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ハイパースペクトルカメラと偏光カメラの融合による植生光合成速度推定法の開発

Research Project

Project/Area Number 22K19841
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

彦坂 幸毅  東北大学, 生命科学研究科, 教授 (10272006)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywordsリモートセンシング / 光散乱 / 光化学反射指数 / 光合成 / 葉群光合成 / クロロフィル蛍光 / 群落光合成 / スペクトル / 葉角
Outline of Research at the Start

群落光合成速度の計算には、個葉が受ける光強度と光合成能力の情報が必要である。ハイパースペクトルカメラ(HSC)により、個葉からの光の強度と波長組成から様々な情報を得られるが、個葉の角度を考慮した補正が必要となる。偏光カメラにより、個葉の角度を実測することができる。本研究では、HSCと偏光カメラの同時観測システムを構築し、群落光合成速度を高精度で推定することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

光化学反射指数(PRI)は、葉の光合成系の状態を反映する反射指数であり、リモートセンシングにおいて光合成速度の推定に利用することが期待されている。しかし、PRIは光合成系以外の要因にも影響を受けるため、精度は低く、発見から30年以上経った現在でも実用化はされていない。研究代表者は、PRIを用いた光合成推定において、反射光スペクトルに強い角度依存性があり、これがPRIの精度を下げる原因の一つであることに気づき、本研究を着想した。
本年度は光源角度と観測角度を変えてPRIの値がどのように変化するかを調べた。当初は、散乱光成分(ランベルト反射)と鏡面反射の二成分に分けることでPRIの角度依存性を補正できると考えたが、調べた結果、観測角度に依存する第3の成分があることがわかった。この成分は観測角度と指数関数の関係にあり、この成分を導入することで反射光の角度依存性を波長ごとに数式で表せることがわかった。ランベルト反射成分は光合成系の情報を含み、この成分のみを抽出することで光合成系の状態を角度非依存的に推定できることが明らかとなった。
さらに、この手法をハイパースペクトルカメラ観測からの推定に用いることを目指し、実験を行った。残念ながらハイパースペクトルカメラで観測した光の角度依存性は分光光度計で観測したときの角度依存性とは若干異なり、最初のトライアルは失敗した。この原因と克服するための手法を検討した。
このほか、PRIの精度を下げる原因の一つである葉の色素組成について、これを補正する方法を考案し、論文を発表した(Nakamura et al. 2024)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験は予定通り行われた。反射光の角度依存性を数理モデル化することに成功した。予想外の結果がいくつか出ているが、反射光の角度依存性に3つめの成分があることは、ある程度想定していたことであり、新たな数式を導入することによって克服できている。ハイパースペクトルの観測結果と分光光度計の観測結果の不一致も予想外であり、これはまだ克服できていないが、技術的な問題であると考えられ、今後克服できると期待している。

Strategy for Future Research Activity

ハイパースペクトルカメラで観測した光の波長依存性を説明するモデルを構築する。モデルそのものに問題があるのではなく、観測システムに問題があると考えており、観測機器の改良によって解決することを考えている。モデルの完成後に、偏光カメラ(葉の角度を計測する)とハイパースペクトルカメラの同時測定を行い、葉角度のばらつきを考慮した群落光合成速度推定法を確立する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Correction of photochemical reflectance index (PRI) by optical indices to predict non-photochemical quenching (NPQ) across various species2024

    • Author(s)
      Nakamura Yukiko、Tsujimoto Katsuto、Ogawa Tetsu、Noda Hibiki M.、Hikosaka Kouki
    • Journal Title

      Remote Sensing of Environment

      Volume: 305 Pages: 114062-114062

    • DOI

      10.1016/j.rse.2024.114062

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Heterotic growth of hybrids of <i>Arabidopsis thaliana</i> is enhanced by elevated atmospheric CO<sub>2</sub>2024

    • Author(s)
      Mishio Masako、Sudo Emi、Ozaki Hiroshi、Oguchi Riichi、Fujimoto Ryo、Fujii Nobuharu、Hikosaka Kouki
    • Journal Title

      American Journal of Botany

      Volume: 111 Issue: 4

    • DOI

      10.1002/ajb2.16317

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Regional‐Scale Wilting Point Estimation Using Satellite SIF, Radiative‐Transfer Inversion, and Soil‐Vegetation‐Atmosphere Transfer Simulation: A Grassland Study2023

    • Author(s)
      Kiyono T.、Noda H. M.、Kumagai T.、Oshio H.、Yoshida Y.、Matsunaga T.、Hikosaka K.
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Biogeosciences

      Volume: 128 Issue: 4

    • DOI

      10.1029/2022jg007074

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhanced growth rate under elevated CO2 conditions was observed for transgenic lines of genes identified by intraspecific variation analyses in Arabidopsis thaliana2022

    • Author(s)
      Oguchi Riichi、Hanada Kousuke、Shimizu Minami、Mishio Masako、Ozaki Hiroshi、Hikosaka Kouki
    • Journal Title

      Plant Molecular Biology

      Volume: 110 Issue: 4-5 Pages: 333-345

    • DOI

      10.1007/s11103-022-01265-w

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Plant and microbial community composition jointly determine moorland multifunctionality2022

    • Author(s)
      Sasaki Takehiro、Ishii Naohiro I.、Makishima Daichi、Sutou Rui、Goto Akihito、Kawai Yutaka、Taniguchi Hayami、Okano Kunihiro、Matsuo Ayumi、Lochner Alfred、Cesarz Simone、Suyama Yoshihisa、Hikosaka Kouki、Eisenhauer Nico
    • Journal Title

      Journal of Ecology

      Volume: 110 Issue: 10 Pages: 2507-2521

    • DOI

      10.1111/1365-2745.13969

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Predicting diversity changes in subalpine moorland ecosystems based on geometry of species distributions and realistic area loss2022

    • Author(s)
      Makishima Daichi、Ishii Naohiro、Sutoh Rui、Goto Akihito、Kawai Yutaka、Taniguchi Hayami、Uchida Kei、Shimazaki Masaya、Nakashizuka Tohru、Suyama Yoshihisa、Hikosaka Kouki、Sasaki Takehiro
    • Journal Title

      Journal of Vegetation Science

      Volume: 33 Issue: 5

    • DOI

      10.1111/jvs.13150

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Does selection occur at the intermediate zone of two insufficiently isolated populations? A whole-genome analysis along an altitudinal gradient2022

    • Author(s)
      Yoshida Naofumi、Morinaga Shin-Ichi、Wakamiya Takeshi、Ishii Yuu、Kubota Shosei、Hikosaka Kouki
    • Journal Title

      Journal of Plant Research

      Volume: 136 Issue: 2 Pages: 183-199

    • DOI

      10.1007/s10265-022-01429-1

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Remote sensing of photosynthesis and stress responses in leaves and vegetations2023

    • Author(s)
      Kouki Hikosaka
    • Organizer
      International Biology Conference (IBOC) 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Remote sensing of photosynthesis and stress response in leaves and vegetations2023

    • Author(s)
      Kouki Hikosaka
    • Organizer
      The 2022 Northeast Asia Biodiversity Research Center Annual Meeting and International Symposium
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 色素量変動補正を導入した光化学反射指数(PRI)によるブナ林霜害の観測2023

    • Author(s)
      青野葉介, 野田響, 中村由紀子, 冨松元, 彦坂幸毅
    • Organizer
      日本生態学会大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] A new method for extracting stress status2022

    • Author(s)
      Tetsu Ogawa, Maro Tamaki, Takae Usui, Kouki Hikosaka
    • Organizer
      THE INTERNATIONAL HORTICULTURAL CONGRESS 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 常緑広葉樹ヤブツバキ群落で観察する群落表面と群落内の 光化学反射指数(PRI)のばらつき2022

    • Author(s)
      上妻 馨梨,彦坂 幸毅
    • Organizer
      日本植物学会第 86 回大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 光化学反射指数(PRI)の色素量変動補正法の探索および補正された PRI を用いたブナ林の観測2022

    • Author(s)
      青野葉介,野田響, 中村由紀子,冨松元,彦坂幸毅
    • Organizer
      東北植物学会 第 12 回大会 (宮城大会)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 東北大学 生命科学研究科 機能生態分野

    • URL

      http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/hikosaka_lab/

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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