JP2015112083A - 植物の健康状態の評価方法および評価装置ならびに植物の栽培方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断続的または継続的に植物を振動させることで、その振動情報から植物の健康状態を把握する方法の提供。
【解決手段】振動発信源を用いて植物を振動させる振動工程と、前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測工程と、前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する評価工程と、を備える植物の健康状態の評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、植物の健康状態の評価方法および評価装置ならびに植物の栽培方法に関する。

将来の水問題を考える上で、農業用水の節約は重要であり、その一つの有効な手段として最適潅水制御がある。しかしそれを実現するためには、いまその作物がどのくらいの水を必要としているのか（作物給水ニーズ）を非侵襲かつ実時間で把握する必要がある。植物は一般に水が不足すると（すなわち水ストレスを受けると）いろいろな変化が現れるが、最も顕著な変化は葉のしおれである。篤農家は、成長点等のしおれを観察することにより給水時期を判断していると言われている。しかしながら、超節水型植物工場などで潅水制御を行う場合、このしおれを工学的に評価する必要がある。しおれると、植物は枝や葉が垂れ下がるなどの形状変化が現れる。しかし、植物は多種多様な形状を有するので、その形状解析は、現在の画像処理技術ではほとんど行うことができない。また、植物の形状（枝の角度等）は、一日の内でも予想外に大きく変化しており、その形状の変化から植物の水ストレスを判断することは難しい。

そこで本発明者は、植物の水ストレスを、植物の形状からではなく、その張り（弾力）によって評価できないか検討しており、すでにいくつかの提案を行っている（例えば非特許文献１）。

杉本恒美、他５名、「葉の振動計測による植物給水ニーズ推定に関する基礎検討」、一般社団法人日本音響学会、２０１３年春季研究発表会予稿集、ｐｐ.１３６７−１３６８、２０１３年３月

本発明者は、従来、葉を指などではじくという方法で瞬時的な振動情報を得て、これを解析していた。
これに対して、本発明は、植物に断続的または継続的に植物を振動させ、これを解析して完成した発明である。

本発明は、振動発信源を用いて断続的または継続的に植物を振動させ、その振動情報から植物の健康状態を把握する方法およびそれを可能にする装置を提供することを目的とする。また、その方法に基づく植物の栽培方法を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出し、本発明を完成させた。
本発明は次の（１）〜（９）である。
（１）振動発生源を用いて植物を振動させる振動工程と、
前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測工程と、
前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する評価工程と、
を備える植物の健康状態の評価方法。
（２）前記振動工程が、
前記振動発生源として音波発信源を用い、この音波発信源から前記植物の表面へ音波を照射する工程である、上記（１）に記載の健康状態の評価方法。
（３）前記評価工程が、
前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から前記植物の共振周波数を前記解析情報として得て、その共振周波数の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する工程である、上記（１）または（２）に記載の植物の健康状態の評価方法。
（４）前記評価工程が、
前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形における変位の最大値と最小値との合計値を前記解析情報として得て、その合計値の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する工程である、上記（１）または（２）に記載の植物の健康状態の評価方法。
（５）植物の表面を振動させ得る振動発信源と、
前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測部と、
前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報を継続的または断続的に出力する解析部と、
を有し、前記解析部から出力される情報の推移の変化から植物の健康状態の評価を行うことができる、植物の健康状態の評価装置。
（６）前記振動発信源が、植物の表面を振動させ得る音波を発生させる音波発信源である、上記（５）に記載の植物の健康状態の評価装置。
（７）前記解析部が、
前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から前記植物の共振周波数を前記解析情報として得て、継続的または断続的にその共振周波数の解析情報を出力する、上記（５）または（６）に記載の植物の健康状態の評価装置。
（８）前記解析部が、
前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形における変位の最大値と最小値との合計値を前記解析情報として得て、継続的または断続的にその合計値の解析情報を出力する、上記（５）または（６）に記載の植物の健康状態の評価装置。
（９）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の評価方法によって植物の健康状態を把握し、前記解析情報が所定値となったときに前記植物へ水を供給する供給工程を備える、植物の栽培方法。

本発明によれば、振動発信源を用いて断続的または継続的に植物を振動させ、その振動情報から植物の健康状態を把握する方法およびそれを可能にする装置を提供することができる。また、その方法に基づく植物の栽培方法を提供することができる。

本発明の評価装置の好適態様を示す概略図である。 振動波形（減衰曲線）の例を示す図である。 実施例において用いた本発明の評価装置を示す概略図である。 実施例において得られた葉の振動波形の例を示す図である。 図４の振動波形を高速フーリエ変換して得られる周波数解析結果を示す図である。 実施例における、実験開始からの日数と、共振周波数の１日のうちの正午頃の値との関係を示す図である。 給水前における葉および茎の共振周波数の時間変化を示す図である。 給水後における葉および茎の共振周波数の時間変化を示す図である。 実験２において得られた、変位の最大値と最小値との合計の推移を示す図である。 実験１において得られた、葉および茎の共振周波数の変化の例を示す図である。 実験１および実験２において得られた、音波による加振前の葉の初期位置の変動例を示す図である。

本発明について説明する。
本発明は、振動発生源を用いて植物を振動させる振動工程と、前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測工程と、前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する評価工程と、を備える植物の健康状態の評価方法である。
このような植物の健康状態の評価方法を、以下では「本発明の評価方法」ともいう。

また、本発明は、本発明の評価方法によって植物の健康状態を把握し、前記解析情報が所定値となったときに前記植物へ水を供給する供給工程を備える、植物の栽培方法である。
このような植物の栽培方法を、以下では「本発明の栽培方法」ともいう。

さらに、本発明は、植物の表面を振動させ得る振動発信源と、前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測部と、前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報を継続的または断続的に出力する解析部と、を有し、前記解析部から出力される情報の推移の変化から植物の健康状態の評価方法を行うことができる、植物の健康状態の評価装置である。
このような植物の健康状態の評価装置を、以下では「本発明の評価装置」ともいう。

本発明の評価装置を用いて、本発明の評価方法を実施することができる。

本発明の評価装置について図を用いて説明する。
図１は本発明の評価装置の好適態様を示す図であり、植物１の表面を振動させ得る音波１１１を発生させる音波発信源１１と、植物１の位置を計測して、音波１１１を照射されて振動した植物１の位置情報を得る計測部１３と、前記位置情報から植物１の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報を継続的または断続的に出力する解析部１５１を含むコンピュータ１５とを有する装置１０を示す概略図である。

図１に示す装置１０は、さらに、任意波形発生装置１７およびアンプ１９を有しており、加えて、コンピュータ１５は制御部１５２および表示部１５３を含んでいる。そして、制御部１５２によって任意波形発生装置１７を制御して、所望の周波数の音波１１１を音響発信源１１から発生することができる。また、解析部１５１は計測部１３によって得られた植物１の位置情報から振動波形を求め、その振動波形を解析して解析情報を算出し、それを出力する役割を果たす。そして、出力された解析情報は、推移データとして、表示部１５３に表わすことができる。表示部１５３はディスプレイ画面等であってよい。

音響発信源１１は強力超音波音源（パラメトリックスピーカ、例えば日本セラミック株式会社製のパラメトリックスピーカキット）であることが好ましい。
なお、本発明の評価装置では、振動発信源として、上記のような音響発信源を好ましく用いることができるが、その他にエアガンや衝撃波もしくは扇風機等を用いることもできる。

図１では、音響発信源１１を植物１の下方へ配置し、下方から植物１へ音波１１１が照射されるように配置しているが、本発明において音響発信源１１の植物１に対する位置は特に限定されない。また、音響発信源１１の数も限定されない。

音響発信源１１から植物１へ照射される音波１１１は特に限定されない。パルス状の音響放射圧を植物１へ加えられる音波１１１が好ましい。なかでも周波数が葉や茎の共振周波数に近い２〜１０Ｈｚ程度（小松菜の場合）のｓｉｎ状のパルス波であれば、弱い加振力であっても大きな振幅を得ることができるのでより好ましい。しかしながら、本発明の評価装置では、必ずしも共振周波数を用いなくても音響放射圧や風等により葉と茎を少しでも動かせれば計測は可能であり、周波数は限定されないといってよい。例えば強力超音波音源（パラメトリックスピーカ）の場合にはその搬送周波数だけでも音響放射圧が発生するので、まったく無変調でも計測は可能である。同様にパルス波の長さにも特に最適な長さがあるわけではないが、あえていうならば、葉や茎に振動が起こせる程度の長さ、周波数にもよるが数波程度でも十分である。
また、健康状態を評価しようとする植物の共振周波数が不明な場合であっても、葉や茎に振動が起こせさえすれば、植物１の共振周波数帯を見出すことができる。

計測器１３は植物１の位置を非接触で計測できるものであれば特に限定されず、レーザ変位計であることが好ましい。レーザ変位計からレーザ１３１を植物１に照射して、その表面の位置を計測することができる。得られた位置情報は解析部１５１へ出力される。解析部１５１へ入力された位置情報から植物１の振動波形を求めることができる。

任意波形発生装置１７は、制御部１５２の指令によって所望の周波数の音波１１１を音響発信源１１から発生させることができる装置である。例えば、ノイズ波やバースト波を発生可能な市販のファンクションジェネレータ等を用いることができる。音波１１１の波形は通常この任意波形発生装置により制御することができる。通常は簡単のために手動で制御するが、制御部１５２から制御するようにシステムを構成することも可能である。

アンプ１９は、音源が強力超音波音源の場合には、搬送周波数として超音波を発生できる専用アンプを必要とする。

解析部１５１は、計測部１３において得られた植物１の位置情報から、植物１の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報を継続的または断続的に出力する。

計測部１３によって測定して得られた植物１の位置情報から求められる振動波形は、例えば図２に示すような、減衰曲線に近似した態様となり得る。
また、この減衰曲線は、縦軸をｙ、横軸をｔとおくと、特性角振動数をωとして、ほぼｙ＝Ａｅ^-γtｓｉｎ（ωｔ＋α）のように近似できると考えられる。ここでγは、質量ｍの質点の減衰振動の運動方程式において速度ｖに比例した抵抗力を−２ｍγｖとおいたときの減衰係数である。

解析部１５１は、上記のようにして求められた振動波形から解析情報を得る。

解析情報について説明する。
例えば、解析部１５１では、上記のような植物１の共振周波数を解析情報として求める。
共振周波数は、図２に示したような振動波形（減衰曲線）をフーリエ変換することで求めることができる。フーリエ変換することで、例えば後述する図５に示すような、横軸（Ｘ軸）を周波数、縦軸（Ｙ軸）をパワースペクトル（振動エネルギーに対応した値）とする図が得られ、共振周波数を把握することができる。例えば図５では３〜４Ｈｚに共振周波数が存在することがわかる。

また、例えば、解析部１５１では、上記のような植物１の振動波形における変位の最大値と最小値との合計値を解析情報として求める。
振動波形における変位の最大値は、図２において「ａ」で示しており、変位の最小値は「ｂ」で示しており、それらの合計値は「ｃ」で示している。このような合計値（ｃ）が解析情報に相当する。この解析情報（ｃ）については、後に詳細に説明する。

解析部１５１は、上記のようにして振動波形から解析情報（共振周波数、最大値と最小値との合計値など）を得て、それを継続的または断続的に出力する。図１に示した本発明の評価装置の好適態様の場合、出力された解析情報は、表示部１５３に推移データとして表すことができる。そして、この推移データの変化から植物の健康状態の評価を行うことができる。

推移データは、解析情報の種類によっても異なるが、例えば解析情報が共振周波数である場合や、振動波形における変位の最大値と最小値との合計値である場合、植物の健康状態が悪くなると低下する傾向がある。この傾向によって、植物の健康状態を評価することができる。

また、上記のように解析情報（共振周波数や、振動波形における変位の最大値と最小値との合計値等）が低下して所定値となったときに植物へ水を供給すれば、植物へ適切な量の水を供給することになり、植物を適切に栽培することができるので好ましい。

葉の振動特性変化により植物の健康状態を調べる手法は、従来には無かった新しい検査手法になる可能性を秘めているもののその駆動源に関しては問題があった。すなわち通常のラウドスピーカでは低い周波数で葉に振動を起こすことは困難であること、眼圧計測に用いられるようなエアガンではコンプレッサ等が必要になり装置が大型化する上に周波数の制御は出来なくなることなどの問題があり、長時間自動的に計測するシステムを構築することができなかった。しかしながら、今回、提案する小型の強力超音波音源を用いれば共振周波数を用いることにより極めて効率的に葉を揺らすことができ、かつ周波数制御も自在である。この事実は非接触で植物健康状態を検査できることを意味しており、将来的には植物工場等で応用できる可能性を秘めていると思われる。

＜実験セットアップ＞
図３に示すような実験装置をセットした。図３（ａ）は実験装置２０および計測対象物である植物（小松菜の葉２５）を示す概略側面図であり、図３（ｂ）はその写真である。
図３に示すように、レーザ変位計２１と音波発生源２３とによって、上下から、葉２５を挟むように配置した。ここでレーザ変位計２１は、上から葉２５へレーザ光を照射して、その位置を計測できるように構成されている。また、音波発生源２３は、パラメトリックスピーカであり、水平に配置された台の上に配置されていて、音波発生源２３から発生した音波が下から葉２５へ照射されるように構成されている。また、葉２５は、レーザ変位計２１および音波発生源２３までの距離がほぼ同じ（１５０ｍｍ程度）になるように配置されている。また、ＣＣＤカメラを設置し（図示しない）、小松菜の状態を連続して観測した。
なお、実験装置２０は、一部のみ図示しており、全体の構成は図１に示した装置１０と同様である。すなわち、図１の装置１０における計測器１３および音波発生源１１が、図３ではレーザ変位計２１および音波発生源２３に相当する。

＜実験１＞
１．初期実験結果
初めに、音波発生源２３から葉２５へ、周波数を変化させながら音波を照射してみたところ、３〜４Ｈｚ程度で、葉２５および茎が共振することが判明した。小松菜への給水をカットして水ストレス状態とした後、周波数特性を調べるため、５０Ｈｚのｓｉｎ波形バースト波の１波を、５分間の間隔にて、音波発生源２３から葉２５へ照射し、その際の葉２５の位置をレーザ変位計２１にて計測した。

レーザ変位計２１による葉２５の振動計測結果の例を図４に挙げる。また、その振動計測結果を高速フーリエ変換した周波数解析結果を図５に示す。
図５に示す周波数解析結果より３〜４Ｈｚ付近に共振ピークが観測されることがわかる。

２．数日間の計測結果例
図５に示したような共振ピークが現れる周波数（以下「共振周波数」ともいう）が、時間の経過とともにどのように変化するのかを観測した。なお、植物には実験開始後からは給水を一切与えていない状態で実験を行った。結果を図６〜８に示す。なお、図６は横軸（Ｘ軸）を実験開始からの日数、縦軸（Ｙ軸）は、共振周波数の正午頃の値を示している。また、図７および図８は、横軸（Ｘ軸）が時間、縦軸（Ｙ軸）が５分ごとに計測した、共振周波数の値を示している。

実験開始後から５日間程度は共振周波数の変化は０．２Ｈｚ程度しかなかった。しかしながら、６日目の朝から植物の葉および茎が急速に倒れはじめる現象がＣＣＤカメラにより観測された。ちょうどレーザ変位計２１の計測レンジからも外れる限界に来ていたので、給水を実施して変化を観察することとした。
給水後は非常に短時間（１０分程度）で、葉及び茎の状態が元の位置に戻る現象を確認した。この給水前後における葉および茎の共振周波数の時間変化を示すものが図７および図８である。

図７および図８より、給水前の朝方より、急速に共振周波数の下降が始まっていることが確認できる。また、給水後は急速に共振周波数が元の値に戻っていることも確認できる。
このような計測結果より、共振周波数の変化を継続的に計測することで、植物の水ストレスの状態を把握できることがわかった。

３．まとめ
強力超音波音源が葉および茎の振動源として非常に有効に使用できることが判明した。このことにより小型で安価な装置で、植物地上部の健康状態を長期間計測が可能となることが明らかになった。初期の簡易実験結果からは水ストレスに対する反応が共振周波数の変化として明確に捉えられることを示していると思われる。将来的には植物全体の健康状態評価にも応用可能と思われる。

＜実験２＞
実験１の場合と同様に、図３に示した実験装置をセットした。
そして、小松菜への給水をカットして水ストレス状態とした後、５０Ｈｚのｓｉｎ波形バースト波の１波を、５分間の間隔にて、音波発生源２３から葉２５へ照射し、その際の葉２５の位置をレーザ変位計２１にて計測した。
そして、レーザ変位計２１によって計測された葉２５の振動波形を求め、その振動波形における、変位の最大値と最小値との合計を算出した。
レーザ変位計２１によって計測された葉２５の振動波形の結果の例を図２に示す。また、変位の最大値と最小値との合計値（図２において「ｃ」で示される）の推移を、図９に示す。

図２および図９に示すように、図６に示したような共振周波数の変化に比べると加振時の葉の変位幅は変化が大きい。ミリオーダの変化がレーザ変位計により直接的に計測されている。水ストレスが加わるにつれて、その変位幅は小さくなっていくために、健康な状態のときの音波による変位量と比べて、現在の変位量の割合がある閾値以下に下がったときを潅水タイミングとする制御をかけることが可能と思われる。

＜葉および茎の共振周波数について＞
実験開始時から水の給水をカットして水ストレスを小松菜に与えた。５月２３日〜２４日の間にいったん茎が倒れたため、給水し復活させた。しかしながら、茎の位置はもどったものの葉の状況はもう元には戻らなかった。
葉および茎の共振周波数の変化を図１０に示す。
図１０に示すように、葉および茎の共振周波数は徐々に変化していくが、通常その変化幅は小さいため、誤差の影響を受けやすい。最終的に茎が倒れる直前にのみ大きな変化を示すが、このタイミングを潅水制御の指標として用いた場合には、植物にはある程度のダメージが残ってしまうことが予測される。

＜加振前の葉の位置の変動＞
音波による加振前の葉の初期位置（図２のＸで示す位置）の変動を図１１に示す。
水ストレスを与え始めた（給水をカットした）初期は葉の初期位置に周期的な変動がみられており、植物の葉や茎が１日のうちで活発に活動していることが観測されている。しかし、給水カットによる水ストレスが加わると、徐々にこの変動はなくなっていき、生体としての動きが不活発となることがわかる。
この葉の初期位置の変動は固定的に常時計測していないとその動きの有り無しの判定ができないが、加振時の変位幅に関しては、健康時の葉の振動変位が既知であれば、特に常時観測の必要はなく、日にちをおいた計測であっても評価可能な点が特徴であると思われる。したがって、超音波加振により葉の振動変位から水ストレスを推定し、閾値等を用いて潅水制御をかける方法により、節水をしつつ植物の健康も維持することができると思われる。また、この方法であれば、特に共振周波数を調べる必要はないので、単純にレーザ変位計の出力する出力値をモニタリングするだけでも計測可能な点が大きな特徴である。

１ 植物
１０ 本発明の評価装置
１１ 音響発信源
１３ 計測部
１３１ レーザ
１５ コンピュータ
１５１ 解析部
１５２ 制御部
１５３ 表示部
１７ 任意波形発生装置
１９ アンプ

Claims (9)

1. 振動発生源を用いて植物を振動させる振動工程と、
   前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測工程と、
   前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する評価工程と、
   を備える植物の健康状態の評価方法。
2. 前記振動工程が、
   前記振動発生源として音波発信源を用い、この音波発信源から前記植物の表面へ音波を照射する工程である、請求項１に記載の健康状態の評価方法。
3. 前記評価工程が、
   前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から前記植物の共振周波数を前記解析情報として得て、その共振周波数の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する工程である、請求項１または２に記載の植物の健康状態の評価方法。
4. 前記評価工程が、
   前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形における変位の最大値と最小値との合計値を前記解析情報として得て、その合計値の推移を把握し、その変化から植物の健康状態の変化を把握する工程である、請求項１または２に記載の植物の健康状態の評価方法。
5. 植物の表面を振動させ得る振動発信源と、
   前記植物の位置を計測して、振動した植物の位置情報を得る計測部と、
   前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から解析情報を得て、その解析情報を継続的または断続的に出力する解析部と、
   を有し、前記解析部から出力される情報の推移の変化から植物の健康状態の評価を行うことができる、植物の健康状態の評価装置。
6. 前記振動発信源が、植物の表面を振動させ得る音波を発生させる音波発信源である、請求項５に記載の植物の健康状態の評価装置。
7. 前記解析部が、
   前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形から前記植物の共振周波数を前記解析情報として得て、継続的または断続的にその共振周波数の解析情報を出力する、請求項５または６に記載の植物の健康状態の評価装置。
8. 前記解析部が、
   前記位置情報から前記植物の振動波形を求め、その振動波形における変位の最大値と最小値との合計値を前記解析情報として得て、継続的または断続的にその合計値の解析情報を出力する、請求項５または６に記載の植物の健康状態の評価装置。
9. 請求項１〜４のいずれかに記載の評価方法によって植物の健康状態を把握し、前記解析情報が所定値となったときに前記植物へ水を供給する供給工程を備える、植物の栽培方法。