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

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01850
• 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
• キーワード: 一次生産量 / クロロフィルa濃度 / 水温 / 機械学習 / 半理論モデル

研究実績の概要

理論的には、植物プランクトンの吸収係数をベースにしたAbPMモデルによる水域の一次生産量の推定の方が最適だと考えられるが、水域の総吸収係数から植物プランクトンの吸収係数の分離は依然課題として残されているため、本年度はクロロフィルa濃度をベースにした推定モデルの一種であるTPM（ Theory-based primary Production Model）モデルに着目した。TPMモデルは、その半分析的な性質（ほぼ理論的な方程式に基づく）により、様々な水域に適用できる可能性がある。TPMモデルの精度は、植物プランクトンの光生理学的応答が適切にパラメーター化されているかどうか（すなわち、同化数PmaxBと光飽和パラメーターEkのリモートセンシングデータによる高精度での推定）に大きく依存する。しかし、PmaxBとEkの衛星データによる推定は困難な作業であり、その進捗が遅れているため、TPMモデルの応用が妨げられているのが現状である。そこで、本研究は、衛星データからPmaxBとEkを高精度で推定するための機械学習アルゴリズム（ERFR）を提案した。また、ERFRは、外洋や沿岸水域、湖沼など様々な栄養状態及び生物地理学的条件を持つ水域から収集してきた現地データによってトレーニングされたため、汎用性の高いものである。さらに、別途で収集してきた現地データを使用した評価によって、ERFRは従来の経験的及び半分析的アルゴリズムよりも優れており、PmaxBとEkの変動をより適切に捉えることを明らかにした。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の推定を行い、より合理的な空間分布（特に極地、沿岸、および内陸水域での推定結果）を得た。これらの結果は、本研究で提案した手法の有用性を示している。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Convection of waters in Lakes Maninjau and Singkarak, tropical oligomictic lakes (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, F. Setiawan, L. Subehi, M. Fakhrudin, E. Triwisesa, A. Dianto, B. Matsushita
  • 雑誌名: Limnology 巻: 23 ページ: 375-383
  • DOI: 10.1007/s10201-021-00686-8
  • 査読あり / 国際共著
• [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
  • DOI: 10.3390/rs14040
  • 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
  • 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
  • DOI: 10.1016/j.rse.2022.113027
  • 査読あり
• [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: D. Jiang, B. Matsushita, N. Pahlevan, D. Gurlin, M. K. Lehmann, C. G. Fichot, J. Schalles, H. Loisel, C. Binding, Y. Zhang, K. Alikas, K. Kangro, M. Uusoue, M. Ondrusek, S. Greb, W. J. Moses, S. Lohrenz, D. O’Donnell
  • 雑誌名: Remote Sensing of Environment 巻: 258 ページ: 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: T. Fukushima, B. Matsushita
  • 雑誌名: Hydrobiologia 巻: 848 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: T. Fukushima, T. Kitamura, B. Matsushita
  • 雑誌名: SN Applied Sciences 巻: 3 ページ: 841
  • DOI: 10.1007/s42452-021-04823-x
  • 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