Title
Modeling and evaluation of basin scale water balance with
airborne lidar and satellite remote sensing( 内容の要旨
(Summary) )
Author(s)
MAHBOOB MD. GOLAM
Report No.(Doctoral
Degree)
博士(工学) 甲第434号
Issue Date
2013-03-25
Type
博士論文
Version
none
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/47933
※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。33 -氏 名 （ 本 籍 ） 学 位 の 種 類 学 位 授 与 番 号 学 位 授 与 日 付 専 攻 学 位 論 文 題 目 学位論文審査委員 MAHBOOB MD. GOLAM（バングラデシュ） 博 士（工学） 甲第 ４３４ 号 平成 25 年 3 月 25 日 生産開発システム工学専攻
Modeling and evaluation of basin scale water balance with airborne lidar and satellite remote sensing (航空機 Lidar と衛星リモートセンシングを用いた流域スケール水収支のモ デル化とその評価) （主 査）教 授 李 富 生 （副 査）教 授 篠 田 成 郎 准教授 沢 田 和 秀 論 文 内 容 の 要 旨
Study of water balance is central to the investigation of hydrological cycle. One of the major challenges often encountered to develop a reliable model for water balance study is the lack of distributed data that affect determining water balance in a river basin. Such hurdles are even more complicated in a highly inaccessible area comprised of steeped mountains and dense forests as prevalent in Japan. Forest, being one of the distributed parameters over a river basin, can play a vital role in determining water balance by intercepting 10–50% of gross rainfall. Fortunately, satellite and air-borne remote sensing data of recent dates can provide high resolution useful distributed parameters including forest type and structure, but yet to be vigorously exploited for water balance modeling at catchment scale. Current study was conducted in the Daihachiga River basin, a typical Japanese forested mountainous catchment located in the Gifu Prefecture with the broad objective to model the basin scale water balance scenario by using airborne lidar and remote sensing data. This broad objective was divided into two parts. The first part was aimed at developing a high resolution forest type map by using multi-seasoned multispectral QuickBird satellite images which showed that the combined use of multi-seasoned (leaf-off and leaf-on) images could produce high resolution forest classification map with superior accuracy. The second part attempted to improve water balance observation in the river basin scale by employing a novel two dimensional rainfall interception model that utilized distributed input datasets including remote sensing derived forest crown density map. High positive correlations between simulated and observed discharge ratios in river basin were observed while airborne lidar derived distributed crown density map was used in the model. However, due to time and resource constrains, present study used parameters of canopy interception model derived only from one type (needle-leaved) forest and lidar derived crown density map from only a single season. MODIS-NDVI derived seasonal crown density maps were also investigated and not recommended for the use of water balance modeling in the small scale river basins of similar size to current study. Precision of this model could be further improved by calibrating the model parameters both in needle-leaved and broad-leaved forests separately and incorporating high resolution forest type and seasonal crown density map. This model might be utilized as a reliable real time water balance monitoring or flood forecasting tool if used with an infiltration loss model. Results of this study are encouraging and suggestive to further utilization of airborne and satellite derived distributed forest parameters in reliable modeling of ecological water balance scenario both for the long term and the real-time monitoring.
論文審査結果の要旨 降水、蒸発散、流出などの水動態に関する水文素過程は、流域内の水環境および各種経済活動において基 本的かつ重要な役割を果たす。とくに、水資源量予測や洪水災害対策などにおいては、流域内水収支に基づ く工学的検討が必要不可欠となる。水収支を決定づける水文素過程の微視的挙動については、様々な観測や モデルの構築を経てその解明が進みつつある。一方、実流域における水収支については、様々な土地利用、 土地被覆、土壌、森林条件、地形条件の混在のため、降水流出過程のメカニズム評価が容易ではない。これ まで、流域を単純な一つの応答システムとして扱う集中型モデルや、流域を複数の応答系による集合体とし て扱う分布型モデルなどが提案され、降水流出過程の表現が試みられてきているが、いずれのモデルにおい ても、流域の不均質性をいかにして評価してモデルに取り込むかが極めて重要な課題である。とりわけ、広 域な流域スケールを対象とした水面・地表面・植生からの蒸発散量に関する適切な評価法は定まっておらず、
34 -流域内水収支の推定における最大の障害となっている。 本論文では、主に山地森林域を対象として、流域内の水収支を支配する植生分布や地形条件などの空間分 布情報をリモートセンシングデータやGISに代表される空間情報解析から明らかにする手法を提案するとと もに、植生による降水の遮断損失をモデル化することにより、流域スケールでの水収支を推定することを目 的としている。とくに、この流域スケール水収支モデルでは、これまで困難とされた季節変化による植生被 覆状況変化とその空間分布状況を考慮した降水遮断蒸発量を推定可能としており、森林流域での植生による 降水遮断損失量を定量的に評価することを目指している。 1999年12月に世界初の商用高解像度衛星IKONOSが打ち上げられた後、QuickBird等の同様な衛星が多数利 用可能となってきたが、これらの衛星は、地上解像度が高い代わりに撮影頻度が低い。本論文では、まず初 めに、岐阜県高山市の大八賀川流域において、2007年の4月、5月、7月の3時期に撮影されたQuickBird画像を 用いて、撮影時期の違いから、植生の季節変動を利用した森林タイプ分類による流域内の土地被覆分布情報 の取得を試みている。展葉前の4月の画像と展葉直後の5月、繁茂期の7月の画像の相互の組み合わせと単時期 画像による分類結果を比較したところ、多時期画像による分類は単時期画像による分類より分類精度が向上 することを明らかにしている。とくに、展葉前と繁茂期の画像の組み合わせが最も分類精度が高くなり、落 葉樹林と常緑樹林を精度よく分離できることを示しており、本手法は、こうした低頻度高解像度衛星の効果 的活用方法の提案にもつながっている。 次に、流域水収支に関する素過程のうち、樹冠による降水遮断に着目し、分布型の樹冠遮断モデルを構築 するとともに、大八賀川流域内の樹冠遮断現象の現地観測結果より、遮断モデルの各パラメータが同定され ている。一般に、遮断蒸発量の算定に必要となる微気象情報の空間分布を得ることは容易ではないが、流域 内の数地点での気温の観測結果と標高より気温分布を得る簡便な方法を提案し、この結果が樹冠遮断モデル に適用されている。一方、航空機Lidarにより計測される樹冠上および林床上のそれぞれで反射した単位面積 当たりのレーザーポイント数から樹冠疎密度分布を算出する方法を新たに提案することにより、雨滴が樹冠 に衝突せず、林床に直接到達する確率を求め、これをパラメータとして分布型遮断モデルに取り入れ、流域 スケールの不均質な情報を表現しようとしている。 さらに、樹冠疎密度分布の季節変化を取り入れるため、撮影頻度が高く、季節変動情報を得やすい衛星デ ータMODISの正規化植生指数（NDVI）画像を用いて、樹冠疎密度分布の季節変動情報の取得手法を提案し ている。 最後に、こうした流域スケールの分布情報を取り入れた遮断モデルにより、降水イベント時の正味林内降 水量を評価し、最下流集水点で観測された流出ハイドログラフから得られた直接流出成分と比較した結果、 土壌への浸透量を考慮すると、降水時の遮断損失量を精度よく評価でき、洪水時の流出予測の精度向上にも 寄与することが示されている。 以上のように、本論文では、流域スケールの水収支を適正に評価するため、航空機・衛星リモートセンシ ングによる広域分布情報とGISを活用した樹冠遮断モデルが提案された結果、これまで土壌への浸透成分と 混同されていた遮断による損失が定量的に評価可能となり、今後の流域内水収支の解明において有用な結果 が得られている。 学位論文審査委員会では、以上の学位申請論文および発表論文（原著２編）を慎重に検討した結果、提出 された論文は工学的な価値が高く、かつ、完成された内容を有しているものと認め、論文審査に合格と判定 した。 最終試験結果の要旨 学位論文審査委員会では、申請者に対し、学位論文公聴会等において、学位申請論文や発表論文の内容、 および、それに関連した解析方法や評価方法の事項についての質疑を行うとともに、別途、関連の研究状況 とそれらの成果を実際へ適用する場合の問題点と解決への展望など、細部にわたる口頭試問を行った結果、 適切な解答等を得たので、最終試験に合格と判定した。
