JP2013501230A - 植物の植生指標値を求めるための測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、植物の植生指標値（ＲＥＩＰ）を求めるための測定装置に関する。測定装置は、それぞれ所定の波長の実質的に単色の光を発光する複数の発光素子と、植物によって反射された発光素子からの光を受光し、該受光された光の各強度を示す信号を生成する受光素子と、発光素子を循環的に連続的に作動し、受光素子の出力信号から反射された光の各強度を求め、全測定サイクルの求められた強度から植生指標値を計算する制御手段とを備える。本発明によれば、光周波数変換器が受光素子として設けられる。
【選択図】１

Description

本発明は、請求項１の前文の植物の植生指標値（ＲＥＩＰ）を求めるための測定装置に関する。

このタイプの測定装置は、例えば特許文献１から知られている。この既知の測定装置は、植物の植生指標値を求めるのに役立つ。特にこの既知の測定装置では、いわゆるＲＥＩＰ（「レッドエッジ変曲点：Red Edge Inflection Point」）植生指標を求めることが意図されている。このタイプの植物測定は、植物の最も重要な特性値を求めるために、得られた測定量を利用できるようにするという目的を有する。すなわち、主に測定された植物の現在の窒素含有量を求めるためのＲＥＩＰ植生指標の場合には、求められた窒素含有量に基づいて、その後、該当する田畑のために適した施肥計画を立案することができる。実際に、例えば、対応するＧＰＳ支援施肥システムが既に使用されており、そのシステムは、求められた窒素値を用いて、特定領域に肥料を最適に供給する。

既知の植生指標測定は、図３に示されるような、植物の光吸収又は光反射特性に基づく。この図によれば、植物は、或る特定の波長（すなわち、＜７００ｎｍ）の光を吸収し、一方、それよりも長い波長（すなわち、＞８００ｎｍ）の光を反射するという一般的な特性を有する。図３からわかるように、植物の葉によって、青色、緑色及び赤色の光成分が吸収され、植物の細胞構造及び含水量が、赤外線範囲の始まりにおける急峻な傾斜部（「レッドエッジ」）に沿って吸収から反射への移行の原因となる。

植物の葉緑素含有量及び窒素含有量を求めるために、このレッドエッジの過渡エリア（「レッドエッジ変曲点」−ＲＥＩＰ）を利用できることが研究からわかっている。すなわち、図４に示されるように、植物のＲＥＩＰと窒素含有量との間には相互関係があり、窒素含有量を求めるのに、それぞれ異なる波長を用いる４つの測定で十分であることがGuyot及びBaret（１９８８）によって実証されている。

それゆえ、冒頭において言及された特許文献１では、ＲＥＩＰ値、ひいては、窒素含有量を測定するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）の形態を有する４つの発光素子を設けることが提案されており、各発光素子が、ＲＥＩＰ範囲内（すなわち、６６０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲内）の所定の波長の実質的に単色光を発光し、制御手段が４つの発光ダイオードを循環的に連続的に制御し、光センサー素子の出力信号に基づいて反射光のそれぞれの強度が求められ、最後に、全測定サイクルで決定された強度に基づいて、現時点で有効な植生指標値又はＲＥＩＰ値が計算される。

米国特許出願公開第２００６／０２０８１７１号

この既知の測定装置では、用いられる光センサー素子はフォトダイオードであり、アナログで、しかも非常に雑音が多い出力信号は、複雑な処理（位相検出）を受けなければならず、その後に更に、更なる演算のためにＡ／Ｄ変換されることとなる。これは達成できる測定精度に強く影響を及ぼすことが研究からわかっている。さらに、位相検出器及びＡ／Ｄ変換器が付加的に必要とされるために、ハードウェア費用が比較的高い。

本発明は、測定精度を高めているにもかかわらず、ハードウェア費用を削減できるように、請求項１の前文の植物の植生指標値又はＲＥＩＰ値を求めるための測定装置を更に発展させるという目的に基づく。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴部分において明記される処理を通して達成される。

したがって、本発明は、受光素子として光周波数変換器を設けることを提案する。同様の光周波数変換器は非常に低い内部雑音を示し、測定精度も相応に高い。さらに、光強度を求めるために、変換器の出力周波数の傾斜部間の時間間隔を求めれば十分であり、それは付加的な構成要素を用いることなく、任意の種類のマイクロコントローラーを用いて達成することができる。それゆえ、ハードウェアに関する費用は、比較的低いコストの光周波数変換器に限定され、本発明によれば、回路部に関する複雑さも非常に低い。

請求項２において明記される本発明の好適な発展形態によれば、各発光素子に供給される電流を制御し、規定された白色面から規定された距離において、各発光素子が光周波数変換器内で同じ出力信号を生成するように、（製造業者において）較正される電流調整手段（ＬＥＤ−Ｃ）が更に設けられる。これにより周囲光の任意の変動を完全に補償できるようになることが研究によって実証された。例えば、米国特許第７４０８１４５号において提案されるような、周囲光の複雑な補償は全く不要である。これは、本発明による測定装置の製造コストを更に削減するための役割を果たす。

本発明の更なる好適な発展形態は、更なる従属請求項の主題である。

以下では、図面を参照しながら、一実施形態の説明を通じて、本発明が更に詳細に説明されることになる。

本発明の一実施形態のブロック図である。 本発明の典型的な適用形態を表す概略図である。 植物の吸収／反射特性を説明する概略図である。 植物のＲＥＩＰと窒素含有量との間の相互関係を示す図である。 植物を照明するために夜間に用いられる電球のスペクトルを示す図である。

図１によれば、１で概略的に示される測定装置は、例えば、市販のマイクロコントローラーとすることができる中央制御手段ＭＣと、周波数を測定するために必要とされる時間基準（実用的な例では、４０ＭＨｚ）を与える発振器又は共振回路ＯＳＺと、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ４のための電流調整モジュールＬＥＤ−Ｃと、例えば、タイプＴＳＬ２３０Ｒとすることができる光／周波数変換器Ｌ／Ｆとからなる。ここでは更に詳細には定めない汎用インターフェースＩＯ２とは別に、もう１つのインターフェースＩＯ１が設けられ、そのインターフェースはシリアルインターフェースとして作動し、ブルートゥース信号を生成する。

４つの発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ４はそれぞれ異なる波長の光を生成し、発光ダイオードＬＥＤ１は６７０ｎｍの光を生成し、ＬＥＤ２は７００ｎｍの光を生成し、ＬＥＤ３は７４０ｎｍの光を生成し、ＬＥＤ４は７８０ｎｍの光を生成し、これらの発光ダイオードはそれぞれ２０ｎｍ〜３０ｎｍの発せられた光の半値幅を有する。これらの発光ダイオードの供給電圧によって引き起こされる輝度の変動を避けるために、それらの発光ダイオードに供給される電流が、電流調整モジュールＬＥＤ−Ｃのトランジスタによって制御される。個々の発光ダイオードの電流調整は、各発光ダイオードが、光の中の所定の白色面から所定の距離において、光／周波数変換器Ｌ／Ｆの変換後に同じ出力周波数を生成するように較正される。このホワイトバランスによって、発光ダイオードの標準的なばらつき、及び光／周波数変換器のスペクトル感度の両方が補償されるのが確認される。さらに、ホワイトバランスは周囲光の測定を不要にすることができる。周囲光は植生指標ＲＥＩＰによって補償され、測定及び計算する必要はないからである。

図１によれば、（好ましくは５８５ｎｍの波長を有する）緑色光を発光する第５の発光ダイオードＬＥＤＧが更に設けられる。この第５の発光ダイオードＬＥＤＧによって、地面がまだ見える早期の供給段階において、生物量についての情報を得ることができる。このために、発光ダイオードＬＥＤＧの求められた輝度値は、ＬＥＤ１（６７０ｎｍ）の輝度値から減算される。求められた差が小さいほど、地面に対するセンサーの下に、より多くの植物がある。

最後に、パルス幅変調回路ＰＷＭを介して制御手段ＭＣによって駆動される白熱電球ＧＬも設けられる。この白熱電球の補助により、薄暗がり、又は夜間であっても、正確な測定値を得ることができる。この白熱電球ＧＬは、発光ダイオードが向けられる少なくとも１つの領域を照明するように指向される。

本発明の測定装置は以下のように動作する。１つの測定サイクルの性能を得るために、中央制御手段ＭＣが、電流調整モジュールＬＥＤ−Ｃを介して、所定の時間、又は期間、各発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ４を連続的に駆動する。この期間の持続時間は、光／周波数変換器Ｌ／Ｆが一の出力パルスを生成するように設計される。

最初に、図１に概略的に示される植物が６７０ｎｍの波長で照明されるように、発光ダイオードＬＥＤ１が所定の時間点灯される。その際、植物によって反射される光が光／周波数変換器Ｌ／Ｆによって受光され、その後、中央制御手段ＭＣが光／周波数変換器Ｌ／Ｆの出力信号の傾斜部間の時間間隔に基づいて、波長６７０ｎｍに関連付けられた光強度Ｐ１を求める。その光強度は、この波長における反射率の表示である。その後、この求められた光強度Ｐ１は格納される。その後、光／周波数変換器Ｌ／Ｆの関連付けられた出力信号の傾斜部に基づいて、７００ｎｍ、７４０ｎｍ及び７８０ｎｍの波長に対するそれぞれの強度値Ｐ２〜Ｐ４を求めて、格納するために、発光ダイオードＬＥＤ２〜ＬＥＤ４がそれぞれ同じように所定の時間にわたって点灯される。

そのような測定サイクルの完了後に、光強度Ｐ１〜Ｐ４のための４つ全ての測定値が中央制御手段ＭＣに格納される。これらの値が以下の式に代入される。

ＲＥＩＰ＝λ_２＋（λ_３−λ_２）（（Ｐ_１＋Ｐ_４）／２−Ｐ_２）／（Ｐ_３−Ｐ_２）

ここで、値Ｐ_１〜Ｐ_４は、上述したように、個々の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ４の反射光の測定強度を表し、値λ_１、λ_２、λ_３又はλ_４は、それらの特定波長（すなわち、値６７０ｎｍ、７００ｎｍ、７４０ｎｍ及び７８０ｎｍ）を表す。

この式の計算されたＲＥＩＰ値は、個々の測定サイクルにおいて発光ダイオードによって照射される植物（複数の場合もあり）の窒素含有量の直接的な表示である。

図１によれば、植生指標ＲＥＩＰ、又はそれぞれ、対応する窒素含有量のための計算値を表示する信号が、インターフェースＩＯ１を介して出力される。この信号は、ソフトウェアによってマッピングされる施肥システムを含むコンピューターＰＣによって受信される。この施肥システムは、例えば、肥料散布機を適切に制御できるようにするために、地表面のヘクタール当り必要とされる窒素の量を求めることができる。さらに、対応マップ生成又は文書化を実行するために、ＧＰＳセンサーによって、それぞれの位置において測定される窒素量を求めることができる。

上述の測定サイクルは、４つ全ての発光ダイオード動作の完了、及びその後のＲＥＩＰ値の計算の後、連続的に繰り返され、測定装置の移動速度に応じて、全ての走査された植物の窒素含有量のほぼ完全な検出を可能にする。

薄暗がり又は夜間作業に起因して、周囲の明るさが不十分である場合には、制御手段ＭＣは、パルス幅変調回路ＰＷＭを介して、暗くなるのに比例してその輝度が増すように、白熱電球ＧＬを駆動する。

そのように制御される白熱電球を使用する理由は以下の通りである。原則として、植物は互いに独立して働く２つの光化学系を有する。これら２つの光化学系のうちの１つは特に６８０ｎｍにおいて働き、一方、他方の光化学系は７００ｎｍにおいて働く。ここで、単色光のみを植物に順次に照射することになっていた場合、いわゆる、エマーソン効果に起因して、これら２つの光化学系は最適に働かないことになる。したがって、吸収値はそれに応じて変化することになり、暗がりにおいて計算されるＲＥＩＰ値は昼光時のそれぞれの値と一致しなくなる。対照的に、本発明に従って設けられる白熱電球は、図５に示されるスペクトル曲線を有する光を発光し、それゆえ、より広範な波長を含む。言い換えると、暗い場合であっても、その働きが再び最適になるように、白熱電球ＧＬが植物の両方の光化学系に光を照射する。したがって、暗い場合であっても、昼光測定値を取得することができる。光周波数変換器が、それ以上、周囲光によって十分に照明されない場合には、光レベルが最小周囲光レベル未満に降下しないように、制御手段ＭＣがパルス幅変調回路ＰＷＭを介して白熱電球ＧＬを制御する。したがって、白熱電球ＧＬは日中、消灯され、薄暗がりではほのかに光り始め、暗がりでは、最大限の発光出力を与える。

図２によれば、本発明による２つ１組の測定装置を、一例として、トラクターに固定することができる。インターフェースＩＯ１のブルートゥース接続を介して、検出又は計算されたデータがトラクターに送信される。トラクター操縦席への配線は不要である。トラクター上のＰＣが、本発明のセンサーにおいて計算されたデータの評価を実行することができる。このために、そのデータはＧＰＳ位置を与えられ、例えば、オンラインで表示される。植物成長に関する知識及び収穫マップがＰＣに格納される。それゆえ、ＰＣによって適切に肥料散布機を制御することができる。

Claims (10)

1. 植物の植生指標値（ＲＥＩＰ）を求めるための測定装置であって、それぞれ所定の波長の実質的に単色の光を発光する複数の発光素子（ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４）と、前記植物によって反射された前記発光素子の光を受光し、該受光された光にそれぞれの強度を示す信号を生成する受光素子（Ｌ／Ｆ）とを備え、前記発光素子を循環的に連続的に駆動し、前記受光素子（Ｌ／Ｆ）の出力信号に基づいて、前記反射された光のそれぞれの強度を求め、全測定サイクルの求められた強度に基づいて、前記植生指標値（ＲＥＩＰ）を計算する制御手段（ＭＣ）を備える測定装置において、
   前記受光素子は光周波数変換器（Ｌ／Ｆ）である、
   ことを特徴とする、植物の植生指標値（ＲＥＩＰ）を求めるための測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置であって、
   前記発光素子それぞれに供給される電流を制御し、規定された白色面から規定された距離において、前記発光素子それぞれが前記光周波数変換器（Ｌ／Ｆ）において同じ出力信号を生成するように較正される電流調整手段（ＬＥＤ−Ｃ）を有することを特徴とする測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の測定装置であって、
   前記発光素子は、それぞれが６７０ｎｍ（Ａ１）、７００ｎｍ（Ａ２）、７４０ｎｍ（Ａ３）又は７８０ｎｍ（Ａ４）のそれぞれの波長を発光する４つの発光ダイオード（ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４）であり、前記発光された光の半値幅は、好ましくは、２０ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする測定装置。
4. 請求項３に記載の測定装置であって、
   前記制御手段（ＭＣ）は、以下の式に従って、植生指標値として前記ＲＥＩＰ値（「レッドエッジ変曲点」）を計算し、
   
   ＲＥＩＰ＝λ_２＋（λ_３−λ_２）（（Ｐ_１＋Ｐ_４）／２−Ｐ_２）／（Ｐ_３−Ｐ_２）
   
   ここで、値Ｐ_１〜Ｐ_４は、それぞれの発光ダイオード（ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４）の反射光のそれぞれの測定強度を示すことを特徴とする測定装置。
5. 請求項４に記載の測定装置であって、
   前記制御手段（ＭＣ）は、測定された植物の窒素含有量（Ｎ）のための尺度として前記ＲＥＩＰ値を利用することを特徴とする測定装置。
6. 請求項５に記載の測定装置であって、
   前記制御手段（ＭＣ）は、それぞれ求められた窒素含有量を移動端末に供給し、好ましくは、移動端末はＧＰＳによって支援される施肥システム（ＤＳ）であり、また、好ましくは、ブルートゥースインターフェース（ＩＯ１）を介して供給することを特徴とする測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の測定装置であって、
   いくつかの波長の光を放つ照明手段（ＧＬ、ＰＷＭ）を有し、前記照明手段の発光出力は、周囲の明るさに反比例するように前記制御手段（ＭＣ）によって制御される、ことを特徴とする測定装置。
8. 請求項７に記載の測定装置であって、
   前記照明手段は白熱電球（ＧＬ）であることを特徴とする測定装置。
9. 請求項７又は８に記載の測定装置であって、
   前記照明手段（ＧＬ）は、前記発光ダイオードが向けられる少なくとも１つの領域を照明するように指向される測定装置。
10. 請求項３〜９のいずれか一項に記載の測定装置であって、
    緑色光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤＧ）を更に有し、前記制御手段（ＭＣ）は、６７０ｎｍの波長を有する前記発光ダイオードの測定値から前記緑色光を放つ発光ダイオードの測定値を減算することによって、土壌表面領域に対する植生の比を求めることを特徴とする測定装置。

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