JP2019002811A - 土壌測定装置、土壌測定方法及び土壌測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光の受光態様が圃場の位置によって異なっても、精度よく反射率を測定し、土壌の特性を測定することができる土壌測定装置、土壌測定方法及び土壌測定プログラムを提供すること。【解決手段】土壌測定装置１は、空中の複数の位置において、圃場２００の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段と、圃場２００への照射光に対する反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、空中の複数の位置において受光した反射光に基づいて算出した複数の反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段と、圃場２００の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、分析情報と補正反射率に基づいて、圃場２００全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、土壌測定装置、土壌測定方法及び土壌測定プログラムに関する。

従来、産業用無人ヘリコプターに配置したビデオカメラから圃場全体を撮影して画像と自然光の反射率を示すデータを取得し、一方で、その圃場の一部の土壌をサンプリングして熱水抽出性窒素を測定し、圃場全体の熱水抽出性窒素の分布マップを生成する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−２５４７１１号公報

ところで、圃場の位置によって、自然光の受光状態は異なり、一様ではない。例えば、圃場の一つの位置においては、自然光が直接受光されるだけであり、他の位置においては、周囲の構造物や樹木等の自然物からの反射光も受光される場合がある。また、ビデオカメラの近傍の位置と遠方の位置とでは、自然光の受光状態が同一であっても、ビデオカメラが受信する土壌からの反射光の強度が異なる。このため、圃場全体をビデオカメラで撮影するだけでは、圃場の各位置における自然光の反射率を正確に測定することはできない。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、光の受光態様が圃場の位置によって異なっても、精度よく反射率を測定し、土壌の特性を測定することができる土壌測定装置、土壌測定方法及び土壌測定プログラムを提供することを目的とする。

第一の発明は、空中の複数の位置において、圃場の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段と、前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、前記空中の複数の位置において測定した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段と、前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置の特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、を有する土壌測定装置である。

第一の発明の構成によれば、土壌測定装置は、空中の複数の位置において、圃場からの反射光を測定して反射率を算出し、複数の反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する。すなわち、照射する光の態様が圃場の位置によって相違しても、複数の位置で反射光を測定して複数の反射率を算出し、統計処理を施すことによって、その相違の反射率への影響は低減する。このため、照射する光の態様が圃場の位置によって異なっても、精度よく土壌の測定を行うことができる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記土壌測定装置は、自律飛行が可能な無人飛行装置であって、前記反射光を測定する基準となる空中位置である基準位置を決定する基準位置決定手段と、前記基準位置と所定の関係を有する少なくとも一か所の補助位置を決定する補助位置決定手段と、を有する土壌測定装置である。

第三の発明は、第二の発明の構成において、前記基準位置及び前記補助位置は、太陽からの照射光が前記反射光測定手段に直接的に入射しない位置として規定される、土壌測定装置である。

第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかの構成において、前記反射光測定手段は、前記圃場を構成する複数の区画について、それぞれ、前記反射光を測定する、土壌測定装置である。

第五の発明は、空中から圃場の各位置に対して照射光を照射する照射手段と、夜間において、前記照射手段によって照射された前記照射光が前記圃場において反射した光を反射光として測定する反射光測定手段と、前記照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、前記分析情報と前記反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置の特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、を有する土壌測定装置である。

第六の発明は、自律飛行可能な無人飛行装置と、前記無人飛行装置と通信可能な管理装置と、を有する土壌測定システムであって、前記無人飛行装置は、圃場の画像を取得する画像取得手段と、空中の複数の位置において、前記圃場の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段と、を有し、前記管理装置は、 前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、前記空中の複数の位置において受光した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段と、 前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、を有する、土壌測定システムである。

第七の発明は、空中の複数の位置において、圃場の各位置からの反射光を測定する反射光受光ステップと、前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出ステップと、前記空中の複数の位置において受光した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正ステップと、前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信ステップと、前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成ステップと、を有する土壌測定方法である。

第八の発明は、土壌測定装置を制御するコンピュータを、空中の複数の位置において、圃場の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段、前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段、前記空中の複数の位置において受光した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段、圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を取得する分析結果取得手段、及び、前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段、として機能させるための土壌測定プログラムである。

本発明によれば、光の受光態様が圃場の位置によって異なっても、精度よく反射率を測定し、土壌の特性を測定することができる。

本発明の実施形態に係る土壌測定システムを示す概略図である。 無人機を示す概略図である。 無人機の機能ブロックを示す図である。 複数の区画で構成される圃場を示す概略図である。 反射率の測定位置を示す図である。 反射率の測定位置を示す図である。 土壌サンプルの取得位置及び熱水抽出性窒素の測定値の一例等を示す概略図である。 各区画の反射率等を示す図である。 サンプル取得位置以外の区画の熱水抽出性窒素の値等を示す図である。 地力窒素量マップの一例を示す概略図である。 無人機の動作を示すフローチャートである。 無人機の動作を示すフローチャートである。 第二の実施形態に係る土壌測定システムを示す概略図である。 無人機の動作を示すフローチャートである。 無人機の動作を示すフローチャートである。 第三の実施形態に係る土壌測定システムを示す概略図である。 無人機を示す概略図である。 無人機の機能ブロックを示す図である。 土壌測定方法を示す概略図である。 無人機の動作を示すフローチャートである。 基地局の機能ブロックを示す図である。 基地局及び無人機の動作を示すフローチャートである。 基地局及び無人機の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１に示すように、本実施形態の土壌測定システムは、無人機１と、無人機１と通信可能な基地局１００を有する。無人機１は、土壌測定装置の一例であり、自律飛行が可能な飛行体の一例でもある。基地局１００は、管理装置の一例である。無人機１は、所定の経路を自律飛行して、所定の作業を行う。本実施形態における所定の作業は、土壌に照射した光（照射光）が土壌に反射した光（反射光）の測定、及び、照射光に対する反射光の比率である反射率の計算等である。

基地局１００は、パーソナルコンピュータであり、無人機１の充電装置（図示せず）も備えている。無人機１は、基地局１００から発進信号を受信すると発進し、圃場２００の土壌に照射した照射光が土壌に反射した反射光を測定し、複数の波長のそれぞれについて、照射光量に対する反射光量の比率である反射率を算出するように構成されている。無人機１は、圃場２００を複数の区画に区分して認識し、区画ごとに反射率を算出する。区画は、例えば、各辺が１０メートル（ｍ）の正方形状の領域である。

圃場２００には、太陽３００から自然光が照射している。以下、太陽３００から圃場２００に直接照射される光を「直接光」という。直接光が圃場２００に反射した光を「直接反射光」という。圃場２００の周囲には、建物３０２及び樹木３０４が存在し、太陽３００からの光が建物３０２及び樹木３０４から反射して、圃場２００に照射する場合もある。以下、建物３０２及び樹木３０２に反射して圃場２００に照射される光を「間接光」という。間接光が圃場２００に反射した光を「間接反射光」という。

無人機１が受光する光（直接反射光及び間接反射光）に占める間接反射光の割合は、無人機１の位置によって異なる。無人機１は、複数の空中位置から圃場２００からの反射光を測定して、それぞれ反射率を算出して、統計処理することによって、反射率に対する間接反射光の影響を低減するようになっている。

図２に示すように、無人機１は、筐体２を有する。筐体２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、自律飛行装置、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、慣性センサー、気圧センサー、バッテリー等が配置されている。

また、筐体２には、固定装置１２を介して、画像取得装置１４が配置されている。画像取得装置１４は、例えば、Ｄａｎｃａｎ Ｔｅｃｈ社製マルチスペクトルイメージングセンサＭＳ２１００であり、緑色（中心波長５４０ｎｍ）、赤色（中心波長６６０ｎｍ）及び近赤外線（中心波長８１０ｎｍ）の波長領域の反射光強度が検出できる。各バンドの半値幅は、緑色が６５ｎｍ、赤色が５７ｎｍ、近赤外線が１５５ｎｍである。固定装置１２は、画像取得装置１４による撮影画像のぶれを最小化し、かつ、画像取得装置１４の光軸を任意の方向に制御することができる３軸の固定装置（いわゆる、ジンバル）である。

なお、本実施形態とは異なり、画像取得装置１４は、例えば、可視光カメラ、近赤外線カメラ、または、ハイパースペクトルカメラであってもよい。ハイパースペクトルとは、数十バンド(種類)以上に分光されたスペクトルであり、ハイパースペクトルカメラとは、ハイパースペクトルの情報を画像1ピクセルごとに取得するカメラであり、例えば、３５０ｎｎｍ（近紫外）〜１１００ｎｍ（近赤外）の波長を、５ｎｍ間隔で分光し、ハイパースペクトル情報を取得する。

筐体２には、また、環境光量センサー１６が配置されている。環境光量センサー１６は、太陽光量を測定するセンサーであり、例えば、ＳＫＹ社製環境光量センサー（Ａｍｂｉｅｎｔ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）ＳＫＲ１８５０Ａであり、受光バンドとその中心波長は、緑色（５５０ｎｍ）、赤色（６７０ｎｍ）、近赤外線（９００ｎｍ）であり、各バンドの半値幅は、緑色が４０ｎｍ、赤色が４０ｎｍ、近赤線外が７０ｎｍである。

筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。

アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

図３は、無人機１の機能構成を示す図である。無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０、記憶部５２、無線通信部５４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部５６、慣性センサー部５８、駆動制御部６０、環境光測定部６２、画像処理・反射光測定部６４、及び、電源部７０を有する。

無人機１は、無線通信部５４によって、基地局１００と通信可能になっている。無人機１は、無線通信部５４によって、基地局１００から、発進等の指示を受信する。

無人機１は、ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって、無人機１自体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部５６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１の位置を測定する。慣性センサー部５８は、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を測定する。無人機１の位置情報は、無人機１の移動経路の決定及び自律移動のために使用する。

駆動制御部６０によって、無人機１は各プロペラ８に接続された各モーター６の回転を制御し、上下水平移動や空中停止、傾きなどの姿勢を制御するようになっている。

環境光測定部６２によって、無人機１は環境光量センサー１６を作動させて、太陽光量を測定する。

画像処理・反射光測定部６４によって、無人機１は画像取得装置１４を作動させて外部の画像を取得し、また、圃場２００からの反射光を測定する。

電源部７０は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。

記憶部５２には、出発点から目的位置まで自律移動するための移動計画を示すデータ等の自律移動に必要な各種データ及びプログラム、作業予定領域の座標、作業予定領域の地形、形状や構造物の位置を示す情報が格納されている。作業予定領域の座標は、圃場２００の座標を示すものであり、図４に示す圃場２００の四隅である位置２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，及び２００ｄの座標、及び、圃場２００の中心位置２００ｅの座標である。また、記憶部５２には、圃場２００を構成する区画の座標も格納されている。圃場２００は、区画Ａ１〜Ａ６，区画Ｂ１〜Ｂ６，区画Ｃ１〜Ｃ６，区画Ｄ１〜Ｄ６，区画Ｅ１〜Ｅ６という区画から構成される。記憶部５２には、さらに、以下の各プログラムが格納されている。

記憶部５２には、飛行制御プログラム、基準位置決定プログラム、補助位置決定プログラム、環境光測定プログラム、画像取得・反射光測定プログラム、反射率算出プログラム、反射率補正プログラム、分析結果受信プログラム、及び、圃場特性情報生成プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と飛行制御プログラムは、飛行制御手段の一例である。ＣＰＵ５０と基準位置決定プログラムは、基準位置決定手段の一例である。ＣＰＵ５０と補助位置決定プログラムは、補助位置決定手段の一例である。ＣＰＵ５０と環境光測定プログラムは、環境光測定手段の一例である。ＣＰＵ５０と画像取得・反射光測定プログラムは、反射光測定手段の一例である。ＣＰＵ５０と反射率算出プログラムは、反射率算出段の一例である。ＣＰＵ５０と反射率補正プログラムは、反射率補正出段の一例である。ＣＰＵ５０と分析結果受信プログラムは、分析結果受信手段の一例である。ＣＰＵ５０と圃場特性情報生成プログラムは、圃場特性情報生成手段の一例である。

無人機１は、飛行制御プログラムによって、無人機１の自律飛行を制御する。具体的には、無人機１は、各モーター６の出力を調整し、予定した飛行経路を外れたり、飛行姿勢が乱れた場合には修正し、予め規定された飛行経路及び高度を維持するようになっている。

無人機１は、基準位置決定プログラムによって、圃場２００からの反射光を測定するための基準位置を決定する。図５及び図６に示す空中位置Ｐ１Ｈ１が、基準位置の一例である。基準位置Ｐ１Ｈ１は、無人機１が画像取得装置１４で圃場２００を撮影するときに、太陽３００からの照射光が画像取得装置１４に直接入射しない位置として規定される。例えば、太陽３００方向のいずれかの位置から地上に鉛直に降ろした仮想線が地上と交わる位置を位置Ｅ１、無人機１の空中位置から地上に鉛直に降ろした仮想線が地上と交わる位置を位置Ｅ２、圃場２００の中心位置２００ｅを位置Ｅ３とするとき、位置Ｅ１と位置Ｅ３の間に位置Ｅ２が位置するように規定される。具体的には、圃場２００の中心位置２００ｅから太陽３００へ向かう方角ｄｓの地上線に対する角度（仰角）を想定し、仰角θ１を有する方向の仮想直線上における高度Ｈ１の位置を基準位置Ｐ１Ｈ１とする。仰角θ１は、例えば、６０度であり、高度Ｈ１は、例えば、３０メートル（ｍ）である。なお、太陽３００の方角は、無人機１自体が太陽の軌道計算等を実施して算出してもよいし、基地局１００から太陽３００の方角を示す情報を受信してもよい。

無人機１は、補助位置決定プログラムによって、圃場２００を測定するための補助位置を決定する。補助位置は、基準位置Ｐ１Ｈ１の周辺位置であり、かつ、太陽３００からの照射光が画像取得装置１４に直接入射しない位置として規定される。補助位置の一つは、図５及び図６に示す補助位置Ｐ１Ｈ２のように、圃場２００内の位置２００ｅからの方向が基準位置Ｐ１Ｈ１と同一であり、かつ、高度が異なる位置である。他の補助位置は、図６に示すように、仰角θ１は基準位置Ｐ１Ｈ１と同一であるが、水平方向の角度が、太陽の方向ｄｓから角度θ２だけ乖離している。角度θ２は、例えば、１０度である。補助位置Ｐ２Ｈ１は、位置２００ｅから太陽への方向ｄｓから＋θ２だけ乖離した方向であり、高度３０メートル（ｍ）の位置である。補助位置Ｐ２Ｈ２は、補助位置Ｐ２Ｈ１と同一方向であり、高度１５メートル（ｍ）の位置である。補助位置Ｐ３Ｈ１は、太陽の方角ｄｓから−θ２だけ乖離した方向であり、高度３０メートル（ｍ）の位置である。補助位置Ｐ３Ｈ２は、補助位置Ｐ３Ｈ１と同一方向であり、高度１５メートル（ｍ）の位置である。

無人機１は、環境光測定プログラムによって、基準位置Ｐ１Ｈ１及び補助位置Ｐ１Ｈ２等のそれぞれの位置において、波長ごとに、太陽光量を測定する。

無人機１は、画像取得・反射光測定プログラムによって、圃場２００の画像を取得し、反射光を測定する。無人機１は、無人機１の位置を変えて、空中の複数の位置において、圃場２００の画像を取得し、反射光を測定するようになっている。空中の複数の位置は、上述の基準位置Ｐ１Ｈ１及び補助位置Ｐ１Ｈ２等の各位置である。反射光は、基準位置Ｐ１Ｈ１及び補助位置Ｐ２Ｈ２等において、反射光の波長ごとに測定される。また、反射光の測定は、画像取得装置１４が取得する画像の画素（ピクセル）ごとに実施され、記録される。無人機１は、各区画Ａ１等の画像を構成する画素（ピクセル）の反射光量の平均値を各区画Ａ１等の反射光量とする。

無人機１は、反射率算出プログラムによって、圃場２００に照射する照射光に対する反射光の比率（反射率）を算出する。反射率の算出方法は、例えば、杉浦綾著「産業用無人ヘリコプタを用いたフィールド情報のリモートセンシングシステム」北海道大学大学院農学研究院邦文紀要第２８巻第２号（２００７−０２−１６発行）の１６８頁に記載されている。

反射率は、各波長について算出される。無人機１は、反射率補正プログラムによって、空中の複数の位置において測定した反射光量に基づいて算出した各区画Ａ１等の反射率に統計処理を施して、反射率を補正する。補正後の反射率は補正後反射率の一例であり、以下「反射率ｒ」と呼ぶ。統計処理は、例えば、平均値を算出する処理である。また、基準位置Ｐ１Ｈ１及び補助位置Ｐ１Ｈ２等の６つの位置において算出した反射率において、最大値と最小値を除いた４つの値を使用して平均値を算出するようにしてもよい。測定において誤りがあるとすれば、最大値か最小値の可能性が高いから、最大値と最小値を除くことで、信頼度の高い反射率ｒを得ることができる。反射率ｒは、３つの波長（緑色、赤色及び近赤外線）について、それぞれ算出される。３つの波長の反射率ｒを、それぞれ、反射率ｒ１、反射率ｒ２及び反射率ｒ３とする。

無人機１は、分析結果受信プログラムによって、圃場２００の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た土壌サンプルの特性を示す分析情報を基地局１００より受信する。土壌サンプルの特性は、例えば、熱水抽出性窒素の量である。分析情報は、土壌サンプルを取得した圃場２００内の位置と熱水抽出性窒素の量である。分析情報は、例えば、図７に示すように、圃場２００内の区画Ａ１における熱水抽出性窒素が２．０ｍｇ／１００ｇ、区画Ｃ３における熱水抽出性窒素が４．０ｍｇ／１００ｇ、区画Ｄ５における熱水抽出性窒素が６．０ｍｇ／１００ｇという情報である。本実施形態において、無人機１が圃場２００において反射光を測定する前に、複数の位置において土壌サンプルが収集されて、熱水抽出性窒素が測定されており、基地局１００が分析情報を保持しているものとする。なお、熱水抽出性窒素は、土壌の有機物分解能力を反映した有機栽培野菜畑の窒素肥沃度指標の一つであり、トリプトファンを標準物質として用いることで熱水抽出液の２８０ｎｍ吸光度測定により簡易に分析可能であることが知られている。

無人機１は、圃場特性情報生成プログラムによって、圃場２００全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する。圃場特性情報は、圃場２００全体の各位置の熱水抽出性窒素の量を示す情報である。無人機１は、図８に示すように、圃場２００の各区画Ａ１等の反射率ｒ１，反射率ｒ２及び反射率ｒ３を保持している。

無人機１は、圃場２００の複数の位置である、例えば、区画Ａ１、区画Ｃ３及び区画Ｄ５における熱水抽出性窒素の量を示す情報を基地局１００から取得する。そして、無人機１は、区画Ａ１、区画Ｃ及び区画Ｄ５における反射率ｒ１，反射率ｒ２及び反射率ｒ３を算出し、保持している。反射率ｒは土壌に含まれる腐植含有量と相関し、腐植含有量は熱水抽出性窒素の量と相関することがわかっている。このため、熱水抽出性窒素の量と反射率ｒの組を複数取得していれば、熱水抽出性窒素の量と反射率ｒ１等との相関関係を示す数式を算出することができる。熱水抽出性窒素の量と反射率ｒ１等との相関関係を示す数式（以下、「数式Ｘ」という。）は、波長ごと、すなわち、反射率ｒ１等ごとに算出することができる（例えば、特開２０１１−２５４７１１号公報に添付の図１４参照）。緑色、赤色及び近赤外線に対応する３つの波長の数式Ｘを、それぞれ、数式Ｘ１，Ｘ２及びＸ３とする。例えば、数式Ｘ１は、ｙ＝−０．６００１ｘ＋２３．３８１、数式Ｘ２は、ｙ＝−０．２９６６ｘ＋１６．２５７、数式Ｘ３は、数ｙ＝−０．１９６１ｘ＋１９．６６というようなものである。各数式において、ｘは反射率（％）であり、ｙは熱水抽出性窒素量（ｍｇ／１００ｇ）である。各数式によって、反射率（％）がわかれば、ｙを算出することができる。

無人機１は、数式Ｘ１，Ｘ２及びＸ３を使用して、波長ごとに、土壌サンプルを取得していない圃場２００の各区画における熱水抽出性窒素量を算出（推定）する。数式Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３のそれぞれについて、すなわち、波長ごとに、熱水抽出性窒素が算出される。
そして、各区画について、波長ごとに算出した熱水抽出性窒素量の平均値を各区画の熱水抽出性窒素量の推定値とする。例えば、区画Ａ２について、数式Ｘ１によって算出した熱水抽出性窒素量Ｎ１が１．８ｍｇ／１００ｇ、数式Ｘ２によって算出した熱水抽出性窒素量Ｎ２が２．０ｍｇ／１００ｇ、数式Ｘ３によって算出した熱水抽出性窒素量Ｎ３が２．２ｍｇ／１００ｇだとすれば、区画Ａ２の熱水抽出性窒素の量は、Ｎ１、Ｎ２及びＮ３の平均値である２．０ｍｇ／１００ｇとする。無人機１は、各区画について、同様の処理を実施し、図９に示すように、地力窒素量マップを生成する。無人機１は、さらに、図１０に示すように、熱水抽出性窒素の量に応じて着色を施すなどの処理をして、視認性を向上させて、地力窒素量マップ（地力窒素分布マップ）を出力する。地力窒素量マップは、圃場特性情報の一例である。

以下、無人機１の動作を、図１１及び図１２のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、基地局１００から発進指示を受信すると発進し、目標座標に到達したと判断すると（図１１のステップＳＴ１）、反射光を測定する基準位置Ｐ１Ｈ１を算出し（ステップＳＴ２）、続いて、複数の補助位置Ｐ１Ｈ２等を算出する（ステップＳＴ３）。基準位置Ｐ１Ｈ１を第一位置、補助位置Ｐ１Ｈ２を第二位置、補助位置Ｐ２Ｈ１を第三位置、補助位置Ｐ２Ｈ２を第四位置、補助位置Ｐ３Ｈ１を第五位置、補助位置Ｐ３Ｈ２を第六位置とする。無人機１は、第一位置乃至第六位置において、それぞれ、環境光及び反射光を測定し、反射率を算出する（ステップＳＴ４〜ＳＴ９）。

続いて、無人機１は、上述の第一位置乃至第六位置において算出した反射率に統計処理を施す（図１２のステップＳＴ１０）。続いて、無人機１は、基地局１００から圃場２００内の特定位置において実測した熱水抽出性窒素のデータを受信する（ステップＳＴ１１）。無人機１は、圃場２００内の各位置の統計処理後の反射率ｒと、基地局１００から受信した上記データから、サンプル取得位置以外の位置（区画Ａ１、区画Ｃ３及び区画Ｄ５以外の位置）について、熱水抽出性窒素量を推定し（ステップＳＴ１２）、地力窒素量マップを生成する（ステップＳＴ１３）。

なお、本実施形態とは異なり、無人機１は、圃場２００全体を複数の測定位置（位置Ｐ１Ｈ１及び補助位置Ｐ１Ｈ２等の６つの位置）で反射光を測定するのではなくて、圃場２００を複数のブロックに区分して、各ブロックについて、本実施形態で説明した上述の処理を実施してもよい。ブロックは、例えば、区画Ａ１〜Ａ３、区画Ｂ１〜Ｂ３及び区画Ｃ１〜Ｃ３から構成されるブロック、区画Ａ４〜Ａ６及び区画Ｂ４〜Ｂ６で構成されるブロック及び区画Ｃ４〜Ｃ６で構成されるブロック、区画Ｄ１〜Ｄ３及び区画Ｅ１〜Ｅ３で構成されるブロック、区画Ｄ４〜Ｄ６及び区画Ｅ４〜Ｅ６で構成されるブロックである。客観的には同一の反射率であっても、無人機１が受光する反射光が距離の遠近によって相違することに起因する反射率の誤差を、圃場２００を細分化したうえで、複数の測定位置から反射光を測定することによって、低減することができ、一層正確な反射光の測定が可能になる。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態について、第一の実施形態と異なる部分について、説明する。

図１３に示すように、無人機１は、圃場２００を構成する各区画Ａ１等のそれぞれについて、複数の位置（Ｐ１Ｈ１，Ｐ１Ｈ２，Ｐ２Ｈ１，Ｐ２Ｈ２，Ｐ３Ｈ１，Ｐ３Ｈ２）で、環境光、反射光を測定し、反射率を算出し、反射率に統計処理を施す。図１３において、各区画Ａ１等のそれぞれにおける複数の位置での測定をまとめて矢印Ｓ１で示している。すなわち、無人機１は、各区画Ａ１等において、上昇及び下降、水平移動を繰り返して反射率を測定する。これにより、各区画Ａ１等において、より精度の高い反射率を測定することができ、精度及び信頼度が高い地力窒素量マップを生成することができる。

以下、無人機１の動作を、図１４及び図１５のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、基地局１００から発進指示を受信すると発進し、第一目標座標に到達したと判断すると（図１４のステップＳＴ１０１）、基準位置Ｐ１Ｈ１を算出し（ステップＳＴ１０２）、続いて、補助位置Ｐ１Ｈ２等を算出する（ステップＳＴ１０３）。目標座標は、各区画Ａ１等の上空である。第一目標座標は、圃場２００において第一番目に測定する目標座標であり、例えば、区画Ａ１の上空である。以下、基準位置Ｐ１Ｈ１を第一位置、補助位置Ｐ１Ｈ２を第二位置、補助位置Ｐ２Ｈ１を第三位置、補助位置Ｐ２Ｈ２を第四位置、補助位置Ｐ３Ｈ１を第五位置、補助位置Ｐ３Ｈ２を第六位置という。無人機１は、第一位置乃至第六位置において、それぞれ、環境光及び反射光を測定し、反射率を算出する（ステップＳＴ１０４）。

無人機１は、すべての目標座標における測定が完了すると、各目標座標において算出した複数の反射率に統計処理を施し（図１５のステップＳＴ１０５）、基地局１００からサンプル取得位置の熱水抽出性窒素の実測データを受信し（ステップＳＴ１０６）、サンプル取得位置以外の区域の熱水抽出性窒素量を推定し（ステップＳＴ１０７）、地力窒素量マップを生成する（ステップＳＴ１０８）。

＜第三の実施形態＞
第三の実施形態について、第二の実施形態と異なる部分について、説明する。

図１６に示すように、無人機１Ａは、星３１０及び３１２以外の自然光が存在しない、あるいは、太陽光が土壌に照射される昼間と比べて大幅に自然光が少ない夜間において、圃場２００の各区画に照射光Ｌ１を照射し、照射光Ｌ１が圃場２００の各区画の土壌に反射した反射光Ｒ１を測定し、反射率を算出する。すなわち、無人機１Ａは、土壌の反射光の測定に必要な光を自ら照射して、反射光を測定する。これにより、様々な要因によって変動する自然光の影響をほとんど受けることなく、反射光を測定することができる。

図１７に示すように、無人機１Ａのアーム４の張り出し部分には、照射装置１８が配置されている。照射装置１８に対応して、図１８に示すように、無人機１Ａは、照射部６６を有する。無人機１Ａの記憶部５２には、照射プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と照射プログラムは、照射手段の一例である。

無人機１Ａにおいて、照射装置１８が照射する波長及び光量は既知である。そして、測定位置の高度である、例えば、１５メートル（ｍ）において、地面に配置した基準反射板からの反射光量を予め測定しておくことによって、区画Ａ１等の土壌からの反射光量の反射率を測定することができる。反射率は、基準反射板からの反射光量に対する土壌からの反射光量の比率である。第三の実施形態においては、環境光はほとんど存在しないから、無人機１Ａは、各区画Ａ１等について、例えば、その中心座標の上空１５メートル（ｍ）の位置でのみ、反射光を測定する。

なお、無人機１Ａにおいて、環境光測定部６２は必須の構成ではないが、反射光の測定において、環境光が存在しないこと、あるいは、非常に少ないことを確認するために、環境光測定部６２を有する構成としている。

図１９に示すように、無人機１Ａは、飛行経路Ｃ１を通過して、圃場２００のすべての区画Ａ１等において、照射装置１８から照射した照射光の反射光を測定し、反射率を算出する。各区画Ａ１等において、無人機１Ａは、所定の高度、所定の位置から反射光を測定し、反射率を測定する。所定の高度は、例えば、１５メートル（ｍ）であり、所定の位置は、各区画Ａ１等の中心座標である。

無人機１Ａが測定した反射光は、環境光の影響を受けていないから、反射率を補正する必要はない。無人機１Ａは、基地局１００から分析情報（熱水抽出性窒素及びサンプル取得位置を示す情報）を受信し、その分析情報と、測定した反射率に基づいて、地力窒素量マップを生成するように構成されている。

以下、無人機１Ａの動作を、図２０のフローチャートを参照して説明する。無人機１Ａは、最初の目標座標に到達したと判断すると（図２０のステップＳＴ２０１）、照射装置１８を作動させる（ステップＳＴ２０２）。最初の目標座標は、例えば、区画Ａ１の上空であり、具体的には、区画Ａ１等の中心座標の上空であり、高度１５メートル（ｍ）の空中における位置である。無人機１Ａは、区画Ａ１の上空において、反射光を測定し、反射率を算出する（ステップＳＴ２０３）。

無人機１Ａは、すべての区画における作業（反射光の測定及び反射率の測定）が完了したか否かを判断し（ステップＳＴ２０４）、完了していないと判断すると、次の目標座標へ移動する（ステップＳＴ２０５）。区画Ａ１の次の目標座標は、区画Ａ２の上空である。無人機１は、区画Ａ２において、反射光を測定し、反射率を算出する（ステップＳＴ２０３）。

無人機１Ａは、すべての区画における作業が完了したと判断すると（ステップＳＴ２０４）、基地局１００から分析情報（熱水抽出性窒素の実測データとサンプル取得位置）を受信し（ステップＳＴ２０６）、サンプル取得位置以外の熱水抽出性窒素量を推定し（ステップＳＴ２０７）、地力窒素量マップを生成する（ステップＳＴ２０８）。

＜第四の実施形態＞
第四の実施形態について、第一の実施形態と異なる部分について、説明する。第四の実施形態においては、無人機１は、圃場２００の区画Ａ１等における環境光及び反射光の測定を行い、反射率の算出から地力窒素量マップ作製までの工程は基地局１００が行うようになっている。すなわち、無人機１と基地局１００が土壌測定装置（土壌測定システム）を構成している。

図２１は、基地局１００の機能構成を示す図である。基地局１００は、ＣＰＵ１１０、記憶部１１２、通信部１１４、画像処理部１１６、無人機制御部１１８、無人機充電部１２０、電源部１２２を有する。

基地局１００は、通信部１１４によって、無人機１と通信可能になっている。基地局１００は、画像処理部１１６によって、無人機１Ａ等から受信した画像を処理するようになっている。基地局１００は、無人機制御部１１８によって、無人機１に発進等の指示を出すようになっている。基地局１００は、無人機充電部１２０によって、無人機１のバッテリーの充電を行うようになっている。

基地局１００の記憶部１１２には、基準位置決定プログラム、補助位置決定プログラム、反射率算出プログラム、反射率補正プログラム、分析結果受信プログラム、及び、圃場特性情報生成プログラムが格納されている。

一方、無人機１の記憶部５２（図３参照）には、環境光測定プログラム、及び、画像取得・反射光測定プログラムが格納されている。

以下、基地局１００及び無人機１の動作を、図２２及び図２３のフローチャートを参照して説明する。まず、基地局１００は、圃場２００の特定の位置の熱水抽出性窒素量を示す分析情報の入力を受け、取得する（図２２のステップＳＴ３０１）。なお、本明細書において、「特定の位置の熱水抽出性窒素量を示す分析情報の入力を受け、取得する」は「特定の位置の熱水抽出性窒素量を示す分析情報の入力を受信する」と同義である。続いて、基地局１００は、太陽３００の方角を示す太陽方向情報、及び、圃場２００の位置を示す圃場位置情報を取得し（ステップＳＴ３０２）、基準位置を算出し（ステップＳＴ３０３）、複数の補助位置を算出し（ステップＳＴ３０４）、無人機１へ目標座標情報（基準位置及び補助位置を示す情報）及び発進指示を送信する（ステップＳＴ３０５）。

無人機１は、目標座標情報と発進指示を受信すると発進し（ステップＳＴ３０６）、目標座標に到達したと判断すると（ステップＳＴ３０７）、第一位置乃至第六位置で環境光及び反射光を測定する（ステップＳＴ３０８）。そして、無人機１は、環境光量を示す環境光情報及び反射光量を示す反射光情報を基地局１００へ送信し、帰還する（ステップＳＴ３０９）。

基地局１００は、環境光情報及び反射光情報を受信すると、反射率を算出し（ステップＳＴ３１０）、反射率を統計処理する（図２３のステップＳＴ３１１）。続いて、基地局１００は、サンプル取得位置以外の位置について、熱水抽出性窒素量を推定し（ステップＳＴ３１２）、地力窒素量マップを生成する（ステップＳＴ３１３）。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、実施形態２において、無人機１は、圃場２００の区画Ａ１等における環境光及び反射光の測定を行い、基準位置及び補助位置の算出、反射率の算出、反射率の補正及び地力窒素量マップ作製までの工程は基地局１００が行うように構成してもよい。また、実施形態３において、無人機１Ａは、圃場２００の区画Ａ１等における反射光の測定を行い、反射率の算出及び地力窒素量マップ作製は基地局１００が行うように構成してもよい。

１、１Ａ 無人機
２ 筐体
６ モーター
８ プロペラ
１４ 画像取得装置
１６ 環境光量センサー
１８ 照射装置

Claims (8)

1. 空中の複数の位置において、圃場の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段と、
   前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、
   前記空中の複数の位置において測定した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段と、
   前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、
   前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置の特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、
   を有する土壌測定装置。
2. 前記土壌測定装置は、自律飛行が可能な無人飛行装置であって、
   前記反射光を測定する基準となる空中位置である基準位置を決定する基準位置決定手段と、
   前記基準位置と所定の関係を有する少なくとも一か所の補助位置を決定する補助位置決定手段と、
   を有する請求項１に記載の土壌測定装置。
3. 前記基準位置及び前記補助位置は、太陽からの照射光が前記反射光測定手段に直接的に入射しない位置として規定される、
   請求項２に記載の土壌測定装置。
4. 前記反射光測定手段は、前記圃場を構成する複数の区画について、それぞれ、前記反射光を測定する、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の土壌測定装置。
5. 空中から圃場の各位置に対して照射光を照射する照射手段と、
   夜間において、前記照射手段によって照射された前記照射光が前記圃場において反射した光を反射光として測定する反射光測定手段と、
   前記照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、
   前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、
   前記分析情報と前記反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置の特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、
   を有する土壌測定装置。
6. 自律飛行可能な無人飛行装置と、
   前記無人飛行装置と通信可能な管理装置と、
   を有する土壌測定システムであって、
   前記無人飛行装置は、
   圃場の画像を取得する画像取得手段と、
   空中の複数の位置において、前記圃場の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段と、を有し、
   前記管理装置は、
   前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段と、
   前記空中の複数の位置において受光した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段と、
   前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信手段と、
   前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段と、
   を有する、土壌測定システム。
7. 空中の複数の位置において、圃場の各位置からの反射光を測定する反射光受光ステップと、
   前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出ステップと、
   前記空中の複数の位置において受光した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正ステップと、
   前記圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を受信する分析結果受信ステップと、
   前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成ステップと、
   を有する土壌測定方法。
8. 土壌測定装置を制御するコンピュータを、
   空中の複数の位置において、圃場の各位置からの反射光を測定する反射光測定手段、
   前記圃場への照射光に対する前記反射光の反射率を算出する反射率算出手段、
   前記空中の複数の位置において受光した前記反射光に基づいて算出した複数の前記反射率に統計処理を施して、補正反射率を算出する反射率補正手段、
   圃場の複数の位置における土壌サンプルを分析して得た前記土壌サンプルの特性を示す分析情報を取得する分析結果取得手段、及び、
   前記分析情報と前記補正反射率に基づいて、前記圃場全体の各位置についての特性を示す圃場特性情報を生成する圃場特性情報生成手段、
   として機能させるための土壌測定プログラム。