JP2006320240A - リモートセンシングによる作物情報測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定手順を簡便にするため、基準点となるマーカを設置することなく斜め上方から撮影した圃場の画像を用いて圃場内に生育する作物の作物情報を測定することを技術的課題とする。
【解決手段】圃場内の任意の領域に生育する作物を、斜め上方からカメラで撮影して画像データを得る工程と、前記工程での撮影時のカメラの俯角を測定する工程と、前記画像データと前記俯角とから、前記任意の領域における前記画像データの加重平均を求める工程と、前記加重平均から前記作物の第１の作物情報を求める工程と、前記第１の作物情報の、測定方位、植栽密度及び照度の影響による誤差を補正する工程と、からなることを特徴とする作物情報の測定方法とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、地上に設置したカメラによるリモートセンシングを用いた圃場内作物の生育情報を容易に測定する方法に関するものである。

従来、圃場を斜め上方から撮影した画像を用いて圃場内に生育する作物の生育情報を測定する方法として、特許文献１に記載されているように、射影変換技術によって圃場を斜め上方から撮影した画像の座標を地上座標に変換する画像処理方法を用いることが知られている。しかし、射影変換技術を用いる場合、撮影する範囲内に基準座標となる設置位置が既知の４点の座標が必要であり、また、この４点の座標の相対座標を算出するために任意の２点の位置から前記４点の各座標までの距離及び前記任意の２点間の距離を計測する必要がある。つまり、実際に圃場を斜め上方から撮影し、撮影して得た画像から圃場内作物の生育情報を求める場合には、基準座標となる基準点として４つのマーカを圃場内又は圃場近傍に設置し、任意の２点の位置から前記４つのマーカまでの距離及び前記２点の間の距離をレーザー距離計等で計測する必要があった。このため、測定手順が煩雑になってしまい、効率的に測定を行うことが困難であった。このようなことから、撮影の作業効率を上げるために測定手順を簡便にすることが望まれている。

特開２００１−４５８６８号公報

本発明は上記問題点をかんがみて、測定手順を簡便にするため、基準点となるマーカを設置することなく斜め上方から撮影した圃場の画像を用いて圃場内に生育する作物の作物情報を測定することを技術的課題とする。

上記課題を解決するため本発明は、圃場内の任意の領域に生育する作物を、斜め上方からカメラで撮影して画像データを得る工程と、前記工程での撮影時のカメラの俯角を測定する工程と、前記画像データと前記俯角とから、前記任意の領域における前記画像データの加重平均を求める工程と、前記加重平均から前記作物の第１の作物情報を求める工程と、前記第１の作物情報の、測定方位、植栽密度及び照度の影響による誤差を補正する工程と、からなることを特徴とする作物情報の測定方法とした。

また、地表面に対して前後方向及び左右方向共に水平な状態でカメラを設置して、この状態で水平画像を撮影し、前記カメラを移動させることなくそのままの位置で下方に向けて、前記作物と前記水平画像の水平方向の中心線上に写っていた対象物とが撮影範囲に含まれるように画像を撮影し、前記水平画像と前記画像とから、前記画像を撮影したときのカメラの俯角を求める前記測定方法とした。

本発明によれば、圃場を斜め上方から撮影して得た画像データから、加重平均を用いて圃場内の任意の領域の作物情報を求めることにより、圃場内又は圃場近傍に基準座標となるマーカを設置することなく測定を行うことができる。つまり、測定の作業効率を上げることができ、また、圃場内での人の移動距離を必要最低限にすることできるので、圃場内を人が移動することによる圃場内作物の地上部及び根圏部の損傷を最小限に抑えることができる。なお、本発明の測定方法は、圃場に限らず、斜め上方から撮影し、撮影した画像に加重平均を用いる全ての場合において有効に利用することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態における測定手順を示すフローチャート１である。まず、圃場の撮影（ステップＳ１）について説明する。ここでは圃場での水稲の撮影を例にして説明する。図２は、圃場３を撮影する一例を示している。水稲が生育する圃場３に向けてカメラ２が所定の位置に設置されている。実施例ではＣＣＤを搭載したデジタルカメラを使用しているが、本発明に使用するカメラは、撮影した情報をＣＣＤ搭載したデジタルカメラで撮影した画像データと同様な状態にデジタル化できるカメラであれば、特に限定されない。圃場３は自然光にさらされている。撮影範囲４には作物情報を求めたい領域全体が含まれている。なお、撮影範囲４は、「畔（あぜ）」で区切られた１枚の圃場であってもよいし、その１枚の圃場内の一区画であってもよい。また、複数枚の圃場を同時に撮影することも可能である。

図３で示すものは、カメラ２の機能を表す簡略なブロック図である。カメラ２は、ＣＣＤ５を備えている。圃場内作物による自然光の反射光は、レンズ６を介してＣＣＤ５上の各画素によって受光される。受光して得た画像データは、記憶装置７に一度保存し、データ処理装置８に入力され、データ処理装置８にて処理される。なお、データ処理装置８には、一般的なパソコンなどを用いればよい。

図４は、圃場３をカメラ２で撮影するときの原理を説明するための斜視図である。図中の符号Ｆはカメラ２のレンズ６の主点、符号Ｅは主点Ｆから地表に向けた垂線と地表面との交点であり、主点Ｆは、地表面から高さＨの位置にある。符号１１は、ＣＣＤ５上の任意の画素座標（Ｐｘ，Ｐｙ）（Ｐｘ＝０〜Ｎｘ−１，Ｐｙ＝０〜Ｎｙ−１）にある画素を示している。なお、Ｎｘは、ＣＣＤ５の水平方向の画素数であり、Ｎｙは、ＣＣＤ５の垂直方向の画素数である。符号１２は、この画素１１によって撮影した圃場面積を示している。点Ｔ’は、ＣＣＤ５上での点であり、ＣＣＤ５の中心点である。点Ｔは、点Ｔ’の位置の画素で撮影する撮影範囲４上の点であり、また、図５は、ＣＣＤ５の画素座標（Ｐｘ，Ｐｙ）にある任意の画素１１をイメージ的に示しており、図６は、この画素座標（Ｐｘ，Ｐｙ）にある画素にて取得した撮影面積１２をイメージ的に示している。デジタルカメラにより斜め上方から圃場を撮影する場合、被写体である圃場との距離及び角度がＣＣＤ上の画素ごとに異なるので、図６で示すように、各画素が撮影する面積の大きさに違いが生じる。

したがって、この違いを考慮して作物情報を求める必要がある。そのため、カメラ２で撮影した撮影範囲４の画像データについて、単位画素間の面積比を求め、この面積比を加重平均の重みとして（ステップＳ３）、撮影範囲４内の任意の領域の作物情報を、加重平均により計算する。まずは、単位画素ごとの荷重平均の重みの求め方について説明する。ここでは、単位画素を１画素として、画素１１の加重平均の重みの求め方を説明する。

図４では、撮影範囲４を四角形ＡＢＣＤとして示しており、画素１１で撮影した圃場の面積を四角形ＧＩＪＫで示している。四角形ＧＩＪＫの面積は、カメラ２の左右方向を水平にした状態で撮影した場合には、辺ＧＩを下辺、辺ＪＫを上辺とする台形として求めることができる。したがって、辺ＧＩ及び辺ＪＫの長さと台形ＧＩＪＫの高さを求めれば、台形ＧＩＪＫの面積を計算することができる。

まず、台形ＧＩＪＫの高さの求め方について説明する。台形ＧＩＪＫの高さは、図４中の直線ＭＮの長さに該当する。ここで、辺ＡＢの中点を点Ｌ、辺ＣＤの中点を点Ｏとしているので、直線ＬＯは、撮影範囲４の垂直方向の中心線となる。点Ｍは、辺ＧＩを延長した場合に直線ＬＯと直交する点であり、点Ｎは、辺ＪＫを延長した場合に直線ＬＯと直交する点である。直線ＭＮの長さの求め方を、図７を用いて説明する。図７は、主点Ｆ、中心点Ｔ、点Ｍ及び点Ｎの位置関係を表している。符号φは、撮影時の俯角である。この俯角φは、カメラ２での撮影時に傾斜計にて測定すればよい。符号θｍは、主点Ｆと中心点Ｔとを直結した直線ＦＴと、主点Ｆと点Ｍとを直結した直線ＦＭとのなす角の角度であるので、直線ＦＭと、点Ｅと点Ｍとを直結した直線ＥＭとでなす角の角度は、（φ−θｍ）となる。また、符号θｎは、主点Ｆと中心点Ｔとを直結した直線ＦＴと、主点Ｆと点Ｎとを直結した直線ＦＮとのなす角の角度であるので、直線ＦＮと、点Ｅと点Ｎとを直結した直線ＥＮとでなす角の角度は、（φ−θｎ）となる。このことから、直線ＥＭの長さは、

となり、直線ＥＮの長さは、

となる。直線ＥＮと直線ＥＭとの差が直線ＭＮの長さであることから、直線ＭＮの長さは、

と表すことができる。なお、俯角φは、カメラ２での撮影時に傾斜計にて測定すればよい。このとき、カメラ２は、地表面に対して左右方向を水平にして設置する必要がある。この場合、一般的な水準器を用いればよい。次に、辺ＧＩ及び辺ＪＫの長さの求め方について図８及び図９により説明する。図８は図４のＺ１部の拡大図、図９は図７のＺ２部の拡大図である。撮影に用いるカメラ２のレンズ６の焦点距離をｆとすると、ｆと比較して直線ＦＴがはるかに大きいので、焦点距離ｆは図９中の点Ｆと点Ｔ’を直結した直線ＦＴ’の長さと考えることができる。点Ｍ’は、撮影した際のＣＣＤ５上での点Ｍの位置を示した点であり、点Ｎ’は、撮影した際のＣＣＤ５上での点Ｎの位置を示した点である。直線ＦＴ’と、点Fと点Ｍ’とを直結した直線ＦＭ’とでなす角は、直線ＦＴと、直線ＦＭとでなす角の対角であるから、その角度はθｍである。また、直線ＦＴ’と、点Fと点Ｎ’とを直結した直線ＦＮ’とでなす角は、直線ＦＴと、直線ＦＮとでなす角の対角であるから、その角度はθｎである。点Ｇ’、点Ｉ’、点Ｊ’及び点Ｋ’は、それぞれ撮影した際のＣＣＤ５上での点Ｇ、点Ｉ、点Ｊ及び点Ｋの位置を示した点である。直線ＦＭ’、点Ｇ’と点Ｉ’とを直結した辺Ｇ’Ｉ’、直線ＦＭ及び辺ＧＩには、次のような関係が成り立つ。

したがって、直線ＧＩは、

と表すことができる。直線ＦＭ’は、

直線ＦＭは、

と表すことができる。直線Ｇ’Ｉ’の長さは、画素１１の水平方向の長さであるから、画素１１の水平方向の長さをｑとすると、辺ＧＩの長さは、

となる。同様に、直線ＦＮ’、点Ｊ’と点Ｋ’とを直結した辺Ｊ’Ｋ’、直線ＦＮ及び辺ＪＫは、次のような関係が成り立つ。

したがって、辺ＪＫは、

と表すことができる。直線ＦＮ’は、

直線ＦＮは、

と表すことができる。辺Ｊ’Ｋ’の長さは、辺Ｇ’Ｉ’と同様に画素１１の水平方向の長さであるから、その長さをｑとすると、辺ＪＫの長さは、

となる。次に、θｍ及びθｎの求め方について説明する。ＣＣＤ５の垂直方向の画素数をＮｙ、画素の垂直方向の長さを水平方向の長さと同様にｑとすると、点Ｔ’と点Ｍ’とを直結した直線Ｔ’Ｍ’の長さは、

となり、点Ｔ’と点Ｎ’とを直結した直線Ｔ’Ｎ’の長さは、

となる。したがって、θｍは、

となり、θｎは、

となる。以上のことから、画素１１で撮影した圃場の面積である台形ＧＩＪＫの面積は、

となる。本発明においては、カメラ２で撮影した撮影範囲４の画像データについて、単位画素間の面積比を求め（ステップＳ２）、この面積比を前記単位画素ごとの加重平均の重みとしている。なお、数式１８のｑ、Ｈ及びｆは一定であり、すなわち、各画素の面積比ｗ（Ｐｘ，Ｐｙ）は、数式１８より、

と表すことができる。上記数式１９によりＣＣＤ５上の各画素の加重平均の重みとなる面積比を求めることができる。

次に、撮影範囲４から作物情報を求める領域を決める。前記領域は、撮影範囲４を撮影して得た画像をパソコンなどのディスプレイ上で表示し、その画面上で目視により決めればよい。本発明においては、圃場内作物の任意の領域における作物情報の平均値を求めることを目的としているため、このような方法で領域を決めても精度に影響はない。

前記領域内の画像データは、その領域内を撮影したＣＣＤ５上の画素ごとに、Ｒ（赤）信号、Ｇ（緑）信号及びＢ（青）信号の３つのデジタル信号にそれぞれ変換されて保存されている。このため、前記領域内作物の作物情報の加重平均を計算するために、前記領域内を撮影したＣＣＤ５上の画素ごとのＲ信号、Ｇ信号及びＢ信号のそれぞれの平均値を求める必要がある。ただし、先に述べたように、デジタルカメラにより斜め上方から圃場を撮影した場合、各画素によって得られる撮影面積の大きさに違いが生じるので、数式１９を使用して、前記領域内の全画素の面積比をそれぞれ求め、この面積比を加重平均の重みとして、前記領域内の画像データの加重平均を計算する。ここで、前記領域が、水平方向の画素数がＮｉ（Ｎｉ＝０〜Ｎｉ−１）、水平方向の画素数がＮｊ（Ｎｊ＝０〜Ｎｊ−１）の長方形であるとすると、この領域内の画像データのＲ信号の加重平均Ｒａｖｇは、

と計算することができる。同様にして、前記領域内の画像データのＧ信号及びＢ信号の加重平均Ｇａｖｇ及びＢａｖｇは、それぞれ、

と計算することができる。次に、加重平均Ｒａｖｇ、加重平均Ｇａｖｇ及び加重平均Ｂａｖｇから前記領域内の作物情報を求める方法について説明する（ステップＳ３）。ここでは、作物情報を稲体の葉身窒素含有率として説明する。データ処理装置８には、前もって作成しておいた検量線（以下、「第１の作物関係式」という）を記憶しておく。この第１の作物関係式は、加重平均Ｒａｖｇ、加重平均Ｇａｖｇ及び加重平均Ｂａｖｇから稲体の葉身窒素含有率を計算するためのものである。

前記第１の作物関係式は、一般的な方法によって求めることができる。まず、カメラ２により稲の生育する圃場を撮影し、Ｒ信号、Ｇ信号及びＢ信号の３つのデジタル信号に変換された画像データを得る。この画像データから前記圃場内の一定面積のＲ信号の加重平均、Ｇ信号の加重平均及びＢ信号の加重平均を求める。これからの加重平均は、上述した方法により求めることができる。前記一定面積の広さは特に限定されないが、通常１平方メートル程度である。次に、前記一定面積の範囲内に生育する複数の稲体から稲葉を採取し、採取した稲葉の葉身窒素含有率をそれぞれ化学分析により直接求め、これらの値を平均して前記一定面積に生育する稲の平均葉身窒素含有率とする。同様に、前記圃場内であって、前記一定面積とは異なる複数の場所で、一定面積のＲ信号の加重平均、Ｇ信号の加重平均、Ｂ信号の加重平均及び稲の平均葉身窒素含有率を求める。このようにして圃場内の複数箇所のＲ信号の加重平均、Ｇ信号の加重平均及びＢ信号の加重平均と、稲の平均葉身窒素含有率とを得て、前記Ｒ信号の加重平均、前記Ｇ信号の加重平均及び前記Ｂ信号の加重平均を説明変数、前記平均葉身窒素含有率を目的変数として重回帰分析等により下記に示す第１の作物関係式を作成することができる。

一般的に、重回帰分析に用いる説明変数及び目的変数のサンプル数が多いほど第１の作物関係式の精度を高めることができる。また、第１の作物関係式は、サンプルデータを加えて毎年更新することにより、より的確なものとなる。なお、第１の作物関係式は、作物の生育時期毎に作成することが望ましい。また、ここでは同一圃場内の画像データを使用した場合の検量線の作成方法について説明しているが、同一条件で撮影する限り、異なる圃場の画像データを追加して使用しても何ら問題はない。

圃場３内の任意の領域に生育している稲体をカメラ２で撮影して得た画像データから、Ｒ信号の加重平均、Ｇ信号の加重平均及びＢ信号の加重平均を計算することで、これらの計算値と第１の作物関係式とから前記稲体の平均葉身窒素含有率（以下、「第１の作物情報」という）を簡単に求めることができる。このようにして圃場の任意の領域で生育している稲体の第１の作物情報を測定することができる。

ところで、分光分析装置には、特開平１０−９６６９２に記載されているような携帯型(小型)の葉の成分測定装置（以下、「測定装置１０」という）がある。この測定装置１０を用いることで、稲体の葉身窒素含有率（以下、「第２の作物情報」という）を容易に直接測定することができる。また、この第２の作物情報にて、第１の作物情報を補正することができる。測定装置１０は、稲葉を直接測定して稲体の葉身窒素含有率を求めるので、測定方位、植栽密度及び照度などの影響を受けない。このため、本発明では、第１の作物情報の測定方位、植栽密度及び照度の影響による誤差を、測定装置１０で測定した第２の作物情報を使用して補正する（ステップＳ４）。具体的には、第１の作物情報と第２の作物情報との差異を補正に用いる。例えば、ある圃場の一定面積の範囲内で生育している稲体の平均葉身窒素含有率が、カメラ２による測定で４．０％（第１の作物情報）、測定装置１０による測定で３．０％（第２の作物情報）であったとする。なお、測定装置１０による測定値は、前記一定面積の範囲に生育している複数の稲体の葉を測定した平均値である。また、ここでいう「一定面積の範囲」は、前記任意の領域と同一である必要はない。前記第２の作物情報を、データ処理装置８に入力し、データ処理装置８にて前記第１の作物情報と前記第２の作物情報との差異を算出し、この差異によって第１の作物情報の補正を行う。ここでは、第１の作物情報を４．０％、第２の作物情報を３．０％としているので、第１の作物情報が第２の作物情報よりも１．０％高い値となっているから、差異は−１．０％となる。この差異を前記第１の作物情報に加えて、前記第１の作物情報は３．０％と補正される。

前記差異を補正値としてデータ処理装置８内に記憶しておくことで、今後、カメラ２による測定で求めた第１の作物情報を、前記差異の−１．０％によって補正することができる。これにより、測定方位、植栽密度及び照度の影響を除去した測定が、カメラ２とデータ処理装置８とによって実現可能となる。なお、補正値（差異）を定めるに当たって、カメラ２によって得られた第１の作物情報の情報源と、測定装置１０によって得られた第２の作物情報の情報源とは共通であることが重要である。つまり、カメラ２によって撮影する稲体と、測定装置１０によって測定する稲葉の稲体とが、同一であることが重要である。測定装置１０の測定値は、測定方位、植栽密度及び照度に関係なく得られた値であることから、前記測定値を利用して補正した第１の作物情報、すなわち、カメラ２による測定値は、従来のリモートセンシングに比べて外的要因に左右されないものとなる。

なお、俯角φは、カメラ２での撮影時に傾斜計にて測定すればよいが、傾斜計を使用しなくても、撮影した画像から俯角φを求めることができる。まず、圃場を斜め上方から撮影する前に、カメラ２を地表に対して前後方向及び左右方向共に水平にした状態で圃場３を撮影し、水平画像Ａを得る。この水平画像Ａは、地表面に対して前後方向を水平にしてカメラ２により撮影しているため、当然、圃場３全体は写っていない。次に、カメラ２を移動させることなくそのままの位置で下方に向け、斜め上方から撮影する状態にて圃場３全体を撮影し、画像Ｂを得る。このとき、水平画像Ａの水平方向の中心線上に写っていた対象物(画像)を少なくとも２点、画像Ｂに写っているようにする。そして、このような条件で撮影した水平画像Ａと画像Ｂとから俯角φを求める。この方法について図１０により説明する。図１０の点Ｔ’は、画像Ｂを撮影したときのＣＣＤ５上の中心点である。符号Ｓ及びＵは、画像Ｂを撮影する際に、水平画像Ａの水平方向の中心線上に写っていた対象物(画像)を撮影したときのＣＣＤ５上の点である。符号Ｖは、点Ｓと点Ｕとを直結した直線ＳＵと、点Ｔ’を通る直線とが直交する点である。点Ｔ’と点Ｖとを直結した辺Ｔ’Ｖの長さは、ＣＣＤ５上の画素の垂直方向の長さがわかれば、画像Ｂから求めることができる。したがって、俯角φは、

となるので、傾斜計を使用しなくても、画像Ｂ及び数式２４により俯角φを求めることができる。ここでは、直線ＳＵと前記中心線が直交する場合、つまり、地表面に対して左右方向を水平にした状態でカメラ２により画像Ｂを撮影する場合について説明したが、この方法によれば、画像Ｂを撮影する場合に、カメラ２が地表面に対して左右方向のどちらかに傾いていてもよい。傾いた状態で撮影した画像Ｂを、一般的な画像処理ソフトを用いて、地表面に対して左右方向を水平にした状態で撮影したと同等の状態に処理することで、前述の方法により俯角を求めることができ、この俯角を用いて作物情報を測定することが可能となる。

また、地上からの撮影の他、気球、ラジコン飛行装置（飛行機、ヘリ）又は有人飛行機にカメラ２を搭載して圃場を撮影することも可能である。なお、地上からの撮影とは、地面から１ｍ〜１０ｍの高さから圃場を見下ろすようにカメラにて撮影することである。

本発明の測定方法は、圃場に限らず、斜め上方から撮影し、撮影した画像に加重平均を用いる全ての場合において有効に利用することができる。

本発明の測定手順を示したフローチャートである。 圃場を撮影する一例を示した説明図である。 カメラ２の機能を表す簡略なブロック図である。 圃場３をカメラ２で撮影するときの原理説明用斜視図である。 ＣＣＤ５上の任意の位置にある画素を示した図である。 撮影する面積が画素ごとに異なることを示したイメージ図である。 主点Ｆ及び中心点Ｔの位置関係を表した図である。 図４のＺ１部の拡大図である。 図７のＺ２部の拡大図である。 画像データから俯角φを求めるための説明図である。

符号の説明

１ フローチャート
２ カメラ
３ 圃場
４ 撮影範囲
５ ＣＣＤ
６ レンズ
７ 記憶装置
８ データ処理装置
１０ 携帯型の葉の成分測定装置
Ｆ 主点

Claims (2)

1. 圃場内の任意の領域に生育する作物を、斜め上方からカメラで撮影して画像データを得る工程と、
   前記工程での撮影時のカメラの俯角を測定する工程と、
   前記画像データと前記俯角とから、前記任意の領域における前記画像データの加重平均を求める工程と、
   前記加重平均から前記作物の第１の作物情報を求める工程と、
   前記第１の作物情報の、測定方位、植栽密度及び照度の影響による誤差を補正する工程と、
   からなることを特徴とする作物情報測定方法。
   
2. 地表面に対して前後方向及び左右方向共に水平な状態でカメラを設置して、この状態で水平画像を撮影し、
   前記カメラを移動させることなくそのままの位置で下方に向けて、前記作物と前記水平画像の水平方向の中心線上に写っていた対象物とが撮影範囲に含まれるように画像を撮影し、
   前記水平画像と前記画像とから、前記画像を撮影したときのカメラの俯角を求めることを特徴とする請求項１に記載の作物情報測定方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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