新リモートセンシング手法による全球湖沼一次生産量の推定

• 研究課題/領域番号: 17H01850
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 環境動態解析
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 松下 文経 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (80361319)
• 研究分担者: 楊 偉 千葉大学, 環境リモートセンシング研究センター, 助教 (80725044) ; 福島 武彦 茨城県霞ケ浦環境科学センター(湖沼環境研究室、大気・化学物質研究室), 湖沼環境研究室, センター長 (90124354)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2017年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 一次生産量 / 全球水域 / 機械学習 / 吸収係数 / クロロフィルa濃度 / 半理論方式 / 水温 / 半理論モデル / 植物プランクトン吸収係数 / 大気補正 / リモートセンシング / 植物プランクトン / 炭素固定率 / 植物プランクトンの吸収係数 / 湖水吸収係数 / 湖水透明度

研究成果の概要

本研究は、リモートセンシングデータを活用することによって、全球水域の一次生産量を見積もったものである。このため、まず3種類の水域一次生産量の推定アルゴリズムを比較し、最も有望な手法はクロロフィルa濃度をベースにした理論方式のモデル（TPM）であることを明らかにした。次に、TPMモデルの実行に必須の２つ入力パラメーター（最大光量子使用量PmaxBと光飽和係数Ek）を衛星データから高精度で推定するための機械学習アルゴリズムを提案し、その有用性を示した。最後に、本研究で開発したモデルを用いて、全球水域の一次生産量（2010－2019の年平均）を推定した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で開発したモデルを用いて全球水域一次生産量の推定結果は35.4Pg C/yr（2010－2019の年平均）である。この推定値は、一般的に使用されているVGPMモデルの推定値（47.1Pg C/yr）の約75％となっている。現地データによるモデルの評価結果は、本研究で提案したモデルの方がより合理的な一次生産量の空間分布（特に極地、沿岸及び内陸水域）を示している。従って、今までの全球水域一次生産量に対する見積もりは25％の過大推定と考えられる。本研究による得た成果は水資源の持続可能な利用や全球水域による有機炭素貯蔵量の見積もり、気候変動に対する水域生態系のレスポンスの研究などに期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] Research Center for Limnology(インドネシア)
• [国際共同研究] Research Center for Limnology(インドネシア)
• [国際共同研究] Research Centre for Limnology(インドネシア)
• [雑誌論文] A Semianalytical Algorithm for Estimating Water Transparency in Different Optical Water Types from MERIS Data (2022)
  • 著者名/発表者名: A.D. Msusa, D. Jiang, B. Matsushita
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 14 ページ: 868-868
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simultaneous retrieval of selected optical water quality indicators from Landsat-8, Sentinel-2, and Sentinel-3 (2022)
  • 著者名/発表者名: N. Pahlevan, B. Smith, K. Alikas, J. Anstee, C. Barbosa, C. Binding, M. Bresciani, B. Cremella, C. Giardino, D. Gurlin, V. Fernandez, C. Jamet, K. Kangro, M. K. Lehmann, H. Loisel, B. Matsushita, N. Ha`, L. Olmanson, G. Potvin, S. G.H. Simis, A. VanderWoude, V. Vantrepotte, A. Ruiz-Verd;
  • 雑誌名: Remote Sensing of Environment 巻: 270 ページ: 112860-112860
  • DOI: 10.1016/j.rse.2021.112860
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Remote estimation of phytoplankton primary production in clear to turbid waters by integrating a semi-analytical model with a machine learning algorithm (2022)
  • 著者名/発表者名: Z. Li, W. Yang, B. Matsushita, A. Kondoh
  • 雑誌名: Remote Sensing of Environment 巻: 275 ページ: 113027-113027
  • DOI: 10.1016/j.rse.2022.113027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Remotely estimating total suspended solids concentration in clear to extremely turbid waters using a novel semi-analytical method (2021)
  • 著者名/発表者名: Jiang Dalin、Matsushita Bunkei、Pahlevan Nima、Gurlin Daniela、Lehmann Moritz K.、Fichot C?dric G.、Schalles John、Loisel Hubert、Binding Caren、Zhang Yunlin、Alikas Krista、Kangro Kersti、Uus?ue Mirjam、Ondrusek Michael、Greb Steven、Moses Wesley J.、Lohrenz Steven、O'Donnell David
  • 雑誌名: Remote Sensing of Environment 巻: 258 ページ: 112386-112386
  • DOI: 10.1016/j.rse.2021.112386
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Limiting nutrient and its use efficiency of phytoplankton in a shallow eutrophic lake, Lake Kasumigaura (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Takehiko、Matsushita Bunkei
  • 雑誌名: Hydrobiologia 巻: 848 号: 15 ページ: 3469-3487
  • DOI: 10.1007/s10750-021-04593-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lake water quality observed after extreme rainfall events: implications for water quality affected by stormy runoff (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Takehiko、Kitamura Tatsumi、Matsushita Bunkei
  • 雑誌名: SN Applied Sciences 巻: 3 号: 11 ページ: 841-841
  • DOI: 10.1007/s42452-021-04823-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Convection of waters in Lakes Maninjau and Singkarak, tropical oligomictic lakes (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Takehiko、Setiawan Fajar、Subehi Luki、Fakhrudin Muh、Triwisesa Endra、Dianto Aan、Matsushita Bunkei
  • 雑誌名: Limnology 巻: 23 号: 2 ページ: 375-383
  • DOI: 10.1007/s10201-021-00686-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] SAVMA 法を利用した WorldView-2 画像による阿寒湖の沈水植物分布の推定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尾山洋一・山田浩之・松下文経・福島武彦
  • 雑誌名: 湿地研究 巻: 10 号: 0 ページ: 53-66
  • DOI: 10.24785/wetlandresearch.WR010008
  • NAID: 130007886576
  • ISSN: 2185-4238, 2434-1762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Seamless retrievals of chlorophyll-a from Sentinel-2 (MSI) and Sentinel-3 (OLCI) in inland and coastal waters: A machine-learning approach (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Pahlevan, B. Smith, J. Schalles, C. Binding, Z. Cao, R. Ma, K. Alikas, K. Kangro, D. Gurlin, N. H, B. Matsushita, W. Moses, S. Greb, M. K. Lehmann, M. Ondrusek, N. Oppelt, R. Stumpf
  • 雑誌名: Remote Sensing of Environment 巻: 240 ページ: 111604-111604
  • DOI: 10.1016/j.rse.2019.111604
  • NAID: 120007163359
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A simple and effective method for removing residual reflected skylight in above-water remote sensing reflectance measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Jiang Dalin、Matsushita Bunkei、Yang Wei
  • 雑誌名: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 巻: 165 ページ: 16-27
  • DOI: 10.1016/j.isprsjprs.2020.05.003
  • NAID: 120007169663
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Long-term changes in water mineral concentrations and their influence on sediment water content in a shallow lake (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Takehiko、Komuro Shunsuke、Kitamura Tatsumi、Nagahama Yumi、Matsushita Bunkei
  • 雑誌名: SN Applied Sciences 巻: 2 号: 8 ページ: 1319-1319
  • DOI: 10.1007/s42452-020-3119-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Robust algorithm for estimating total suspended solids (TSS) in inland and nearshore coastal waters (2020)
  • 著者名/発表者名: S. V. Balasubramaniana, N. Pahlevana, B. Smitha, C. Binding,J. Schalles, H. Loisel, D. Gurlin, S. Greb, K. Alikas, M. Randla, B. Matsushita, W. Moses, H. Nguy, M. K. Lehmann, D. O'Donnell, M. Ondrusek, T. Han, C. G. Fichot, T. Moore E. Boss
  • 雑誌名: Remote Sensing of Environment 巻: 246 ページ: 111768-111768
  • DOI: 10.1016/j.rse.2020.111768
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Long-Term Change of the Secchi Disk Depth in Lake Maninjau, Indonesia Shown by Landsat TM and ETM+ Data (2019)
  • 著者名/発表者名: .F. Setiawan, B. Matsushita, R. Hamzah, D. Jiang & T. Fukushima
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 11, 2875 号: 23 ページ: 1-20
  • DOI: 10.3390/rs11232875
  • NAID: 120007163364
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics of DO decline in Lakes Kasumigaura and Kitaura, shallow polymictic eutrophic lakes in Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, T. Kitamura, S. Komuro, K. Nakagawa, Y. Nagahama, S. Matsumoto, B. Matsushita
  • 雑誌名: Lakes & Reservoirs: Science, Policy and Management for Sustainable Use 巻: 24 号: 4 ページ: 314-323
  • DOI: 10.1111/lre.12294
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decadal change in tripton concentration in a shallow lake (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, S. Komuro, T. Kitamura, Y. Nagahama, B. Matsushita
  • 雑誌名: SN Applied Sciences 巻: 1 号: 12 ページ: 1637-1637
  • DOI: 10.1007/s42452-019-1668-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An Improved Algorithm for Estimating the Secchi Disk Depth from Remote Sensing Data Based on the New Underwater Visibility Theory. (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Jiang, B. Matsushita, F. Setiawan & A. Vundo
  • 雑誌名: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 巻: 152 ページ: 13-23
  • NAID: 120007133630
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Overall Evaluation of Water Transparency in Lake Malawi from MERIS Data (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Vundo, B. Matsushita, D. Jiang, M. Gondwe, R. Hamzah, F. Setiawan & Takehiko Fukushima
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 11 号: 3 ページ: 1-18
  • DOI: 10.3390/rs11030279
  • NAID: 120007133446
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Factors explaining the yearly changes in minimum bottom dissolved oxygen concentrations in Lake Biwa, a warm monomictic lake (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, T. Inomata, E. Komatsu & B. Matsushita
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9:298 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36533-7
  • NAID: 120007133468
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 牛久沼における近年の水質変動要因 (2022)
  • 著者名/発表者名: 長濱祐美，福島武彦
  • 学会等名: 第56回日本水環境学会年会
• [学会発表] Remote Estimation Of Phytoplankton Primary Production In Clear To Turbid Waters By Incorporating A Semi-Analytical Model With A Machine-Learning Algorithm (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhaoxin Li, Wei Yang, Bunkei Matsushita, Akihiko Kondoh
  • 学会等名: Ocean Carbon from Space 2022 Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] A Machine-learning Algorithm for Remotely Retrieving Phytoplankton Photosynthetic Parameters and Its Applications on the Modeling of Gross Primary Production in Various Aquatic Ecosystems (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhaoxin Li, Wei Yang, Bunkei Matsushita, Akihiko Kondoh
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Removal of residual reflected skylight for accurate measurement of water-leaving reflectance (2021)
  • 著者名/発表者名: Wei Yang, Bunkei Matsushita, Dalin Jiang
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合
• [学会発表] 牛久沼流入河川における汚濁負荷と流域の土地利用特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村夏紀、古川真莉子、湯沢美由紀、福島武彦
  • 学会等名: 第55回日本水環境学会年会
• [学会発表] Remote sensing of floating macroalgae in the coastal areas based on machine learning (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhaoxin Li, Zhongfeng Qiu, Wei Yang
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] A conceptual model for explaining the decadal change in tripton and its influences on limnological processes in a shallow lake (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, S. Komuro, T. Kitamura, Y. Nagahama, B. Matsushita
  • 学会等名: ISEM Global Conference 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Remote estimation of chlorophyll-a concentration across different trophic states in inland lakes by a hybrid algorithm (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Yang, B. Matsushita, A. Kondoh
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Application of Satellite Remote Sensing to Monitor Eutrophication Status of Inland Lakes (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Yang, B. Matsushita
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [学会発表] Estimation of Secchi depth in Lake Kasumigaura from MERIS. (2018)
  • 著者名/発表者名: D. Jiang, B. Matsushita, T. Fukushima
  • 学会等名: 17th World Lake Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Long-term monitoring of lake surface area change in Indonesian from global surface water data (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Hamzah, B. Matsushita, T. Fukushima
  • 学会等名: 17th World Lake Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Development a model for estimating Secchi disk depth using Landsat TM and ETM+ in Indonesian lakes. (2018)
  • 著者名/発表者名: F. Setiawan, B. Matsushita, T. Fukushima, Luki Subehi
  • 学会等名: 17th World Lake Conference
  • 国際学会
• [学会発表] NHKテレビ番組で放映された霞ヶ浦の環境問題 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川村志満子、福島武彦、松下文経
  • 学会等名: 17th World Lake Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Spatio-temporal variability of chlorophyll-a concentration in Lake Malawi using MERIS data (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Vundo, B. Matsushita, T. Fukushima
  • 学会等名: 17th World Lake Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Satellite Monitoring of Eutrophication in Inland Lakes: Algorithm Development and Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Wei Yang, Bunkei Matsushita, Takehiko Fukushima, Akihiko Kondoh
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On Operational Monitoring of Water Quality Parameters by Satellite Remote Sensing in a Turbid Inland Lake of Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Wei Yang, Bunkei Matsushita, Akihiko Kondoh
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Long-term Satellite Monitoring of Water Quality Parameters in Lake Kasumigaura, Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Wei Yang, Bunkei Matsushita, Akihiko Kondoh
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2018
• [学会発表] 霞ヶ浦流域で生じる生態系サービス間のトレードオフとそれを緩和する保全策の検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松﨑 慎一郎、高津文人、今藤夏子、渡邊未来、角谷拓、大澤剛士、山口晴代、安藤温子、小松一弘、霜鳥孝一、中川惠、中嶋信美、吉岡明良、佐々井崇博、三枝信子、松下文経、高村典子
  • 学会等名: 第65回日本生態学会大会
• [学会発表] Developing A General Algorithm for Estimating Secchi Disk Depth from Landsat 5 TM and 7 ETM+ data in Indonesian Lakes (2017)
  • 著者名/発表者名: Fajar Setiawan, Bunkei Matsushita, Takehiko Fukushima
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Monitoring water quality of inland lakes by remotely sensed observations (2017)
  • 著者名/発表者名: Wei Yang
  • 学会等名: International Conference on Natural Hazards and Disaster Management
  • 国際学会
• [学会発表] A quasi-analytical model for estimating Secchi depth (SD) in clear and turbid water bodies based on MERIS data (2017)
  • 著者名/発表者名: Wei Yang, Bunkei Matsushita, Meylin Terrel, Takehiko Fukushima
  • 学会等名: 第三回中国定量リモートセンシング学術フォーラム
• [学会発表] Impervious cover changes in the Lower Mekong countries from 2001 to 2013 (2017)
  • 著者名/発表者名: Sophak Pok, Bunkei Matsushita, Takehiko Fukushima
  • 学会等名: International Symposium on Remote Sensing 2017
  • 国際学会
• [学会発表] REMOTE SENSING OF CHLOROPHYLL-A CONCENTRATION AND SECCHI DISK DEPTH IN LAKE MALAWI FROM MERIS DATA (2017)
  • 著者名/発表者名: Augusto Vundo, Bunkei Matsushita, Takehiko Fukushima
  • 学会等名: The 3rd International Conference of Indonesia Society for Remote Sensing (ICOIRS) 2017
  • 国際学会
• [備考] 松下業績
  • URL: http://www.ies.life.tsukuba.ac.jp/~modeling/staff09_iframe_2.html