JP2002168771A

JP2002168771A - 植物の生育度測定装置

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Publication number: JP2002168771A
Application number: JP2000367375A
Authority: JP
Inventors: Hideki Tanaka; 秀樹田中; Katsuhiro Iizuka; 勝弘飯塚; Yohei Okunishi; 陽平奥西; Takashi Goto; 隆志後藤
Original assignee: Ebara Corp; Bio Oriented Technology Research Advancement Institution; Sasaki Co Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Bio Oriented Technology Research Advancement Institution; Sasaki Co Ltd
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-14
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: JP4243014B2

Abstract

(57)【要約】【課題】測定作業の労力軽減や測定時間の短縮を維持
しつつ、従来以上に正確に生育度を把握できる植物の生
育度測定装置を提供する。【解決手段】植物により反射された太陽光を入射させ
て分光し、２種以上の特定波長の光の反射強度を測定す
る第１の受光部と、太陽光を直接入射させて前記第１の
受光部と同一波長の光に分光し、参照光としてその受光
強度を測定する第２の受光部と、前記第１の受光部で検
出した特定波長の反射強度を前記第２の受光部で検出し
た参照光の受光強度を基に補正し、補正された反射強度
を基に、測定植物の葉色（SPAD値）、草丈、乾物重、
（草丈×茎数）、｛草丈×葉色（SPAD値）｝及び｛草丈
×茎数×葉色（SPAD値）｝の少なくとも１つを求める演
算部とを備える植物の生育度測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、植物の生育度測定
装置に関し、特に植物からの反射太陽光を測定して植物
の生育度を光学的に測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より農家等において、農作物の生育
に合わせて施肥が行われている。その際、施肥の時期や
量の決定が重要になるが、従来では、（１）植物の草
丈、（２）茎数、（３）葉色（SPAD値）、（４）乾物重
等を基に植物の生育度を求め、その生育度に合わせて施
肥時期や施肥量を決定している。

【０００３】上記（１）植物の草丈とは株の根元から葉
の先端までの長さであり、人が田畑に入り、適当な１株
の葉を手で揃え、物差で株の根元から葉の先端までの長
さを測定している。また、上記（２）茎数とは一株当た
りの茎の数であり、これも人が田畑に入り、適当な株を
選び、手でより分けながらその茎数を数えている。ま
た、上記（３）葉色（SPAD値）の測定では、通常、ハン
ディータイプの葉色計で葉を挟み込み、光の透過率から
SPAD値を計測したり、葉色板（色見本）を対照して目視
により判定している。また、上記（４）乾物重の測定で
は、適当量の植物を採取して乾燥し、重量を測定して乾
物重を求めている。

【０００４】しかしながら、上記の各測定項目はそれぞ
れ問題点を抱えており、（１）植物の草丈、（２）茎数
及び（３）葉色（SPAD値）の測定は、何れも人が田畑に
入り、煩雑な作業をしなければならず、多大な労力を要
する。また、１株毎、あるいは１葉毎の測定しかできな
いため、代表値を得ることが困難であり、１圃場内の生
育度を把握しようとすると膨大な数のサンプリングが必
要となる。しかし、実際には十数株程度のサンプリング
にとどまっており、生育度を正確に把握できているとは
言えない状況にある。また（４）乾物重の測定では、乾
燥までに１週間以上を要することもあり、迅速な対処が
できないという問題がある。

【０００５】一方で、測定作業の労力軽減や測定時間の
短縮等を目的として、植物の生育度を光学的に測定する
試みもなされている。例えば、特開昭６２−２８２２４
３号や特開昭６２−２８２２４４号公報では、所定面積
に生育している植物群落からの反射太陽光を受光し、そ
の受光強度から測定植物群落全体としてのクロロフィル
濃度を測定し、これをもとに生育度を求める生育度測定
装置を提案している。この生育度測定装置では、従来の
ように１株毎の測定ではなく、また物差を当てたり、よ
り分る必要もなく、しかも瞬時に測定結果が得られるた
め、測定作業の労力軽減及び測定時間の短縮が図られ
る。更に、一度の測定により植物群落をサンプリングで
きることから、測定精度の上でも有利となる。また、こ
の測定装置では、直接入射する太陽光を同時に測定し、
反射太陽光との受光強度比から補正を行い、より正確な
測定を行う構成としてある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、生育
度を測定して的確な施肥時期や施肥量を決定して科学
的、計画的に収穫を行う所謂「精密農業」の実現に向け
た研究が，近年押し進められている。その前提となるの
は、農作物の生育度をより正確に、瞬時に把握すること
にあるが、上記のクロロフィル濃度の測定だけでは不十
分であり、新たな指標が求められている。例えば、従来
と同様に草丈や茎数、乾物重との関係も同時に求めるこ
とができれば、より多様な分析が可能となり、より的確
な生育計画を立てることも可能になる。

【０００７】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、測定作業の労力軽減や測定時間の短縮を維
持しつつ、従来以上に正確に生育度を把握できる植物の
生育度測定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、植物の生育度を光学的に測定する装置で
あって、植物により反射された太陽光を入射させて分光
し、２種以上の特定波長の光の反射強度を測定する第１
の受光部と、太陽光を直接入射させて前記第１の受光部
と同一波長の光に分光し、参照光としてその受光強度を
測定する第２の受光部と、前記第１の受光部で検出した
特定波長の反射強度を前記第２の受光部で検出した参照
光の受光強度を基に補正し、補正された反射強度を基
に、測定植物の葉色（SPAD値）、草丈、乾物重、（草丈
×茎数）、｛草丈×葉色（SPAD値）｝及び｛草丈×茎数
×葉色（SPAD値）｝の少なくとも１つを求める演算部
と、を備えることを特徴とする植物の生育度測定装置を
提供する。

【０００９】本発明は、光学的に植物の生育度を測定す
る方式において、反射率と、測定植物の葉色（SPAD
値）、草丈、乾物重、（草丈×茎数）、｛草丈×葉色
（SPAD値）｝及び｛草丈×茎数×葉色（SPAD値）｝との
間に高い相関があることを見出し、この知見に基づき完
成されたものである。以下、本発明に関して詳細に説明
する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る生育度測定装
置の一実施形態を示す概略斜視図であり、図２は図１に
示した受光部の拡大断面図である。

【００１１】図示されるように、生育度測定装置１は、
受光部１０と、受光部１０を支持するための支持部２
０、及び受光部１０に接続する演算部（図示せず）とを
備える。

【００１２】支持部２０は、例えば４本の脚２１を受光
部１０の四隅から斜め外方に突出させ、脚２１の先端同
士、更に必要に応じて中間の複数箇所にて水平方向に延
びる連結棒２２ａ，２２ｂで連結して構成されている。
脚２１の長さやその突出角度、脚２１の先端部の間隔は
測定対象となる植物（例えば「水稲」；以下、この水稲
を基にして説明する）の一般的な草丈、植付け間隔等に
応じて適宜設定することができ、水稲の生育度を測定す
る場合には、水稲の上端から受光部１０までの高さが５
０ｃｍ程度、脚２１の先端部の間隔が６０ｃｍ程度とな
るように設計することができる。また、脚２１や連結棒
２２ａ，２２ｂを伸縮自在な可変式とすることもでき
る。そして、この支持部２０は、測定に際して、上方か
ら水稲を覆うようにして水田の測定個所に設置される。
その際、この支持部２０により、測定エリアの確認を行
うことができる。また、この支持部２０には、設置や運
搬に便利なように、脚２１の適所に適応な把手（図示せ
ず）を付設してもよい。

【００１３】受光部１０は、基板１１に、水稲と対向す
る第１の受光部１２と、太陽と対向する第2の受光部１
３とをそれぞれ固定して構成される。また、第１の受光
部１２は測定波長の数に応じて複数の受光素子１２ａ，
１２ｂ・・で構成され、それに対応して第２の受光部１
３も同数の受光素子１３ａ，１３ｂで構成されており、
更に第１の受光部１２を構成する各受光素子１２ａ，１
２ｂ・・と、第２の受光部１３を構成する各受光素子１
３ａ，１３ｂ・・とで測定波長毎に対をなすように構成
される。ここでは、測定波長を最大４波長とする構成を
示しており、それに対応して第１の測定波長について第
１の受光部１２の受光素子１２ａと第２の受光部１３の
受光素子１３ａとが対をなし、第２の測定波長について
第１の受光部１２の受光素子１２ｂと第２の受光部１３
の受光素子１３ｂとが対をなし、第３の測定波長につい
て第１の受光部１２の受光素子１２ｃと第２の受光部１
３の受光素子１３ｃとが対をなし、第４の測定波長につ
いて第１の受光部１２の受光素子１２ｄと第２の受光部
１３の受光素子１３ｄとが対をなすように構成されてい
る。そしてこれら４対の受光素子は、平面略正方形の基
板１１の四隅に一対ずつ配置される。

【００１４】各受光素子は公知のもので構わず、例えば
Ｓｉフォトダイオードとすることができる。また、入射
光を測定波長に分光するために、図示されない分光フィ
ルタが各受光素子の受光面に付設される。尚、測定波長
は以下のように選択することができる。

【００１５】即ち、図３に植物（水稲）の波長−反射率
特性図を示すが、波長５５０ｎｍ（緑色）付近に反射率
最大のピーク、波長６７０ｎｍ（赤）付近に反射率最小
のピークが現れ、更に波長８５０ｎｍ（近赤外）から１
０００ｎｍ（近赤外）付近の範囲において反射率が一定
となることがわかる。そこで、本発明においては、反射
率の変化に特徴があるこれら４波長の中から２種以上を
選択して測定波長とすることが好ましい。特に、後述す
る実施例に示すように、５５０ｎｍを含んだ組み合わせ
が好ましく、これら４波長全てを選択することが最も好
ましい。

【００１６】また、例えば日中と夕暮時、あるいは季節
により太陽光の入射角度が異なるため、第２の受光部１
３の上方に白色拡散板３０を載置し、入射する太陽光の
安定化を図ることが好ましい。更に、測定個所以外から
の不要光の入射を防ぐために、第１の受光部１２及び第
２の受光部１３を構成する各受光素子の視野角を６０°
程度にすることが好ましい。

【００１７】生育度測定装置１は上記の如く構成され、
測定に際して支持部２０を水稲の上方から、この水稲を
覆うようにして水田の測定個所に設置される。それによ
り、第１の受光部１２が水稲側を向き、第２の受光部１
３が太陽（天空）を向いて測定個所に設置される。

【００１８】測定は、上記した生育度測定装置１におい
て、第２の受光部１３により直接入射する太陽光の入射
強度を測定する。このとき、太陽光は、選択した各測定
波長（ここでは上記４波長を想定）に応じて、強度Ｉ₁
（λ₁＝５５０ｎｍ）、Ｉ₂（λ₂＝６７０ｎｍ）、Ｉ
₃（λ₃＝８５０ｎｍ）及びＩ₄（λ₄＝１０００ｎｍ）の
各波長成分を含んでおり、第２の受光部１３では各受光
素子１３ａ〜１３ｄにより、それぞれの分光フィルタを
透過する光を受光し、その受光強度Ａ₁，Ａ₂，Ａ ₃，Ａ₄
を図示されない演算部に出力する。

【００１９】一方で水稲により反射された太陽光の反射
強度を、第１の受光部１２により測定する。ここで、上
記λ₁の波長成分に対する水稲の反射率をＲ₁とすると、
反射太陽光におけるλ₁の波長成分の強度はＲ₁×Ｉ₁と
なり、順次、各波長成分に対する反射太陽光の強度は、
Ｒ₂×Ｉ₂、Ｒ₃×Ｉ₃及びＲ₄×Ｉ₄となる。第１の受光部
１２では各受光素子１２ａ〜１２ｄにより、それぞれの
分光フィルタを透過する光を受光し、その受光強度
Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄を演算部に出力する。

【００２０】演算部では、第２の受光部１３からの受光
信号を基に、第１の受光部１２からの受光信号を補正し
て、各測定波長毎に反射率の補正を行う。即ち、第１の
受光部１２による受光強度Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄は、第２
の受光部１３による受光強度Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄に、そ
れぞれの波長における反射率を乗じた値となる。従っ
て、第２の受光部１３による受光強度で、第１の受光部
１２による受光強度を除すことにより、各測定波長の反
射率が求められる。式で示せば、それぞれ測定波長に対
して、Ｒ₁（λ₁＝５５０ｎｍ）＝Ｂ₁／Ａ₁ Ｒ₂（λ₂＝６７０ｎｍ）＝Ｂ₂／Ａ₂ Ｒ₃（λ₃＝８５０ｎｍ）＝Ｂ₃／Ａ₃ Ｒ₄（λ₄＝１０００ｎｍ）＝Ｂ₄／Ａ₄ である。

【００２１】尚、実際には各受光素子毎に特性差がある
ため、ダーク値（バックグランド）を測定しておき、更
に白色校正係数Ｗｓによる補正を加えることが望まし
い。即ち、式で示せば下記の通りとなる。尚、Ｂ₁₀〜Ｂ
₄₀及びＡ₁₀〜Ａ₄₀は、対応する受光素子のダーク値であ
る。Ｒ₁（λ₁＝５５０ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₁―Ｂ₁₀）／（Ａ₁―Ａ₁₀）Ｒ₂（λ₂＝６７０ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₂―Ｂ₂₀）／（Ａ₂―Ａ₂₀）Ｒ₃（λ₃＝８５０ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₃―Ｂ₃₀）／（Ａ₃―Ａ₃₀）Ｒ₄（λ₄＝１０００ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₄―Ｂ₄₀）／（Ａ₄―Ａ₄₀）

【００２２】そして、上記の補正反射率を基にして、水
稲の葉色（SPAD値）、草丈、乾物重、草丈×茎
数、草丈×葉色（SPAD値）、草丈×茎数×葉色（SP
AD値）の何れか一つの値を求める。これらの値は、何れ
も水稲の生育度の指標として従来より採用されている指
標である。例えば図４は、測定波長１０００ｎｍにおけ
る反射率と、実際に人手により各値を測定して得た「草
丈×茎数×SPAD値」の値との相関を示すグラフである
が、両者の間に高い相関が認められる。また、その他の
測定波長についてもほぼ同様の相関が得られ、測定波長
の種類が増すほど相関が高くなる。従って、上記に従い
反射率を測定することにより、草丈×茎数×葉色（SP
AD値）が得られ、これを基に生育状況を推定することが
できる。

【００２３】また、後述される実施例にも示すように、
他の指標である葉色（SPAD値）、草丈、乾物重、
草丈×茎数、草丈×葉色（SPAD値）についても反射
率との間に高い相関が得られる。従って、反射率を測定
するだけで、従来より採用されているこれらの指標を高
い精度をもって得られることは、測定作業の軽減に大き
く寄与する。また、測定結果も瞬時に得られ、測定時間
の短縮にもなる。

【００２４】また、本発明の生育度測定装置において、
上記の反射率を基にした生育度データに、測定位置情報
を付加してマップ化することもできる。更に、測定時期
や気候データ（天候、気温等）等を付加してもよい。そ
して、これらの情報を年次データとして蓄積し、生育計
画に反映させる。

【００２５】上記した生育度測定装置では、第１の受光
部１２及び第２の受光部１３は、測定波長の種類に応じ
て複数個の受光素子（フォトダイオード）を備えている
が、第１の受光部１２及び第２の受光部１３のそれぞれ
に、上記した５５０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲を連
続して測光可能なスペクトロメータを配置してもよい。
そして、得られたスペクトルパターンの全体を使用、あ
るいは相関がより高くなるように測定波長を選択して上
記と同様の演算を行うことにより、生育度のより精密な
推定が可能になる。

【００２６】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を更に説明す
る。

【００２７】（実施例１）図１に示した生育度測定装置
を水田に設置し、測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）、６
７０ｎｍ（Ｒ）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択し、
測定波長の組み合わせを変えて水田の反射率を測定し
た。尚、受光素子として、浜松ホトニクス（株）製Ｓｉ
フォトダイオード「Ｓ１３３６−５ＢＱ」を用い、白色
拡散板としてオパール型拡散板を用い、測定範囲は一辺
約６０ｃｍ（約８株）とした。また、同一測定個所に生
育する水稲を、従来と同様にして人手により草丈、茎数
及び葉色（SPAD値）を測定し、これらの積を実測値とし
た。

【００２８】測定波長の種類毎に、反射率から求めた
「草丈×茎数×SPAD値」の値(予測値)と前記実測値との
相関を図５（１０００ｎｍ）、図６（５５０ｎｍ、１０
００ｎｍの２波長）、図７（５５０ｎｍ、６７０ｎｍ、
１０００ｎｍの３波長）に示すが、測定波長の種類が増
すほど相関も高くなることがわかる。このことから、本
発明においては、２波長以上、特に５５０ｎｍを含む２
波長以上を測定波長とすることが好ましいことが確認さ
れた。

【００２９】（実施例２）測定波長として５５０ｎｍ
（Ｇ）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１
と同様に水田の反射率を測定した。そして、反射率から
求めたSPAD値（予測値）と、実施例１で実測して得たSP
AD値（実測値）との相関を求めた。図８に示すように、
両者の間に高い相関が認められた。

【００３０】（実施例３）測定波長として５５０ｎｍ
（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）及び８５０ｎｍ（ＩＲ１）を
選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。そ
して、反射率から求めた草丈（予測値）と、実施例１で
実測して得た草丈（実測値）との相関を求めた。図９に
示すように、両者の間に高い相関が認められた。

【００３１】（実施例４）測定波長として５５０ｎｍ
（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）
を選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。
そして、反射率から求めた「草丈×茎数」（予測値）
と、実施例１で実測して得た「草丈×茎数」（実測値）
との相関を求めた。図１０に示すように、両者の間に高
い相関が認められた。

【００３２】（実施例５）測定波長として５５０ｎｍ
（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）、８５０ｎｍ（ＩＲ１）及び
１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１と同様に水
田の反射率を測定した。そして、反射率から求めた「草
丈×SPAD値」（予測値）と、実施例１で実測して得た
「草丈×SPAD値」（実測値）との相関を求めた。図１１
に示すように、両者の間に高い相関が認められた。

【００３３】（実施例６）測定波長として５５０ｎｍ
（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）、８５０ｎｍ（ＩＲ１）及び
１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１と同様に水
田の反射率を測定した。また、同一測定個所に生育する
水稲を、人手により採取し、その乾物重を測定して実測
値とした。そして、反射率から求めた「乾物重」（予測
値）と実測値との相関を求めた。図１２に示すように、
両者の間に高い相関が認められた。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反射率を基にして従来より採用されている、測定植物の
葉色（SPAD値）、草丈、乾物重、草丈×茎数、
草丈×葉色（SPAD値）、草丈×茎数×葉色（SPAD
値）の何れか一つの値を求めることができ、測定作業の
軽減や測定時間の短縮を維持しつつ、従来以上に正確に
生育度を把握できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る生育度測定装置の一実施形態を示
す概略斜視図である。

【図２】図１に示す受光部の拡大断面図である。

【図３】植物（水稲）の波長−反射率特性図である。

【図４】測定波長１０００ｎｍにおける反射率と、「草
丈×茎数×SPAD値」実測値との相関を示すグラフであ
る。

【図５】実施例１において、測定波長を単一波長（５５
０ｎｍ）としたときの反射率から求めた「草丈×茎数×
SPAD値」の予測値と、実測値との相関を示すグラフであ
る。

【図６】実施例１において、測定波長を２波長（５５０
ｎｍ、１０００ｎｍ）としたときの反射率から求めた
「草丈×茎数×SPAD値」の予測値と、実測値との相関を
示すグラフである。

【図７】実施例１において、測定波長を３波長（５５０
ｎｍ、６７０ｎｍ、１０００ｎｍ）としたときの反射率
から求めた「草丈×茎数×SPAD値」の予測値と、実測値
との相関を示すグラフである。

【図８】実施例２で得られた、SPAD値の予測値と実測値
との相関を示すグラフである。

【図９】実施例３で得られた、草丈の予測値と実測値と
の相関を示すグラフである。

【図１０】実施例４で得られた、「草丈×茎数」の予測
値と実測値との相関を示すグラフである。

【図１１】実施例５で得られた、「草丈×SPAD値」の予
測値と実測値との相関を示すグラフである。

【図１２】実施例６で得られた、「乾物量」の予測値と
実測値との相関を示すグラフである。

【符号の説明】

１生育度測定装置１０受光部１１基板１２第１の受光部１３第２の受光部２０支持部２１脚３０白色拡散板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯塚勝弘東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者奥西陽平東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者後藤隆志埼玉県大宮市日進町１丁目40番地２生物系特定産業技術研究推進機構内Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB20 CC12 EE02 EE12 FF09 HH01 HH02 HH06 JJ02 JJ05 JJ06 JJ26 KK01 KK03 MM01 MM14 NN01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】植物の生育度を光学的に測定する装置で
あって、植物により反射された太陽光を入射させて分光し、２種
以上の特定波長の光の反射強度を測定する第１の受光部
と、太陽光を直接入射させて前記第１の受光部と同一波長の
光に分光し、参照光としてその受光強度を測定する第２
の受光部と、前記第１の受光部で検出した特定波長の反射強度を前記
第２の受光部で検出した参照光の受光強度を基に補正
し、補正された反射強度を基に、測定植物の葉色（SPAD
値）、草丈、乾物重、（草丈×茎数）、｛草丈×葉色
（SPAD値）｝及び｛草丈×茎数×葉色（SPAD値）｝の少
なくとも１つを求める演算部と、を備えることを特徴と
する植物の生育度測定装置。
【請求項２】更に、測定位置情報を基に生育度をマッ
プ化する手段を備えることを特徴とする請求項１記載の
植物の生育度測定装置。
【請求項３】第１の受光部及び第２の受光部のそれぞ
れが、２種以上の特定波長を含む波長範囲を連続して測
光可能なスペクトロメータで構成されることを特徴とす
る請求項１または２記載の生育度測定装置。