2017 Fiscal Year Research-status Report
Regional mapping of soil thickness predicted by machine learning techniques
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17K07865
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| Research Institution | Forest Research and Management Organization |
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Principal Investigator |
山下 尚之 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員等 (30537345)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大貫 靖浩 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員等 (10353616)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 土層厚 / マッピング / 広域スケール / 機械学習 / 空間推定 / 山地小流域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
日本の山地部では土層厚（土壌深度）の地理空間情報がほとんど整備されていない。本研究は、機械学習を用いた空間推定モデリング（マッピング）およびその検証のための効率的な広域土層厚調査によって、日本の土層厚分布を可視化・精緻化することを目的とする。本年度は空間推定モデルの入力値として土層厚とその説明変数に関する空間情報を収集してデータベースとして整備するとともに、効率的な広域土層厚調査法の開発をおこなった。土層厚は森林吸収源インベントリ情報整備事業（林野庁）や山地小流域における既往文献から緯度経度を持つ点データとして整理し、説明変数データは10mの空間解像度を持つ国土地理院の標高データから20程度の地形因子を算出した。さらに、これらのデータベースの一部を用い、機械学習手法であるRandom forestやBoosted regression treeを用いて茨城県北部の50㎞×50kmの範囲において土層厚マップを試作した。これは山地小流域試験地における多点観測の結果を教師データとしたものであり、試験地内における土層厚分布の誤差（RMSE）は約1mであった。また、このモデルにおいては、特に斜面位置、斜面方位、曲率に関する地形因子が土層厚の推定に寄与していた。一方、効率的な広域土層厚調査の手法を検討した結果、労力の大きい従来法（簡易貫入試験）の代替として、林道におけるのり面測量や土層強度検査棒の活用が有効であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は空間推定モデルの入力値として土層厚とその説明変数の空間情報を収集するとともに、効率的な広域土層厚調査法の開発のための手法比較を実施した。土層厚データは、森林吸収源インベントリ情報整備事業土壌等調査（約380地点）や茨城及び沖縄の山地小流域における既往の調査（約650地点）より抽出し、モデル入力が可能な点データとして整備した。山地小流域における一部の調査結果については緯度経度情報が不明であったため、高精度GPSを用いて位置情報を正確に取得した。説明変数データは、10mの空間解像度を持つ国土地理院の標高データより、20程度の地形因子を算出するとともに、土壌・地質・気象データを合わせて面データとして整備した。また、これらのデータベースの一部を用いることにより、茨城県北部の50㎞四方を対象として予備的な土層厚マップを試作した。本マップは山地小集水域試験地における多点観測データを活用したものであり、試験地内における土層厚分布の精度は誤差約1mであった。一方、広域土層厚調査の開発では、土層強度検査棒とのり面測量による土層厚観測を従来法（簡易貫入試験）と比較した。その結果、土層強度検査棒は観測時間を約半分に短縮でき、その観測値も従来法とおおむね一致していたが（R2=0.94）、根・レキが著しく多い地点では過小評価になる可能性があった。なお、のり面測量は土層強度検査棒と組み合わせることで十分な精度を得ることができた。手法比較によって土層強度検査棒とのり面測量は土層厚観測の効率化に寄与することが明らかとなったが、状況に応じて従来法を組み合わせる必要もあると考えられた。
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| Strategy for Future Research Activity |
土層厚データの収集・整備をさらに進め、予備的に作成した茨城県北部の広域土層厚マップ（50km×50km）の検証と改良を進める。検証は、マップ内の複数の流域において土層厚を実際に測定しておこなう。おおよそ2-3km間隔で調査対象の小流域を選び、各小流域で土層厚が薄く予測されたエリアから厚く予測されたエリアをまんべんなく含むように観測点を設定する。各点において、初年度に精度を確認した土層強度検査棒・のり面観測によって土層厚を測定する。小流域の選択にあたっては時間的なコストを十分に考慮し、主要な道路・林道の近傍でアクセスが簡易な地点を広範囲で調査する。次に、得られた観測データと予測マップの出力値を比較するとともに、その誤差要因を考察する。具体的にどのような地形特徴、地質、土壌での推定精度が悪いかを検討し、これを改善するための説明変数を探索、もしくは考案する。その上で新たな説明変数セットを組み込んだ空間モデルによって改良マップを作成し、予備マップからの改善度を評価する。
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| Causes of Carryover |
申請書では調査手法の効率化が早く進んだ場合、初年度に一部の地域で広域調査を開始することも想定しており、そのための旅費を計上していた。しかし、観測精度を万全にするためには効率的な広域土層厚調査法の考案が必要だったことから、これを延期し、準備を整えたうえで次年度より開始することとした。そのため、特に広域調査のために計上した旅費の多くを次年度に使用することとなった。この繰り越し分は当初の予定通り主に広域調査のための旅費・消耗品に使用する予定である。
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Research Products
(1 results)
