Improvement of a hybrid hydro-ecological and machine learning model for water quality management
| Project/Area Number |
20F20727
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 外国 |
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| Review Section |
Basic Section 22040:Hydroengineering-related
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
矢島 啓 島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 教授 (10283970)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
DEROT JONATHAN 島根大学, エスチュアリー研究センター, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2020-07-29 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | 機械学習モデル / 生態系モデル / LSTM / ダム・湖沼 / 水質管理 / 機械学習 / ランダムフォレストモデル / K-meansモデル / アオコ / HAB / 水質予測 |
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| Outline of Research at the Start |
ダムや湖沼における深刻な水質問題の一つに，植物プランクトンの異常発生であるアオコ現象があげられる。これまでのアオコ予測は，生態系モデルによる数値シミュレーションを用いた手法が主体であった。また，近年では，機械学習などのAI技術による研究も盛んに行われている。しかしながら，両手法ともにその精度は不十分である。そこで，予測精度向上のために機械学習と深層学習を組み合わせた新たなアオコ予測手法を構築する。さらに，生態系シミュレーションモデルのパラメータ設定に機械学習モデルを取り込んだハイブリッドな生態系モデルを構築し，従来の生態系モデルによるアオコ予測精度の向上を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
湖沼やダム貯水池における水環境保全は，日本だけでなくフランスにおいても重要な課題である。中でも植物プランクトンの異常発生に伴うアオコ問題は，両国の共通課題である。アオコは毒素をもつことがあるため，アオコを予測する技術が求められている。本研究では，これまでの生態系シミュレーションによるアオコ予測に，機械学習などのAI技術を取り入れたハイブリッドな生態系モデルによるアオコ予測精度の向上を目指した研究を行った。
昨年度は，フランスと英国間に位置する英国海峡，およびフランスとスイス国境にあるジェネバ湖を対象に，機械学習の一つであるRandom Forest (RF)モデルを用いて，藍藻類の異常増殖を予測する研究を行った。本年度の研究においては，まず，生態系モデルへの機械学習の適用の一環として，宍道湖におけるシジミの資源量予測にRFモデルを適用する研究を行った。2018年に宍道湖で行われた一斉資源量調査時のデータの収集と整理を行った上で，機械学習による検討を行った。その結果，シジミのサイズの違いにより，その資源量に与える影響因子に差があることを明らかにした。また，最終的な目標である生態系モデルとAI技術を組み合わせたアオコ予測に関する研究は，まず，国内のダム湖である国土交通省管理の尾原ダムを対象に，生態系モデルの構築を行い，十分な再現性が得られていることを確認した。さらに，そのモデルに対して，RFモデルおよびニューラルネットワークの一種であるLSTM（長短記憶）を組み入れる検討を行った。ただし，生態系モデルの構築は完成したものの，最終的にLSTMを含めた適用については，今後の研究につながる基礎検討を終える段階で終了した。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
