JP2004301810A - 植物の生育度測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】受光素子及びその周辺部品の数が少なく、低コストで、かつ測定精度に優れた植物の生育度測定装置を提供する。
【解決手段】測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、前記受光部は、測定時は植物により反射された太陽光の受光強度を測定し、測定時の前後に太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度を測定し、前記演算部は、植物により反射された太陽光の受光強度と、太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度とから、分子及び分母の次数が同一である生育指標を求めることを特徴とする植物の生育度測定装置。
【選択図】 図１
【解決手段】測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、前記受光部は、測定時は植物により反射された太陽光の受光強度を測定し、測定時の前後に太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度を測定し、前記演算部は、植物により反射された太陽光の受光強度と、太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度とから、分子及び分母の次数が同一である生育指標を求めることを特徴とする植物の生育度測定装置。
【選択図】 図１
Description
【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値または葉色板示度）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値または葉色板示度）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。
【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値または葉色板示度）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１圃場当たり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、乾物重を測定する場合もあるが、乾燥までに最短でも数十時間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おり、例えば、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が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような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、選り分ける必要もなく、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。
【０００６】
また、本出願人らも、より多様な生育指標を高い精度で測定するために、２波長以上の反射光を対象とした同様の生育度測定装置を提案している（特許文献３参照）。
【特許文献１】
特開昭６２−２８２２４３号公報
【特許文献２】
特開昭６２−２８２２４４号公報
【特許文献３】
特開２００２−１６８７７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７は上記した本出願人らによる生育度測定装置の全体構造を示す斜視図であり、図８は受光部のみを拡大して示す概略図であるが、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２０、及び受光部１０に接続する演算部（図示せず）とを備えている。支持部２０は、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の先端同士や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おり、測定に際して、測定される植物を上方から覆うようにして設置される。
【０００８】
受光部１０は、基板１１に、植物と対向する下側センサ１２と、太陽と対向する上側センサ１３とをそれぞれ固定して構成される。また、下側センサ１２は測定波長域の数に応じて複数の受光素子１２ａ，１２ｂ・・で構成され、それに対応して上側センサ１３も同数の受光素子１３ａ，１３ｂ・・で構成されており、更に下側センサ１２を構成する各受光素子１２ａ，１２ｂ・・と、上側センサ１３を構成する各受光素子１３ａ，１３ｂ・・とで測定波長域毎に対をなすように構成される。植物からの反射光は、気候や測定時間により変動するため、この反射光だけの測定では正確に生育度を評価できない。そこで、上側センサ１３により、測定時における太陽光の入射強度を測定し、植物からの反射光との強度比を基に測定を行う構成としてある。また、符号３０は拡散板である。
【０００９】
このように、植物の反射強度の測定と同時に太陽光の入射強度を測定することは、本出願人らによる上記生育度測定装置（特許文献３）に限らず、この種の生育度測定装置では一般に行われている。そのため、このような構成の生育度測定装置では、太陽光測定用の受光部が別途必要であり、更にはこの太陽光測定用受光部にも光学フィルタ等の周辺部品が必要となることから、コスト増を余儀なくされている。また、部品点数が多くなることから、故障の確率も高くなる。特に、測定精度を高めるために測定波長域の数を増すと、受光素子の数もその分増加するため、このような問題はより顕著になる。
【００１０】
また、この種の生育度測定装置は、測定に際して受光部１０が植物の上方に位置するように配置されるが、その際、受光部１０が地面と水平に配置されないと、受光部１０に入射する入射光の角度にバラツキが生じ、測定条件を一定にできず、測定誤差の原因となっている。
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、受光素子及びその周辺部品の数が少なく、低コストで、かつ測定精度に優れた植物の生育度測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、前記受光部は、測定時は植物により反射された太陽光の受光強度を測定し、測定時の前後に太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度を測定し、前記演算部は、植物により反射された太陽光の受光強度と、太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度とから、分子及び分母の次数が同一である生育指標、具体的には正規化植生指数（ＮＤＶＩ）、比植性指数（ＲＶＩ）、ＩＰＶＩ（＝ＩＲ／（ＩＲ＋Ｒ））等を求めることを特徴とする植物の生育度測定装置を提供する。
また、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、
測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、
前記受光部を地面に対して略水平に配置するための水準機構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。
【００１３】
本発明者らは、太陽光の各分光強度は比較的短時間の間では互いに一定の比率になっており、しかも短時間では時間的ズレも極く僅かであり、生育指標の中で分母と分子の次数が同一である生育指標を求める場合には測定誤差が小さいことを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。具体的に分母と分子の次数が同一である正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を用いて説明すると、正規化植生指数は下記式▲１▼のように、植物からの反射光の近赤外光の反射率（ＩＲ）と赤色光の反射率（Ｒ）とから求められる。尚、測定波長域としては、近赤外の反射率（ＩＲ：７５０〜１０００ｎｍ付近）、赤外光の反射率（Ｒ：６００〜７００ｎｍ付近）、緑色光（Ｇ：５５０ｎｍ付近）、青色光（４００〜５００ｎｍ付近）である。
【００１４】
【数１】
【００１５】
ここで、図７及び図８に示したような太陽光の入射強度による補正を加える構成の生育度測定装置では、太陽光用の上側センサ１３及び植物からの反射光用の下側センサ１２がそれぞれ近赤外光及び赤色光を測定しており、上側センサ１３により測定した近赤外光の受光強度をＩＲｕ、赤色光の受光強度をＲｕとし、下側センサ１２により測定した近赤外光の受光強度をＩＲｄ、赤色光の受光強度をＲｄとし、近赤外光の白色校正係数をＷＩＲとし、赤色光の白色校正係数をＷＲとするとき、上記▲１▼式の分子（ＩＲ−Ｒ）は下記▲２▼式のように表すことがでる。
【００１６】
【数２】
【００１７】
ここで、近赤外光及び赤色光は、同時もしくは比較的短時間の間であれば、ある一定の比率γ（分光強度比）を持つと考えられるから、それぞれの受光強度ＩＲｕ、Ｒｕは下記▲３▼式の関係にあると見なすことができる。
【００１８】
【数３】
【００１９】
また、別途、太陽光を白色板に当て、その反射光を上側センサ１３で受光したときの近赤外光の反射強度もしくは太陽光の入射強度をＩＲｕ´、赤色光の反射強度をＲｕ´、その分光強度比をγ´とし、同じく白色板からの反射光を下側センサ１２で受光したときの近赤外光の反射強度もしくは太陽光の入射強度をＩＲｄ´、赤色光の反射強度をＲｄ´とすると、近赤外光の白色校正係数ＷＩＲ及び赤色光の白色校正係数ＷＲは、上記▲３▼式の関係から、それぞれ下記▲４▼式のように表すことができる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
そして、上記▲２▼式に、上記▲３▼式及び▲４▼式を代入すると下記▲５▼式が得られる。
【００２２】
【数５】
【００２３】
また、同様にして上記▲１▼式の（ＩＲ＋Ｒ）は下記▲６▼式のように表される。
【００２４】
【数６】
【００２５】
従って、上記▲５▼式及び▲６▼式を上記▲１▼式に代入すると、正規化植生指数（ＮＤＶＩ）は下記で表され、上側センサ１３による受光強度（ＩＲｕ、Ｒｕ）の項は無くなる。尚、（γ／γ´）は、植物からの反射光の測定と、白色板からの反射光もしくは太陽光の入射強度の測定とを短時間の間に行う場合にはγ／γ´≒１となり、無視することができる。
【００２６】
【数７】
【００２７】
このように、基準となる光の分光強度比を別途求めておくことにより、上側センサ１３が不要になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る植物の生育度測定装置の実施形態に関して図面を参照して説明する。尚、ここでは、水稲の正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を測定する場合を例示する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の生育度測定装置１は、受光部１０と、受光部１０を支持するための支持部２０、及び受光部１０に接続する演算部（図示せず）とを備える。
【００３０】
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の先端部の間隔は水稲の一般的な草丈、植付け間隔等に応じて適宜設定することができ、水稲の上端から受光部１０までの高さが５０ｃｍ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。
【００３１】
受光部１０は、図２に拡大断面図で示すように、基板１１に、水稲と対向する側の面（下面）に受光センサ１２を固定して構成されている。この受光センサ１２は、生育指数の種類に応じて複数の受光素子で構成され、ここでは近赤外光用及び赤色光用に２つの受光素子１２ａ，１２ｂで構成する。尚、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、入射光を近赤外光または赤色光に分光するために、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。また、入射角度の影響を避けるために、拡散板を分光フィルタの前面に取り付けてもよい。
【００３２】
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。そして、受光センサ１２により、水稲により反射された太陽光の近赤外光や赤色光の受光強度を測定する。ここで獲られた水稲により反射された太陽光の近赤外光の受光強度は上記したＩＲｄに相当し、赤色光の受光強度は上記したＲｄに相当する。
【００３３】
また、本発明では、上記の水稲による反射強度の測定の前後に、太陽光を白色板に当て、その反射光の分光強度を受光センサ１２で測定する。ここで獲られた白色板により反射された太陽光の近赤外光の受光強度は上記したＩＲｄ´に相当し、赤色光の受光強度は上記したＲｄ´に相当する。
【００３４】
そして、演算部では、水稲による反射光の受光強度及び白色板による反射光の受光強度から、上記▲７▼式により正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を算出する。
【００３５】
本発明の生育度測定装置１は種々の変更が可能であり、例えば、白色板による太陽光の反射光の分光強度を基準とする他、太陽光そのものを受光センサ１２で受光し、その分光強度を基準とすることもできる。その場合、図３に示すように、生育度測定装置１全体を反転させて受光センサ１２を太陽に向ければよい。あるいは、図示は省略するが、受光センサ１２を回転可能に支持し、受光センサ１２のみを太陽に向けて反転させる構成としてもよい。更に、鏡や光ファイバを用いて太陽光を受光センサ１２に入射させてもよい。何れの場合も、太陽光の強度が受光センサ１２の感度を超える場合は、フィルタ等の適当な減光手段を用いて入射強度を調整する。
【００３６】
また、図４に示すように、基板１１の受光センサ１２とは反対側の面に水準器３０を付設してもよい。水準器３０を用いることにより受光センサ１２を地面に対して略水平に設置でき、測定精度が高まる。
【００３７】
また、図５に示すように、生育度測定装置１を操作部１００と受光部１０とに分離し、両者を連結部材１１０で連結した構成としてもよい。このような分離構造により、屋外での測定において測定者と受光部１０との間に所定の距離ができ、測定者の影もしくは測定者からの反射光の影響を極力排除することが可能になる。受光部１０は、上記と同様に下面に受光センサ（図示せず）を備えており、更に所定の角度（例えば６０°）で下方に向かって開脚可能な４本のガイドフレーム１３０とを備え、測定範囲を規定できるようにしてある。ガイドフレーム１３０は、開脚した際に測定エリアを指示するとともに、支持部の先端を見ることにより受光部１０の受光センサが地面と略水平になるように調整することができる。また、操作部１００は演算部や表示手段、記録手段、バッテリー等を備え、ハンドル１２０で支持できる構成となっている。更に、操作部１００には水準器３０を付設してもよい。この水準器３０により、受光部１０の受光センサの水平をより正確に調整できる。また、連結部材１１０に先端にマーカ１４１がガイドフレーム１３０の中心に位置するように延びるポインター１４０を付設してもよい。このポインター１４０により測定者に測定対象を明確に知らせることができ、場合によってはガイドフレーム１３０を省略することもできる。連結部材１１０は、軽量で、受光部１０及びガイドフレーム１３０を支持し得る強度を備える棒状体であり、例えばカーボンロッドとすることができる。
【００３８】
その他にも種々の機能を付加でき、例えば、測定地点のおおまかな緯度経度と測定時間から測定時の太陽高度を計算し、測定限界以下の太陽高度の場合に測定者に警告情報を表示し、測定値を棄却する機能や、入射分光強度（もしくは照度）もしくは反射分光強度が検出限界以下の場合にも同様の警告及び棄却する機能や、測定地点のおおまかな緯度経度と測定時間から測定時の太陽高度及び方位を計算し、それらが反射率計算値に対する影響を補正する機能、一例として受光部及びガイドフレーム等が測定対象に投影する影の面積を計算し、反射率計算値に対する影響を補正する機能等を付加することができる。
【００３９】
このような生育度測定装置１を用いて測定するには、測定箇所にてガイドフレーム１３０を開脚させ、操作部１００及びハンドル１２０を持ち、ガイドフレーム１３０の下端が水稲の上端付近に位置するように支持する。その際、水準器３０により受光部１０の受光センサが地面に対して略水平となるようにする。そして、上記と同様に、水稲からの反射光を測定し、その後に受光部１０を反転させて太陽光の強度を測定する。
【００４０】
また、本発明の生育度測定装置１によれば、正規化植生指数（ＮＤＶＩ）の他にも種々の生育指標を求めることができる。但し、上記した各数式から理解できるように、分母と分子とが同じ次数で定義される生育指数に対して特に有効であるため、その他の生育指標としては比植性指数（ＲＶＩ）やＩＰＶＩ（＝ＮＩＲ／（ＮＩＲ＋Ｒｅｄ））等が好適な測定対象となる。
【００４１】
尚、これらの生育指数からは、収量、玄米タンパク質含有率や茎葉窒素含有量（率）等を求めることが可能である。その場合、別途求めておいた収量、玄米タンパク質含有率または茎葉窒素含有量（率）と反射光量との相関関係と、実際に測定した反射光量とを対比すればよい。
【００４２】
更に、生育度測定装置１で獲られた生育度データに、測定位置情報を付加してマップ化することもできる。そのためには、操作部１００にメモリを付加し、測定と同時にＧＰＳ等から測定位置情報（緯度や経度等）を取得し、測定値に付加したデータをメモリに記録する。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ことにより、より効率的な生育が可能になる。
【００４３】
尚、本発明の生育度測定装置１は、ポータブルな用途だけでなく、圃場内を走行する作業車に取り付けて使用することも可能である。その場合、ＧＰＳからの位置情報を同時に記録することにより効率良く圃場内の生育マップを作成することが可能である。更に、生育量や収量情報等を生育度に応じた施肥量を可変施肥機に指示したり、収量に応じた収穫機のアクチュエータ制御を行ったりするための情報として利用することもできる。その際の測定タイミングは、測定トリガを外部機器（例えばパソコン）から一定間隔（もしくは車速に応じた距離）で与えるか、測定器に内蔵させたタイマーで予め設定した間隔で測定トリガが作動させる。測定データは内部メモリに格納するか、外部のロガーにシリアルＩ／Ｆ経由で送り記録する。また、ある地点に本発明の生育度測定装置１を固定し、その地点の生育度の経時的な変化（例えば２４時間ごと）を測定し、測定状況を遠隔監視することも可能である。
【００４４】
また、上記に示した水準器３０を備える構成は、図８に示した受光部１０が下側センサ１２と上側センサ１３とを備える生育度測定装置にも適用でき、本発明はこのような生育度測定装置も同時に提供する。即ち、図５に示す生育度測定装置１において、受光部１０を下側センサ１２と上側センサ１３とを備える構成とすることができる。
【００４５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００４６】
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「Ｓ１３３３６−５ＢＱ」を用い、基板の上面に４個、下面に４個固着して第１の受光部（図８参照）を作製した。また、同一の受光素子を基板の下面に４個固着して本発明に従う受光部（図２参照）を作製した。そして、水田の適所にて地面から同一の高さとなるように第１の受光部と第２の受光部とを並べて配置し、同時刻に水稲からの反射光及び太陽光の光量を測定した。尚、第２の受光部については、水稲からの反射光を測定した直後に太陽に向けて反転させた。
【００４７】
そして、第１の受光部及び第２の受光部で測定した光量からＮＤＶＩを求めた。図６に第１の受光部及び第２の受光部により測定されたＮＤＶＩの時間変化をグラフ化して示すが、第１の受光部と第２の受光部とで測定測定値に大きな差が見られないことがわかる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の生育度測定装置は、受光部を植物と対向する側のみに設けるだけでよく、部品点数を削減でき、安価となる。また、水準器を備えることにより、測定誤差も無くなり、高精度での測定が可能になる。
【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に示す生育度測定装置の受光部の拡大断面図である。
【図３】本発明に係る生育度測定装置における太陽光の入射強度を測定するための方法の一例を示す概略図である。
【図４】本発明に係る生育度測定装置の変更例を示す図であり、受光部に水準器を付設した構成を示す図である。
【図５】本発明に係る生育度測定装置の他の変更例を示す図であり、受光部と操作部とが分離した構成を示す図である。
【図６】実施例において、本発明に係る下面にのみ受光素子を備える受光部と、上下両面に受光素子を備える受光部とを用い、同時に水稲のＮＤＶＩを測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来の生育度測定装置の一例を示す概略斜視図である。
【図８】図７に示す生育度測定装置の受光部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 生育度測定装置
１０ 受光部
１１ 基板
１２ 受光センサ
２０ 支持部
２１ 脚
３０ 水準器
１００ 操作部
１１０ 連結部材
１２０ ハンドル
１３０ ガイドフレーム
１４０ ポインター
１４１ マーカ
【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値または葉色板示度）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値または葉色板示度）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。
【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値または葉色板示度）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１圃場当たり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、乾物重を測定する場合もあるが、乾燥までに最短でも数十時間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おり、例えば、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が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような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、選り分ける必要もなく、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。
【０００６】
また、本出願人らも、より多様な生育指標を高い精度で測定するために、２波長以上の反射光を対象とした同様の生育度測定装置を提案している（特許文献３参照）。
【特許文献１】
特開昭６２−２８２２４３号公報
【特許文献２】
特開昭６２−２８２２４４号公報
【特許文献３】
特開２００２−１６８７７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７は上記した本出願人らによる生育度測定装置の全体構造を示す斜視図であり、図８は受光部のみを拡大して示す概略図であるが、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２０、及び受光部１０に接続する演算部（図示せず）とを備えている。支持部２０は、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の先端同士や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おり、測定に際して、測定される植物を上方から覆うようにして設置される。
【０００８】
受光部１０は、基板１１に、植物と対向する下側センサ１２と、太陽と対向する上側センサ１３とをそれぞれ固定して構成される。また、下側センサ１２は測定波長域の数に応じて複数の受光素子１２ａ，１２ｂ・・で構成され、それに対応して上側センサ１３も同数の受光素子１３ａ，１３ｂ・・で構成されており、更に下側センサ１２を構成する各受光素子１２ａ，１２ｂ・・と、上側センサ１３を構成する各受光素子１３ａ，１３ｂ・・とで測定波長域毎に対をなすように構成される。植物からの反射光は、気候や測定時間により変動するため、この反射光だけの測定では正確に生育度を評価できない。そこで、上側センサ１３により、測定時における太陽光の入射強度を測定し、植物からの反射光との強度比を基に測定を行う構成としてある。また、符号３０は拡散板である。
【０００９】
このように、植物の反射強度の測定と同時に太陽光の入射強度を測定することは、本出願人らによる上記生育度測定装置（特許文献３）に限らず、この種の生育度測定装置では一般に行われている。そのため、このような構成の生育度測定装置では、太陽光測定用の受光部が別途必要であり、更にはこの太陽光測定用受光部にも光学フィルタ等の周辺部品が必要となることから、コスト増を余儀なくされている。また、部品点数が多くなることから、故障の確率も高くなる。特に、測定精度を高めるために測定波長域の数を増すと、受光素子の数もその分増加するため、このような問題はより顕著になる。
【００１０】
また、この種の生育度測定装置は、測定に際して受光部１０が植物の上方に位置するように配置されるが、その際、受光部１０が地面と水平に配置されないと、受光部１０に入射する入射光の角度にバラツキが生じ、測定条件を一定にできず、測定誤差の原因となっている。
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、受光素子及びその周辺部品の数が少なく、低コストで、かつ測定精度に優れた植物の生育度測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、前記受光部は、測定時は植物により反射された太陽光の受光強度を測定し、測定時の前後に太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度を測定し、前記演算部は、植物により反射された太陽光の受光強度と、太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度とから、分子及び分母の次数が同一である生育指標、具体的には正規化植生指数（ＮＤＶＩ）、比植性指数（ＲＶＩ）、ＩＰＶＩ（＝ＩＲ／（ＩＲ＋Ｒ））等を求めることを特徴とする植物の生育度測定装置を提供する。
また、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、
測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、
前記受光部を地面に対して略水平に配置するための水準機構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。
【００１３】
本発明者らは、太陽光の各分光強度は比較的短時間の間では互いに一定の比率になっており、しかも短時間では時間的ズレも極く僅かであり、生育指標の中で分母と分子の次数が同一である生育指標を求める場合には測定誤差が小さいことを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。具体的に分母と分子の次数が同一である正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を用いて説明すると、正規化植生指数は下記式▲１▼のように、植物からの反射光の近赤外光の反射率（ＩＲ）と赤色光の反射率（Ｒ）とから求められる。尚、測定波長域としては、近赤外の反射率（ＩＲ：７５０〜１０００ｎｍ付近）、赤外光の反射率（Ｒ：６００〜７００ｎｍ付近）、緑色光（Ｇ：５５０ｎｍ付近）、青色光（４００〜５００ｎｍ付近）である。
【００１４】
【数１】
ここで、図７及び図８に示したような太陽光の入射強度による補正を加える構成の生育度測定装置では、太陽光用の上側センサ１３及び植物からの反射光用の下側センサ１２がそれぞれ近赤外光及び赤色光を測定しており、上側センサ１３により測定した近赤外光の受光強度をＩＲｕ、赤色光の受光強度をＲｕとし、下側センサ１２により測定した近赤外光の受光強度をＩＲｄ、赤色光の受光強度をＲｄとし、近赤外光の白色校正係数をＷＩＲとし、赤色光の白色校正係数をＷＲとするとき、上記▲１▼式の分子（ＩＲ−Ｒ）は下記▲２▼式のように表すことがでる。
【００１６】
【数２】
ここで、近赤外光及び赤色光は、同時もしくは比較的短時間の間であれば、ある一定の比率γ（分光強度比）を持つと考えられるから、それぞれの受光強度ＩＲｕ、Ｒｕは下記▲３▼式の関係にあると見なすことができる。
【００１８】
【数３】
また、別途、太陽光を白色板に当て、その反射光を上側センサ１３で受光したときの近赤外光の反射強度もしくは太陽光の入射強度をＩＲｕ´、赤色光の反射強度をＲｕ´、その分光強度比をγ´とし、同じく白色板からの反射光を下側センサ１２で受光したときの近赤外光の反射強度もしくは太陽光の入射強度をＩＲｄ´、赤色光の反射強度をＲｄ´とすると、近赤外光の白色校正係数ＷＩＲ及び赤色光の白色校正係数ＷＲは、上記▲３▼式の関係から、それぞれ下記▲４▼式のように表すことができる。
【００２０】
【数４】
そして、上記▲２▼式に、上記▲３▼式及び▲４▼式を代入すると下記▲５▼式が得られる。
【００２２】
【数５】
また、同様にして上記▲１▼式の（ＩＲ＋Ｒ）は下記▲６▼式のように表される。
【００２４】
【数６】
従って、上記▲５▼式及び▲６▼式を上記▲１▼式に代入すると、正規化植生指数（ＮＤＶＩ）は下記で表され、上側センサ１３による受光強度（ＩＲｕ、Ｒｕ）の項は無くなる。尚、（γ／γ´）は、植物からの反射光の測定と、白色板からの反射光もしくは太陽光の入射強度の測定とを短時間の間に行う場合にはγ／γ´≒１となり、無視することができる。
【００２６】
【数７】
このように、基準となる光の分光強度比を別途求めておくことにより、上側センサ１３が不要になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る植物の生育度測定装置の実施形態に関して図面を参照して説明する。尚、ここでは、水稲の正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を測定する場合を例示する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の生育度測定装置１は、受光部１０と、受光部１０を支持するための支持部２０、及び受光部１０に接続する演算部（図示せず）とを備える。
【００３０】
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の先端部の間隔は水稲の一般的な草丈、植付け間隔等に応じて適宜設定することができ、水稲の上端から受光部１０までの高さが５０ｃｍ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。
【００３１】
受光部１０は、図２に拡大断面図で示すように、基板１１に、水稲と対向する側の面（下面）に受光センサ１２を固定して構成されている。この受光センサ１２は、生育指数の種類に応じて複数の受光素子で構成され、ここでは近赤外光用及び赤色光用に２つの受光素子１２ａ，１２ｂで構成する。尚、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、入射光を近赤外光または赤色光に分光するために、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。また、入射角度の影響を避けるために、拡散板を分光フィルタの前面に取り付けてもよい。
【００３２】
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。そして、受光センサ１２により、水稲により反射された太陽光の近赤外光や赤色光の受光強度を測定する。ここで獲られた水稲により反射された太陽光の近赤外光の受光強度は上記したＩＲｄに相当し、赤色光の受光強度は上記したＲｄに相当する。
【００３３】
また、本発明では、上記の水稲による反射強度の測定の前後に、太陽光を白色板に当て、その反射光の分光強度を受光センサ１２で測定する。ここで獲られた白色板により反射された太陽光の近赤外光の受光強度は上記したＩＲｄ´に相当し、赤色光の受光強度は上記したＲｄ´に相当する。
【００３４】
そして、演算部では、水稲による反射光の受光強度及び白色板による反射光の受光強度から、上記▲７▼式により正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を算出する。
【００３５】
本発明の生育度測定装置１は種々の変更が可能であり、例えば、白色板による太陽光の反射光の分光強度を基準とする他、太陽光そのものを受光センサ１２で受光し、その分光強度を基準とすることもできる。その場合、図３に示すように、生育度測定装置１全体を反転させて受光センサ１２を太陽に向ければよい。あるいは、図示は省略するが、受光センサ１２を回転可能に支持し、受光センサ１２のみを太陽に向けて反転させる構成としてもよい。更に、鏡や光ファイバを用いて太陽光を受光センサ１２に入射させてもよい。何れの場合も、太陽光の強度が受光センサ１２の感度を超える場合は、フィルタ等の適当な減光手段を用いて入射強度を調整する。
【００３６】
また、図４に示すように、基板１１の受光センサ１２とは反対側の面に水準器３０を付設してもよい。水準器３０を用いることにより受光センサ１２を地面に対して略水平に設置でき、測定精度が高まる。
【００３７】
また、図５に示すように、生育度測定装置１を操作部１００と受光部１０とに分離し、両者を連結部材１１０で連結した構成としてもよい。このような分離構造により、屋外での測定において測定者と受光部１０との間に所定の距離ができ、測定者の影もしくは測定者からの反射光の影響を極力排除することが可能になる。受光部１０は、上記と同様に下面に受光センサ（図示せず）を備えており、更に所定の角度（例えば６０°）で下方に向かって開脚可能な４本のガイドフレーム１３０とを備え、測定範囲を規定できるようにしてある。ガイドフレーム１３０は、開脚した際に測定エリアを指示するとともに、支持部の先端を見ることにより受光部１０の受光センサが地面と略水平になるように調整することができる。また、操作部１００は演算部や表示手段、記録手段、バッテリー等を備え、ハンドル１２０で支持できる構成となっている。更に、操作部１００には水準器３０を付設してもよい。この水準器３０により、受光部１０の受光センサの水平をより正確に調整できる。また、連結部材１１０に先端にマーカ１４１がガイドフレーム１３０の中心に位置するように延びるポインター１４０を付設してもよい。このポインター１４０により測定者に測定対象を明確に知らせることができ、場合によってはガイドフレーム１３０を省略することもできる。連結部材１１０は、軽量で、受光部１０及びガイドフレーム１３０を支持し得る強度を備える棒状体であり、例えばカーボンロッドとすることができる。
【００３８】
その他にも種々の機能を付加でき、例えば、測定地点のおおまかな緯度経度と測定時間から測定時の太陽高度を計算し、測定限界以下の太陽高度の場合に測定者に警告情報を表示し、測定値を棄却する機能や、入射分光強度（もしくは照度）もしくは反射分光強度が検出限界以下の場合にも同様の警告及び棄却する機能や、測定地点のおおまかな緯度経度と測定時間から測定時の太陽高度及び方位を計算し、それらが反射率計算値に対する影響を補正する機能、一例として受光部及びガイドフレーム等が測定対象に投影する影の面積を計算し、反射率計算値に対する影響を補正する機能等を付加することができる。
【００３９】
このような生育度測定装置１を用いて測定するには、測定箇所にてガイドフレーム１３０を開脚させ、操作部１００及びハンドル１２０を持ち、ガイドフレーム１３０の下端が水稲の上端付近に位置するように支持する。その際、水準器３０により受光部１０の受光センサが地面に対して略水平となるようにする。そして、上記と同様に、水稲からの反射光を測定し、その後に受光部１０を反転させて太陽光の強度を測定する。
【００４０】
また、本発明の生育度測定装置１によれば、正規化植生指数（ＮＤＶＩ）の他にも種々の生育指標を求めることができる。但し、上記した各数式から理解できるように、分母と分子とが同じ次数で定義される生育指数に対して特に有効であるため、その他の生育指標としては比植性指数（ＲＶＩ）やＩＰＶＩ（＝ＮＩＲ／（ＮＩＲ＋Ｒｅｄ））等が好適な測定対象となる。
【００４１】
尚、これらの生育指数からは、収量、玄米タンパク質含有率や茎葉窒素含有量（率）等を求めることが可能である。その場合、別途求めておいた収量、玄米タンパク質含有率または茎葉窒素含有量（率）と反射光量との相関関係と、実際に測定した反射光量とを対比すればよい。
【００４２】
更に、生育度測定装置１で獲られた生育度データに、測定位置情報を付加してマップ化することもできる。そのためには、操作部１００にメモリを付加し、測定と同時にＧＰＳ等から測定位置情報（緯度や経度等）を取得し、測定値に付加したデータをメモリに記録する。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ことにより、より効率的な生育が可能になる。
【００４３】
尚、本発明の生育度測定装置１は、ポータブルな用途だけでなく、圃場内を走行する作業車に取り付けて使用することも可能である。その場合、ＧＰＳからの位置情報を同時に記録することにより効率良く圃場内の生育マップを作成することが可能である。更に、生育量や収量情報等を生育度に応じた施肥量を可変施肥機に指示したり、収量に応じた収穫機のアクチュエータ制御を行ったりするための情報として利用することもできる。その際の測定タイミングは、測定トリガを外部機器（例えばパソコン）から一定間隔（もしくは車速に応じた距離）で与えるか、測定器に内蔵させたタイマーで予め設定した間隔で測定トリガが作動させる。測定データは内部メモリに格納するか、外部のロガーにシリアルＩ／Ｆ経由で送り記録する。また、ある地点に本発明の生育度測定装置１を固定し、その地点の生育度の経時的な変化（例えば２４時間ごと）を測定し、測定状況を遠隔監視することも可能である。
【００４４】
また、上記に示した水準器３０を備える構成は、図８に示した受光部１０が下側センサ１２と上側センサ１３とを備える生育度測定装置にも適用でき、本発明はこのような生育度測定装置も同時に提供する。即ち、図５に示す生育度測定装置１において、受光部１０を下側センサ１２と上側センサ１３とを備える構成とすることができる。
【００４５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００４６】
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「Ｓ１３３３６−５ＢＱ」を用い、基板の上面に４個、下面に４個固着して第１の受光部（図８参照）を作製した。また、同一の受光素子を基板の下面に４個固着して本発明に従う受光部（図２参照）を作製した。そして、水田の適所にて地面から同一の高さとなるように第１の受光部と第２の受光部とを並べて配置し、同時刻に水稲からの反射光及び太陽光の光量を測定した。尚、第２の受光部については、水稲からの反射光を測定した直後に太陽に向けて反転させた。
【００４７】
そして、第１の受光部及び第２の受光部で測定した光量からＮＤＶＩを求めた。図６に第１の受光部及び第２の受光部により測定されたＮＤＶＩの時間変化をグラフ化して示すが、第１の受光部と第２の受光部とで測定測定値に大きな差が見られないことがわかる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の生育度測定装置は、受光部を植物と対向する側のみに設けるだけでよく、部品点数を削減でき、安価となる。また、水準器を備えることにより、測定誤差も無くなり、高精度での測定が可能になる。
【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に示す生育度測定装置の受光部の拡大断面図である。
【図３】本発明に係る生育度測定装置における太陽光の入射強度を測定するための方法の一例を示す概略図である。
【図４】本発明に係る生育度測定装置の変更例を示す図であり、受光部に水準器を付設した構成を示す図である。
【図５】本発明に係る生育度測定装置の他の変更例を示す図であり、受光部と操作部とが分離した構成を示す図である。
【図６】実施例において、本発明に係る下面にのみ受光素子を備える受光部と、上下両面に受光素子を備える受光部とを用い、同時に水稲のＮＤＶＩを測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来の生育度測定装置の一例を示す概略斜視図である。
【図８】図７に示す生育度測定装置の受光部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 生育度測定装置
１０ 受光部
１１ 基板
１２ 受光センサ
２０ 支持部
２１ 脚
３０ 水準器
１００ 操作部
１１０ 連結部材
１２０ ハンドル
１３０ ガイドフレーム
１４０ ポインター
１４１ マーカ
Claims (6)
- 植物の生育度を光学的に測定する装置であって、
測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、
前記受光部は、測定時は植物により反射された太陽光の受光強度を測定し、測定時の前後に太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度を測定し、
前記演算部は、植物により反射された太陽光の受光強度と、太陽光または白色板による太陽光の反射光の受光強度とから、分子及び分母の次数が同一である生育指標を求めることを特徴とする植物の生育度測定装置。 - 前記受光部を地面に対して略水平に配置するための水準機構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。
- 植物の生育度を光学的に測定する装置であって、
測定される植物と対向して配置される受光素子を備える受光部と、前記受光部が測定した受光強度から生育指標を算出する演算部とを具備するとともに、
前記受光部を地面に対して略水平に配置するための水準機構を備えることを特徴とする植物の生育度測定装置。 - 前記受光部は分光機構を備え、波長域の異なる複数の光の受光強度を測定することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の植物の生育度測定装置。
- 前記生育指標として正規化植生指数（ＮＤＶＩ）、比植性指数（ＲＶＩ）、ＩＰＶＩ（＝ＩＲ／（ＩＲ＋Ｒ））等を求めることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の植物の育成度測定装置。
- 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１〜５の何れか１項に記載の植物の生育度測定装置。
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