グ回―バル大気汚染の現状と植生影響 可視域から近赤外域の波長における分光反射の情報を利用 して作成される相生や水に関する指標,そ して地 表面温度の情報を利用 した植物のス トレスの程度を示す指標など, リモー トセンシングによる植生の衰退状 況のモニ タリング時に利用される指標を説明する とともに,lTVDl画 像 による丹沢山地の植生のモニ タリン グの例について紹介 した。 田 リモー トセンシングによる 植生のモニタリング ★ 植物や植生 を表退 させ る ことになる ̲ して ,植 物や植 生 のモ ニ タ リン グを行 分光反射特性 は,① 可視域での分光反 う場合,分 光放射計 によって取得 され 射率が低 く,② 近赤外域で分光反射率 た分光情報や赤外温度計 によって取得 が高 い, ことである (図1)。植物 は光 合成 を行 い,光 の物理エネルギーを有 された温度情報 が よ く使用 され る。 そ ★ れ は,可 視域 か ら近赤外域 の波長 に 機物 の化学エネルギーに変換する。そ 足,高 温 ・低温,病 害虫,大 気汚染な ど,さ まざまで ある。 リモ ー トセ ンシ お ける分光反射 の情報 が光合成 に関 わ の際,す べての波長 の光を使用するわ る植物 内 の色 素や地表面 (植物や土壌 ) ン グに よる植物や植生 のス トレス検知 の水分 の情報 を表す ためで あ り, また けで はな く,光 合成 に有効 である400 〜 700 nmの 波長 の光を吸収 し使用す とは,植 物 の生 育 に とって適 さない環 植物 の応 答 」も し く 境条件 に対 す る 「 温度の情報 は地 表面 の蒸発散 の情報 と る。特 に,主要な植物色素であるクロロ ス トレスの原 因 は,水 分や 日射 の過不 関 わ るためで あ る。 は 「その累積 に よって引 き起 こされた 結果」をモ ニ タ リングす る ことで ある。 た とえば,病 害虫 に起 因す る 「 葉 の成 □ 植生や水の指標 葉 の量 の減 少や植物 長不 良」お よび 「 体 の枯死」を対象 とす る場合 , リ モ ー 表 に,代 表的な植生指数を示す。 こ トセ ンシ ングデ ー タか ら植物葉 の量 を れ らの指標 は,単 位面積当た りの植物 示 す植生指数 の画像 を作成 し,対 象地 葉 の量や植物葉 の被覆が 占める比率 と 域 の 中 で その数値 を比較 す る こ とに よって,地 域 内での相対的なダメ ー ジ 相関関係 をもつ指標 であ り,植 物葉 の の程度 を知 る ことがで きる。 農地や山岳地 な ど広 い地域 を対象 と 癒生l 【 ある対象とする地域に生青している植物体 の総称。 分光反射特性 を利用 して作成 されてい る 1)。 分光 光 の波長 ごとの反射率 を 「 t波長 l 電磁波の波動で,波 の山から次の出までの 水平距離を示す。物体はその物体の温度が 絶対零度でないかぎり電磁波を放射 してお り,単 位波長当たりの放射強度が最大とな る波長tま ,物 体の温度が構 くなるにつれて 短 くなる。たとえば,太陽の場合 (約5,780 K).放 射強度 が最大 となる波長 は約500 nmで ある。 反射率」と呼ぶが,植 物 の場合,そ の ヨ 伝 IW・ 缶 ヽⅢど lt,il 4Lb生 影響評価法l [特集]グ ローバル大気汚染の現状と植生影響 【 フ ィルの吸収帯 で ある青色光 450 nm したが つて,単 位 面積 当 た り (1ピク 応 じて, これ らの波長 にお ける反射率 と赤色光680 nm付 近 の波長 の光 を吸 セル (pixel)☆ 当 た り)で 植物葉が多 く は変化 (乾燥す ると反射率 は上昇)す る 収するため,2つ の波長 に挟 まれ る緑色 存在 す る とき,値 は大 き くな る。 正規 光 550 nm付 近 で反射 率 が 少 しだ け高 くな る。一 方 ,近 赤外域 の800〜 1,100 化 植 生 指 数 (Normalized DifFerence の形 はNMと ため,水 の指標 に利用 されて い る。式 Iにお 同 じで あ り,N酎 「 nm付 近 の光 は葉 内で はほ とん ど吸収 単純で理解 しやす い こともあ り,植 生 (Normalized Difference lnfrared され な いため,反 射率 は高 く,そ れ よ のモニ タ リングによ く利用 されて い る。 lndex,正 規化赤外線指数)は 1,550〜 りも波長 が長 い場合 は,後述 の とお り, また,植 物 ・土壌 の水分 の情報 を示 水 の 吸収 に よって部分 的 に反射率 が低 す指標 も多 く研究 されて い る。近赤外 11laliZed DifFerence VVater lndex, (Nol・ Vegetation lndex,NFOは ,計 算式が ける可視域 の反射率 の代 わ りに,NDII 1,750 nmの反射率 を使用 し助,NDWI くな る。植 生指数 は,近 赤外域 と可視 域 には複数 の水 の吸収帯 が あ り,た と 正規 rヒ 水指数 )で は 1,240 nm付 近 の 域 にお ける分光反射率 の差 を利用 して えば 1,450 nmと 1,950 nmの 付近 に, 反射拝 を使用 して い る。。 お り,表 に示 す 3種 類 の植 生指数 は計 そ して 1,200 nmあ た りに も存在 す る 植 生や水 に関す る指標 は,光 合成 に 算式 の分子 に その項 が 含 まれて い る。 (図 1)。植 生や土壊 にお ける水分量 に 関 わ る葉 内の色素量 の変化,葉 その も のの減少,葉 の萎れや植物体 の枯死 な ど,主 に可視 障害 (日で 見 てわか る障 害)が 対象 とな る。 したが つて,植 物 表 植 生指数の例 計算式 植生指数 =絆 器 t Xll刊 鉢Ⅵ 対引。 と =市 EⅥ 母 持揺 理高 荒景 孟 品 土壊 綱 整植 生 指 数 鋤 Sd卜Aαusted Ve8dalon lndex(SAⅥ ) 植生強調指数 。 Enhanced VegelaHon index(EVL SARV2) や植生が ス トレスを受 けた場合,あ る 程度 の時 間 を経 た後 に生 ず る現象 を対 正 規 化 相 生指 数 糾 NDVi=檎 Normallz● d Dlrttence vegetation index(NDVi) 象 として い る。 E 温 度情報を便つた指標 表 中 のRRedとR〕ueはそれ ぞれ可視域 の赤 色光 と言 色光 にお ける分光反射 率 であ り,RMRは 近赤 外域 (たとえ ば850 nm付 近 )に お ける分光 反射 率 を示 してい る 可視 障害 がみ つ か る前 に,早 期 に植 物 のス トレス をみつ ける ことはで きな いで あろ うか ? 植 物 の短 期的な応答 を検知す るため に,温 度 の情報 が利用 されて い る。植物 は光合成 を行 う とき, 気子しを開孔 して二 酸化炭素 を吸収 す る 冊練 区 択 冬 が ,同 時 に水分 を空気 中 に放 出す る。 この現象 を 「 蒸散 」 とい うが,植 物 は ス トレス時 に気子しを閉 じて しまうため, 植物 か ら大気 へ の蒸散速度 が低 下 (潜 十ヽ ど一̀ 0.001‐ 400 800 1,200 1,600 2,000 波長 ( n m ) とクセル ( p i x e 〕 【 r】 画像データを構成する最小単位であり, 「 画 素」ともいう。ビクセルの大きさは, リモー トセ ン シ ン グの セ ン サ や デ ー タの 種 類 に 引 L l b r a r y s p l i b oー 6 aタを編集) デ ( U S G S D i g t 』s p e c ヤ よ っ て異 な り, た とえばM O D i S ( 後 出) デ ー タの場 合, 2 5 0 m 四 方.500m四 m 四 方 の 3 種 類 が あ る。 図 1 1661通 伝 波 長 400〜 2.500 nmに お ける ナ ラ の葉 の分 光 反 射 率 の変化 方.1,000 リモー トセンシングによる植生豪退状況のモニタリング あるつ助。Omasa冴 ″マ 熱 フラックス密度が低下)し ,植 物 (キャ ノピー ・葉)の 温度が上昇 す るか らで 冴.の研究 910で は, 植物 の葉面 にお ける熱収支式 を解 いて, 葉温分布 か ら気子L抵抗 ,蒸 散速度,そ ーの ︵ 0 し Cト ト して汚染ガスの吸収量 な どの葉面分布 を定量的 に求めて い る。 それ らの応用 例 として,地 上や ヘ リコプター か ら取 得 した温度 の画像情報 を使 って,街 路 樹や都市近郊 の森林 を対象 とした植物 のス トレス診断 を行 つてい る 11)19。 圃場 にお ける農作物 の水 ス トレス診 ネ 断 のため提案 されたCWSI(Crop Water Sttess lndex,作物 の水 ス トレス指標)19 IEⅢ Ⅲ も,温度 の情報 を使用 した指標で ある。 CWSIの 導出 において 中心 とな る考 え 方 は,式 1に 示す とお り,可能 (最大 の) 図2 温 度情報 (Ts― Ta)と 植生被覆率の関連性 蒸発散速度 E「Pに 対 す る実 際 の蒸発散 速度 E「の比であ る。 CWSI=1‑型 工 先E「P (TS― Ta)̲(TS― Ta)min (TS― Ta)max一 (TS― Ta)min 照 して ほ しい。 CWSIの 導 出 で は,植 して い る。P点 にお けるTs― Taの 値 は 物 が 観 測対 象地 域 の地 面 を覆 って お 可能蒸発散速度 を示す ときの値 であ る り,植 物 の下や植物 と植物 の間 の上壌 ためTs― Taの 最小値 を示 し,反 対 に は見 えないこ とを前提条件 として い る。 Q点 で はTs― Taの 最大値 を示す。Ts (式1) WDI(Water Dencit lndex,水 分欠損 ―T a の 観 測 値 が R 点 の と き, R 点 の この とき,えは水 の蒸発潜熱,E「Pは 可 指 標 )19は,植 生 指 標 (表 1の SAVI) C W S I は 次のように示す ことがで きる。 能蒸 発散 速 度,E「 は実 際 の蒸 発 散速 を利用 して ,土 壌 が見 え る状 態 におい 度,Tsは 地表面 の温度 (この とき,特 て取得 された地表面温度 で も植物 のス に植物 の温度),Taは 気温であ り,下 添 トレスの状態 をモニ タ リングで きるよ この とき,RQ,PQ,PRは え字 のmaxと minは それぞれTs― Ta うに,CWSIの 考 え方 を応用 した もの さを示 す。WDIは ,あ る植物 の 量 の も の最大値 と最小値 を示す。水 ス トレス で あ る。図 2に ,横軸 を植 生被 覆率 (植 とで可能蒸発散速度 に対す る実際の蒸 を受 けた植物 は蒸散速度 が低下す るた 生 の被 覆 が 占 め る比率 ),縦 軸 を地 表 発散速度 を比較 す る ことか ら,植 生被 値 は 1に 近 づ くこ とにな 面温度 か ら気温 を差 し引 いた値 (Ts― 覆率 が 1.0未満で も適用可能であ ると図 る。 この指標 は可能蒸発散速度 と比較 Ta)と 設定 した場合 に描かれ る台形状 2の C点 は植 生被覆率 が0,4の ときを例 す る ことによってス トレスの程度 を相 の形 (PQ韻 ヽ を示 す。 台形 の各頂 点 P,Q,V,Wは それ ぞ れ 「十 分 に 濯 として示 し,C点 にお けるVVDIは次のよ め,CWSIの CWЫ =l一型 =里 PQ PQ (式2) 各線 分 の 長 対値 として表現 して い る。 また,蒸 発 散速度 の比 は地 表面 のエ ネ ル ギー収支 水 された植 物」,「水 ス トレスのかか っ 式か ら,「 大気 の温 度」 植物 の温 度」と 「 た植 物 」,「十分 に濯 水 され た土 壌」 , の差 (Ts― Ta)を 変数 とした式 に置 き そ して 「 乾燥 した土壊 」を示 して い る。 この とき,CB,AB,ACは 換 え る こ とがで きる (式 1)。なお,詳 ChlVSIは,地 表面温度 の測定時 に土 壊 長 さを示す。なお,図中 の各頂点 P,Q, α . しい 説 明 につ いて は,」ackson tt ″ が見 えて い な い とき,す なわち横軸 の V,Wの Idso冴 冴。(1981)14)を 参 (1981)13)と 植生被 覆率 が 1.0の ときのみを対象 と 送 に関す る空気力学的抵抗,風速 な ど, うに示す ことがで きる。 CB AC ― WDI=1‑̲̲=一 AB AB (式3) 各 線分 の 4点 は,純 放射量や水蒸 気輸 遺 伝 I Vo165NⅢ2 1 67 1 [特集]グ ローバル大気汚終の現状と植生彫零 【 植生影響評価法】 ︲ V D N 品 0・ 0・ 図中の点線 にて囲 まれ る範 囲 が対象地域 で あ る。 白 い ピ クセル は理 の影 響 な どのデ ー タ欠損 を示 す 石村ら(2010)19の 図を―部修正〕 図3 夏 季におけるNDVI画 像とiTVDl画 像 〔 圃場 にお ける多 くの観測デ ー タを使用 よ り取得 された地 表面温度 (Ts) の情報 は地 表面温度 (Ts)の みであ る。 して算 出す る こ とにな る。 また,線 分 と植生指数 (NDVI)の 2つ の画像 デー タ したがって,標高差 の大 きい地域 な ど, VPと 線分 WQは ,植 生被 覆率 を変数 とす る一 次式 に よってそれぞれ算出可 能 で あ るた め,C点 にお け るWDI算 出 に必要 とな る点 Aと 点 Bは それ らの 一 次式か ら求め る ことがで きる。 衛星 リモ ー トセ ンシン グデ ー タを利 用 し,山 岳地 な ど広 域 にお ける植生や 土壊 の水分状態 のモ ニ タ リングを行 う (2)対 象地域内の気象観測所 において 記録 された気温 デ ー タを空間補 対象地域 内 に気温 の差 が ある場合 には 正 しい推定 はで きず ,適 用可能 な対象 地域 の範 囲 は限定 され る。 間 ・標高補正することによって作 成 した気温 (Ta)の画像デー タ を使 い, 図2の ように,Ts― Taを 縦 軸 に,植 生被覆率 (NDVI)を横軸 に設 定 し,画 像データの各 ピクセルをサ ン ■ 丹沢山地における 植生寮退状況のモニタリング 神奈川県北西部 に位置 し,山 梨 ・静 場合,図 2の 4つ の頂 点 を求 め るた め に必要 とな る多 くの観測 デ ー タを正確 プル として散布図を描 く。そ して,図 2に おける4つ の頂点 P,Q,V,Wを , ー に求 めることは難 しい。Temperature― 多 くの観測デ タを使って算出する代 岡両県 にまたが る丹沢山地 は, ブナや モ ミの原生林が残 り,国 定公園 にも指 Vegetation Dttness lndex(TVDI)16) わ りに,散 布図の外縁部の点群か ら線 定 されて い る。しか し,1980年 代 よ り, ア egetation ギbilnproved Temperature―ヽ 分 VPと 線分 WQの 代理 とな る2つ の ブナや モ ミの立 ち枯 れが深刻化 して い Dryness lndex(lTVDI)17)は , wDIの 直線を推定することによって,各 植生 るこ とが報 告 されて い る 1助 。 そ こで , 考 え方 を利用 した指標 で ある。 iTVDI の場合,具 体的 には, 被覆率 のもとでのiIVDIを算出 してい る。 なお,TVDIの 場合 10,気 温 (Tal 衛 星 リ モ ー トセ ン シ ン グ デ ー タ の MODiS★ デ ー タ (可視 〜 近赤外域 の反 (1)対 象地域 で リモ ー トセ ンシ ングに の画像デー タを使用 しておらず,温 度 射率 デ ー タ と地 表面温度 デ ー タ)を 使 1681遺 伝 リモー トセンシングによる植生衰退状況のモニタリング 用 して iTVDI画 像 を作 成 し,丹 沢 山 地 にお ける植生 の衰退状況 のモ ニ タ リ 0.90 ン グ を行 つた 19。 対象 と した時期 は Low E Medium 2007年 の春季 と夏季 の2時 期 で あ る。 同時期 にお ける気温 の画像 デ ー タは対 一 >OZ 象地域 内 10地 点 のAMeDASの 日単位 平均気温 デ ー タを空間的に補間 し,同 ■ High 時 にDigital Elevation Modelデー タ (標高 の 画像 デ ー タ)を 利用 して,標 A エ 0.60‐ 高補正 を行 うことで作成 した。 0。 50, 図3に ,夏 季 にお け るNDVI画 像 と (5月 十日〜 5月 8日 ) 夏季 (7月 28日 〜 8月 4日 ) iTVDI画 像 を示 す。NDⅥ は全体 的 に 0.8以上 の高 い値 を示 し,空 間的 に値 の違 い はほ とん ど見 られ な い。 一 方, の量 は同程度 であ るが,蒸 発散速度 に Low ■ Medium E High 一 ω >卜一 iTVDIは 値 の違 いが 見 られ ,NDVIが 一様 に高 い値 を とることか ら ,植 物葉 0.70 違 いが見 られ ることがわか る。図4に , 現地調査 デー タ 2oに おいて枯死状況が Lowち Medium", High"に 分類 さ れた ピ クセル にお けるN〕 阿 とiTVDI の平均値 を示す。春季 と夏季 の どち ら の デ ー タ に お い て も,iTVDIの 方 が 030‐ 1 日 〜 5月 5 月 8日 8日 ) 春 春季 季 (5月 ( 5 月 1日 夏 季 (7月28日 〜3月 4日 ) 図中のアルファベ ッ トが異 なる場合は, 平 均値に統計的な差 ( p く0 0 5 ) が あることを示す NDVIと 比較 して枯死 状況 をよ く捉 え て お り,春 季 の iTVDIの 値 は 夏 季 と 図4 現 地 調 査 の 枯 死 状 況 図 を も と に した NDVIと iTVDIの 石村 ら (2010】19の 図を一部修正 ) 平 均 値 の比 較 〔 比較 して,枯 死状況 と強 い対応関係 を もって い る こ と力ざ 示 された。 1lYDIは その特 性上,枯 死木 を直接 的 に検 出 し てい るわけで はな く,蒸 散速度 の低下 回 まとめ い な い 2o。植 生 の 衰 退 な ど,生 態 系 や枯死 に至 る可能性 の高 い地域 を検 出 して い る とい える。 や衰退のメカニ ズ ム の解 明 には至 って 植生や水 に関す る指標,そ して地 表 に深刻 なダメー ジが生 じる場合,そ れ 面温度 の情報 を利用 した植物 のス トレ らは復元可能 で あ る とはか ぎ らな い。 スの程度 を示す指標 な ど,植 生 のモ ニ したが つて,植 生の状況 につ いてモ ニ タ リング時 に利用可能 な指標 を説 明す タ リングを継続 しつつ,早 期 の対応策 る とともに,丹 沢山地 にお ける植生 の が必 要 とされ る。 その ためには,長 期 tMODiS】 衰退状況 モニ タ リングの例 について紹 Moderate Resolutton inttging Spectroradio‐ 介 した。 m e t e r の略。日本語では 「 中分解能撮4 録 分 光放射針」と駅 される。N A S A の 衛星T e r r a 丹沢山地 の植生衰退 について,そ の とA q u a に搭載 されている光学センサの名 原因 として,水 分 ス トレス,オ ゾ ンな 前であり, こ のセンサによって取得 ・算出 された分光反射率や地表面温度などのデー どの大気汚 染 の影響,病 虫害 な どが あ タはN A S A の W E B サ イ トから取得できる。 間 において反復 的 に,そ して広域 を対 げ られて い る。 しか し,原 因 の特定化 象 として情報 の取得が可能 とな る衛星 リモ ー トセ ンシングデー タの利用 は適 して い る。 そ して,モ ニ タ リン グの結 ー 果 を空間情報 デー タベ ス として孝Fttt し,時 系列 の変化動 向 に関 す る情 報 を in伝 1瑚 6iヽ̀l̲・ 1691 植生影響評価法】 [特集]グ ローバル大気汚染の現状と植生影響 【 1 1 ) 大政謙次, 日 島彰 , 宮 坂佳代子 . 農 業気象 , 45,271‑275(1990). 16)SandhOlt,I.,Rasmussen,K.&Andersen, 」 .R効切″酷 、 E″冴筋 .,79,213‑224(2∞2). つ なが る可能性 が あ る。 12)大政謙次 ,清 水英幸 ,小 川和雄 ,増 喜彰久 . 生物環境調節 ,31,161‑168(1993). 17)Rahimzadeh‐ Baigiran,R,Omasa,K.& ″す ″夕 ″.] Shimizu,y tS″う 18)丸田恵美子 ,自 井直美 .丹 沢大山自然環境総 合調査報告書 ,神奈川県 ,1997,p.78‑80. 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E″ク サ ″″ .6θ″腕 と B,or.,19,59‑67(1981). 村 大政 謙次 れげf rprrr 10)Omasa,K,,Abo,F.,Aiga,I.&Hashimoto, Y.チ Sθ● .あSr7z″ .cθ″,知J Ezg。 ,17,657‑ 663(1981). 善=紹介はp64を ごHください(温 去郎)〕 【 東京大学 大学 陀凛学 生命 科学研 究 科 生輸 環境情 報工学研 究費 敏授 O 1701遺 伝 ' 専 門 │ リ モ ー トセ ン シング
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