Remote sensing of environment and disaster laboratory

Institute of Industrial Science, the University of Tokyo, JapanMONITORING OF ALTERNATIVE WET AND DRY RICE PADDIES INBANGLADESH AND THAILAND BY INTEGRATING LOW-COST GROUND-BASEDSENSORS AND SAR OBSERVATIONS TO MITIGATE CH4 EMISSIONS
バングラデシュおよびタイにおける代替的な湿潤と乾燥の稲作の監視：
低コストの地上センサーと SAR観測の統合による CH4排出の緩和

EN ↑ 🎧 JP ↓Xuan Truong Trinh1*, Khin Myat Kyaw1, Md. Rahedul Islam2, Wataru Takeuchi1
1
Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Tokyo, Japan.
2Department of Geography and Environment, Pabna University of Science and Technology, Pabna, Bangladesh.

Abstract: The significance of methane (CH4) as a potent greenhouse gas necessitates innovative approaches to monitor and mitigate its emissions, particularly fromagricultural sources like rice paddies. This study introduces a novel framework for methane emission monitoring in rice paddies across Asian countries, utilising anintegration of low-cost ground-based sensors and satellite imagery. With the aim to refine the accuracy of CH4 emission estimates, this research focuses on the Alternate
Wetting and Drying (AWD) cultivation method, which has shown potential in reducing emissions while sustaining yield. The methodology adopts a bottom-up
approach, as per IPCC guidelines, employing water level sensors in the field to gather precise data.
要旨:メタン（CH4）は強力な温室効果ガスであり、その排出を監視し軽減するための革新的なアプローチが必要とされています。特に水田のような農業からの排出源において、その重要性は高いです。この研究では、アジア諸国における水田のメタン排出監視のための新しい枠組みを紹介します。低コストの地上センサーと衛星画像を統合することで、メタン排出推定の精度を向上させることを目指しています。本研究は、収量を維持しながらメタン排出を削減する可能性を示す代替湿潤乾燥（AWD）栽培法に焦点を当てています。IPCCガイドラインに従い、フィールドでの正確なデータ収集を行うために水位センサーを使用するボトムアップアプローチを採用しています。

1. Introduction はじめに

3. Results & Discussion 結果と考察● Rice paddies are a notable source of CH4,
accounting for approximately 8% of global
anthropogenic methane emissions (Saunois et al.,2020).
● Various factors influence emission level, but
Alternate Wetting and Drying (AWD) cultivation
method has proven effective in reducing methaneemissions while maintaining yield (Islam, Kim andTakeuchi, 2024).
● Objectives: Implement CH4 Monitoring, Reportingand Verification using satellite and low-costground-based sensors.
● 水田はメタンの重要な排出源であり、世界の人為的メタン排出の約8%を占めています（Saunois et al.,2020）。
● 排出レベルにはさまざまな要因が影響しますが、代替湿潤乾燥（AWD）栽培法は収量を維持しながらメタン排出を削減する効果的な方法として証明されています（Islamd, Kim and Takeuchi, 2024）。
● 目的：衛星および低コストの地上センサーを用いたメタンの監視、報告および検証を実施する。このプロジェクトは、メタン排出削減戦略を強化し、政策に情報を提供し、水田の管理手法を改善し、環境の持続可能性目標に整合させることを目的としています。

● The
introductionof
low-cost,asolar-powered devices, marks asignificant step forward in agricultural
Ekdalaenvironmental monitoring, especiallyGopalpur
for continuous water level tracking.
Rajshahi● However, the threshold to identify a dry
field might not strictly be zero; thereBonebariacould be minor deviations in what isconsidered 'dry' based on sensor
Pabna
BRRI
calibration or environmental factors.
● Also, the assumption that the alternateb
wetting and drying (AWD) field follows
a strict irrigation schedule introduces
Nakhon Pathom
another layer of uncertainty. This
schedule might not be precisely
followed due to various influences, suchas local irrigation practices and weather
Figure 4. Location of 8 installed stations in (a)conditions.
Bangladesh (Dhaka, Ekdala, Bonebaria, Pabna,
Gopalpur, and Rajshahi) and in b) Thailand ● 低コストの太 陽 光パネルを利 用したデバイスの導入は、農業環境モニタリング(Nakhon Pathom), overlaid on a PALSAR-2
ScanSAR image composite from 2024-02-01 toにおける大きな進歩を示しています。こ2024-02-18, showcasing HH:HV:HH-HV bands.
れらのデバイスは、継続的な水位トラッキングに特に役立ちます。
● しかし、フィールドの乾燥状態を特定する閾 値は、厳 密に水 位がゼロであるとは 限 りません。センサーのキャリブレーションや環境要因に基づいて「水田が乾燥している」と見なされる基準には若干の幅があるかもしれません。
● 代 替 湿 潤 乾 燥（AWD）フィールドが厳密 な 灌 漑 スケジュールに 従 っているという仮定も、不確実性を追加します。このスケジュールは、地域の灌漑慣行やFigure 5. The water level measurements from a
気象条件などの様々な影響により、正sample station at the Bangladesh Rice ResearchInstitute (BRRI) in Dhaka, from 2024-03-11, to確に守られない場合があります。
2024-04-18. The vertical line denotes theavailability of PALSAR-2 data.

2. Methodology 方法論● Inundation status of rice fields can be estimate byL-band SAR, providing a wide coverage ofinundation level every 14 day with ALOS-2 satellite(Arai et al., 2018). Ground-based sensor provides
accurate water level every hour using a laser sensor.
● Ground-based measurement and satellite-based
measurements are combined, extrapolating water
presence estimates to fields not directly monitored.
● The water regime would be used to calculate theEmission factor, which is used to estimate the Rice
Annual Methane Emission (Fig 1.).
● 水田の浸水状態はLバンドSARによって推定され、ALOS-2衛星を使用して14日ごとに広範囲の浸水レベルを定量化します（Arai et al., 2018）。地上センサーはレーザーセンサーを使用して毎時間正確な水位を測定します。
● 地上測定と衛星測定を組み合わせることで、直接監視されていないフィールドについても水の存在状態を推定し、より高度な水管理評価に寄与します。
● この水管理に関する情報は、排出係数を計算するために使用され、年間の水田メタン排出量を推定します（図1）。
Selected references:

Figure 1. Flowchart showing thescope of study to estimate ricemethane emission
Ground surface (zeropoint)
Water levelFigure 2. Schematics of water levelsensorTable 1. Sensor's specifications
Parameter
Description
Sensor Type

Laser

Measurement Range± 20 cm

Accuracy± 2 cmMeasurement
Frequency

HourlyCommunication

4G LTE/RFPower supply(Solar rechargeable)

12 V DC 3400 mAh

Figure 3. The rice field where a waterlevel sensor is installed in Rajshahi,
Bangladesh.

Arai, H., Takeuchi, W., Oyoshi, K., Nguyen, L.D., and Inubushi, K., 2018. Estimation of methane emissions from rice paddies in theMekong Delta based on land surface dynamics characterization with remote sensing. Remote Sensing, 10(9), p.1438.

4. Conclusion 結論● Mitigating methane emissions from rice paddies is crucial due to their significant
environmental impact. This study highlights the need for precise water regime
measurements, integrating ground-based sensors and satellite imagery.
● From 8 installed sensors, plans to expand to 50 sensors installed in rice fields to gather data,
improving methane emission estimates and understanding of water usage for sustainableagriculture.
● 水田からのメタン排出を軽減することは、メタン排出のもたらす重大な環境影響を抑制するために重要です。本研究は、地上センサーと衛星画像を統合した正確な水管理測定の必要性を強調しています。
● 現 在 設 置されている8つのセンサーから、水 田に50のセンサーを設 置してデータを収 集し、メタン排出推定を改善し、持続可能な農業のための水使用に関する理解を深めていくことを計画しています。
Saunois, Marielle, Stavert, Ann R., Poulter, Ben, Bousquet, Philippe, Canadell, Joseph G., Jackson, Robert B., Raymond, Peter A., etal., 2019. The global methane budget 2000–2017. Earth System Science Data Discussions, 2019, pp.1-136.
Islam, M.R., Kim, H., Takeuchi, W. (2024). Physio-Climatic and Socio-Economic Suitability Assessment of Alternate Wetting andDrying (AWD) Irrigation Water Management in Bangladesh. In: Ahamed, T. (eds) Remote Sensing Application II. New Frontiers inRegional Science: Asian Perspectives, vol 77. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-97-1188-8_14

For further details, contact Truong at, Bw-604, 6-1, Komaba 4-chome, Meguro, Tokyo 153-8505 JAPAN (URL: http://wtlab.iis.u-tokyo.ac.jp/ E-mail: truong@iis.u-tokyo.ac.jp

Remote sensing of environment and disaster laboratory

Institute of Industrial Science, the University of Tokyo, Japan

バングラデシュおよびタイにおける代替的な湿潤と乾燥の稲作の監視：
低コストの地上センサーと SAR観測の統合による CH4排出の緩和
Xuan Truong Trinh1*, Khin Myat Kyaw1, Md. Rahedul Islam2, Wataru Takeuchi1
1

Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Tokyo, Japan.
2
Department of Geography and Environment, Pabna University of Science and Technology, Pabna, Bangladesh.

要旨: メタン（CH4）は強力な温室効果ガスであり、その排出を監視し軽減するための革新的なアプローチが必要とされています。特に水田のような農業からの排出源において、その重要性は高いです。この研究では、アジア諸国における水田のメタン排出監視のための新しい枠組みを紹介します。低コストの地上センサーと衛星画像を統合することで、メタン排出推定の精度を向上させることを目指しています。本研究は、収量を維持しながらメタン排出を削減する可能性を示す代替湿潤乾燥（AWD）栽培法に焦点を当てています。IPCCガイドラインに従い、フィールドでの正確なデータ収集を行うために水位センサーを使用するボトムアップアプローチを採用しています。これらのセンサーは、バングラデシュ、タイ、ベトナム、インドネシアの50サイトに設置され、1つあたり約500米ドルのコストで毎時水位測定を提供しています。センサーデータはクラウドベースのサーバーに送信され、ALOS-2衛星データと組み合わせて、より広範な地域での氾濫レベルを推定し、地域規模でのメタン排出量推定精度向上に貢献します。現在までの結果から、ターゲット国でのセンサーの配置とデータ取得の成功と、PALSAR画像が氾濫レベルの推定に役立っていることがわかりました。この研究は、効果的な排出管理実践方法を開発し、地球規模の気候変動緩和努力に貢献するために、正確なメタン排出監視のための拡張性が高く費用対効果に優れたソリューションを提供する上で極めて重要です。また、農業からのメタン排出の課題に対処するために、データ、ツール、および知識を共有する国際協力の重要性も強調しています。

3. 結果と考察

1. はじめに● メタン（CH4）は、100年間の地球温暖化係数が二酸化炭素（CO2）の30倍であり、気候変動への影響力では二番目に重要な要素です（IPCC, 2021）。
● 大気中のメタン濃度は2007年以降増加しており、その主な原因は化石燃料と農業からの排出です。メタン排出の迅速な削減は気候 変 動 緩 和 のために 極 めて 重 要 です（IPCC, 2021）。
● 水田はメタンの重要な排出源であり、世界の人 為 的メタン排 出の約8%を占めていま
図1. 稲作メタン排出量を推定するための研究範
す（Saunois et al., 2020）。
囲を示すフローチャート● 排出レベルにはさまざまな要因が影響しま
Ground surface (zeroすが、代替湿潤乾燥（AWD）栽培法は収量point)を維 持しながらメタン排 出を削 減する効 果的な方法として証明されています（Yang etWater levelal., 2017）。
● 目 的：衛 星および低コストの地 上センサーを用いたメタンの監視、報告および検証を実施する。このプロジェクトは、メタン排出削減戦略を強化し、政策に情報を提供し、水田の管理手法を改善し、環境の持続可能性 目 標に整 合させることを目 的としています。

2. 方法論図2. 水位センサーの概略図● 地上センサーはレーザーセンサーを使用して毎時間正確な水位を測定します。センサーで測定された水位は、水田の水位を代表すると仮定してます。
● センサー 設 置 のためのフィールドサイトは、PALSAR-2衛星の軌道内およびAWD農業を実践する地域内で計画的に選定されます。
● 水田の浸水状態はLバンドSARによって推定され、ALOS-2衛星を使用して14日ごとに広範囲の浸水レベルを定量化します（Arai et al.,2018）。
● 地上測定と衛星測定を組み合わせることで、直 接 監 視 されていないフィールドについても水の存在状態を推定し、より高度な水管理評価に寄与します。
● この水管理に関する情報は、排出係数を計算するために使用され、その後、他のプロジェクトで提供される栽培期間および面積と組み合わせて、年間の水田メタン排出量を推定します（図1）。

表1. センサーの仕様
パラメータ
説明

Selected references:

センサータイプ

レーザー

測定範囲

± 20 cm精度± 2 cm

測定頻度

毎時

通信

4G LTE/RF

電源供給(太陽光充電式)

12 V DC 3400 mAh

図3. バングラデシュ、ラジシャヒに水位センサーが設置されている稲田

Arai, H., Takeuchi, W., Oyoshi, K., Nguyen, L.D., and Inubushi, K., 2018. Estimation of methane emissions from rice paddies in theMekong Delta based on land surface dynamics characterization with remote sensing. Remote Sensing, 10(9), p.1438.

● センサーの水位測定が正確であると仮定す
ると、ゼロ以 下の読み取り値は浸 水がない
aことを示し、これはリモートセンシングデータにおける低いダブルバウンス散乱に対応すEkdala
る可能性があります。
Gopalpur● しかし、地形の不均一さは、水の分布やセRajshahi
ンサーの読み取り値に影 響を与えることか
Bonebariら、結果の解釈性にも影響が存在する可能a性があります。
● フィールドの乾燥状態を特定する閾値は、Pabna
BRRI
厳密に水位がゼロであるとは限りません。センサーのキャリブレーションや 環 境 要 因 にb
基づいて「水田が乾燥している」と見なされる 基 準 には 若 干 の 幅 があるかもしれませNakhon Pathomん。
● 代替湿潤乾燥（AWD）フィールドが厳密な
灌 漑 スケジュールに 従 っているという 仮 定も、不確実性を追加します。このスケジュー
図4. 8つの設置ステーションの位置
ルは、地域の灌漑慣行や気象条件などの(a) バングラデシュおよび(b) タイに設置された8様々な影響により、正確に守られない場合つのステーションの位置を示し、2024年2月1日から2024年2月18日までのPALSAR-2があります。
ScanSAR画像コンポジット上にHH:HV:HH-HV ● 低コストの太 陽 光パネルを利 用したデバイバンドを重ねています。
スの導 入は、農 業 環 境モニタリングにおける大きな進歩を示しています。これらのデバイスは、継続的な水位トラッキングに特に役立ちます。
● IoTシステムと統合し、UAVおよび衛星デー
タと 同 期 させることで、これらのデバイスは環境評価の精度を高め、例えば水田のメタン排出追跡に貢献します。
● これらのモニタリングツールの使用は、精密灌漑技術の進展を支援し、農業運営の持続可能性と効率を大幅に向上させます。
図5. バングラデシュ稲研究所ダッカにおけるサンプルステーションからの水位測定値。2024年3月11日から2024年4月18日までのデータ。垂直線はPALSAR-2データの利用可能性を示します。

4. 結論● 水田からのメタン排出を軽減することは、メタン排出のもたらす重大な環境影響を抑制するために重要です。
● 本研究は、地上センサーと衛星画像を統合した正確な水管理測定の必要性を強調しています。
● 精密なメタン排出量のモニタリングは、農業を持続可能性と環境保護の目標に整合させるために、関係者が管理手法を改善するのに役立ちます。
● 本研究は、Asia-RiCE/GEOGLAMやUNEPのメタンイニシアチブなどの世界的な取り組みや、SAFE AgrometやRice Monitoringといったプロジェクトとの統合に貢献しています。
● 現 在 設 置されている8つのセンサーから、水 田に50のセンサーを設 置してデータを収 集し、メタン排出推定を改善し、持続可能な農業のための水使用に関する理解を深めていくことを計画しています。
Saunois, Marielle, Stavert, Ann R., Poulter, Ben, Bousquet, Philippe, Canadell, Joseph G., Jackson, Robert B., Raymond, Peter A., etal., 2019. The global methane budget 2000–2017. Earth System Science Data Discussions, 2019, pp.1-136.
Yang, Jianchang, Zhou, Qun, and Zhang, Jianhua, 2017. Moderate wetting and drying increases rice yield and reduces water use,grain arsenic level, and methane emission. The Crop Journal, 5(2), pp.151-158.

For further details, contact Truong at, Bw-604, 6-1, Komaba 4-chome, Meguro, Tokyo 153-8505 JAPAN (URL: http://wtlab.iis.u-tokyo.ac.jp/ E-mail: truong@iis.u-tokyo.ac.jp