第 5 回水文過程のリモートセンシングとその応用に関するワークショップ論文集 2006 年 12 月地上設置型高波長分解能分光放射計による植生モニタリング VEGETATION MONITORING BY IN-SITU TYPE HYPER-SPECTRAL RADIOMETERS 樋口篤志 1・檜山哲哉 2・高橋厚裕 3，西川将典 4，飯島雄 5，福嶌義宏 6 Atsushi HIGUCHI, Tetsuya HIYAMA, Atsuhiro TAKAHASHI, Masanori NISHIKAWA, Yu IIJIMA, Yoshihiro FUKUSHIMA 1 2 3 4 5 6 千葉大学助教授環境リモートセンシング研究センター (CEReS) （〒263-8522 千葉市稲毛区弥生町）名古屋大学助教授地球水循環研究センター (HyARC)（〒464-8601 名古屋市千種区不老町）人間文化研究機構研究員総合地球環境学研究所 (RIHN)（〒603-8047 京都市北区上賀茂本山 457-4）名古屋大学大学院生環境学研究科（〒464-8601 名古屋市千種区不老町名古屋大学 HyARC 気付）千葉大学大学院生自然科学研究科（〒263-8522 千葉市稲毛区弥生町千葉大学 CEReS 気付）人間文化研究機構教授総合地球環境学研究所 (RIHN)（〒603-8047 京都市北区上賀茂本山 457-4） For maximum utilize the observation data derived from Earth observation satellites, long-term in-situ monitoring is essentially required. This article reports the status of development in-situ type measuring system for hyper-spectral radiometric conditions over the vegetated surface. The system consists of two-set of hyper-spectral radiometers with the circulation to connect with a general data-logger (CR-23X, Campbell Sci., Inc.), Advantage in the developed monitoring system is that; the system has a function of restarting with power supply recovering because of PC-free system for the measuring (by the default setting, hyper-spectral radiometer requires the Windows PC for the control and data storing). We install two systems in Terrestrial Environmental Research Center (TERC), University of Tsukuba, Japan (wet grassland), and Changwu Agroecometeorological observatory, located on the Loess Plateau, China (winter wheat). Currently the systems of those two perform well, and we obtained excellent data from the system. Keywords：In-situ type monitoring of vegetation, multi-spectral, long-term monitoring 1. はじめに地球観測衛星による地球表層計測は，多くの人的・金銭的リソースを要求する国際事業である． GEOSS 等の国際的なフレームワークに基づき現在様々な波長帯，特性を持つセンサーの打ち上げが企画されている．こうした観測計画，あるいは打ち上げられた衛星から得られるシグナルを実際に他の研究（特にモデル研究）と有機的にリンクさせるためにアルゴリズム開発は打ち上げ計画と対となって行われる．熱帯観測衛星(TRMM)に対する世界的な名声は，搭載されたセンサー自身が世界初，というユニーク性ばかりでなく，ノイズ等実際の計測誤差を含んだ level0 データを実際に使えるような形式（降雨量，降雨の特性など）に変換するアルゴリズム研究の成功によることも見逃してはならない．植生モニタリングという観点において，光学センサーは植生の特異な分光反射特性を計測しうるため既に 20 年以上の伝統を持つ．これは AVHRR の長期運用，30 年以上継続して計測が続けられた Landsat シリーズの貢献，EOS で策定された Terra/Aqua 衛星に搭載された MODIS の成功（これは野心的に展開・公開された MOD プロダクトの成功と書いても問題は無いであろう），等々の連続性が大きい．植生モニタリングにおいてもアルゴリズム開発は必須研究であり，理論計算，生態モデルを噛ませた同化，統計的リトリーバル等のアプローチが現存する．こうした植生モニタリングにおけるアルゴリズム研究の前に，現実の問題として a). 光学センサーの宿命として，雲で覆われた際の陸面データの取得はできない，b). 大気補正の問題（特にエアロゾルによる減衰寄与），および c). 実スケール（個葉レベル ∼群落レベル）での実現象の把握，および実スケールから衛星計測レベルへのスケールアップ問題，等の問題がある．上述した問題のうち，実スケールでの現象把握は衛星検証という側面のみならず，それ自身が気象学，水文学，生態学そのものとダイレクトに繋がるため，重要性は増すことはあれ，減ずることは無いであろう．また，特に植生フェノロジーをターゲットとする際には，１年がそのサイクルとなるため，少なくとも数年，できれば 5 年以上安定して観測を行い，年々変動もターゲットにいれた観測態勢を整える必要がある．第 5 回水文過程のリモートセンシングとその応用に関するワークショップ論文集 3) 第一著者は樋口ほか (2000) で導入した簡易式植生計測を 2000 年から継続して現在も行っているが，近年の計測機の技術進歩により，設置型多波長分光放射計が製品化され，これらを導入する機会を得た．本稿では連続無人稼働を前提とした多波長分光放射計測システム開発について報告し，これらの計測で得られた初期結果について記載する． 2. 観測システムの概要本システムで採用した分光放射計は英弘精器社製の全天候型可視分光放射計 MS-700 である． MS-700 の仕様を Table 1 に示す．名称に“可視”がついているが，観測範囲は紫外線の一部∼近赤外までカバーしており，植生計測に利用可能である．大きな特長として，全天候型であるため野外設置が可能で長期観測が行えることである．また，内部温度制御にファンを用いず，ペルチェ素子を用いた電子式温度制御のため，光の回折誤差が少なく安定した長期運用が望めることも採用した理由の一つである．ペルチェ素子の運用のため，商用電源が必要となるのが僻地運転を考える際にネックとなるが，この計測機単体で現象を捉えることは不可能であり，他の計測機（例えば乱流機）も同時に運用されることを想定し，商用電源は設置場所に施設されている仮定を置いている． 2006 年 12 月とから，一つ CR23X でデータ取得を行うためにはシリアル通信を切り替える必要がある（そのため，原理的には上下の分光放射量の同時計測は行えない）．そのため，２つの MS-700 からデータロガーの間に RS232 スイッチを入れ，スイッチ制御自身をデータロガーで行うことようにプログラミングされている．その他，電源障害が発生した際にはその情報もデータとして記録し，電源障害が復帰した後には自動的に計測が再開するようになっている．このように，PC による制御を汎用データロガーに変更したため，データ取得部に関しての不安材料を減らすことが可能となった． 3. 観測システム設置例 (1) 筑波大学陸域環境研究センター実験圃場 (TGF) 最初に設置候補としたのは，これまでの実績をふまえ，筑波大学陸域環境研究センター実験圃場（TGF）である．設置は 2003 年 12 月に行い，樋口ほか(2000)3) で示された光量子計とアルベドメータが設置された場所の近くに設置した．2004 年 4 月には，浅沼ほか(2004)2)で述べられた第３世代データ収集・公開システムの一部（Campbell データ収集システム）を利用し，観測サイト（データロガー）と研究棟を無線 LAN で接続し，データ取得を自動化，さらにインターネットでデータ取得が可能となった． Table 1 Specifications of MS-700 Items Wavelength (nm) Number of channels Interval of each channel Internal Temperature Dependency of temp. Communication Specification From 350 to 1,050 256 ch. 10 nm in mean (depend on wavelength) 25 degree C +- 1.0 % (-20 to 50 deg. C) By RS422/RS232C Table 1 で示されているように，通常，MS-700 はシリアル通信を用いた専用ソフト（Windows）で制御計測を行う仕様となっている．しかし，連続長期稼働を考えた場合，PC による制御は避けた方が良いという観点から，汎用データロガーによるデータ取得システムを（株）クリマテックと共に開発した．以下，MS-700 と汎用ロガーによる制御およびデータ取得，データ転送も含めた一連のセットを単純に観測システムと記載する．観測システムを構築するにあたり，データロガーはキャンベル社製 CR-23X を使用した．微気象観測等によく使われるより安価な CR-10X を採用しなかった理由として，開発当時は内部転送が CR-10X ではロガー内の CPU 速度が遅いため，バッファーオーバーフローを起こす可能性があること，後述する，シリアル回線切り替え信号切り替えのノウハウを 23X に関して多く持っていたこと，が挙げられる．本システムでは MS-700 を上下に向けて設置したこ (2) 中国黄土高原長武試験場（地球研黄河プロジェクト）もう一つのサイトは総合地球環境学研究所で実施中のプロジェクト（通称黄河プロジェクト）の大気境界層観測班の観測機器群の一つとして，中国黄河流域内の黄土高原に位置する長武県長武試験場 (Fig. 2) に 2004 年 5 月に設置された (Hiyama et al., 2005)1)．この観測は，大気境界層レーダ（ウインドプロファイラー）とマイクロ波放射計による大気鉛直プロファイル計測，および地表面フラックス（水・熱・CO2）微気象要素，放射要素を計測するシステム（Flux and Radiation Observation System: FROS; Fig. 1）よりなる． Fig. 1 Schematic illustration of FROS installed at Changwu Station, Loess Plateau, Japan. 第 5 回水文過程のリモートセンシングとその応用に関するワークショップ論文集 2006 年 12 月 Fig. 2 Location of Changwu station with several spatial resolutions DTM (lower-left: GTOPO30, lower-right: SRTM). Upper-right image is 14-days composite NDVI image in June 2002 (MODIS product). Fig. 3 After the installation of radiometers Figure 1 および Fig. 3 に示すように，FROS での放射要素は正味放射，短波放射（全天，直達），長波放射，光合成有効放射（PAR），および本観測システム（分光放射）からなる．データ収録は乱流計測生データは CR-5000 による収録，微気象・放射要素（除く分光放射出力）・地中計測要素（地温，土壌水分）は CR-10X，分光放射データは CR-23X でそれぞれ行われ（Fig. 4; 型番は全てキャンベル社製データロガーの名称を示す），ロガーで収録されたデータは有線で観測小屋（境界層レーダ，マイクロ波放射計の制御・データ収録 PC 群が置かれている）に置かれた PC に自動的にデータが取得される． Fig. 4 Data logging system in FROS. Upper-box stored a system for logging raw-data of turbulence elements (by CR-5000, Campbell Inc.), lower-box has two data loggers, one is CR-10X for micro-meteorological elements, the other is CR-23X for multi-spectral radiometers. 第 5 回水文過程のリモートセンシングとその応用に関するワークショップ論文集 4. 本観測システムによる初期観測結果 2 地点で現在も連続観測が行われているが，そのうち解析が比較的進んでいる長武試験場の結果を示す．長武試験場内の植生は冬小麦であり，隣接する農場ではリンゴが栽培されている．フラックス（フットプリント内）には隣接するリンゴ畑からの寄与は特に 10m 以上で計測された結果に関しては考慮に入れる必要があるが，分光放射計に関しては，視野内にリンゴ畑は含まれないため，得られた結果は上向き放射に関しては麦からの分光放射量を見ていることになる． 2006 年 12 月ク上に入っているものは停電による欠測であるが，データロガーに出力された停電記録は 2005 年の 10 月までで 9 回である．まず，良好なデータ取得状況から本システムが無人で連続稼働（特に自動計測再開機能）していることが分かる．また，1μm 付近は水蒸気の吸収帯にあたる（チャンネル 200 付近に相当）が，水蒸気の吸収で地表面に殆ど到達していないことが分かる．また，教科書的なデータとして，青色(0.4 -0.5μm)に太陽放射のピークがあり，これを分光放射計は捉えている（チャンネル 50 前後が青色波長に対応する）． Fig. 6 Same as Fig.6, but for upward radiation. Fig. 5 Day of year-channel number section derived from multi-spectral radiometer. Unit is W m-2 μm-1. Sampling date is every noon in BST. Observed element is downward spectral radiation. Figure 5 に 2005 年の下向き分光放射量の季節変化を示す．縦軸が日（Day of Year），横軸がチャンネル数に対応する．データは上下セットで 2 分間隔でサンプリングされるが，ここでは中国時間の正午前後のサンプルデータのみで描画している．所々スパイ上向き放射の季節変化を Fig. 6 に示す．Fig. 5 と縦軸横軸は同じである．上向き成分では，麦の生長に伴い，近赤外域の上向き分光放射が増大し，160 DOY∼170DOY にかけて急激に可視域（チャンネル 80 付近が可視光と近赤外の境界）の分光放射が増えていること，180DOY 以降は可視域∼近赤外全域で放射量が増えていることが分かる．下向き成分と上向き成分を合わせることにより，各チャンネルの分光反射を計算することが可能である．ここで注意しなければならない点として，上下第 5 回水文過程のリモートセンシングとその応用に関するワークショップ論文集 2006 年 12 月方向を別々の分光放射計で計測しているため，厳密には放射計毎の器差があり，全く同じ波長域の分光放射を計算しているわけではないことである． Fig. 9 A photo of station in 150 DOY. Fig. 10 Same as Fig. 10, but for in 160 DOY. Fig. 7 same as Fig. 6, but for spectral reflectance. Figure 7 に上下分光放射計の組み合わせによって計算された分光反射率の季節変化を示す．全体として，可視域の分光放射が低く，近赤外域の反射率が高い典型的な麦の分光放射特性が観測されていることがわかる．精査すると，70DOY からまず麦の LAI の増加に伴う近赤外波長の反射率増加がみられ，そ Fig. 11 Same as Fig.10, but for in 170 DOY (just before the harvesting). Fig. 8 Snapshots of spectral reflectance in 150 DOY (Red), 160 DOY (green), and 170 DOY. の後 90DOY∼160DOY に可視光の分光反射率の低下（生育のピーク），その後，近赤外域の反射率の低下と赤∼近赤外の反射率の急激な変化の減少（レッドエッジのブルーシフト）が 160∼170DOY にかけて認められる． Figure 8 は 150, 160 170 DOY における，分光反射率のスナップショットを示す．150DOY は麦の最盛第 5 回水文過程のリモートセンシングとその応用に関するワークショップ論文集期，160DOY は麦の色が変わりだした時期，170DOY は収穫直前（実際の刈り取りは 171DOY に行われた）に対応する．スペクトルをみると，150DOY では明確な緑域(チャンネル 70 付近に対応)の盛り上がりと，青，赤波長の凹みが観察され，160DOY では赤の反射率と近赤外域（赤に近い波長）の反射率の減少（レッドエッジのブルーシフト），170DOY では光合成活動がほぼ停止した麦の分光スペクトルとなっていることがわかる．こうした麦の急激な状態変化は，現地で同時期に行った集中観測で得られた毎日の写真撮影からも一目瞭然（Fig. 9-11）である．さらにほかの観測要素（クロロフィル量の代替値である SPAD 値，渦相関法で得られた CO2 フラックスの季節変化，それぞれの図は省略）でも（それぞれの減少のタイミングは異なるが）観測されている． 5. おわりに本稿では普段の学術論文ではほとんど記載されない観測システムの概要について記載した．正確を期すために記載すると，両サイト共に設置後すぐに結果で示した良好なデータが取得されたのではなく，システムのバージョンアップ，バグフィックスに１年費やしている．これは開発を依頼した（株）クリマテックの問題ではなく，分光放射計が吐き出すデータ量と汎用データロガーの処理能力の見積もりミス（つまり最初の依頼時の技術チェックミス）によるものである．同一要素を短い時間ステップで計測する（主に乱流生データ収集がこの用途に当たる）ロギング技術とは異なり，時間間隔は乱流計測より長くとも，一度に 256 要素のデータを格納するというケースは一般的なデータロギングではあまり想定されない方法であり，こうした計測も可能であることが示せたことは大きいのではないだろうか．本計測では放射計の性格から方向性反射(BRDF) は考慮することができない，こうした計測は集中観測として，ハンドキャリー型の分光放射計を用いて分光放射の角度依存性の計測を行い，設置型データと組み合わせることにより，より高度・複合的な情報を得ることが可能である．このような集中観測を行う際にも，連続計測が行われていれば，集中観測時の状況が，Fig. 7 のような解析を行うことにより理解可能となり，文字通り基礎データとして機能す 2006 年 12 月ると思われる．設置型計測は言い換えると“農耕”型計測といえ，しかも，データ欠測はできるだけ避けないといけない（減点法）の計測であるといえる．移動観測，集中観測，現地踏査で得られる有用な情報は“狩猟型” 観測ともいえ，両者は補完的である．派手な結果が得られる“狩猟型”観測とは異なり， “農耕”型観測ではある種の忍耐が求められる．加えて，観測は長期となることが多く，忍耐に加え，技術や農耕的観測の重要性・スキルの伝承が必要であろう．データは「誰かがとってインターネットで公開された」ものを使って解析する傾向になりつつあるが（現に第一著者の研究室の所属学生の研究テーマのほとんどがこれにあたる），自ら観測を行い（プラスして，観測のデザインを自ら考える），データを整理し解析するスタイルの伝承も必要であろう．これは，学生側の問題というより，教員側の問題かもしれない．謝辞：システム構築・運営に関し，多くの人々の協力を得ている．システム開発においては，（株）クリマテックの寄崎氏，佐々木氏，飛田氏，小林氏，田中久則氏，田口氏，設置・運用に関しては，陸域環境センターの浅沼博士，山中博士，渡来博士，黒川氏の協力を得ている．中国長武サイトでは，水土保持研長武試験場の全面的なサポートを受けている．ここに記し，感謝の意を示します．システム開発・ version up に関しては，主に科学研究費補助金（若手Ａ: 2003-2005, 15680021 研究代表者：樋口）を使用した．参考文献 1) Hiyama, T., A. Takahashi, A. Higuchi, M. Nishikawa, W. Li, Y. Fukushima : Atmospheric boundary layer (ABL) observations on the "Changwu Agro-Ecological Experimental Station" over the Loess Plateau, China, AsiaFlux Newsletter, No.16, 5-9, 2005. 2) 浅沼順・野原大輔・原政之・寄崎哲弘 : 第 3 世代気象・水文観測データ収集・公開システムについて. 筑波大学陸域環境研究センター報告, 5 号, 157-174, 2004. 3) 樋口篤志・西田顕郎・飯田真一・新村典子・近藤昭彦： PGLIERC (Preliminary GLobal Imager experiment at Environmental Research Center);その概要について. 日本水文科学会誌, 30, 81-91, 2000. (2006.10.23. 受理)