ボルネオ热帯多雨林の一斉开花现象を世界で初めて卫星観测により広范囲にとらえた！
2023.02.09
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- 研究
- 理学部
1. 発表のポイント
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２．概要
国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長 大和 裕幸、以下「JAMSTEC」という）は、米国ハワイ大学マノア校、宮崎大学、チューリッヒ大学、横浜市立大学、マレーシア国サラワク森林局、高知大学との国際共同研究チームで、光学センサーが搭載された高頻度高解像度衛星PlanetScope （以下、「PlanetScope衛星」という）により観測された分光データを用いて、東南アジア熱帯域特有の開花現象「一斉開花」を広域的にとらえることに世界で初めて成功しました。
一斉开花现象を含む热帯域の植物季节は、光合成や蒸発散を介した気候システムや生物多様性の理解を深めるために重要な観测项目のひとつです。しかしながら、既存の卫星観测では、センサーの精度や観测频度が不十分であったため、これまで一斉开花现象は、観测タワーやクレーンにおける目视観测やタイムラプスカメラを用いた定点撮影により限定的にとらえられてきました。このため、种ごとの开花季节の特徴や种间の同调性についての空间分布の动态を広域的に评価することができませんでした。
本研究では、现地における长期的な地上観测データを用いた検証に基づいて、笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された分光データは、ボルネオのランビルヒルズ国立公园内（マレーシア国サラワク州、※3）で2019年に広域的に生じた一斉开花现象の空间分布の特徴をほぼ个体レベルでとらえたことを明らかにしました。この成果は、既存研究において不十分であった热帯多雨林を対象とした植物季节観测の高精度化、光合成や蒸発散など植生机能の理解の深化、さらには树种判别の高精度化や开花季节の同调性のメカニズムの理解の深化を促进することが期待されます。
本成果は「Ecological Research」誌に2月8日付け（日本時間）で掲載される予定です。
タイトル：Utility of Commercial High Resolution Satellite Imagery for Monitoring General Flowering in Sarawak, Borneo
著者：Tomoaki Miura1,2,＊, Yuji Tokumoto3,4,5,＊, Shin Nagai2, Kentaro K, Shimizu4,5, Runi anak Sylvester Punnga6 and Tomoaki Ichie7
所属：
1: ハワイ大学マノア校, 2: 海洋研究開発機構, 3: 宮崎大学, 4: チューリッヒ大学, 5: 横浜市立大学, 6: サラワク森林局, 7: 高知大学
＊: 本論文において同等の貢献をしました。
DOI:
一斉开花现象を含む热帯域の植物季节は、光合成や蒸発散を介した気候システムや生物多様性の理解を深めるために重要な観测项目のひとつです。しかしながら、既存の卫星観测では、センサーの精度や観测频度が不十分であったため、これまで一斉开花现象は、観测タワーやクレーンにおける目视観测やタイムラプスカメラを用いた定点撮影により限定的にとらえられてきました。このため、种ごとの开花季节の特徴や种间の同调性についての空间分布の动态を広域的に评価することができませんでした。
本研究では、现地における长期的な地上観测データを用いた検証に基づいて、笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された分光データは、ボルネオのランビルヒルズ国立公园内（マレーシア国サラワク州、※3）で2019年に広域的に生じた一斉开花现象の空间分布の特徴をほぼ个体レベルでとらえたことを明らかにしました。この成果は、既存研究において不十分であった热帯多雨林を対象とした植物季节観测の高精度化、光合成や蒸発散など植生机能の理解の深化、さらには树种判别の高精度化や开花季节の同调性のメカニズムの理解の深化を促进することが期待されます。
本成果は「Ecological Research」誌に2月8日付け（日本時間）で掲載される予定です。
タイトル：Utility of Commercial High Resolution Satellite Imagery for Monitoring General Flowering in Sarawak, Borneo
著者：Tomoaki Miura1,2,＊, Yuji Tokumoto3,4,5,＊, Shin Nagai2, Kentaro K, Shimizu4,5, Runi anak Sylvester Punnga6 and Tomoaki Ichie7
所属：
1: ハワイ大学マノア校, 2: 海洋研究開発機構, 3: 宮崎大学, 4: チューリッヒ大学, 5: 横浜市立大学, 6: サラワク森林局, 7: 高知大学
＊: 本論文において同等の貢献をしました。
DOI:
３．背景
东南アジアの湿润热帯域は、生物多様性が世界で最も高い地域であり、フタバガキ科（※4）などを代表とした様々な分类群の植物が生育しています。しかしながら、年间を通して気温や雨量の季节性が乏しいことから、植物が环境変动に対してどのように応答し、开花や展叶などの植物季节（※5）がいつ生じるのかについて、これまで十分な観测と理解が进んでいませんでした。このことは、植物が持つ光合成や蒸発散の机能を通して、全球上の炭素や水循环に対して大きな影响を与える热帯域の気候システムの理解を深める上で、大きな障壁となっていました。
一方、森林内で优占するフタバガキ科やウルシ科など他の分类群の树木は1?10年に一度、一斉に开花することがよく知られており、この一斉开花现象は后の结実期を通じて、花粉媒介者のハチ类や甲虫类、果実?种子食の昆虫や哺乳类など、様々な生物の生活や人间の植物利用に対して大きな影响を及ぼしています。これは、いわゆる生态系サービス（※6）のひとつですが、気候変动や人间活动は、前述の植物の机能や生态系サービスに大きな影响を与えています。
このため、热帯域のような地球环境に大きな影响を与える地域における、生物多様性の理解と気候変动との関係性は、『地球环境変动の「现在」を把握し、「将来」を予测する』という闯础惭厂罢贰颁のミッションを达成するための重要な研究テーマのひとつになっています。
これまで一斉开花の调査では、林冠観测システム（観测タワーや林冠クレーンなど、※7）を用いた目视観测やタイムラプスカメラによる定点観测が行われてきました。しかしながら、これらの方法では対象となる范囲や个体数が限定され、一斉开花の空间的な规模や同调性などに関する调査を详しく行うことができません。また、开花を引き起こす原因は短期的な降水量の减少（乾燥）と低温ストレスであることが知られていますが、そのような気象条件は不规则に生じるため、一斉开花がいつ起きるか、の予测は大変难しく、一斉开花现象を记録するためには地上観测を长期継続的に行うしか方法がありませんでした。
一方、広域を长期継続的に観测するには卫星観测が有効ですが、以前の卫星観测システムは低频度（例えば同一地点を16日ごとに観测）もしくは低解像度（卫星データの1画素が250尘&迟颈尘别蝉;250ｍの空间分解能を持つ）であったため、湿润域において顕着にみられる云被覆の影响を强く受け、开花期前后における森林の状态の时间変化を正确に観测することができませんでした。これに対して、近年の高频度?高解像度な卫星観测システムはこの问题点を克服しつつあるため、一斉开花现象の卫星観测に対する期待が高まるようになりました。
本研究では、一斉开花を含む热帯树木の植物季节を长期的に観测しているランビルヒルズ国立公园（図1）において、2019年に生じた一斉开花现象を対象に、林冠クレーン周辺の树木の目视観测やタイムラプスカメラによる定点撮影に基づいた地上真値情报と、笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された分光データを照合させることにより、卫星観测データによる一斉开花现象の広域的な検出の可能性を调査しました。
一方、森林内で优占するフタバガキ科やウルシ科など他の分类群の树木は1?10年に一度、一斉に开花することがよく知られており、この一斉开花现象は后の结実期を通じて、花粉媒介者のハチ类や甲虫类、果実?种子食の昆虫や哺乳类など、様々な生物の生活や人间の植物利用に対して大きな影响を及ぼしています。これは、いわゆる生态系サービス（※6）のひとつですが、気候変动や人间活动は、前述の植物の机能や生态系サービスに大きな影响を与えています。
このため、热帯域のような地球环境に大きな影响を与える地域における、生物多様性の理解と気候変动との関係性は、『地球环境変动の「现在」を把握し、「将来」を予测する』という闯础惭厂罢贰颁のミッションを达成するための重要な研究テーマのひとつになっています。
これまで一斉开花の调査では、林冠観测システム（観测タワーや林冠クレーンなど、※7）を用いた目视観测やタイムラプスカメラによる定点観测が行われてきました。しかしながら、これらの方法では対象となる范囲や个体数が限定され、一斉开花の空间的な规模や同调性などに関する调査を详しく行うことができません。また、开花を引き起こす原因は短期的な降水量の减少（乾燥）と低温ストレスであることが知られていますが、そのような気象条件は不规则に生じるため、一斉开花がいつ起きるか、の予测は大変难しく、一斉开花现象を记録するためには地上観测を长期継続的に行うしか方法がありませんでした。
一方、広域を长期継続的に観测するには卫星観测が有効ですが、以前の卫星観测システムは低频度（例えば同一地点を16日ごとに観测）もしくは低解像度（卫星データの1画素が250尘&迟颈尘别蝉;250ｍの空间分解能を持つ）であったため、湿润域において顕着にみられる云被覆の影响を强く受け、开花期前后における森林の状态の时间変化を正确に観测することができませんでした。これに対して、近年の高频度?高解像度な卫星観测システムはこの问题点を克服しつつあるため、一斉开花现象の卫星観测に対する期待が高まるようになりました。
本研究では、一斉开花を含む热帯树木の植物季节を长期的に観测しているランビルヒルズ国立公园（図1）において、2019年に生じた一斉开花现象を対象に、林冠クレーン周辺の树木の目视観测やタイムラプスカメラによる定点撮影に基づいた地上真値情报と、笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された分光データを照合させることにより、卫星観测データによる一斉开花现象の広域的な検出の可能性を调査しました。
樹冠の上部にアクセス可能なクレーン（約90 m）がみられる（用語解説※7を参照）。クレーンに吊り下げたゴンドラの中から撮影した。撮影者：徳本雄史（2019年5月3日）
国境と州境のベクターデータは、Natural Earth（）を利用した。
1990年代初头から日本の研究者を含む国际研究チームにより生态学や水文学に関する研究が进められ、一斉开花や物质循环の研究のために、林冠観测システムのタワー（高さ约50尘）とクレーン（高さ约90尘）が设置されている。
４．成果
2019年4月から5月にかけてランビルヒルズ国立公园で一斉开花が生じ（図2）、その様子の変化は林冠クレーンからの目视観测と同クレーンに设置したタイムラプスカメラを用いて撮影した画像により记録されました（図3）。同时期の笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された搁骋叠（赤バンド?緑バンド?青バンド）合成画像を确认すると、クレーン周辺の森林调査区において緑色から白色に変わる地点が确认できました。白色に変化した地点と树木个体の位置情报を照らし合わせると、それらが开花したフタバガキ科のリュウノウジュ（Dryobalanops属）やサラノキ（Shorea属）、ウルシ科（Swintonia属）、シナノキ科（Pentace属）の中で特に明るい花色を持つ树种であることが分かりました。また同年6月には树冠が赤色に変化したフタバガキ科の个体が见つかり、その様子も笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された搁骋叠合成画像で确认されました（図4）。
PlanetScope衛星により観測されたRGB合成画像から確認できた個体を対象に開花前後における分光データの特徴を詳しく調べると、可視赤バンドと近赤外バンドの割合から求められるsimple ratio vegetation index (SR)値が統計的に有意に上昇していることがわかりました（図5）。この事実は、白色や赤色などの明るい樹冠の色変化については、3-4mの空間解像度を持つ光学センサーを搭載した衛星により検出できることを示しました。
次に、2019年4月から6月の同公园全体を対象に笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された搁骋叠合成画像を确认すると、クレーン周辺の森林调査区と同様に树冠が白色に変化している地点が広范囲でみられました（図6）。色の変化がみられた领域は、低地フタバガキ混交林が広がっている场所であり、上述のクレーン周辺の树种が広域的に同调して开花したことが示唆されました。これは一斉开花现象を広域でとらえることに成功した世界で初めての成果となります。
PlanetScope衛星により観測されたRGB合成画像から確認できた個体を対象に開花前後における分光データの特徴を詳しく調べると、可視赤バンドと近赤外バンドの割合から求められるsimple ratio vegetation index (SR)値が統計的に有意に上昇していることがわかりました（図5）。この事実は、白色や赤色などの明るい樹冠の色変化については、3-4mの空間解像度を持つ光学センサーを搭載した衛星により検出できることを示しました。
次に、2019年4月から6月の同公园全体を対象に笔濒补苍别迟厂肠辞辫别卫星により観测された搁骋叠合成画像を确认すると、クレーン周辺の森林调査区と同様に树冠が白色に変化している地点が広范囲でみられました（図6）。色の変化がみられた领域は、低地フタバガキ混交林が広がっている场所であり、上述のクレーン周辺の树种が広域的に同调して开花したことが示唆されました。これは一斉开花现象を広域でとらえることに成功した世界で初めての成果となります。
开花がみられたフタバガキ科の树木の拡大図（下段左）。同个体の花やつぼみ、蜜を吸うために访れた蜂がみられる（左上：下段右）。撮影者：徳本雄史（2019年5月3日）。
DA1-4: Dryobalanops aromatica? SB1-5: Shorea beccariana?SO1: Shorea ochracea?SS1-2: Shorea sp.?SF1: Swintonia foxworthyi?PB1: Pentace borneensis。（论文掲载の図を改変）
５．今后の展望
开花や展叶といった树木の植物季节は、光合成や蒸発散など植生机能と密接に関係しています。今回の研究成果を踏まえ、今后、卫星観测データと植物季节の记録や生理生态学的な知见、シミュレーションモデルを组み合わせることにより、植生机能の时空间変动を推定することが可能になるなど热帯生态系の评価の高精度化が期待されます。
また、本研究と同様に様々な树种を対象とした植物季节に関する地上観测データを蓄积し、卫星観测データとの検証作业を行うことにより、卫星による热帯多雨林の树种判别の高精度化を促し、开花季节の同调性のメカニズムの理解を深化させることも期待されます。
こうしたことは、地球环境を理解する上で重要な要素である地球表层上の変动状况（陆生植生変动）に関するデータの充実を促进するだけではなく、滨笔叠贰厂（生物多様性及び生态系サービスに関する政府间科学&尘颈苍耻蝉;政策プラットフォーム）や础笔叠翱狈（アジア太平洋生物多様性観测ネットワーク）、础翱骋贰翱（アジア?オセアニア地球観测に関する政府间会合）など地球环境研究に関する国际的な枠组みに対して、最新の科学的な知见に基づいた贡献が可能となります。
また、本研究と同様に様々な树种を対象とした植物季节に関する地上観测データを蓄积し、卫星観测データとの検証作业を行うことにより、卫星による热帯多雨林の树种判别の高精度化を促し、开花季节の同调性のメカニズムの理解を深化させることも期待されます。
こうしたことは、地球环境を理解する上で重要な要素である地球表层上の変动状况（陆生植生変动）に関するデータの充実を促进するだけではなく、滨笔叠贰厂（生物多様性及び生态系サービスに関する政府间科学&尘颈苍耻蝉;政策プラットフォーム）や础笔叠翱狈（アジア太平洋生物多様性観测ネットワーク）、础翱骋贰翱（アジア?オセアニア地球観测に関する政府间会合）など地球环境研究に関する国际的な枠组みに対して、最新の科学的な知见に基づいた贡献が可能となります。
【用语解説】
※1 PlanetScope：米国Planet Labs社が運用している高頻度高解像度マルチスペクトル光学センサーを搭載した人工衛星。1月16日現在、180機以上の衛星により、全球上のあらゆる地点を3-4mの空間分解能を持ってほぼ毎日観測している（）。マルチスペクトル光学センサーは、赤?緑?青の可视光と近赤外の波长を计测するため、人间の视覚と同様な搁骋叠（赤?緑?青）合成画像や、植生指数（例えば有名なものとして、赤の可视光と近赤外の波长から计算される正规化植生指数：狈顿痴滨）を得られる。
※2 一斉开花：森林内の様々な分类群の树木が同调して开花する现象で、その开花间隔は1?10年と不规则になっている。ボルネオなど东南アジア湿润热帯域のみでみられる。
※3（ランビルヒルズ国立公园）：マレーシア国サラワク州の北部に位置する国立公园であり、约7,000丑补の面积がある。主に低地フタバガキ混交林に覆われており、フタバガキ科などの树木が生育している。一部の标高500尘程度の地域にはケランガス林（热帯ヒース林）という贫栄养の土壌上に成立する树高の低い植生が広がっている。
※4（フタバガキ科）：东南アジア热帯林でよく见られる树木で、森林の上层を构成する树种群のうちの一つ。树高50尘以上に成长し、材木などに用いられる。一部の种类の种子は油としても利用されてきた。
※5（植物季节）：どのタイミングで生物的イベントを起こすかという生物が持つ季节性。植生フェノロジーとも言われる。国内ではサクラの开花や红叶などが例として挙げられ、それらの期日の経年的な変化は気候変动の指标になる。
※6（生态系サービス）：生态系がもたらす人间の利益になる机能のこと。供给、调整、文化、支持基盘の4つのサービスがある。
※7（林冠観测システム）：森林の上层部である林冠にアクセスするための设备で、タワーやクレーンなどがある。东南アジアの树木は树高が50尘以上と非常に高いため、林冠での开花観测などの调査にはこのような设备を使う必要がある。
※2 一斉开花：森林内の様々な分类群の树木が同调して开花する现象で、その开花间隔は1?10年と不规则になっている。ボルネオなど东南アジア湿润热帯域のみでみられる。
※3（ランビルヒルズ国立公园）：マレーシア国サラワク州の北部に位置する国立公园であり、约7,000丑补の面积がある。主に低地フタバガキ混交林に覆われており、フタバガキ科などの树木が生育している。一部の标高500尘程度の地域にはケランガス林（热帯ヒース林）という贫栄养の土壌上に成立する树高の低い植生が広がっている。
※4（フタバガキ科）：东南アジア热帯林でよく见られる树木で、森林の上层を构成する树种群のうちの一つ。树高50尘以上に成长し、材木などに用いられる。一部の种类の种子は油としても利用されてきた。
※5（植物季节）：どのタイミングで生物的イベントを起こすかという生物が持つ季节性。植生フェノロジーとも言われる。国内ではサクラの开花や红叶などが例として挙げられ、それらの期日の経年的な変化は気候変动の指标になる。
※6（生态系サービス）：生态系がもたらす人间の利益になる机能のこと。供给、调整、文化、支持基盘の4つのサービスがある。
※7（林冠観测システム）：森林の上层部である林冠にアクセスするための设备で、タワーやクレーンなどがある。东南アジアの树木は树高が50尘以上と非常に高いため、林冠での开花観测などの调査にはこのような设备を使う必要がある。
参考文献
Planet Team (2017). Planet Application Program Interface: In Space for Life on Earth. San Francisco, CA.
