開発すること目的とした。まず、2時期（1986年7月28日と1997年7月19日）のランドサットTMデータを用いて、同じ地点を教師とする土地被覆分類を行い、日光戦場ケ原の植生変動を解析した結果、ズミなどの木本種や乾性草本種の侵入に伴う湿原域の縮小が検出された。また、2時期の植生分布についてマルチフラクタル解析を行ったところ、面積が縮小した湿原のマルチフラクタル次元の最大値は減少し、面積が拡大した乾性草原のそれは上昇した。そこで、個々の植生が示したマルチフラクタル次元を数理モデルに導入するため、植生構造動態モデルとして1種系の格子モデルを構築し、数値実験を行った結果、競合の強さおよび競合の非対称性が小さいほどマルチフラクタル次元の最大値は減少することが判明した。すなわち、植生分布のマルチフラクタル解析から植生構造動態モデルの相互作用パラメータ（競合の強さと非対称性）を導くことが可能であることを明らかにした。以上より、植生分布のマルチフラクタル解析と植生構造動態モデルの組み合わせによる植物群集変動の推定システムを開発した。４．考察　陸域生態系の空間構造は生態系の動態を把握する上で最も基本的なパラメータである。しかし、地域レベル、大陸レベルといった広い範囲でその構造を評価することは、従来からの地上計測による方法のみでは困難であった。本プロジェクトでは、衛星からのリモートセンシングデータと地上調査とを組み合わせることにより、植物群集レベルからより広域な地域を対象として、構造パラメータを計測する手法の開発を行った。５．研究者略歴課題代表者：田村正行 1950年生まれ、東京大学工学部卒業、工学博士現在、国立環境研究所社会環境システム部情報解析研究室室長主要論文： ① 田村正行、高槻幸枝、航空機レーザースキャナーによる樹高計測、写真測量とリモートセンシグ、Vo1. 39, pp. 8-13, 2000. ② 田村正行、地球環境と衛星リモートセンシング、地球環境、Vol. 4, pp. 13-19, 1999. ③ M. Tamura, J. F. Allard, and D. Lafarge, Spatial Fourier-transform method for measuring reflection coefficients at oblique incidence. II. Experimental results, J. Acoust. Soc. America, Vol. 97, pp. 2255-2262, 1995. （１）①：田村正行（同上）（１）②：小林達治 1964年生まれ、九州大学理学部卒業、郵政省通信総合研究所主任研究官、現在、ミシガン大学に長期滞在中主要論文： ①T. Kobayashi, M. Satake, H. Masuko, T. Manabe and M. Shimada, "CRL/NASDA Airborne Dual-frequency Polarimetric Interferometric SAR System", Proceeding of European Symposium on Remote Sensing, Vol. 3497, No. 2, pp. 2-12, 1998. ② T. Kobayashi, K. Okamoto, K. Nakamura, H. Horie, H. Kumagai and M. Shimada, "Artificial Oil Pollution Detection and Wave Observation in the Sea Adjacent to Japan by ERS-1 SAR Images", Proceedings of International Geoscience and Remote Sensing Symposium '93 pp. 1654-1656, 1993. ③ T.Kobayashi, H.Fujisaka and W. Just, "Thermodynamics and Multicorrelations of Intermittent dynamics", Phys. Rev. E Vol. 47, No. 5, pp. 3196-3205, 1992. （１）③：笹岡達男 1952年生まれ、東京大学農学部卒業、現在、環境庁自然保護局生物多様性センター長（２）①：沢田治男 1952年生まれ、東京大学大学院農学系研究科修士課程修了、農学博士現在、農林水産省森林総合研究所企画調整部海外森林環境変動研究チーム長主要論文： ① 沢田治男、林真理子、川端幸蔵、穴澤道雄、永谷泉、三塚直樹、中園悦子、森林生態系保護地域の長期モニタリングのためのデータセット作成、日本リモートセンシング学会発表論文集、21, pp. 241-244, 1996. ② H. Sawada, Y. Hirata, H. Takao and H. Saito, Delineation of Growth Environment of Tropical Seasonal Forest Using Satellite Remote Sensing, IUFRO, Growth & Yield of Tropical Forests, pp. 117-134, 1994. ③ 沢田治雄、森林管理情報システムの開発、システム学会誌、9 (1), pp. 57-65, 1993. （２）②：井上吉雄 1954年生まれ、京都大学大学院農学研究課終了、農学博士、現在、農林水産省農業環境技術研究所隔測研究室長主要論文： ① Y. lnoue and M. S. Moran : A simplified method for remote sensing of daily canopy transpiration- a case study with direct measurements of canopy transpiration in soybean canopies-. International J. Remote Sensing, 18 : 139-152, 1997. ② Y. Inoue, M.S. Moran and T. Horie : Analysis of spectral measurements in paddy field for predicting rice growth and yield based on a simple crop simulation model. Plant Production Science, 1 : 269-279, 1998. ③ Y. Inoue, S. Morinaga and A. Tomita : A blimp-based remote sensing system for low-altitude monitoring of plant variables : a preliminary experiment for agricultural and ecological applications. International Journal of Remote Sensing, 21, 379-385, 2000. （３）　：池田浩明 1960年生まれ、東京農工大学大学院博士課程連合農学研究課終了、農学博士、現在、農林水産省農業環境技術研究所環境生物部植生生態研究室主任研究官主要論文： ① H. Ikeda and K. Okutomi, Effects of species interactions on community organization along a trampling gradient. Journal of Vegetation Science, 3 (2), pp. 217-222, 1992. ② H. Ikeda and T. Ohkuro and M. Nemoto, Shoot morphological response to interactions between Dactylis gloerata and Veronica persica. Ecoscience, 1 (4), pp. 329-332, 1994. ③ H. Ikeda and K. Okutomi, Effects of trampling and competition on plant growth and shoot morphology of Plantago, Eragrostis and Eleusine species. Acta Botanica Neerlandica, 44 (2), pp. 151-160, 1995.