5D World Mapを用いた生物情報データベースと将来予測モデル構築

研究組織

研究代表者　一ノ瀬友博（環境情報学部教授）

共同研究者　清木康（政策・メディア研究科委員長兼環境情報学部教授）

　　　　　　板川暢（政策・メディア研究科特任助教）

　　　　　　有賀淳（政策・メディア研究科修士課程）

研究概要

　地球規模の環境問題の一つである生物多様性保全は、地球温暖化と同様に各国が連携した緊急の対策が求められている。しかし、日本をはじめ世界各地の生物多様性はほとんど定量的にモニタリングされていない。そこで本研究は5D World Map Systemを基盤とし、生物情報を蓄積し、生物の分布変化を評価するシステムの構築を目的とする。今後起こりえる環境の変化に応じて、どのように生物の分布が変化しうるか予測することを最終的な目標としている。2015年度については、SFCと被災地である気仙沼市を対象に研究を行った。

研究の背景

　2010年に愛知県名古屋市で開催された生物多様性条約第10回締約国会議 (COP10) では、COP6で合意された生物の絶滅速度を顕著に減速させるという2010年までの目標が、先進国においても達成できなかったことが明らかにされ、2020年に向けてさらなる具体的な目標が設定された。日本も例外ではなく、絶滅速度の低減は達成できなかったとされている。しかし、絶滅速度の検証過程で明らかになってきたのは、日本では生物の分布に係わる定量的な情報がほとんど蓄積されてこなかったという事実である。日本の生物多様性2010目標達成状況の報告は、その多くが専門家の経験に基づく意見によるもので、定量的な評価の試みは見られるものの、ほとんどが定性的な評価であった。COP10が行われた2010年後半から環境省は、日本全国の生物多様性評価の検討を始め、地図化が試みられた。申請代表者はその委員として議論に加わったが、圧倒的な生物情報の不足が大きな足かせとなり、植生や一部の良くモニタリングされている種を除いて、直接的に生物多様性を評価することが困難であることが浮き彫りになった。

　加えて、温室効果ガスの増加に伴う地球温暖化が避けられない状況になり、生物多様性においても適応策の検討が世界的になされてきている。日本においても、2015年11月に気候変動に対する適応策が閣議決定された。研究代表者は生物多様性に及ぼす気候変動を評価する専門家委員会と、生物多様性分野における適応策を検討する専門家委員会に委員として参画した。気候変動が生物多様性に及ぼす評価については、気候変動に関する政府間パネル (IPCC) の手法に倣い、論文として公表されている事例を中心にエビデンスベーストで評価が行われたが、一部の分類群や地域を除き、関係の研究が極端に少ないことも明らかになった。これは気候変動の影響を意図したような長期的なモニタリングがこれまでほとんどなされてこなかったことが大きな理由であるが、一方で、欧米と異なり、既往研究のデータがオープン化されておらず、また既往研究の成果を整理し、その当時の目的とは異なる目的のために分析するような研究がほとんど行われてこなかったことが理由である。よって、適応策を検討する委員会では、結果的にそれぞれの生物や地域の専門家である委員の見解が議論の基盤となり、報告書の基本的な部分は欧米で議論されているような適応策と大きな違いは無くなった。

　しかし、日本政府もこれまで全く生物情報を蓄積してこなかったわけではない。古くは、環境庁の設置に伴い1972年に自然環境保全法が制定され、自然環境保全基礎調査がおおよそ5年に一度の頻度で行われることになり、河川や湖沼など生態系についての調査や、植生や動植物調査が定期的になされるはずであった。しかし、現在ようやく2度目の全国の現存植生調査がなされつつあるが、この現存植生調査ですら終了するのに十数年かかるのではないかと言われており、多くの調査は一度行われたのみで、変化を追うことができない。法律で定められているにもかかわらず、予算がつかず継続的な調査ができていない。そのような状況の中で、環境省は2003年からモニタリングサイト1000という取り組みを始めた。これは、様々な生態系に対し、1000箇所のモニタリングサイトを設定し、専門家や市民による調査で長期的なモニタリングを行おうというものである。基本的に研究者や専門家が独自に行っているものを活用したり、市民団体のボランティアで行われている。予算が確保できない中での苦肉の策であるが、少なくとも1000箇所（2014年1月1日時点で1019箇所）については一定のモニタリングされるようになった。しかし、先の温暖化の影響を最も大きく受けるような高山帯には、モニタリングサイトが5箇所しか設定されておらず、十分には機能し得ない。これはボランティアベースで行うためモニタリングサイトの設定が必ずしも研究の必要性からだけでは行えないためである。さらには、より広域的な生物情報を蓄積するために、環境省は2008年から「いきものみっけ」というプロジェクトを開始し、現在は「いきものログ」という名称で継続されている。これは、環境省のサイト (http://ikilog.biodic.go.jp) に、市民が生物情報を自由に報告し、それを蓄積していくもので、これまでセミの抜け殻調査などを市民参加型で行ってきたものをWeb上で行おうとするものである。ユーザーは、生物の種名や位置情報、画像などをアップロードできる。6月15日現在で4,873,323件もの報告が蓄積されている。しかし、その多くが画像を取得できていないもので、生物種の同定精度は保証できない。また、ある程度の知識と興味が無いと継続的に報告するのは難しく、アクティブなユーザーはごく一部に限られている。

研究の目的と意義

　以上のような背景を踏まえ、本研究ではSFC清木康研究室がこれまで開発してきた5D World Map Systemを基盤とし、生物情報を蓄積し、生物の分布変化を評価するシステムの構築を目的とする。5D World Map Systemは、位置情報を持たせた画像（動画を含む）、サウンド、文字情報、センサーデータなどのマルチメディアを時系列データとして格納できるデータベースであり、政策・メディア研究科グローバル環境システムリーダープログラム (GESL) では、所属学生のフィールドワークを記録し、報告する教育基盤として既に運用している。図1は、GESL授業において学生が収集した森林火災の情報を検索し、表示させたものである。システムでは、簡単な解析も可能で、文字情報の検索のみならず、RGBのヒストグラムに基づく画像の検索もできる。さらに、Flickerなど外部の画像データベースから画像を取り込むことも可能で、既存の画像を収集することもできるし、大人数の参加者があるようなプロジェクトで取得された画像を一括して取り込むこともできる。このシステムは、外部からの情報の取り込みはできるが、基本的にクローズド型のデータベースで、いきものログのようなオープン型のシステムではない。しかし、生物情報は種の同定など一定のクオリティコントロールが欠かせないため、本研究の目的に合致していると言える。

　研究代表者らは、SFCの授業や研究会の一環としてSFCの内外でこれまで数多くの生物情報を蓄積してきている。SFC内では、中高等部のマイツリーという生徒が自分の樹木を一本決めて中学、高校生の6年間モニタリングする授業があり、その樹木を当時SFCに在籍した福井弘道教授が位置情報をデータベース化したプロジェクトが存在したが、現在はスマートフォンで撮影される画像にも位置情報のタグが付けられているため、位置情報の収集は比較的容易になっている。また、研究代表者らは2011年3月11日に発生した東日本大震災以降、被災地の一つである気仙沼市で継続的に津波被災地の生物相のモニタリングをしていて、既に4カ年のデータを蓄積している。本研究では、まずこれらの既存のデータを5D World Map Systemに格納し、経年変化を分析する。加えて、研究代表者らは、両研究対象地で継続的に固定翼型のドローンを用いて定期的に空撮画像を取得している（図2）。

　先に述べたように、5D World Map Systemは既にGESLで教育研究に活用されているが、本研究の成果は学術的な目的のみならず、SFCの教育と被災地における復興支援に貢献できる。SFCにおける生物情報の蓄積は、研究代表者が担当する生態学フィールド調査法とエコロジカルデザイン、研究会の授業でなされてきた。本研究の成果は主に生態学フィールド調査法における生物情報の取得と分析の習得に、エコロジカルデザインでは長期的なモニタリングと将来予測に基づくエコロジカルデザイン手法の習得に、つなげる予定である。また、申請代表者の研究会では現在看護裏のビオトープの生物調査を実施しており、今後改善案を大学に提出する予定である。そのようなキャンパスの環境改善にも貢献できると考えている。

生物調査概要（手法と結果）

　本研究の生物調査の内、チョウ類及びトウホクサンショウウオ（Hynobius lichenatus）の卵嚢の分布調査は、宮城県気仙沼市舞根２区（以下、舞根地区）（N38.900, E141.624）を対象に調査を行った。舞根地区はリアス地形の湾奥に形成された集落で、東日本大震災に伴う津波で低地部全域が浸水している。被災前は54世帯が立地し、大きな2つの谷を流れる小河川に沿って水田が形成され、豊富な湧水が水路を経て水田に引かれていた。ヒアリング及び過去の空中写真の判読から、水田は70年代から放棄が進み、2000年前後にはほぼ全ての水田が休耕状態にあり、初期に放棄された箇所は低潅木の移入したヨシ原になっていた。

　舞根地区でのチョウ類調査では、2015年6月から10月にかけて合計5回の調査を行い、5科43種、932個体を記録した。モンシロチョウやヤマトシジミなどの普通種が主に占めているのの、ウラギンスジヒョウモン(環境省・絶滅危惧II類)、スジグロチャバネセセリ(同・準絶滅危惧)などの希少種も確認された。 環境特性によって構成種に違いが見られ、ヨシが生い茂っている湿地には、イネ科の植物を食草とするセセリチョウ科が多く見られ、樹林の裾に発達した草地では、林縁部から吸蜜に飛来するメスグロヒョウモンやコミスジなどのタテハチョウ科が多く確認された。

　トウホクサンショウウオの卵嚢の分布調査は、震災１年後の2012年から2015年までの4ヶ年行った。従来は休耕田だった湿地や水路、池跡、湧水箇所などの湿性環境を調査対象とした。繁殖期の終期を調査時期と定め、2012年は計3回（4/8-9, 4/21-23, 5/13-15）、2013年から2015年は4月中旬に1回ずつの調査を行った。分布調査は卵_の有無によって判断し、確認した卵_数と位置情報を記録した。調査の結果、2012年の4月上旬に行った1回目の調査では、津波浸水域内で卵嚢261対、成体3個体を確認した。2回目の調査では合計735対の卵嚢（と4個体の成体、3回目では合計481対の卵嚢を確認した。震災から2年後にあたる2013年の調査では、浸水域全域で確認された卵嚢は205対だった。同様に、2014年度は166対、2015年は合計249対が確認された。2013年以降は死卵嚢の割合が大幅に減少した。

　SFC看護棟のビオトープでは、哺乳類・鳥類・昆虫類・水生生物・植物の調査を行った。哺乳類は、他の生物調査と併行して確認した種を記録し、カヤネズミ・タヌキ・ノウサギの3種の生息を確認した。鳥類は8回の調査を行い、33種の生息を確認した。昆虫類は6回の調査を行い、43種を記録した。水生生物は3回の調査で10種を記録した。植物は通年で46種を記録した。

5D World Map Systemを用いた生物多様性情報のアーカイブ化

　上記の調査を通して得られた生物のうち、撮影できた種の写真を5D World Map Systemに登録した。撮影時間・撮影場所と”Biodiversity loss”（舞根の一部については”Tsunami”も含む）のタグを付けて登録した。また、舞根については、津波浸水域（原口,2013）のkmz、及びトウホクサンショウウオの卵嚢確認位置（2012年3回分、2013年・2014年・2015年の各1回分）のkmzファイルを登録した。

写真登録種一覧

◯舞根

・チョウ類写真掲載種：

シロチョウ科：4種　スジグロシロチョウ・モンシロチョウ・キタキチョウ・モンキチョウ

アゲハチョウ科：2種　キアゲハ・カラスアゲハ

シジミチョウ科：4種　ウラナミアカシジミ・ヤマトシジミ・ツバメシジミ・ルリシジミ・ベニシジミ

タテハ:7種　ウラギンスジヒョウモン・ヒメウラナミジャノメ・コジャノメ・コミスジ・ジャノメチョウ・メスグロヒョウモン・ミドリヒョウモン

セセリ：5種　オオチャバネセセリ・イチモンジ・ダイミョウセセリ・スジグロチャバネセセリ・キマダラセセリ

・その他の生物群：

トウホクサンショウウオ（成体・卵嚢）アオフキバタ・オナガササキリ・トノサマバッタなど

◯看護棟ビオトープ写真掲載主種

ヒカゲチョウ・ミドリシジミ・ショウリョウバッタ・カノコガ・ハラビロカマキリ・ヒメギス　など

◯SFC Z館付近

ナガサキアゲハ・アカボシゴマダラ

なお、チョウ類については、別途標本も作製していて、5D World Map System上で、画像として確認できるだけでなく、必要に応じて実物を観察することもできる。これらの標本については、2015年11月に東京ミッドタウンで開催されたSFCオープンリサーチフォーラムで展示を行った。

トウホクサンショウウオの卵嚢の時系列的関係

　調査を通して、16箇所の個体群が認められ、そのうち4年間継続して調査データが得られている8個体群（Ａ-Ｈ）を対象に、時系列自己相関・偏自己相関の確認、及びにポアソン回帰モデルによる分析を行った。まず、対象年度（2013年, 2014年, 2015年）の総卵嚢数を目的変数、前年度以前の総卵嚢数・生存（発生が進んでいる）卵嚢数・死卵嚢数を説明変数に設定し、時系列的な卵嚢数の関係を検証するために、連続する年度（2012年-2013年, 2013年-2014年, 2014年-2015年）の後年度の総卵嚢数を目的変数、前年度の総卵嚢数・生存卵嚢数・死卵嚢数のそれぞれを説明変数に設定したモデルを作成した。加えて、1年間隔の年度間（2012年-2014年, 2013年-2015年）でも同様に後年度の総卵嚢数と前々年度の卵嚢数の関係を検証した。2012年度については、前後の調査で重複して確認した卵嚢も存在するため、3回の調査のうち各個体群における総卵嚢数が最多の回の数値を、2012年度の各個体群の卵嚢数として採用した。統計ソフトR 3.2.3 GUI 1.66 Mavericks buildを使用し、RパッケージMCMCpack version 1.3-3を用いて、マルコフ連鎖モンテカルロによるベイズ推定を行った。ベイズ推定のMCMC回数を500,000回とし、稼働検査期間とする最初の400,000回をサンプリングから除外し、続く100,000回のMCMCから抽出した10,000サンプルを用いて、説明変数の事後分布を推定した。

　分析の結果、調査対象域全体と各個体群における総卵嚢数には時系列自己相関・偏自己相関は見受けられなかった。時系列的な卵嚢数の関係については、連続する年（間隔が1年間）の卵嚢数との関係を対象としたモデルでは、前年度（1年前）の総卵嚢数・生存卵嚢数及び死卵嚢数が、次年度の総卵嚢数に有意に正の相関を示し、生存卵嚢数と死卵嚢数の両方を説明変数に採用した場合では、生存卵嚢数が正に、死卵嚢数が負に関係していた。目的変数とする対象年度の2年前の卵嚢数を説明変数としたモデル（間隔が2年間）では、死卵嚢数のみのモデルでは負の相関を示し、生存卵嚢数と死卵嚢数の両方を説明変数に採用したモデルでは、前々年度の生存卵嚢数が正の、死卵嚢数が負の有意な相関を示した。

生物多様性情報の蓄積・運用に向けた5D World Map Systemの利点及び改善点

　5D World Map Systemによる生物多様性情報のアーカイブ化によって、生物の出現に関わる要因の精査は適わないものの、調査対象域における生物の分布が集中している箇所を概観的に把握することができた。また、タイムラプス機能を用いることで、分布や種の出現傾向を直感的に把握することができた。特に、舞根のチョウ類については、季節による種構成の変化を追うことができる。また、トウホクサンショウウオの卵嚢分布は、2012年に比べ、2013年・2014年は総卵嚢数が大幅に減少し、おおよそ分布範囲が後退したことが、直感的に把握することができた。

　しかし、5D World Map Systemではデータのアップロード可能のファイル容量が小さく、高解像度の写真やkmzデータを扱うことができないことが問題点に挙げられる。生物調査の記録には、種の同定が可能なレベルでデータが残っていることが重要で、標本などのように後の記録精査できることが求められる。調査者の熟練度によって、種の同定が正確に行われていないことがあることや、生息環境との対応性について時間を遡って確認されるためには、高解像度の写真がアーカイブ化されていることが望ましい。また、ドローンなどの新技術で得られる大容量のデータは、生物多様性情報を含め、その応用可能性は多岐に渡ることを考えられるが、現状のシステムでは、簡便に扱うことが困難であることが分かった。既に普及しているGoogleEarthなどのシステムでは扱えることを踏まえると、扱えるデータの形式や表示方法などの改善を要すると言える。

　また、スマートフォンなどで撮影された写真には、撮影時間や位置情報がタグ付けされているものの、現状のシステムではこれらの情報を自動で読み取ることはできず、アナログな操作による登録を要する。正確なデータが記録されているにも関わらず、操作の過程でミスが起こる可能性を捨てきれないことや、システムを広く普及するためには、操作の簡便化することが必要である。

今後の展開

　現時点（2016年2月末）では、5D World Map Systemに登録している生物種は、先に挙げたチョウ類を中心としたものであるが、今後継続して調査結果を登録し、SFC内については今後の生態学フィールド調査法、エコロジカルデザインの授業で活用していく予定である。加えて、一ノ瀬研究会では、先に述べたように看護裏のビオトープの生物調査を実施しており、2016年3月に調査結果報告を大学事務に対して行う予定である。2016年度の研究会では継続して生物調査を行うとともに、改善案の提案をとりまとめていく予定で、これらを5D World Map Systemを基盤にして実施していく。このように、キャンパスの改善の基盤情報として整備していく予定である。

記録したデータの確認

記録したデータ一覧

トウホクサンショウウオの卵嚢分布を概観的に把握する

2012年4月のトウホクサンショウウオの卵嚢分布

2012年5月のトウホクサンショウウオの卵嚢分布

2014年4月のトウホクサンショウウオの卵嚢分布

舞根のチョウ類の分布

タイムラプス機能による同一日の記録の確認

SFCの生物調査記録の確認

看護棟ビオトープの生物調査記録の確認

kmzで実装したUAVで撮影した画像をGoogleEarthで確認