Development of estimation methods for maximum depth and structure of tree roots using ground penetrating radar

• Project/Area Number: 20H03028
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 40010:Forest science-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 平野 恭弘 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (60353827)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤堂 千景 兵庫県立農林水産技術総合センター, 森林林業技術センター, 上席・主任研究員 (00463414) ; 池野 英利 福知山公立大学, 情報学部, 教授 (80176114) ; 檀浦 正子 京都大学, 農学研究科, 准教授 (90444570)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
• Keywords: 樹木根 / 根系深さ / 地中レーダ / 森林土壌 / 人工林 / スギ

Outline of Research at the Start

豪雨や強風に伴う樹木の根返りや流木化防止の観点から、樹木根系の深さを評価する必要がある。これまで根系深さを知るためには掘り取りなど破壊的測定が必要であったが、本研究では地中レーダを用いた地表面のみの探査で非破壊的に根の最大深さを推定することに取り組む。また樹高や幹直径など樹木地上部の指標や、地下水位や土壌硬度など土壌環境要因もレーダ探査結果とともに考慮し、土を掘らずに樹木の根の最大深さを推定する手法を提案する。

Outline of Annual Research Achievements

二周波同時地中レーダを用いて深い根を考慮した根系構造の推定を試みる本研究の目的１を達成するため、名古屋大学稲武フィールドに生育するスギ個体を対象として、幹中心から25 ㎝間隔で150 cmまでの同心円探査測線を設定し、レーダ探査を行った。その結果、800 MHzと300 MHzともに深さ1 m程度までレーダ反射波を確認した。これらの検出精度を検証するため、対象スギ個体の全根系について掘り取り調査を行い、根系特性を取得した。その結果、直径30 ㎝を超える石礫の存在する土壌や、他個体の根が多く存在する土壌では、根の検出精度が低下した。本研究で対象としたスギ個体の根の最大深さは150 ㎝付近程度であり、多く根が深さ1 m以内であったため、800 MHzのレーダを用いた根の検出精度が、1 mよりも深い根を検出できる300 MHzよりも高くなった。また探査されたレーダ反射波形から根の位置と直径を推定し、スギ個体根系構造復元モデルを用いて根系構造の推定を行った。その結果、特に幹直下の深い根の推定精度が低いこと、また他個体の根を幹から150 cmなど遠くからつないで構造復元をすることで推定根系は過大評価されていることが明らかとなった。
樹木根の最大深さを地上部などの特性から推定する手法を確立する本研究の目的２を達成するため、樹高、幹直径、樹冠幅など地上部の特性と根系特性の関係性を検討した。その結果、クロマツについて根の最大深さは、樹高と強い関係性があることが示唆された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 応用森林学会大会 公開講演会「持続可能な都市山管理－六甲山の減災を考える－」 (2023)
  • Author(s): 山瀬敬太郎・大橋瑞江・池野英利・谷川東子・藤堂千景・檀浦正子・堀田紀文・平野恭弘
  • Journal Title: Shinrin Kagaku Volume: 98 Issue: 0 Pages: 38-39
  • DOI: 10.11519/jjsk.98.0_38
  • ISSN: 0917-1908, 2424-1490
  • Year and Date: 2023-06-01
• [Journal Article] 3D reconstruction using Structure-from-Motion: a new technique for morphological measurement of tree root systems (2022)
  • Author(s): Okamoto Yuki、Ikeno Hidetoshi、Hirano Yasuhiro、Tanikawa Toko、Yamase Keitaro、Todo Chikage、Dannoura Masako、Ohashi Mizue
  • Journal Title: Plant and Soil Volume: 477 Issue: 1-2 Pages: 829-841
  • DOI: 10.1007/s11104-022-05448-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Maximum rooting depth of Pinus thunbergii Parl. estimated with depth at the center point of rotation in a tree-pulling experiment in a coastal forest in Japan (2022)
  • Author(s): Todo C, Yamase K, Ikeno H, Tanikawa T, Ohashi M, Hirano Y
  • Journal Title: Forests Volume: 13 Issue: 9 Pages: 1506-1506
  • DOI: 10.3390/f13091506
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Root system of the giant <i>Cryptomeria japonica</i> tree collapsed at Shinmei shrine in Okute town, Gifu, in July 2020. (2021)
  • Author(s): 平野恭弘・南光一樹・土居龍成・西村澪・杁山哲矢・谷川東子
  • Journal Title: Root Research Volume: 30 Issue: 3 Pages: 65-75
  • DOI: 10.3117/rootres.30.65
  • NAID: 130008093518
  • ISSN: 0919-2182, 1880-7186
  • Year and Date: 2021-09-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reconstruction of Conifer Root Systems Mapped with Point Cloud Data Obtained by 3D Laser Scanning Compared with Manual Measurement 査読有り (2021)
  • Author(s): Chikage Todo, Hidetoshi Ikeno, Keitaro Yamase, Toko Tanikawa, Mizue Ohashi, Masako Dannoura, Toshifumi Kimura, Yasuhiro Hirano
  • Journal Title: Forests Volume: 12 Issue: 8 Pages: 1117-1117
  • DOI: 10.3390/f12081117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection of Tree Roots Using Ground Penetrating Radar for Disaster Mitigation (2020)
  • Author(s): 谷川東子, 山瀬敬太郎, 藤堂千景, 池野英利, 大橋瑞江, 檀浦正子, 金澤洋一, 平野恭弘
  • Journal Title: Water Science Volume: 64 Issue: 3 Pages: 87-112
  • DOI: 10.20820/suirikagaku.64.3_87
  • NAID: 130008139803
  • ISSN: 0039-4858, 2432-4671
  • Year and Date: 2020-08-01
  • Open Access
• [Journal Article] A quantitative evaluation of soil mass held by tree roots (2020)
  • Author(s): Tanikawa Toko、Ikeno Hidetoshi、Todo Chikage、Yamase Keitaro、Ohashi Mizue、Okamoto Toru、Mizoguchi Takeo、Nakao Katsuhiro、Kaneko Shinji、Torii Atsushi、Inagaki Yoshiyuki、Nakanishi Asami、Hirano Yasuhiro
  • Journal Title: Trees Volume: 35 Issue: 2 Pages: 527-541
  • DOI: 10.1007/s00468-020-02054-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 樹木の根を知るニーズ ～根の広がりと強度の評価～ (2020)
  • Author(s): 平野恭弘
  • Journal Title: グリーンエージ Volume: 47 Pages: 20-23
• [Presentation] スギ林土壌の巨礫の有無に着目した二周波地中レーダによる推定根系の比較 (2024)
  • Author(s): 金子祥也・谷川東子・藤堂千景・池野英利・山瀬敬太郎・ 大橋瑞江・檀浦正子・杁山哲矢・黒見信輔・柳瀬亮太・平野恭弘
  • Organizer: 第135回日本森林学会大会
• [Presentation] スギ林における根の土壌補強強度を推定する (2024)
  • Author(s): 藤堂千景・山瀬敬太郎・池野英利・谷川東子・大橋瑞江・ 檀浦正子・平野恭弘
  • Organizer: 第135回日本森林学会大会
• [Presentation] 牧田直樹・福澤加里部・檀浦正子・平野恭弘 (2024)
  • Author(s): 森林生態系における樹木根の発達と機能の最近の理解の進展
  • Organizer: 第135回日本森林学会大会
• [Presentation] 地中レーダ探査技術を利用した樹木根構造の非破壊解析に関する研究 (2023)
  • Author(s): 平野恭弘
  • Organizer: 第58回根研究集会
  • Invited
• [Presentation] Eco-DRRと森林根系に着目した減災効果の定量的評価に向けた最新知見 (2023)
  • Author(s): 平野恭弘
  • Organizer: 第61回治山シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 巨礫のある土壌・無い土壌に生育するスギの根に地中レーダを探査した際の検出精度 (2023)
  • Author(s): 金子祥也、谷川東子、藤堂千景、池野英利、山瀬敬太郎、大橋瑞江、檀浦正子、杁山哲矢、 黒見信輔、柳瀬亮太、平野恭弘
  • Organizer: 第58回根研究集会
• [Presentation] 深層学習モデルによる地中レーダBスキャン画像からの樹木根の自動抽出 (2023)
  • Author(s): 遠山諒人、平野恭弘、谷川東子、大橋瑞江、山瀬敬太郎、藤堂千景、檀浦正子、池野英利
  • Organizer: 第58回根研究集会
• [Presentation] 巨礫を含む土壌に生育するスギ林根系の地中レー ダを用いた検出精度 (2023)
  • Author(s): 金子祥也・谷川東子・藤堂千景・池野英利・山瀬敬太郎・ 大橋瑞江・檀浦正子・杁山哲矢・黒見信輔・平野恭弘
  • Organizer: 第134回日本森林学会大会
• [Presentation] 二周波地中レーダを用いたスギ林の根 系と石礫の検出精度の検証 (2022)
  • Author(s): 金子祥也・谷川 東子・藤堂 千景・池野英利・山瀬敬太郎・大橋瑞江・檀浦正子・杁山哲矢・黒見信輔・平野恭弘
  • Organizer: 第12回中部森林学会大会
• [Presentation] Ground penetrating radar can nondestructively estimate soil reinforcement by roots in managed forests (2022)
  • Author(s): Yamase K, Tanikawa T, Dannoura M, Todo C, Yamamoto T, Ikeno H, Ohashi M, Aono K, Doi R, Hirano Y
  • Organizer: 8th International Symposium on Physiological Processes in Roots of Woody Plants
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Acquisition of the 3D morphological data from 2D images using SfM-MVS (2022)
  • Author(s): Okamoto Y, Ikeno H, Hirano Y, Tanikawa T, Yamase K, Todo C, Dannoura M, Ohashi M
  • Organizer: 8th International Symposium on Physiological Processes in Roots of Woody Plants
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二周波地中レーダを用いたスギ根系と石礫の同時検出 (2022)
  • Author(s): 金子祥也・ 谷川東子・ 藤堂千景・ 池野英利・ 山瀬敬太郎 ・ 大橋瑞江・ 檀浦正子・ 杁山哲矢・ 黒見信輔 ・ 平野恭弘
  • Organizer: 第55回根研究集会
• [Presentation] An efficient method for estimating tree root structure using SfM (2022)
  • Author(s): Y Okamoto, H Ikeno, Y Hirano, T Tanikawa, K Yamase, C Todo, M Dannoura, M Ohashi
  • Organizer: 第69回日本生態学会
• [Presentation] 巨礫を多く含む土壌に生育するスギ根系の二周波地中レーダを用いた検出 (2022)
  • Author(s): 金子祥也・ 谷川東子・ 藤堂千景・ 池野英利・ 山瀬敬太郎 ・ 大橋瑞江・ 檀浦正子・ 杁山哲矢・ 黒見信輔 ・ 平野恭弘
  • Organizer: 第 133 回日本森林学会大会
• [Presentation] 3Dレーザスキャナを使って再構築したクロマツ根系と手動計測による再構築を比較する (2022)
  • Author(s): 藤堂千景、池野英利、山瀬敬太郎、谷川東子、大橋瑞江、檀浦正子、木村敏文、平野恭弘
  • Organizer: 第 133 回日本森林学会大会
• [Presentation] SfMによる樹木根系の三次元再構 成におけるノイズ処理の検討 (2022)
  • Author(s): 岡本祐樹，池野英利，平野恭弘，谷川東子，山瀬敬太郎，藤堂千景，檀浦正子，大橋瑞江
  • Organizer: 第 133 回日本森林学会大会
• [Presentation] SfMを使用した樹木根の直径区分による形態解析 (2021)
  • Author(s): 岡本祐樹，池野英利，平野恭弘，谷川東子，山瀬敬太郎，藤堂千景，檀浦正子，大橋瑞江
  • Organizer: 第53回根研究集会
• [Presentation] SfMを用いた樹木根の分岐角度の計測 (2021)
  • Author(s): 岡本祐樹，池野英利，平野恭弘，谷川東子，山瀬敬太郎，藤堂千景，檀浦正子，大橋瑞江
  • Organizer: 第54回根研究集会
• [Presentation] 環境変動と樹木根 (2021)
  • Author(s): 中路達郎, 小林 真, 野口享太郎, 平野恭弘
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] 二周波地中レーダを用いた高深度解析による海岸林クロマツの根系構造推定 (2021)
  • Author(s): 池野英利, 澤志萌, 平野恭弘, 藤堂千景, 山瀬敬太郎, 谷川東子, 檀浦正子, 大橋瑞江
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] SfMを使用した樹木根系構造の三次元再構成と形態計測 (2021)
  • Author(s): 岡本祐樹, 大橋瑞江, 平野恭弘，谷川東子，山瀬敬太郎，藤堂千景，檀浦正子，池野英利
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] 樹木の根系と分布 (2021)
  • Author(s): 大橋瑞江, 平野恭弘, 檀浦正子
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] 樹木根の担う生態系サービスと持続可能な社会への貢献 (2021)
  • Author(s): 平野恭弘
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] 岐阜県大湫町神明神社の大杉倒木の根系状況 (2020)
  • Author(s): 平野恭弘, 南光一樹, 土居龍成，西村澪，杁山哲矢，谷川東子
  • Organizer: 第 52 回根研究集会
• [Presentation] VisualSfM による根系三次元構造の再構築 (2020)
  • Author(s): 岡本祐樹，大橋瑞江，平野恭弘，谷川東子，山瀬敬太郎，藤堂千景，檀浦正子，池野英利
  • Organizer: 第 52 回根研究集会
• [Book] 根っこのふしぎな世界 くらしと根っこはつながっている (2023)
  • Author(s): 中野明正 平野恭弘 小泉文久
  • Total Pages: 47
  • Publisher: 文研出版
  • ISBN: 9784580825994
• [Remarks] 第73回 応用森林学会大会 公開講演会 持続可能な都市山管理 ー六甲山の減災を考えるー
  • URL: http://applforsci.jp/pdf/lecture_2022.pdf
• [Remarks] 岐阜県瑞浪市大湫町の大杉の倒木化は、根系の発達制限が原因だった
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2021/09/post-57.html