JP2017042136A - 植物栽培支援装置、植物栽培支援方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】植物の状態を精度よく評価することが可能な植物栽培支援装置を提供すること。
【解決手段】本植物栽培支援装置は、植物の状態を評価して前記植物の栽培を支援する植物栽培支援装置であって、所定位置から前記植物の少なくとも１点までの距離データを入手し、前記距離データに基づいて前記植物の水ストレス評価値を導出する評価部と、前記水ストレス評価値に基づいて前記植物に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成する制御部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、植物栽培支援装置、植物栽培支援方法、プログラム、及び記憶媒体に関する。

植物の状態を自動診断し、環境条件を植物の生育に適した状態に制御するSpeaking Plant Approach （SPA）と呼ばれる技術が提唱されている。この技術は、植物の生育状況の記録や遠隔での病理診断等を通じた栽培の省力化や、水分の制御による農産物の高収量、高品質化の実現を容易にするものとして近年注目されている。

果菜類を例に水分の制御による影響を例示すれば、果菜類は結実後に十分に水分が得られないと、水ストレスに伴い果実の大きさが低下し、収量が減少する場合がある。一方で、適度に水ストレスを付与することで果実が高糖度化することも知られている。この性質を利用した農法では、水分の制御を通じて付加価値の高い作物を生産している。

上述した高糖度果実の生産を行う農法は、作物の高付加価値化による単位面積当たりの収入増加が見込める一方で、次のような課題がある。１つ目の課題は、潅水のタイミングや量は作業者の経験と勘に依存しており、適切な制御を行えるようになるまでに試行錯誤と熟練を要することである。２つ目の課題は、天候や作物の生長度合いによって最適な潅水量やタイミングは変化するが、これを誤ると過度な水ストレスに伴う作物の枯死や、水ストレスの不足による果実の品質低下に繋がることである。

これらに事情に鑑み、画像入力装置を用いて植物の葉の投影面積を求め、直近の投影面積の最大値と現在の投影面積との比に基づき水ストレスの状態を推定し、給液のタイミングを判断する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、水ストレス状態の推定は外観に基づくため非接触であり、従来の破壊計測や植物に電極を取り付ける手法よりも、導入や運用の難易度が低いメリットがある。

しかしながら、上記の技術において、投影面積では葉の萎れを適切に評価できない場合がある。この原因としては次のようなものが挙げられる。

第１には、投影面積の幾何学的な性質である。すなわち、葉の投影面積は、葉が画像平面と成す鋭角の角度θがゼロである（つまり、葉が画像平面に対して水平となる）角度において最大Ａ０となり、角度θが大きくなるにつれて減少する。葉が平面であり、撮影位置までの距離が葉の上下の変動幅よりも十分に大きいと仮定すれば、その投影面積Ａ（θ）はＡ（θ）＝Ａ０・ｃｏｓθと近似することができる。

つまり、投影面積の一次微分はＡ（θ）／ｄθ＝−Ａ０・ｓｉｎθであり、これは角度θがゼロ度付近と例えば４５度付近とでは、１度の角度変化に伴う投影面積の変動量が大きく異なることを意味する。すなわち、投影面積の変化に基づいて萎れを評価する場合、初期の萎れを適切に捉えられないおそれがある。

第２には、葉の成熟に伴う水ストレスへの応答の変化である。すなわち、一般に、成熟した葉よりも若い葉の方が萎れやすく、又、若い葉よりも成熟した葉の方が面積は大きい。従って、植物が生長するに伴い、相対的に萎れにくい成熟した葉が投影面積に占める割合が増大することになる。このため、同程度の水ストレスであっても、生長度合いによって投影面積の変化率は異なることになり、成熟した株の水ストレスが過小に評価されるおそれがある。

第３には、葉の密集に伴う投影面積の変動量の低下である。すなわち、葉の萎れに伴う投影面積の低下は、一般に葉の垂下に伴い画像平面上での面積占有率が低下し、相対的に背景の割合が増大することで生じる。しかし、植物が生長して葉が生い茂ると、撮影位置から見た葉同士の重なりが大きくなる。このため、萎れることで上層の葉が垂下しても、それまで遮蔽されていた下層の葉が見えてくることで、葉の萎れが投影面積の変動に繋がらない場合がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、植物の状態を精度よく評価することが可能な植物栽培支援装置を提供することを目的とする。

本植物栽培支援装置は、植物の状態を評価して前記植物の栽培を支援する植物栽培支援装置であって、所定位置から前記植物の少なくとも１点までの距離データを入手し、前記距離データに基づいて前記植物の水ストレス評価値を導出する評価部と、前記水ストレス評価値に基づいて前記植物に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成する制御部と、を有することを要件とする。

開示の技術によれば、植物の状態を精度よく評価することが可能な植物栽培支援装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置について説明する図である。 第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置の処理を示すフローチャートの一例である 第１の実施の形態の変形例に係る植物栽培支援装置について説明する図である。 第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置について説明する図である。 第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置の処理を示すフローチャートの一例である。 第３の実施の形態に係る植物栽培支援装置の処理を示すフローチャートの一例である。

以下、図面を参照して、実施の形態の説明を行う。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。又、本明細書において、水と肥料を合わせて「養液」と称する場合があり、植物に養液を与える行為を「給液」と称する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置について説明する図である。図１を参照するに、植物栽培支援装置１は、植物の状態を評価して植物の栽培を支援する装置であり、主要な構成要素として、コンピュータ１０と、距離センサ２０とを有している。但し、図１では、コンピュータ１０と距離センサ２０とを別体として図示しているが、両者を１つの筐体内に一体化してもよい。例えば、距離センサ２０がコンピュータを内蔵しており、距離センサ２０内のコンピュータにコンピュータ１０の機能を持たせてもよい。なお、植物の状態とは、例えば、葉の萎れ、水ストレスの程度、生長度合い等を含むものである。

コンピュータ１０は、インタフェース１１と、演算部１２と、記憶部１３とを有している。インタフェース１１と演算部１２と記憶部１３とは、バス１４を介して相互に接続されている。コンピュータ１０は、例えば、ＰＣ（personal computer）である。

インタフェース１１は、距離センサ２０と通信する機能を備えている。演算部１２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、評価部１２１や制御部１２２を含んでいる。記憶部１３は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んでいる。記憶部１３は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発メモリを含んでもよい。例えば、ＣＰＵである演算部１２がＲＡＭと協働してＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することで、評価部１２１や制御部１２２の機能が実現される。

距離センサ２０は、コンピュータ１０のインタフェース１１と通信可能に構成されている。通信は有線であっても無線であってもよい。距離センサ２０は、例えば、所定の時間間隔又はコンピュータ１０からの指示を受けて、被写体である植物５００までの距離データを取得することができる。

距離センサ２０としては、例えば、レンズ焦点法やパッシブ・ステレオ法等の受動型の方式を採用するセンサ（例えば、単眼カメラやステレオカメラ等）を用いることができる。又、距離センサ２０として、例えば、ＴＯＦ（Time-of-Flight）法やアクティブ・ステレオ法等の能動型の方式を採用するセンサ（例えば、光レーダやプロジェクタカメラシステム等）を用いてもよい。又、距離センサ２０は、同一種類の複数個のセンサや、複数種類のセンサから構成されてもよい。

なお、距離センサ２０として単眼カメラやステレオカメラを用いた場合には、距離センサから発した光の反射光を検出する方法と比較して、太陽光（外光）の影響を受け難い点で好適である。

距離センサ２０により取得された距離データは、コンピュータ１０へと伝送され、インタフェース１１を介して記憶部１３へと格納される。格納された距離データは、演算部１２により記憶部１３から読み出される。評価部１２１は、距離データを入手し、入手した距離データに基づいて植物５００の水ストレス評価値を導出し、水ストレス状態を推定する。なお、水ストレス評価値とは、植物における水の不足の程度を表す評価値である。

又、制御部１２２は、評価部１２１が導出した水ストレス評価値に基づいて、植物５００に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成する。例えば、制御部１２２は、植物５００に対する給液の要否を判断し、植物５００に対して施すべき制御として給液を決定し、給液に用いる制御信号を生成する。

コンピュータ１０は、通知部７０と接続可能に構成されている。制御部１２２により給液が必要と判断された場合、制御部１２２が生成した制御信号が通知部７０に送信され、通知部７０により給液が必要である旨の通知を行うことができる。

給液が必要である旨の通知は、例えば、ブザーを鳴らす方法や、回転灯を光らせる方法により実現できる。又、給液が必要である旨の通知は、メールや電話により予め設定された連絡先へ連絡を行う方法により実現してもよい。或いは、メールや電話に代えて、スマートフォン用の専用アプリケーションを用いて視覚的に通知を行ってもよい。

コンピュータ１０は、記憶媒体装着部８０と接続可能に構成されている。記憶媒体装着部８０は、演算部１２が実行するプログラムを格納した記憶媒体を脱着可能に装着することができる。記憶媒体装着部８０に装着できる記憶媒体は、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＳＤメモリ、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＢＤ（Blue ray Disc）等である。但し、記憶媒体装着部８０を用いずに、ネットワークを経由して、演算部１２が実行するプログラムを記憶部１３にダウンロードする構成としてもよい。

なお、距離センサ２０は、植物５００を視野角内に捉えられる位置であれば、どこに設置してもよいが、植物５００の鉛直上方に近い位置に設置することが望ましい。

次に、植物栽培支援装置１を用いた植物栽培支援方法について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置の処理を示すフローチャートの一例である。図２を参照しながら、植物栽培支援装置１の処理について詳細に説明する。

まず、ステップＳ１０１では、コンピュータ１０は、距離センサ２０から距離データを取得する。具体的には、演算部１２内の評価部１２１は、距離センサ２０から、植物５００までの距離データを所定のタイミングで取得する。例えば、距離センサ２０としてステレオカメラを用いた場合、距離センサ２０は、ステレオカメラを構成する２つのカメラで各々撮影した２枚の画像をステレオカメラ内で処理して距離データに変換することができる。この場合、演算部１２内の評価部１２１は、ステレオカメラ内で変換した距離データを取得する。

なお、所定のタイミングとは、例えば、コンピュータ１０からトリガ信号を受信したタイミングである。又、予め設定された時刻や時間間隔に基づいて決定されるタイミングであってもよい。或いは、距離センサ２０がトリガ信号を生成してもよい（距離センサ２０自身が所定のタイミングを決定してもよい）。

ステップＳ１０１では、所定位置（距離センサ２０が設置されている位置）から植物５００の少なくとも１点までの距離データを入手すればよい。すなわち、距離データは、空間中の１点のみから取得してもよいし、複数点から取得してもよい。更に、空間中の複数点から取得した距離データを統合して代表値（平均値、中央値、標準偏差等）に変換して利用してもよい。以降、距離データが空間中の複数点から取得される場合を例として説明する。

次に、ステップＳ１０２では、コンピュータ１０は、距離データに基づいて水ストレス状態を推定する。具体的には、演算部１２内の評価部１２１は、距離センサ２０から入手した距離データに基づいて植物５００の水ストレス状態を推定し、水ストレス評価値を導出する。距離データから水ストレス状態を推定する方法としては、次のようなものが例示できる。

第１の例は、検量線に基づく推定である。すなわち、事前に水ストレス状態を破壊計測等の方法で計測し、それと同時刻、同個体に対して計測した距離データとを対応付け、検量線を引いておく。この検量線を用いることで、ある個体の任意の時刻の距離データから水ストレス状態を推定することができる。

第２の例は、距離の変化量に基づく推定である。すなわち、水ストレス状態を推定する時刻よりも前の、所定の時間範囲の距離データから、萎れが生じていない状態における距離データの代表値Ｄ０を抽出する。この代表値Ｄ０と任意の時刻の距離データの代表値Ｄｔとを比較することで、葉の萎れ度合いを表す萎れ率を算出する。比較の方法としては、Ｄ０とＤｔの比を求める方法や、Ｄ０とＤｔの差を求める方法が例示できる。この萎れ率に基づいて、例えば、前述したものと同様の手順で作成した検量線を用いて水ストレス状態を推定することができる。

第３の例は、三次元形状に基づく推定である。すなわち、空間的に取得された距離データに基づいて、植物全体の形状や葉の形状を三次元復元し、その三次元形状を用いて水ストレス状態を推定する。なお、この場合には、植物全体の形状や葉の形状を三次元復元できる程度に、距離データを密に取得する必要がある。

植物全体の形状を用いる場合には、萎れが生じていない状態における植物全体の基準形状を記憶しておき、その基準形状からの変化度合いに基づいて葉の萎れ度合いを推測することができる。一例として、萎れが生じていない状態の樹冠の幅や体積を基準とし、現在時刻の樹冠の幅や体積の割合から、予め作成しておいた検量線を用いて葉の萎れ度合いに変換する方法が挙げられる。

又、葉の形状を用いる場合には、葉の水平面に対する傾きを求め、傾きの大きさに基づいて葉の萎れ度合いを推測することができる。

植物全体の形状を用いる場合、葉の形状を用いる場合の何れについても、求めた葉の萎れ度合いと、予め設定された葉の萎れ度合いと水ストレスとの対応関係から、水ストレスの状態を推定することができる。

なお、上記のようにして推定する水ストレス状態は、植物の水ストレスの目安となる指標であればよく、植物にかかっている水ストレスの厳密な値を求める必要は必ずしもない。

距離センサ２０から得られる距離データには、植物の他に地面だけでなく、支柱や誘引紐等の農業用品がノイズとして含まれている場合がある。これらノイズが混入した距離データを用いて水ストレス状態を推定すると、推定結果に大きな誤差が生じるおそれがある。そこで、これらのノイズを適宜除去することが望ましい。

例えば、地面であれば距離センサの高さに基づいて地面までの距離は計算できるため、地面に相当する距離データを除去することができる。又、農業用品は、予め植物がない状態で取得した距離データと、植物を含む距離データとの差分を取ることで除去することができる。

更に、カメラで撮影した画像から色や形状の特徴に基づいて植物でない物体を特定し、距離データにおける当該物体に相当するデータを選択的に排除してもよい。この方法は、カメラを用いる距離センサで採用できることはもちろんであるが、カメラを用いない距離センサでもカメラを追加することで採用可能となる。

次に、ステップＳ１０３では、コンピュータ１０は、水ストレス状態に基づいて給液の要否を判断する。具体的には、演算部１２内の制御部１２２は、植物５００に対する給液が必要か否かを、ステップＳ１０２で評価部１２１が推定した水ストレス状態に基づいて判断する。給液の要否は、例えば、水ストレス状態が予め設定された閾値を越えているか否かに基づいて判断することができる。

ステップＳ１０３において給液が必要と判断された場合（Ｙｅｓの場合）にはステップＳ１０４に進み、給液が不要と判断された場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４では、通知部７０が所定の通知を行う。すなわち、制御部１２２により給液が必要と判断された場合、演算部１２は通知部７０に情報を送信し、通知部７０により給液が必要である旨の通知を行う。給液が必要である旨の通知の具体例は前述の通りである。

以上のステップＳ１０１からＳ１０４までが１回の距離データの取得に付随して実施される一連の処理である。これらの各ステップが完了したら、ステップＳ１０５で制御を終了するか否かを判断する。ステップＳ１０５において終了すると判断された場合（Ｙｅｓの場合）には制御を終了し、終了しないと判断された場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１０１に戻り、所定の時刻又は時間間隔を経た後にステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理が繰り返される。

以上の説明では、特別な工夫をせずに植物５００を直接観測しているが、距離センサを用いてより安定かつ高精度に距離データが得られるよう、植物５００にマーカ等を付与してもよい。例えば、距離センサ２０として被写体からの光の反射を用いる光レーダやプロジェクタカメラシステムを用いた場合には、入射した方向に光を返す再帰性反射素材を植物５００に塗布する方法が挙げられる。

又、距離センサ２０として被写体の視覚的パターンを利用するステレオカメラを用いた場合には、パターンが検出しやすいよう球状のマーカや幾何学図形を組み合わせたマーカを植物５００に貼り付ける方法が挙げられる。更に、被写体である植物５００と背景である床や壁とを、距離センサ２０が容易に分離するために、背景を植物とは異なる色のシートで覆ってもよい。

このように、第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置１では、距離センサ２０を用いて植物５００の外観の経時変化を観察することにより、植物５００の状態を精度よく評価することが可能となる。より具体的には、植物５００の上方に設置した距離センサ２０から得られた葉や茎等の植物５００の部分領域までの距離情報を用い、植物５００にかかる水ストレス評価値を非接触で精度よく評価することが可能となり、植物栽培を支援することができる。

すなわち、距離センサ２０を用いることで、植物５００の外観の変化を距離センサ２０から植物５００までの距離変動として捉えることができる。葉の萎れに起因する葉の垂下は、距離センサ２０から葉までの平均的な距離の増大に繋がる。従って、葉までの平均的な距離の時間変化を追うことで、葉の萎れ度合い、ひいてはその要因である水ストレスの強度を推定することができる。なお、距離センサ２０は葉の形状変化を直接的に観測するため、背景技術で示した投影面積を利用する方法のような問題は生じない。

又、水ストレスの強度を把握することで、潅水量やタイミングを適切に決定できる。農場における一般的な植物栽培では、所定時刻に所定量の潅水が行われる。しかし、環境要因に起因する植物の水ストレス状態や植物の生育状況によって、最適な潅水量や潅水タイミングは日々異なる。仮に、必要以上の水を与えれば、植物に吸収されずに拡散して無駄となるか、土中に滞留することで根腐れの原因となるおそれがある。一方で、必要に満たない水しか与えられていなければ、植物が枯死するおそれがある。

植物栽培支援装置１では、植物５００の水ストレス状態をリアルタイムに把握し、その水ストレス解消に必要な量の潅水を適切なタイミングで行うことにより、栽培目的に即した最適な潅水制御を実現することができる。すなわち、水ストレス評価値を活用することで、潅水や肥料の量やタイミングを適切に制御することが可能となり、高収量や高品質の作物を、安定かつ容易に生産することができる。又、水ストレスが所定の基準を満たした際に、その旨を通知することで、適切な給液制御を支援し、養液の過不足を予防することができる。

なお、植物栽培支援装置１ではコンピュータ１０と距離センサ２０とを構成要素としたが、植物栽培支援装置１はコンピュータ１０のみから構成してもよい。この場合、コンピュータ１０とは別に準備された距離センサからコンピュータ１０が距離データを入手し、入手した距離データに基づいてコンピュータ１０が植物５００の水ストレス評価値の導出等を行う。

〈第１の実施の形態の変形例〉
第１の実施の形態の変形例では、演算部で距離データを導出する例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図３は、第１の実施の形態の変形例に係る植物栽培支援装置について説明する図である。図３を参照するに、第１の実施の形態の変形例に係る植物栽培支援装置１Ａは、演算部１２が距離データ導出部１２３を備えている点が、第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置１（図１参照）と相違する。

距離データ導出部１２３は、距離データの導出に必要な距離情報を距離センサ２０から入手し、入手した距離情報に基づいて距離データを導出する機能を備えている。すなわち、植物栽培支援装置１Ａでは、距離センサ２０が距離データの導出に必要な距離情報のみを取得してコンピュータ１０に送信する。そして、コンピュータ１０の演算部１２内の距離データ導出部１２３が、距離センサ２０から入手した情報に基づいて距離データを導出する。

例えば、距離センサ２０としてステレオカメラを用いた場合、図２のステップＳ１０１において、ステレオカメラを構成する２つのカメラで各々撮影した２枚の画像を距離情報としてコンピュータ１０に送信する。そして、コンピュータ１０の演算部１２内の距離データ導出部１２３が、距離情報である２枚の画像に基づいて距離データを導出する。

このように、距離センサ２０自身が距離データを導出してもよいし、距離センサ２０が距離データの導出に必要な距離情報を取得し、距離センサ２０が取得した距離情報に基づいて距離データ導出部１２３が距離データを導出してもよい。

なお、植物栽培支援装置１Ａはコンピュータ１０のみから構成してもよい。この場合、コンピュータ１０とは別に準備された距離センサからコンピュータ１０が距離データの導出に必要な距離情報を入手し、コンピュータ１０が距離データを導出する。そして、導出した距離データに基づいて、コンピュータ１０が植物５００の水ストレス評価値の導出等を行う。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、給液部を備えた植物栽培支援装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図４は、第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置について説明する図である。図４を参照するに、第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置２は、給液部３０を備えている点が、第１の実施の形態に係る植物栽培支援装置１（図１参照）と相違する。又、コンピュータ１０のインタフェース１１は、距離センサ２０及び給液部３０と通信可能に構成されている。

距離センサ２０は、所定の時間間隔又はコンピュータ１０からの指示を受けて、被写体である植物５００までの距離データを取得する。取得された距離データはコンピュータ１０へと伝送され、インタフェース１１を介して記憶部１３へと格納される。格納された距離データは、演算部１２により記憶部１３から読み出されて処理され、給液の要否が判断され、給液が必要であれば給液の量（液体の供給量）やタイミングが決定される。

給液をすべきタイミングに至った場合、演算部１２はインタフェース１１を経由して、給液部３０に給液量を通知する。給液部３０はコンピュータ１０からの通知を受け、指定された量の液を植物５００へと供給する。

次に、植物栽培支援装置２を用いた植物栽培支援方法について説明する。図５は、第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置の処理を示すフローチャートの一例である。図５を参照しながら、植物栽培支援装置２の処理について詳細に説明する。

まず、図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様の処理を実行する。但し、ステップＳ１０３では、演算部１２内の制御部１２２は、予め設定された給液量と給液タイミングを利用して給液の要否を判断することになる。又、演算部１２内の制御部１２２が給液の量やタイミングまで含めて判断するのであれば、例えば、予め設定された水ストレス状態と給液量や給液タイミングとの対応付けの表を参照し、給液の量やタイミングを決定すればよい。

ステップＳ１０３において給液が必要と判断された場合（Ｙｅｓの場合）にはステップＳ２１０に進み、給液が不要と判断された場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ２１０では、演算部１２内の制御部１２２は、インタフェース１１を介して給液部３０に給液量と給液タイミングの情報を送信し、給液部３０は受信した情報に基づいて植物５００に対して給液を行う。なお、給液タイミングを制御部１２２が決定し、当該タイミングが到来したら給液部３０に給液量を通知して即時に給液を実施させてもよい。

以上のステップＳ１０１からＳ２１０までが１回の距離データの取得に付随して実施される一連の処理である。これらの各ステップが完了したら、ステップＳ１０５で制御を終了するか否かを判断する。ステップＳ１０５において終了すると判断された場合（Ｙｅｓの場合）には制御を終了し、終了しないと判断された場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１０１に戻り、所定の時刻又は時間間隔を経た後にステップＳ１０１〜Ｓ２１０の処理が繰り返される。

このように、第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置２は、植物５００に液体を供給する給液部３０を有している。そして、制御部１２２は、水ストレス評価値に基づいて、植物５００に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成する。例えば、制御部１２２は、植物５００に対する給液の要否を判断し、植物５００に対して施すべき制御として給液を決定し、給液に用いる制御信号を生成する。そして、給液部３０は、制御部１２２が生成した制御信号に基づいて植物５００に液体を自動的に供給する。この際、制御部１２２により、給液の要否と共に、植物５００に対する給液の量やタイミングが判断されてもよい。

植物栽培支援装置２により植物の状態を逐次監視して必要とされる水分量を把握することで、適切なタイミングで適切な量を自動的に給液することができる。これにより、最適な給液制御を自動で実現できる。又、給液の自動化によりヒューマンエラーの防止や、作業の省力化と高品質化を実現することができる。又、広大な農場等における植物栽培を、より少ない人手で実現することができる。

なお、植物栽培支援装置２ではコンピュータ１０と距離センサ２０と給液部３０を構成要素としたが、植物栽培支援装置２はコンピュータ１０のみから構成してもよい。この場合、コンピュータ１０とは別に準備された距離センサからコンピュータ１０が距離データを入手し、入手した距離データに基づいてコンピュータ１０が植物５００の水ストレス評価値の導出等を行う。又、コンピュータ１０とは別に準備された給液部に情報を送信して給液を行う。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第２の実施の形態に係る植物栽培支援装置２を用いて給液の量とタイミングを自動的に決定する例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６は、第３の実施の形態に係る植物栽培支援装置の処理を示すフローチャートの一例である。図６を参照しながら、植物栽培支援装置２の処理について詳細に説明する。

まず、図２のステップＳ１０１及びＳ１０２と同様の処理を実行する。次に、ステップＳ３１０では、コンピュータ１０は、距離データから生長度合いを推定する。具体的には、演算部１２内の評価部１２１は、距離データに基づいて植物５００の生長度合いを推定し、植物５００の生長の状態を表す生長評価値を導出する。

すなわち、成長に伴い植物５００の高さが増大すれば、距離センサ２０から葉までの距離は低下する。従って、葉までの距離の時間変化を追うことで、植物の高さ、すなわち生長度合いを推定することができる。なお、葉の萎れと植物の生長とは、距離センサ２０からの距離に対して逆向きに作用する変動であるが、前者が短期変動であるのに対し、後者は長期変動であることから、時間軸方向の周波数解析により容易に分離することができる。

距離データから生長度合いを推定する具体的な方法としては、次のようなものが例示できる。第１の例は、検量線に基づく推定である。すなわち、事前に植物５００の生長度合いを代表する高さや葉面積等を測定し、それと同時刻、同個体に対して計測した距離データとを対応付け、検量線を引いておく。この検量線を用いることで、任意の時刻の距離データから生長度合いを推定することができる。

第２の例は、距離に基づく推定である。すなわち、所定の時間範囲の距離データから代表値を導出することで、植物の高さを推定し、生長度合いの尺度として用いることができる。

第３の例は、三次元形状に基づく推定である。すなわち、空間的に取得された距離データに基づいて、植物全体の形状や葉の形状を三次元復元し、その三次元形状から樹冠の幅や体積を推定して生長度合いを求める。

なお、上記のようにして推定する生長度合いは目安となる指標であればよく、生長の厳密な値を求める必要は必ずしもない。

又、図６のフローチャートでは、距離データを取得するたびに生長度合いを推定しているが、これには限定されない。植物の生長は葉の萎れよりも長い時間間隔で生じる現象であるため、例えば、１日に１回程度生長度合いを推定し、次の推定まで同じ値を利用してもよい。又、生長度合いの推定は葉の萎れが生じていないタイミングで行うことが望ましい。

次に、図２のステップＳ１０３と同様の処理を実行する。但し、ステップＳ１０３において、給液の量やタイミングは植物の生長度合いに合わせて変更することが望ましい。例えば、予めこれらを対応付けた表を作成しておき、この表を参照することで量やタイミングを決定することができる。又、推定された生長度合いに応じて肥料を変更してもよく、例えば、養液の作製に際して混合する水と肥料との量や種類を適宜制御することで、生長段階に適した養液を植物に与えることができる。

ステップＳ１０３において給液が必要と判断された場合（Ｙｅｓの場合）にはステップＳ２１０に進み、給液が不要と判断された場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１０５に進む。

以上のステップＳ１０１からＳ２１０までが１回の距離データの取得に付随して実施される一連の処理である。これらの各ステップが完了したら、ステップＳ１０５で制御を終了するか否かを判断する。ステップＳ１０５において終了する判断された場合（Ｙｅｓの場合）には制御を終了し、終了しないと判断された場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１０１に戻り、所定の時刻又は時間間隔を経た後にステップＳ１０１〜Ｓ２１０の処理が繰り返される。

このように、第３の実施の形態に係る植物栽培支援装置２では、評価部１２１は、水ストレス評価値に加え、距離データに基づいて植物５００の生長の状態を表す生長評価値を導出する。又、制御部１２２は、評価部１２１が導出した水ストレス評価値及び生長評価値に基づいて植物５００に対して施すべき制御（給液の量やタイミング）を決定し、制御に用いる制御信号を生成する。

言い換えれば、植物栽培支援装置２が観察対象である植物５００を常時モニタリングし、植物の生長度合いに応じて給液の量やタイミングを決定する。これにより、潅水量やタイミング、更には肥料の量や種類まで制御することが可能となり、生長の各段階において最適な給液制御を実現することができる。

植物５００の生育状況によって最適な潅水量や潅水タイミングは異なる。仮に同程度の水ストレスがかかっていたとしても、未熟な株と成熟した株とでは個体の大きさに差があり、要求される水の量も異なることは容易に想像できる。従って、植物５００の生育状況を常に把握することで、従来よりも適切な潅水制御を実現することができる。

又、植物栽培支援装置２において、制御部１２２は、生長評価値に基づいて（植物の生長度合いに応じて）給液部３０が植物５００に供給すべき養液の種類又は濃度の情報を決定し、決定した情報を含む制御信号を生成してもよい。これにより、植物の生長段階に合わせて、適切な種類の肥料やその濃度の養液を供給することができる。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第１〜第３の実施の形態において観察範囲を生長点付近に限定する例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

第１〜第３の実施の形態では、植物全体の距離データに基づいて水ストレス状態を推定していたが、これには限定されない。成熟した葉よりも若い葉の方が、水ストレスに伴い萎れを生じやすい傾向にある。従って、若い葉を対象として萎れを評価すれば、植物全体を対象とするよりも水ストレスをより早期かつ正確に捉えられることが期待できる。

そこで、本実の形態では、生長点近傍に着目して水ストレス状態の推定を行う。例えば、距離データの中で植物の生長点近傍のデータのみを選択し、その変動に基づいて水ストレスの度合いを推定する。つまり、他の実施の形態では植物全体の葉の萎れを評価していたが、本実施の形態では上部の葉の萎れに限定して評価する。

具体的には、若い葉は植物の相対的に高い位置に存在することから、距離データのうち植物の相対的に高い位置にある距離データのみを用いて水ストレス評価値等を導出する。相対的に高い位置にある距離データを選択する方法として、次のようなものが挙げられる。

第１の例は、高さの絶対値に基づく選択である。例えば、第３の実施の形態で説明した方法により植物の高さを推定し、植物の高さに応じて予め決定された鉛直位置の範囲内の距離データを抽出することができる。

第２の例は、生長点からの距離に基づく選択である。すなわち、空間的に取得した距離データから植物の形状を把握し、最も高い部分を生長点と見なす。その上で、生長点の高さから鉛直方向に所定の範囲を設け、その範囲に含まれる距離データを選択する。上記のようにして抽出された生長点近傍の若い葉の距離データを用い、例えば図６のステップＳ１０２において水ストレス状態を推定する。

このように、第４の実施の形態によれば、萎れに伴う外観変化が最も出やすい生長点付近に評価対象を限定する。これにより、他の実施の形態と比較して高精度かつ高感度に水ストレス状態や生長度合いを推定することができ、最適な給液量や給液タイミングの判断を行うことができる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ、２ 植物栽培支援装置
１０ コンピュータ
１１ インタフェース
１２ 演算部
１３ 記憶部
１４ バス
２０ 距離センサ
３０ 給液部
７０ 通知部
８０ 記憶媒体装着部
１２１ 評価部
１２２ 制御部
１２３ 距離データ導出部
５００ 植物

特開２００７−３０６８４６号公報

Claims (12)

1. 植物の状態を評価して前記植物の栽培を支援する植物栽培支援装置であって、
   所定位置から前記植物の少なくとも１点までの距離データを入手し、前記距離データに基づいて前記植物の水ストレス評価値を導出する評価部と、
   前記水ストレス評価値に基づいて前記植物に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成する制御部と、を有する、ことを特徴とする植物栽培支援装置。
2. 前記評価部は、前記距離データのうち前記植物の相対的に高い位置にある距離データのみを用いて前記水ストレス評価値を導出する、ことを特徴とする請求項１に記載の植物栽培支援装置。
3. 前記評価部は、前記水ストレス評価値に加え、前記距離データに基づいて前記植物の生長の状態を表す生長評価値を導出し、
   前記制御部は、前記水ストレス評価値及び前記生長評価値に基づいて前記植物に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の植物栽培支援装置。
4. 植物に液体を供給する給液部を有し、
   前記制御部は、前記水ストレス評価値に基づいて前記給液部が前記植物に供給すべき前記液体の供給量を決定し、前記供給量を前記制御信号として生成し、
   前記給液部は、前記制御信号に基づいて前記植物に前記液体を供給する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の植物栽培支援装置。
5. 植物に液体を供給する給液部を有し、
   前記制御部は、前記生長評価値に基づいて前記給液部が前記植物に供給すべき前記液体の種類又は濃度の情報を決定し、前記情報を含む制御信号を生成し、
   前記給液部は、前記制御信号に基づいて前記植物に前記液体を供給する、ことを特徴とする請求項３に記載の植物栽培支援装置。
6. 前記植物の少なくとも１点までの距離を計測して前記距離データを導出する距離センサを有する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の植物栽培支援装置。
7. 前記植物の少なくとも１点までの距離を計測して前記距離データの導出に必要な距離情報を取得する距離センサと、
   前記距離情報に基づいて前記距離データを導出する距離データ導出部と、を有する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の植物栽培支援装置。
8. 前記評価部、前記制御部、及び前記距離センサを、１つの筐体内に一体化した、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の植物栽培支援装置。
9. 植物の状態を評価して前記植物の栽培を支援する植物栽培支援方法であって、
   所定位置から前記植物の少なくとも１点までの距離データを入手し、前記距離データに基づいて前記植物の水ストレス評価値を導出するステップと、
   前記水ストレス評価値に基づいて前記植物に対して施すべき制御を決定し、制御に用いる制御信号を生成するステップと、を有する、ことを特徴とする植物栽培支援方法。
10. 前記水ストレス評価値を導出するステップでは、前記距離データのうち前記植物の相対的に高い位置にある距離データのみを用いて前記水ストレス評価値を導出する、ことを特徴とする請求項９に記載の植物栽培支援方法。
11. 請求項９又は１０に記載の各ステップをコンピュータに実行させるプログラム。
12. 請求項１１に記載のプログラムを格納した記憶媒体。

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