JP2023034522A - Estimation method of soil water - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は土壌水分の推定方法に関する。詳しくは、実験圃場から得られた測定情報を基に、土壌水分を把握したい対象圃場における測定において、測定の精度を担保しながら、適切な個数の土壌水分センサーを用いて、対象圃場の土壌水分の代表値を得ることが可能な土壌水分の推定方法に係るものである。 The present invention relates to a method for estimating soil moisture. Specifically, based on the measurement information obtained from the experimental field, the soil moisture content of the target field was measured using an appropriate number of soil moisture sensors while ensuring the accuracy of the measurement. This relates to a method for estimating soil moisture that can obtain a representative value of
従来、農作物を栽培する圃場等において、適切なタイミングや量で潅水を行い、水分管理した上で農業を行うために、土壌水分の測定が行われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in fields where crops are cultivated, soil moisture is measured in order to carry out agriculture after watering at an appropriate timing and amount and controlling moisture.
ここで、例えば、土壌水分の測定には、土壌水分センサーのプローブに電極を設けて、電極間の静電容量の変化に基づいて、土壌水分を測定する手段が採られている(例えば、特許文献1参照)。 Here, for example, for measuring soil moisture, a means for measuring soil moisture based on a change in capacitance between electrodes by providing electrodes on a probe of a soil moisture sensor is adopted (for example, patent Reference 1).
また、土壌水分の測定対象となる圃場は、一般的には、一定以上の面積を有する広範囲の土壌が測定対象となるケースが多く、土壌水分を測定する際、複数の土壌水分センサーが用いられる。 In addition, in many cases, a wide range of soil with a certain area or more is subject to measurement, and multiple soil moisture sensors are used to measure soil moisture. .
ここで、従前の圃場における土壌水分の測定方法では、対象となる圃場の土壌水分の代表値、即ち、その圃場の代表的な値を、適切に取得することが困難であった。 Here, in the conventional method for measuring soil moisture in a field, it was difficult to appropriately obtain a representative value of the soil moisture in the target field, that is, the representative value of the field.
その理由として、まず、土壌自体の構造が複雑であることから、同じ対象圃場に対して、多数の土壌水分センサーを用いて測定を行っても、取得される測定値は、ばらばらの値となることが挙げられる。 The reason for this is that the structure of the soil itself is complex, so even if the same target field is measured using a large number of soil moisture sensors, the obtained measured values will be different values. Things are mentioned.
また、短い距離の設置間隔で配置した土壌水分センサー同士でも、その測定値が異なってしまうことがあった。 In addition, even among the soil moisture sensors placed at short installation intervals, the measured values sometimes differed.
従って、多数の土壌水分センサーを用いたとしても、従前の土壌水分の測定方法では、個々のセンサーの測定値から、対象圃場の代表値を決定することができなかった。 Therefore, even if a large number of soil moisture sensors are used, the conventional soil moisture measurement method cannot determine the representative value of the target field from the measured values of the individual sensors.
また、同じ圃場の区画内でも、一部の範囲と、他の範囲で、土壌水分や乾燥時の経時的変化が全く異なることがあり、即ち、同じ圃場の区画内で、土壌水分の空間分布に均一性がない場合がある。 In addition, even within the same field section, the soil moisture and changes over time during drying may be completely different in some areas and other areas. may not be uniform.
そのため、土壌水分の代表値を決める際には、土壌水分において均一性を有する範囲を考慮する必要があり、圃場の中で、土壌水分において均一性を有する範囲であれば、その範囲の代表値は1つで良いものとなる。 Therefore, when determining the representative value of the soil moisture, it is necessary to consider the range in which the soil moisture is uniform. is good with one.
一方、対象圃場の範囲内で、土壌水分において均一性がなければ、土壌水分や乾燥時の経時的変化に基づき、その範囲を区分けして、それぞれの範囲に由来する代表値を決定しなければ、土壌水分を正確に把握することができない。 On the other hand, if there is no uniformity in soil moisture within the range of the target field, the range must be divided based on the soil moisture and changes over time during drying, and representative values derived from each range must be determined. , the soil moisture cannot be accurately determined.
さらに、従前の測定方法では、複数の土壌水分センサーを圃場に配置する際に、どの程度の個数を用いれば、所望の精度で土壌水分を取得できるかが不明であった。 Furthermore, in the conventional measurement method, when a plurality of soil moisture sensors are arranged in a field, it was unclear how many sensors should be used to obtain soil moisture with desired accuracy.
また、設置する土壌水分センサーの個数をむやみに増やすことは現実的でなく、対象圃場の広さや、ユーザが望む測定精度に合わせて、適切な土壌水分センサーの個数を決める指標が求められていた。 In addition, it was not realistic to increase the number of soil moisture sensors to be installed, so there was a need for an index to determine the appropriate number of soil moisture sensors according to the size of the target field and the measurement accuracy desired by the user. .
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、実験圃場から得られた測定情報を基に、土壌水分を把握したい対象圃場における土壌水分の測定において、測定の精度を担保しながら、適切な個数の土壌水分センサーを用いて、対象圃場の土壌水分の代表値を得ることが可能な土壌水分の推定方法を提供することを目的とする。 The present invention was invented in view of the above points, and based on the measurement information obtained from the experimental field, in measuring the soil moisture in the target field where it is desired to grasp the soil moisture, while ensuring the accuracy of the measurement. An object of the present invention is to provide a method for estimating soil moisture that can obtain a representative value of soil moisture in a target field using an appropriate number of soil moisture sensors.
上記の目的を達成するために、本発明の土壌水分の推定方法は、実験圃場における複数の土壌水分測定センサーを用いた土壌水分の測定結果の情報に基づき、対象圃場における土壌水分の代表値を推定するための土壌水分の推定方法であって、複数の前記土壌水分センサーを用いて前記実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する第1の空間分布確認工程と、前記第1の空間分布確認工程で、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示す際に、前記実験圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第1の個数の前記土壌水分センサーで、前記実験圃場の土壌水分を、所定の測定間隔及び所定の測定回数で測定した、測定タイミングごとの測定結果に由来する、全数中央値または全数平均値を取得する全数由来値取得工程と、前記第1の個数を用いた測定結果の中から、前記第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、測定タイミングごとの測定結果に由来する、減数中央値または減数平均値を、複数のパターンの前記第2の個数で取得する減数由来値取得工程と、前記全数中央値または前記全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定すると共に、測定タイミングごとに、前記減数中央値または前記減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入るか否かを判定し、同判定を全測定タイミング分行い、前記第2の個数での、減数中央値または減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出する、経験的確率算出工程と、前記任意の所定幅及び前記経験的確率に基づき、前記複数のパターンの前記第2の個数の中から、所望の精度を有する前記土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択するセンサー個数選択工程と、前記第1の個数、前記第3の個数、及び、前記土壌水分センサーの個数であり、前記対象圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数、前記実験圃場の面積の情報、及び、前記対象圃場の面積の情報に基づき、前記対象圃場で使用する前記土壌水分センサーの個数m2について、前記第1の個数と、前記第4の個数が同じ場合には、前記個数m2の数を、前記第3の個数と同じ数に決定し、または、前記第1の個数と、前記第4の個数が異なる場合には、前記第1の個数をn1、前記第3の個数をm1、及び、前記第4の個数をn2として、前記個数m2の数を、下記の式(1)を満たす整数として決定する、センサー数決定工程と、前記個数m2の前記土壌水分センサーで前記対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とする代表値推定工程と、を備える。 In order to achieve the above object, the method for estimating soil moisture of the present invention calculates a representative value of soil moisture in a target field based on the information of the measurement results of soil moisture using a plurality of soil moisture measurement sensors in an experimental field. A method for estimating soil moisture for estimating the soil moisture in the experimental field using a plurality of the soil moisture sensors, and using a spatial statistical method to determine the soil moisture in the experimental field in a uniform space a first spatial distribution confirmation step of confirming whether or not the distribution is exhibited; Derived from measurement results for each measurement timing obtained by measuring the soil moisture in the experimental field at a predetermined measurement interval and a predetermined number of measurements using the first number of the soil moisture sensors that can be arranged according to the soil conditions. a total number derived value obtaining step of obtaining a total median value or a total average value; 2 of the measured values are selected, and for the selected measured values, the reduced median value or the reduced average value derived from the measurement results at each measurement timing is acquired in the second number of the plurality of patterns. a step of acquiring a value derived from the subtraction, setting an arbitrary predetermined width based on the value of the median value of all samples or the average value of all samples, and determining the median value of the subtraction or the average value of the subtraction from the standard at each measurement timing; It is determined whether or not it falls within the range of the arbitrary predetermined width viewed from the reference, and the same determination is performed for all measurement timings. an empirical probability calculating step of calculating an empirical probability of being within the range of the arbitrary predetermined width; and from the second number of the plurality of patterns based on the arbitrary predetermined width and the empirical probability , a sensor number selection step of selecting a third number, which is the number of said soil moisture sensors having a desired accuracy; said first number, said third number, and said number of said soil moisture sensors; The soil to be used in the target field based on the fourth number, which is the number that can be arranged according to the size of the target field, information on the area of the experimental field, and information on the area of the target field. Regarding the number m2 of moisture sensors, when the first number and the fourth number are the same, the number m2 is determined to be the same number as the third number, or If the number of 1s and the fourth number are different, the previous The first number is n 1 , the third number is m 1 , and the fourth number is n 2 , and the number m 2 is determined as an integer that satisfies the following formula (1): , a step of determining the number of sensors, measuring the soil moisture in the target field with the soil moisture sensors of the number m2 , and using the median value or the average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field. and a value estimation step.
ここで、第1の空間分布確認工程で、複数の土壌水分センサーを用いて実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認することによって、実験圃場の対象範囲において、土壌水分の代表値の必要な数を決めることができる。即ち、実験圃場の全範囲が、土壌水分において均一性を有する範囲となれば、代表値を1つ決めれば良いことを確認することができる。また、実験圃場の全範囲が、土壌水分において均一性を有しない範囲であれば、均一性を示す範囲に区分けして、均一性を示す範囲ごとに代表値を得るようにすることができる。 Here, in the first spatial distribution confirmation step, the soil moisture in the experimental field is measured using a plurality of soil moisture sensors, and the spatial statistical method is used to determine whether the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of the soil moisture. , it is possible to determine the required number of representative values of soil moisture in the target range of the experimental field. That is, it can be confirmed that if the entire range of the experimental field is a range in which the soil moisture is uniform, it is sufficient to determine one representative value. Moreover, if the entire range of the experimental field is a range that does not have uniformity in soil moisture, it can be divided into ranges that exhibit uniformity, and a representative value can be obtained for each range that exhibits uniformity.
また、第1の空間分布確認工程で、土壌水分について、実験圃場が均一な空間分布を示す際に、全数由来値取得工程で、実験圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第1の個数の前記土壌水分センサーで、実験圃場の土壌水分を、所定の測定間隔及び所定の測定回数で測定した、測定タイミングごとの測定結果に由来する、全数中央値または全数平均値を取得することによって、後の経験的確率算出工程にて基準となる数値を算出することができる。なお、ここでいう測定タイミングごとの測定結果に由来するとは、所定の測定間隔及び所定の測定回数で測定した際の、測定タイミングごとに、その時点での、第1の個数の土壌水分センサーの全測定値から算出することを意味している。 Also, in the first spatial distribution confirmation step, when the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture, in the total number derived value acquisition step, it is the number that can be arranged according to the area size of the experimental field. Using the first number of soil moisture sensors, the soil moisture in the experimental field is measured at a predetermined measurement interval and at a predetermined number of times, and a total median value or total average value derived from the measurement results for each measurement timing is obtained. By doing so, it is possible to calculate a reference numerical value in the later empirical probability calculation process. In addition, the measurement result at each measurement timing here means that the first number of soil moisture sensors at that time at each measurement timing when measuring at a predetermined measurement interval and a predetermined number of measurements. It means to calculate from all measured values.
また、減数由来値取得工程で、第1の個数を用いた測定結果の中から、第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、測定タイミングごとの測定結果に由来する、減数中央値または減数平均値を、第2の個数で取得することによって、第1の個数の土壌水分センサーに由来する、測定タイミングごとの全数中央値または全数平均値を基準とした一定の範囲に、第1の個数から数を減らした個数の測定値が含まれる経験的確率を求めるための、個別の個数ごとの数値を算出することができる。なお、ここでいう、「第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、測定タイミングごとの測定結果に由来する、減数中央値または減数平均値」とは、例えば、第1の個数による測定条件が、1分間隔で、10回の測定回数であれば、「1回目の測定タイミング(例えば0分時測定)」における、第1の個数の測定結果の全部の測定値から、第2の個数分を選択した測定値(数を減らした測定値)の中央値、または、平均値を意味する。また、測定タイミングごとに算出されるので、1回目の測定タイミング(例えば0分時測定)、2回目の測定タイミング(例えば1分経過時測定)、3回目の測定タイミング(例えば2分経過時測定)等のように、測定タイミングごとに、減数中央値または減数平均値が算出されるものとなる。 Further, in the subtrahend-derived value acquisition step, from among the measurement results using the first number, a second number, which is a number arbitrarily reduced from the first number, is selected, and For the selected measured value, the second number of reduced median values or reduced average values derived from the measurement results for each measurement timing are obtained, thereby obtaining the second number of measurement timings derived from the first number of soil moisture sensors. Calculation of numerical value for each individual number to obtain the empirical probability that a certain range based on the total median or total mean value for each number contains the measured values of a number less than the first number can do. It should be noted that here, "select a second number of measured values, which is a number arbitrarily reduced from the first number, and derive the selected measured value from the measurement results for each measurement timing. For example, if the measurement condition for the first number is 10 measurements at intervals of 1 minute, the reduced median value or reduced average value” is the “first measurement timing (for example, measurement at 0 minutes )” means the median value or average value of the measured values (measured values with a reduced number) selected from all the measured values of the first number of measurement results. Also, since it is calculated for each measurement timing, the first measurement timing (for example, measurement at 0 minutes), the second measurement timing (for example, measurement at 1 minute elapsed), the third measurement timing (for example, measurement at 2 minutes elapsed) ), the reduced median value or the reduced average value is calculated for each measurement timing.
また、第1の個数を用いた測定結果の中から、第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、測定タイミングごとの測定結果に由来する、減数中央値または減数平均値を、複数のパターンの第2の個数で取得することによって、第2の個数を、複数のパターン準備することができ、それぞれの個数について、経験的確率を求めるための、個別の個数ごとの数値を算出することができる。例えば、第1の個数が90個であれば、複数のパターンの第2の個数とは、90個から任意で数を減じた、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個等のように、複数の個数を設定して、各測定タイミングにおける、それぞれの第2の個数分選択した測定値の、減数中央値または減数平均値を算出することができる。 Also, from the measurement results using the first number, select the measured value for the second number, which is the number arbitrarily reduced from the first number, and for the selected measured value, By acquiring the reduced median value or the reduced average value derived from the measurement results at each measurement timing with the second number of the plurality of patterns, the second number can be prepared in a plurality of patterns, and each For counts, a numerical value for each individual count can be calculated to determine the empirical probability. For example, if the first number is 90, the second number of the plurality of patterns is 45, 27, 14, 13, 9, 7, 90, 45, 27, 14, 13, 9, 7, 90, 90, 90, 90, 90, 45, 27, 14, 14, 13, 90, or 90. Set a plurality of numbers such as 1, 6, 5, 4, etc., and calculate the reduced median value or the reduced average value of the measured values selected for each second number at each measurement timing can do.
また、経験的確率算出工程で、全数中央値または全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定すると共に、測定タイミングごとに、減数中央値または減数平均値が、基準から見た任意の所定幅の範囲内に入るか否かを判定し、判定を全測定タイミング分行い、第2の個数での、減数中央値または減数平均値が、基準から見た任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出することによって、第1の個数の土壌水分センサーの測定結果に対して、第1の個数の測定結果から数を減らした第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、第2の個数分で担保できる測定の精度の情報を取得可能となる。つまり、実験圃場で、土壌水分センサーの個数を減らしていった際に、元々の第1の個数の測定結果に対して、数を減らした個数での測定の精度がどの程度に収まるかの数値情報を確認することができる。なお、ここでいう任意の所定幅とは、使用者の求める精度に応じて設定できる数値幅であり、単一数値の数値幅と、複数の数値の数値幅のいずれもが設定できる。また、任意の所定幅とは、例えば、±5%、±3%、±1%等のように、使用者が所望する、任意の測定の精度で、数値幅を設定することができる。 Further, in the empirical probability calculation step, an arbitrary predetermined width is set based on the value of the total median value or the total average value, and at each measurement timing, the reduced median value or the reduced average value is an arbitrary value in terms of the reference Determine whether or not it falls within the range of a predetermined width, make determinations for all measurement timings, and determine whether the median or average value of the second number is within any predetermined width when viewed from the reference By calculating the empirical probability that the , it becomes possible to acquire information on the accuracy of measurement that can be guaranteed by the second number of the selected measurement values. In other words, when the number of soil moisture sensors is reduced in the experimental field, the numerical value to what extent the accuracy of the measurement with the reduced number is within the original measurement result of the first number. You can check the information. The arbitrary predetermined width referred to here is a numerical value width that can be set according to the accuracy desired by the user, and both a numerical value width of a single numerical value and a numerical value width of a plurality of numerical values can be set. In addition, the arbitrary predetermined width can be set to a numerical width with arbitrary measurement accuracy desired by the user, such as ±5%, ±3%, ±1%, and the like.
また、センサー個数選択工程で、任意の所定幅及び経験的確率に基づき、複数のパターンの第2の個数の中から、所望の精度を有する土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択することによって、使用者が所望する、土壌水分センサーの測定の精度が決められたものとなる。例えば、経験的確率算出工程を経て、第1の個数が90個であり、第3の個数(第2の個数の中の1つ)として14個が選択され、その14個のセンサーを使用した場合に、90個のセンサーの全中央値を基準に、±3%の範囲内に入る経験的確率が87%であるとすれば、使用者は「90個のセンサーの全中央値を基準に、±3%の範囲内に入る経験的確率が87%」となる測定の精度を、土壌水分の測定の精度として設定したことになる。このように、第3の個数ごとの測定の精度を、使用者が設定可能となる。また、複数のパターンの第2の個数を設定しておくことで、使用者が選択できる測定の精度の種類も複数準備することができる。 Further, in the sensor number selection step, a third number, which is the number of soil moisture sensors having a desired accuracy, is selected from the second numbers of the plurality of patterns based on an arbitrary predetermined width and empirical probability. This determines the accuracy of the soil moisture sensor measurement desired by the user. For example, through the empirical probability calculation process, the first number is 90 and the third number (one of the second numbers) is selected as 14, and the 14 sensors are used In the case, if the empirical probability of falling within ±3% is 87% based on the total median value of 90 sensors, the user can say, "Based on the total median value of 90 sensors , the empirical probability of falling within ±3% is set as the accuracy of soil moisture measurement. In this manner, the user can set the accuracy of measurement for each third number. Also, by setting the second number of the plurality of patterns, it is possible to prepare a plurality of types of measurement accuracy that can be selected by the user.
また、第1の個数、第3の個数、及び、土壌水分センサーの個数であり、対象圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数、実験圃場の面積の情報、及び、対象圃場の面積の情報に基づき、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2について、センサー数決定工程で、第1の個数と、第4の個数が同じ場合には、個数m2の数を、第3の個数と同じ数に決定することによって、実験圃場において設定した、使用者が選択できる測定の精度を維持しながら、実際に、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数を、第3の個数の数に決めることができる。また、ここでは、実験圃場の広さと、対象圃場の広さが同じ、即ち、実験圃場の広さに応じて配置可能な個数である第1の個数と、対象圃場の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数が同じとみなすことができるため、個数m2の数を、第3の個数と同じ数にすることができる。 In addition, the first number, the third number, and the number of soil moisture sensors, the fourth number which is the number that can be arranged according to the area of the target field, information on the area of the experimental field, Then, based on the information on the area of the target field, regarding the number m 2 of the soil moisture sensors used in the target field, in the sensor number determination step, if the first number and the fourth number are the same, the number m 2 is the same number as the third number, the number of soil moisture sensors actually used in the target field is reduced while maintaining the user-selectable accuracy of measurement set in the experimental field. , to a third number. Further, here, the size of the experimental field and the size of the target field are the same, that is, the first number, which is the number that can be arranged according to the size of the experimental field, and the arrangement according to the size of the target field The number m2 can be the same number as the third number because the fourth possible number can be considered the same.
また、第1の個数、第3の個数、及び、土壌水分センサーの個数であり、対象圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数、実験圃場の面積の情報、及び、対象圃場の面積の情報に基づき、対象圃場で使用するセンサーの個数m2について、センサー数決定工程で、第1の個数と、第4の個数が異なる場合には、第1の個数をn1、第3の個数をm1、及び、第4の個数をn2として、個数m2の数を、上記の式(1)を満たす整数として決定することによって、実験圃場において設定した、使用者が選択できる測定の精度を維持しながら、実際に、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数を決めることができる。また、ここでは、実験圃場の広さと、対象圃場の広さが異なっている、即ち、実験圃場の広さに応じて配置可能な個数である第1の個数と、対象圃場の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数が異なるとみなすことができるため、第1の個数をn1、第3の個数をm1、及び、第4の個数をn2として、個数m2の数を、上記の式(1)を満たす整数として決定することによって、実験圃場において設定した、使用者が選択できる測定の精度を維持しながら、実際に、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数を決めることができる。 In addition, the first number, the third number, and the number of soil moisture sensors, the fourth number which is the number that can be arranged according to the area of the target field, information on the area of the experimental field, And, based on the information on the area of the target field, regarding the number m 2 of sensors used in the target field, in the sensor number determination step, if the first number and the fourth number are different, the first number n 1 , the third number m 1 , and the fourth number n 2 , the number m 2 was determined as an integer that satisfies the above formula (1), and was set up in the experimental field, In practice, the number of soil moisture sensors used in a given field can be determined while maintaining a user-selectable accuracy of measurement. Further, here, the size of the experimental field and the size of the target field are different. Since it can be considered that the fourth number, which is the number that can be arranged, is different, the first number is n 1 , the third number is m 1 , and the fourth number is n 2 , and the number is m 2 . by determining the number of soil moisture sensors to be used in the target field in practice while maintaining the user-selectable accuracy of measurement set in the experimental field. number can be determined.
ここで、上記の式(1)は、以下の内容に基づき導かれる。
まず、土壌水分センサーの個数について、元の全数をn個とし、n個から数を減じた個数であるm個がある場合、n個中m個の測定値の「小平均」と、n個の測定値の「全平均」の差の分布については、理論的に、期待値(分布の中心)は0、標準偏差(分布の広がり)は、下記の式(2)と導かれる。
Here, the above formula (1) is derived based on the following content.
First, regarding the number of soil moisture sensors, if the original total number is n, and there are m, which is the number obtained by subtracting the number from n, the "small average" of the measured values of m out of n and n Theoretically, the expected value (the center of the distribution) is 0 and the standard deviation (spread of the distribution) is derived from the following formula (2).
この上記式(2)に基づくと、例えば、全数n1が90個に対して、m1が7個の場合、標準偏差は、下記の式(3)となる。また、n2が30個に対して、m2が6個の場合、標準偏差は、下記の式(4)となる。 Based on the above formula (2), for example, when the total number of n1s is 90 and the number of m1s is 7, the standard deviation is given by the following formula (3). Also, when n2 is 30 and m2 is 6, the standard deviation is given by the following equation (4).
このように、上記の式(1)における標準偏差の係数(下記の式(5))の値がほぼ等しいと、上記の式(3)及び式(4)のように標準偏差もほぼ等しくなる。 Thus, if the values of the standard deviation coefficients (formula (5) below) in formula (1) above are approximately equal, the standard deviations are also substantially equal as in formulas (3) and (4) above. .
これは、n1個中m1個の測定値の「小平均」と、n1個の測定値の「全平均」の差の分布で概形が近い、つまり、(n1、m1)=(90、7)と、(n2、m2)=(30、6)では、測定値の「小平均」と、測定値の「全平均」の差の分布の概形が近いことを表している。 This is a similar distribution of the difference between the "small mean" of m1 out of n1 measurements and the "whole mean" of n1 measurements, i.e., ( n1 , m1 ) = (90, 7) and (n 2 , m 2 ) = (30, 6), the distribution of the difference between the "small average" of the measured values and the "overall average" of the measured values is similar. represent.
そして、一般的に、下記の式(6)を解いたものが、上記の式(1)となる。 In general, the above equation (1) is obtained by solving the following equation (6).
ここでは、n個、m個の測定値の「平均値」を使用する場合、上記の式(1)に基づいて、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2を算出することができる。また、n個、m個の測定値の「中央値」を使用する場合でも、「小中央値」と「全中央値」の差の分布を、平均値を用いて近似する、即ち、小中央値を小平均に、全中央値を全平均にそれぞれ対応させ、小中央値と全中央値の差の分布を、小平均と全平均の差の分布で置き換えたものとして、同様に、上記の式(1)に基づいて、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2を算出することができる。 Here, when using the "average value" of n and m measured values, the number m2 of soil moisture sensors used in the target field can be calculated based on the above equation (1). Also, even when using the "median" of n and m measured values, the distribution of the difference between the "small median" and the "all median" is approximated using the average value, that is, the small median Similarly, the above Based on the formula (1), the number m 2 of soil moisture sensors used in the target field can be calculated.
なお、土壌水分センサーの個数n1と、個数n2との関係では、n1>n2、または、n1<n2のいずれの関係であっても、上記の式(1)に基づいて、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2を算出することができる。また、ここでは、実験圃場の方が広い、即ち、n1>n2、または、対象圃場の方が広い、即ち、n1<n2のいずれの関係であっても、上記の式(1)に基づいて、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2を算出することができる。 Regarding the relationship between the number n 1 and the number n 2 of the soil moisture sensors, regardless of whether n 1 >n 2 or n 1 <n 2 , the above equation (1) is used. , the number m 2 of soil moisture sensors used in the target field can be calculated. Also, here, the experimental field is wider, that is, n 1 > n 2 , or the target field is wider, that is, n 1 < n 2 , the above formula (1 ), the number m 2 of soil moisture sensors to be used in the target field can be calculated.
また、代表値推定工程で、個数m2の土壌水分センサーで対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とすることによって、対象圃場における土壌水分の代表値を、個数m2の土壌水分センサーで測定した結果から推定することができる。この対象圃場における土壌水分の代表値は、実験圃場の測定から決定した測定の精度が担保された値となる。また、測定の精度が担保できる適切な個数の土壌水分センサーが用いられた測定とすることができる。 Further, in the representative value estimation step, by measuring the soil moisture in the target field with the soil moisture sensors of the number m 2 and using the median value or the average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field, A representative value of the soil moisture in the target field can be estimated from the results of measurement by the soil moisture sensors of the number m 2 . The representative value of the soil water content in the target field is a value determined from the measurement of the experimental field and the accuracy of the measurement is guaranteed. In addition, the measurement can be performed using an appropriate number of soil moisture sensors that can ensure measurement accuracy.
また、土壌水分測定センサーにおける土壌水分の測定結果が、所定の範囲内に含まれる測定値のみを採用する場合には、得られる測定値の精度を高めることができる。また、この結果、対象圃場における土壌水分の代表値の精度を高めることができる。即ち、例えば、使用する土壌水分センサーについて、測定精度が良好に保たれる測定値の上限及び下限の範囲に基づき、所定の範囲を設定することで、同範囲内のみの測定値が採用されるものとなり、測定値の精度を向上させることができる。 In addition, when the soil moisture measurement result of the soil moisture measurement sensor employs only the measured values within a predetermined range, it is possible to improve the accuracy of the obtained measured values. Moreover, as a result, it is possible to improve the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field. That is, for example, for the soil moisture sensor to be used, by setting a predetermined range based on the range of the upper limit and the lower limit of the measured value that maintains good measurement accuracy, only the measured value within the same range is adopted. , and the accuracy of the measured values can be improved.
また、土壌水分測定センサーにおける土壌水分の測定結果が、所定の範囲内に含まれない測定値を、所定の範囲内に含まれるように、所定の範囲に満たない測定値は、所定の範囲の下限の値として扱い、または、所定の範囲を超える測定値は、所定の範囲の上限の値として扱う場合には、得られる測定値の精度を高めることができる。また、この結果、対象圃場における土壌水分の代表値の精度を高めることができる。即ち、例えば、使用する土壌水分センサーについて、測定精度が良好に保たれる測定値の上限及び下限の範囲に基づき、所定の範囲を設定し、設定した範囲に満たない測定値や、設定した範囲を超える値を、その範囲の下限値または上限値として扱うことで、設定した範囲に含まれる測定値として収集可能となり、測定値の精度を向上させることができる。 In addition, the measured value of the soil moisture measured by the soil moisture measurement sensor falls within the predetermined range so that the measured value that is not within the predetermined range is included within the predetermined range. The accuracy of the obtained measurements can be increased if they are treated as lower bound values, or if measured values that exceed a given range are treated as upper bound values of a given range. Moreover, as a result, it is possible to improve the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field. That is, for example, for the soil moisture sensor to be used, a predetermined range is set based on the range of the upper and lower limits of the measured value that maintains good measurement accuracy, and the measured value that is less than the set range or the set range is treated as the lower limit value or the upper limit value of the range, it becomes possible to collect the measured value within the set range, and the accuracy of the measured value can be improved.
また、土壌水分測定センサーにおける土壌水分の測定を、一定の測定間隔で複数回行う際に、測定結果として、一連の測定における一定範囲区分に含まれる複数の測定値の区分中央値または区分平均値を採用する場合には、1回ずつの測定値で生じうる、変動する誤差の影響が小さくなり、対象圃場における土壌水分の代表値の精度を高めることができる。例えば、1分間隔での測定を、数時間継続する際に、30分の範囲ずつの、土壌水分測定センサーごとの中央値または平均値を測定結果に採用することで、1分間隔の測定で生じうる測定誤差の影響を小さくした測定結果を得ることができる。つまり、30回分の測定値の中に、いくつか測定誤差と考えられる値が含まれていても、30回分の中央値または平均値を用いることで、測定誤差と考えられる値の影響を減らすことができる。 In addition, when measuring the soil moisture with the soil moisture measurement sensor multiple times at a certain measurement interval, the measurement result is the division median value or the division average value of the multiple measurement values included in the fixed range division in the series of measurements. is adopted, the influence of fluctuating errors that can occur in each measured value is reduced, and the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field can be improved. For example, when measuring at 1-minute intervals for several hours, by adopting the median value or average value for each soil moisture measurement sensor for each 30-minute range as the measurement result, the measurement at 1-minute intervals Measurement results can be obtained that are less affected by possible measurement errors. In other words, even if some values considered to be measurement errors are included in the 30 measurements, the influence of values considered to be measurement errors can be reduced by using the median or average value for 30 measurements. can be done.
また、土壌水分測定センサーにおける土壌水分の測定を、一定の測定間隔で複数回行う際に、測定結果として、一連の測定において、測定回数を固定して、かつ、測定のタイミングをずらした移動範囲区分に含まれる複数の測定値の土壌水分測定センサーごとの移動中央値または移動平均値を採用する場合には、1分間隔の測定で生じうる測定誤差の影響をリアルタイムで減らすことができる。即ち、例えば、1分間隔での測定を、数時間継続し、30分の範囲ずつの、土壌水分測定センサーごとの中央値または平均値を測定結果に採用する際に、0分から30分までの同一範囲(30分範囲)だけを採用せず、1分から31分の異なる範囲で、30分の範囲ずつの中央値または平均値を測定結果に採用することで、変動する誤差の影響がリアルタイムで小さくなり、対象圃場における土壌水分の代表値の精度をリアルタイムで高めることができる。 In addition, when measuring the soil moisture with the soil moisture measuring sensor a plurality of times at constant measurement intervals, the measurement result is a moving range in which the number of measurements is fixed and the timing of measurement is shifted in a series of measurements. If a moving median value or a moving average value for each soil moisture measurement sensor of a plurality of measurements included in the division is employed, the effects of measurement errors that may occur in measurements at one-minute intervals can be reduced in real time. That is, for example, when the measurement at 1-minute intervals is continued for several hours, and the median value or average value for each soil moisture measurement sensor in each 30-minute range is adopted as the measurement result, from 0 minutes to 30 minutes By adopting the median or average value for each 30-minute range in different ranges from 1 minute to 31 minutes instead of adopting only the same range (30-minute range), the influence of fluctuating errors can be corrected in real time. It is possible to improve the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field in real time.
また、空間統計学手法にて、標本セミバリオグラム作成工程で、実験圃場に配置したn個の土壌水分センサーから任意の2個を選ぶ組み合わせの全通りに対して、センサー間の距離を算出し、センサー間の距離に応じたグループである距離グループ群に分けると共に、距離グループ群におけるグループごとの土壌水分の測定値の差のデータ群に基づいて、標本セミバリオグラムを作成し、セミバリオグラム推定工程で、センサー間の距離と、標本セミバリオグラムの散布図に曲線をあてはめ、セミバリオグラムモデルを作成すると共に、セミバリオグラムモデルを用いて、任意の距離に対するセミバリオグラムの値を推定する場合には、各土壌水分センサーの配置位置の座標以外の地点も含めた、任意の地点の間の距離に対するセミバリオグラムの値を取得することができる。また、セミバリオグラムモデルを作成することで、確率場の理論から導かれる関係式(コバリオグラムとの関係式)により、空間類似性の有無、空間類似性の強さ、及び、空間類似性が及ぶ距離を確認することができる。なお、セミバリオグラムは空間類似性を、標本セミバリオグラムは測定値から算出される空間類似性を、それぞれ意味している。 In addition, in the process of creating a sample semivariogram using the spatial statistics method, the distance between the sensors is calculated for all combinations of selecting any two of the n soil moisture sensors placed in the experimental field, In addition to dividing into distance group groups, which are groups according to the distance between sensors, a sample semivariogram is created based on the data group of the difference in the measured value of soil moisture for each group in the distance group group, and in the semivariogram estimation step , a curve is fitted to the distance between the sensors and the scatter plot of the sample semivariogram to create a semivariogram model. It is possible to obtain a semivariogram value for the distance between arbitrary points, including points other than the coordinates of the location of the moisture sensor. In addition, by creating a semivariogram model, the presence or absence of spatial similarity, the strength of spatial similarity, and the spatial similarity can be determined by the relational expression (relational expression with covariogram) derived from random field theory. You can check the distance. The semivariogram means spatial similarity, and the sample semivariogram means spatial similarity calculated from measured values.
また、空間統計学手法にて、任意地点水分値推定工程で、n個の土壌水分センサーによる土壌水分の測定値に基づく、拡張された重み付き平均を用いて、実験圃場の任意の地点における土壌水分を推定する場合には、土壌水分センサーの配置位置以外の任意の地点での、土壌水分の測定値の情報を得ることができる。なお、ここでいう拡張された重み付き平均における、重み係数には、任意の地点と、センサーとの距離hに対するセミバリオグラム、γ(h)が反映されている。 In addition, in the spatial statistics method, in the arbitrary point moisture value estimation process, the soil at an arbitrary point in the experimental field using an extended weighted average based on the measured values of soil moisture by n soil moisture sensors In the case of estimating moisture, it is possible to obtain information on the measured value of soil moisture at an arbitrary point other than the position where the soil moisture sensor is arranged. The weighting factor in the extended weighted average here reflects the semivariogram γ(h) with respect to the distance h between an arbitrary point and the sensor.
また、空間統計学手法にて、n個の土壌水分センサーによる土壌水分の測定値と、任意地点水分値推定工程から推定された任意の地点における土壌水分から、各測定時点での、実験圃場における土壌水分の可視化を行い、実験圃場の空間分布の均一性を確認する空間分布把握工程を有する場合には、各測定時点での、実験圃場の土壌水分の状態を視覚化して、その経時的変化を追うことで、実験圃場の範囲で、均一な空間分布を示すかを確認することができる。なお、ここでは、例えば、測定時点ごとの、実験圃場の各地点での、土壌水分の測定値または推定値に対して、等高図等で空間分布をグラフ化し、グラフの経時的な変化を確認することで、空間分布の均一性、または、不均一性(傾向や偏り)等を視覚化することができる。 In addition, by the spatial statistics method, from the soil moisture measured by n soil moisture sensors and the soil moisture at an arbitrary point estimated from the arbitrary point moisture value estimation process, at each measurement time, in the experimental field Visualize the soil moisture and if you have a spatial distribution comprehension step to confirm the uniformity of the spatial distribution of the experimental field, visualize the state of the soil moisture in the experimental field at each measurement time and change it over time By tracking , it is possible to confirm whether a uniform spatial distribution is exhibited within the range of the experimental field. Here, for example, the spatial distribution of the measured or estimated soil moisture at each point in the experimental field at each measurement point is graphed using a contour map, etc., and changes over time in the graph are plotted. By checking, the uniformity or non-uniformity (tendency or deviation) of the spatial distribution can be visualized.
また、個数m2の土壌水分センサーを用いて対象圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、対象圃場が均一な空間分布を示すかを確認する第2の空間分布確認工程を備える場合には、対象圃場において、個数m2の土壌水分センサーの測定結果の中央値または平均値という1つの値を、土壌水分の代表値とすることの妥当性を確認することができる。 In addition, the soil moisture in the target field is measured using m 2 of soil moisture sensors, and a second spatial distribution for confirming whether the target field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture by a spatial statistical method. When a confirmation process is provided, it is possible to confirm the validity of using one value, the median value or the average value of the measurement results of the soil moisture sensors of the number m 2 , as the representative value of the soil moisture in the target field. can.
また、上記の目的を達成するために、本発明の土壌水分の推定方法は、実験圃場における複数の土壌水分測定センサーを用いた土壌水分の測定結果の情報に基づき、対象圃場における土壌水分の代表値を推定するための土壌水分の推定方法であって、複数の前記土壌水分センサーを用いて前記実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する空間分布確認工程と、前記空間分布確認工程で、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示す際に、所定の測定間隔及び所定の測定回数にて、第1の個数の前記土壌水分センサーで、前記実験圃場の土壌水分を測定した第1の測定結果と、前記第1の測定結果の中から、前記第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択した、第2の測定結果を、複数のパターンで得ると共に、前記第1の測定結果の測定タイミングごとに得られた全数中央値または全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定し、前記第2の測定結果の測定タイミングごとに得られた減数中央値または減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出する、経験的確率算出工程と、前記任意の所定幅及び前記経験的確率に基づき、前記複数のパターンの前記第2の個数の中から、所望の精度を有する前記土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択するセンサー個数選択工程と、前記実験圃場の面積の情報、前記対象圃場の面積の情報、及び、前記第3の個数の情報に対して、平均値による近似を用いて、前記対象圃場で使用する前記土壌水分センサーの個数を決定するセンサー数決定工程と、前記センサー数決定工程で決定した個数の前記土壌水分センサーで前記対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とする代表値推定工程と、を備える。 In order to achieve the above object, the method for estimating soil moisture of the present invention is based on the information of the measurement results of the soil moisture using a plurality of soil moisture measuring sensors in the experimental field. A method of estimating soil moisture for estimating a a spatial distribution confirmation step for confirming whether a uniform spatial distribution is shown; , a first measurement result of measuring the soil moisture in the experimental field with the first number of the soil moisture sensors, and the first measurement result, the number of which is arbitrarily reduced from the first number. A second measurement result obtained by selecting a second number of measurement values, which is the number of An arbitrary predetermined width is set based on the value of the value, and the reduced median value or the reduced average value obtained at each measurement timing of the second measurement result is within the arbitrary predetermined width range with respect to the reference. an empirical probability calculation step of calculating an empirical probability of falling within the second number of the plurality of patterns based on the arbitrary predetermined width and the empirical probability, the second number of the plurality of patterns having a desired accuracy A sensor number selection step of selecting a third number that is the number of soil moisture sensors; a number-of-sensors determination step of determining the number of the soil moisture sensors to be used in the target field using approximation by values; and a representative value estimating step of measuring and using the median value or average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field.
ここで、空間分布確認工程で、土壌水分について、実験圃場が均一な空間分布を示す際に、経験的確率算出工程で、所定の測定間隔及び所定の測定回数にて、第1の個数の土壌水分センサーで、実験圃場の土壌水分を測定した第1の測定結果と、第1の測定結果の中から、第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択した、第2の測定結果を、複数のパターンで得ると共に、第1の測定結果の測定タイミングごとに得られた全数中央値または全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定し、第2の測定結果の測定タイミングごとに得られた減数中央値または減数平均値が、基準から見た任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出することによって、第1の個数の土壌水分センサーの測定結果に対して、第1の個数の測定結果から数を減らした第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、第2の個数分で、担保できる測定の精度の情報を取得可能となる。つまり、実験圃場で、土壌水分センサーの個数を減らしていった際に、元々の第1の個数の測定結果に対して、数を減らした個数での測定の精度がどの程度に収まるかの数値情報を確認することができる。 Here, in the spatial distribution confirmation step, when the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture, in the empirical probability calculation step, at a predetermined measurement interval and a predetermined number of measurements, the first number of soils A first measurement result obtained by measuring soil moisture in an experimental field with a moisture sensor, and measurements for a second number, which is a number arbitrarily subtracted from the first number, from the first measurement result. A second measurement result with selected values is obtained in a plurality of patterns, and an arbitrary predetermined width is obtained based on the value of the total median value or the total average value obtained at each measurement timing of the first measurement result. By calculating the empirical probability that the reduced median value or the reduced average value obtained at each measurement timing of the second measurement result falls within an arbitrary predetermined width range as viewed from the reference, the first For the measurement results of the soil moisture sensors of the number, a second number of measurement values obtained by reducing the number from the first number of measurement results are selected, and the selected measurement values are obtained by the second number. , it becomes possible to obtain information on the accuracy of measurements that can be guaranteed. In other words, when the number of soil moisture sensors is reduced in the experimental field, the numerical value to what extent the accuracy of the measurement with the reduced number is within the original measurement result of the first number. You can check the information.
また、代表値推定工程で、センサー数決定工程で決定した個数の土壌水分センサーで対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とすることによって、対象圃場における土壌水分の代表値を、決定した個数の土壌水分センサーで測定した結果から推定することができる。この対象圃場における土壌水分の代表値は、実験圃場の測定から決定した測定の精度が担保された値となる。また、測定の精度が担保できる適切な個数の土壌水分センサーが用いられた測定とすることができる。 Further, in the representative value estimation step, the soil moisture in the target field is measured with the number of soil moisture sensors determined in the sensor number determination step, and the median or average value of the measurement results is used as the representative value of the soil moisture in the target field. By doing so, the representative value of the soil moisture in the target field can be estimated from the results measured by the determined number of soil moisture sensors. The representative value of the soil water content in the target field is a value determined from the measurement of the experimental field and the accuracy of the measurement is guaranteed. In addition, the measurement can be performed using an appropriate number of soil moisture sensors that can ensure measurement accuracy.
本発明に係る土壌水分の推定方法は、実験圃場から得られた測定情報を基に、土壌水分を把握したい対象圃場における測定において、測定の精度を担保しながら、適切な個数の土壌水分センサーを用いて、対象圃場の土壌水分の代表値を得ることが可能なものとなっている。 The method for estimating soil moisture according to the present invention uses an appropriate number of soil moisture sensors while ensuring the accuracy of measurement in a target field where it is desired to grasp the soil moisture based on the measurement information obtained from the experimental field. It is possible to obtain the representative value of the soil moisture in the target field.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
なお、以下に示す内容は本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例であり、本発明の内容は以下に示す内容に限定されるものではなく、適宜設定変更することが可能である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings for understanding of the present invention.
The content shown below is an example of a method for estimating soil moisture to which the present invention is applied, and the content of the present invention is not limited to the content shown below, and settings can be changed as appropriate.
本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法は、一定の広さの実験圃場における土壌水分測定センサーの測定結果の情報に基づき、実験圃場より面積が小さい対象圃場における土壌水分の代表値を推定する方法である。 An estimation method, which is an example of a method for estimating soil moisture to which the present invention is applied, is based on the information of the measurement result of a soil moisture measurement sensor in an experimental field of a certain size, and the soil moisture in a target field smaller than the experimental field. This is a method of estimating a representative value.
まず、図1を用いて、本発明の土壌水分の推定方法の流れの全体概略を説明する。 First, with reference to FIG. 1, the overall outline of the flow of the method for estimating soil moisture according to the present invention will be described.
図1に示すように、本発明では、まず、実験圃場において、実験圃場の面積の広さに配置可能な個数(n1個とする)の土壌水分測定センサーを用いて土壌水分の測定を行う(図のSTEP1)。以下の内容では、個数n1の一例として、90個を例に説明を行う。また、必要に応じて、個数n1を「全数」と呼ぶことがある。
As shown in FIG. 1, in the present invention, first, in an experimental field, soil moisture is measured using the number of soil moisture measuring sensors that can be arranged in the area of the experimental field (n: 1 ). (
次に、個数n1(全数)の土壌水分測定センサーの測定結果から、実験圃場の空間分布の確認を行う(図1のSTEP2)。
Next, the spatial distribution of the experimental field is confirmed from the measurement results of the number n 1 (total number) of soil moisture measuring sensors (
この実験圃場の空間分布の確認の工程では、空間統計学的手法を用いて、実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する。 In this step of confirming the spatial distribution of the experimental fields, a spatial statistical method is used to confirm whether the experimental fields exhibit a uniform spatial distribution.
また、実験圃場において、その全体範囲が均一な空間分布を示すものであれば、実験圃場の土壌水分の代表値が1つで良いことを確認することができる。つまり、本工程で、実験圃場の代表値の妥当性を検証することができる。 In addition, it can be confirmed that one representative value of soil moisture in the experimental field is enough if the entire range shows a uniform spatial distribution in the experimental field. That is, in this step, the validity of the representative value of the experimental field can be verified.
また、実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する工程により、対象圃場の空間分布を見える化できる。また、本工程では、実験圃場における、土壌水分センサーの空間類似性が及ぶ距離(レンジ)の情報を得ることができる。なお、土壌水分測定センサー及び実験圃場の空間分布の確認の詳細については後述する。 Moreover, the spatial distribution of the target field can be visualized by the process of confirming whether the experimental field exhibits a uniform spatial distribution. In addition, in this step, it is possible to obtain information on the distance (range) to which the spatial similarity of the soil moisture sensor extends in the experimental field. Details of confirmation of the soil moisture measurement sensor and the spatial distribution of the experimental field will be described later.
また、実験圃場の空間分布の確認の工程にて、実験圃場が均一な空間分布を示した場合、個数n1個(90個)の土壌水分測定センサーでの測定結果(全測定値)から、その個数n1個から数を減らした個数の測定値の選択を行う(図1のSTEP3)。
In addition, in the process of confirming the spatial distribution of the experimental field, if the experimental field shows a uniform spatial distribution, from the measurement results (all measured values) of the number n 1 (90) soil moisture measurement sensors, The number of measured values is selected by reducing the number from the number n of 1 (
ここでは、後述する測定精度の選択の工程で、複数のパターンの測定精度の中から、所望の精度を使用者が選択可能となるように、個数n1個から数を減らした個数については、実験圃場の空間分布の確認で用いたn1個(90個)から数を減らしていった、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個のように、複数のパターンで測定値の選択を行う。 Here, in the step of selecting the measurement accuracy to be described later, the number n is reduced from 1 so that the user can select the desired accuracy from the measurement accuracy of a plurality of patterns. 45 , 27, 14, 13, 9, 7, 6, 5, 4 Multiple patterns are used to select measurements.
また、土壌水分センサーの個数n1個から数を減らす際には、センサー間の距離が同じになるように、かつ、センサーの外縁の形状が矩形となるように、その個数を選択した。 When the number of soil moisture sensors was reduced from n 1 , the number was selected so that the distance between the sensors would be the same and the shape of the outer edge of the sensor would be rectangular.
ここで、実験圃場の空間分布の確認で用いた土壌水分センサーの個数(n1)は、必ずしも90個に設定される必要はなく、適宜設定することができる。但し、この数は、実験圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数であるとして配置及び設定される必要がある。 Here, the number of soil moisture sensors (n 1 ) used in confirming the spatial distribution of the experimental field does not necessarily need to be set to 90, and can be set as appropriate. However, this number must be arranged and set as a number that can be arranged according to the size of the experimental field.
また、必ずしも、土壌水分センサーの個数を減らした個数の複数のパターンが、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個に限定される必要はなく、その数を変更した内容を選択可能である。但し、後の測定精度の選択の工程で、使用者が選択できる測定精度のバリエーションを幅広く持たせるため、減少させる個数のバリエーションも、多めの個数から、少なめの個数まで、幅広く設定しておくことが好ましい。 In addition, the number of patterns with a reduced number of soil moisture sensors is necessarily limited to 45, 27, 14, 13, 9, 7, 6, 5, and 4. Instead, it is possible to select the contents that have changed the number. However, in order to provide a wide range of variations in measurement accuracy that can be selected by the user in the later process of selecting measurement accuracy, the variation in the number of pieces to be reduced should be set widely, from a large number to a small number. is preferred.
また、必ずしも、土壌水分センサーの個数を減らす際には、必ずしも、センサー間の距離が同じになるように、かつ、センサーの外縁の形状が矩形となるように、その個数を減らす必要はなく、任意の条件で個数を減らすように選択することができる。 Further, when reducing the number of soil moisture sensors, it is not always necessary to reduce the number so that the distance between the sensors is the same and the shape of the outer edge of the sensor is rectangular. Any condition can be selected to reduce the number.
続いて、実験圃場における土壌水分センサー個数n1個の測定結果と、個数n1個から数を減らした個数の測定値を選択した結果から、経験的確率を算出する(図1のSTEP4)。
Subsequently, the empirical probability is calculated from the measurement results of the soil moisture sensor number n 1 in the experimental field and the measurement values of the number n 1 minus the number selected (
この経験的確率を算出する工程では、90個の土壌水分センサーで行った測定結果に由来する、各測定タイミングでの「全数中央値」を基準に、この全数中央値から所定の数値範囲内に、土壌水分センサーの数を減らした個数の測定値を選択して、その選択した測定値における、各測定タイミングでの測定中央値(減数中央値)が含まれる確率(経験的確率)を算出する。 In the process of calculating this empirical probability, based on the "total median value" at each measurement timing derived from the measurement results of 90 soil moisture sensors, within a predetermined numerical range from this total median value , select the measured values obtained by reducing the number of soil moisture sensors, and calculate the probability (empirical probability) that the selected measured values include the measured median value (reduced median value) at each measurement timing. .
この経験的確率は、90個の土壌水分センサーの個数を、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個と減らしていった場合に、どの程度の測定精度が担保できるかを示す指標となる。 This empirical probability becomes It is an index that indicates how much measurement accuracy can be guaranteed.
ここで、必ずしも、経験的確率の算出において、測定結果の、各測定タイミングでの中央値(全数中央値、減数中央値)が採用される必要はなく、各測定タイミングでの平均値が採用され、経験的確率が算出されてもよい。但し、明らかな測定誤差等に由来する外れ値を除外して、精度の高い値が得られやすいこと、及び、外れ値に対して頑健性があることから、測定結果の中央値が採用されることが、より好ましい。 Here, in calculating the empirical probability, it is not necessary to adopt the median value (the total median value, the reduced median value) of the measurement results at each measurement timing, and the average value at each measurement timing is adopted. , an empirical probability may be calculated. However, the median value of the measurement results is adopted because it is easy to obtain highly accurate values by excluding outliers derived from obvious measurement errors, etc., and because it is robust against outliers. is more preferable.
次に、測定精度の選択工程において、算出した経験的確率の内容から、使用者が求める精度に応じて、土壌水分センサーの個数を減らすように選択した複数のパターンの個数から、1つを選択する(図1のSTEP5)。
Next, in the measurement accuracy selection step, one is selected from a plurality of patterns selected to reduce the number of soil moisture sensors according to the accuracy desired by the user from the content of the calculated empirical probability. (
つまり、経験的確率を算出する工程で得られた、90個の土壌水分センサーの個数を、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個と減らしていった場合での、各個数で測定精度の中から、使用者が求める精度に応じて、センサーの個数(m1個とする)を選択する。 That is, the number of 90 soil moisture sensors obtained in the process of calculating the empirical probability is 45, 27, 14, 13, 9, 7, 6, 5, 4 The number of sensors (m = 1 ) is selected according to the accuracy desired by the user from among the measurement accuracies for each number when decreasing.
ここでの精度とは、例えば、土壌水分センサーの個数「13個」を選択した場合、90個のセンサーの測定結果に関する全中央値±5%に含まれる経験的確率が99.3%(0.993)となるような値である。 Accuracy here means that, for example, when 13 soil moisture sensors are selected, the empirical probability of being included in the total median ±5% of the measurement results of 90 sensors is 99.3% (0 .993).
上記を換言すれば、土壌水分センサーを90個から13個に減らした場合、13個のセンサーでの測定結果の中央値(小中央値)は、99.3%の確率で、90個のセンサーでの測定結果の「全中央値±5%」の範囲に入る精度が担保されることを意味する。 In other words, if we reduce the number of soil moisture sensors from 90 to 13, the median (small median) of the 13 sensor results is 99.3% likely to be It means that the accuracy of the measurement results in the "total median ± 5%" range is guaranteed.
そのため、測定精度の選択工程では、使用者はセンサーの減らした個数を選択することで、自身が必要とする測定精度を選択したものとなる。 Therefore, in the measurement accuracy selection step, the user selects a reduced number of sensors, thereby selecting the measurement accuracy required by the user.
次に、対象圃場で使用するセンサーの個数を決定する工程では、測定精度の選択工程で選択した、実験圃場での個数を減らした数(m1個)と、実験圃場において、その面積の広さに配置可能な数であり、個数を減らす前の土壌水分センサーの数(n1個=90個)と、対象圃場の面積の広さに配置可能な土壌水分センサーの数(n2個とする)の情報から、対象圃場で使用するセンサーの個数(m2個とする)を決定する(図1のSTEP6)。
Next, in the process of determining the number of sensors to be used in the target field, the reduced number of sensors in the experimental field (m 1 sensor) selected in the measurement accuracy selection process and the The number of soil moisture sensors that can be placed in each area, the number of soil moisture sensors before reducing the number (n 1 = 90), and the number of soil moisture sensors that can be placed in the area of the target field (n 2 and The number of sensors ( 2 m) to be used in the target field is determined from the information of (
この工程では、実験圃場で個数を減らすように選択した土壌水分センサーの数に対応する測定精度の水準が、対象圃場においても維持可能となるための、土壌水分センサーの数を決定する工程である。つまり、使用者が求める測定精度が、対象圃場の広さで担保できる、土壌水分センサーの数(m2個)を求める工程である。 In this process, the number of soil moisture sensors is determined so that the level of measurement accuracy corresponding to the number of soil moisture sensors selected to reduce the number in the experimental field can be maintained in the target field. . In other words, this is a step of determining the number of soil moisture sensors ( 2 per square meter) that can guarantee the measurement accuracy required by the user based on the size of the target field.
ここまでの工程で、対象圃場において、使用者が求める土壌水分の測定精度と、それを得るために必要な土壌水分センサーの個数(m2個)を設定することができる。 Through the steps up to this point, it is possible to set the soil moisture measurement accuracy required by the user and the number of soil moisture sensors (m 2 ) required to obtain the accuracy in the target field.
続いて、対象圃場において、m2個の土壌水分センサーを用いて、土壌水分の測定を行い、測定結果に基づき、対象圃場の代表値を取得する(図1のSTEP7)。本工程では、所定の測定条件で、m2個の土壌水分センサーを介して、土壌水分を測定して、原則、各測定タイミングでの測定値から、中央値を算出する。この中央値が、対象圃場における土壌水分の代表値と推定することができる。 Subsequently, in the target field, soil moisture is measured using 2 m 2 soil moisture sensors, and a representative value of the target field is obtained based on the measurement results (STEP 7 in FIG. 1). In this step, the soil moisture is measured under predetermined measurement conditions via m 2 soil moisture sensors, and in principle, the median value is calculated from the measured values at each measurement timing. This median value can be estimated as the representative value of soil moisture in the target field.
また、更なる工程として、m2個の土壌水分センサーを用いて測定した対象圃場の測定結果から、空間統計学的手法を用いて、対象圃場が均一な空間分布を示すかを確認する工程を行う(図1のSTEP8)。
In addition, as a further step, a step of confirming whether the target field exhibits a uniform spatial distribution using a spatial statistical method from the measurement results of the target field measured using m2 soil moisture sensors. (
この対象圃場において、その全体範囲が均一な空間分布を示すものであれば、対象圃場の土壌水分の代表値が1つで良いことを確認することができる。つまり、本工程で、対象圃場の代表値の妥当性を検証することができる。 In this target field, if the entire range shows a uniform spatial distribution, it can be confirmed that only one representative value of the soil moisture content of the target field is sufficient. That is, in this step, the validity of the representative value of the target field can be verified.
また、詳細は後述するが、対象圃場が均一な空間分布を示すかを確認する工程により、対象圃場の空間分布を見える化できる。 Further, although the details will be described later, the spatial distribution of the target field can be visualized by the process of confirming whether the target field exhibits a uniform spatial distribution.
以上の内容が、本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法Aによる、対象圃場での土壌水分の代表値を推定する方法の概略である。続いて、以下、推定方法Aの詳細を説明する。 The above is an outline of the method for estimating the representative value of the soil moisture in the target field according to the estimation method A, which is an example of the method for estimating the soil moisture to which the present invention is applied. Subsequently, the details of the estimation method A will be described below.
[土壌水分センサー]
まず、土壌水分センサーについて説明する。本発明では、土壌水分を測定する土壌水分センサーとして、静電容量方式の非接触型の土壌水分センサー(DFROBOT社製、型番:Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2)を用いている。
[Soil moisture sensor]
First, the soil moisture sensor will be explained. In the present invention, as a soil moisture sensor for measuring soil moisture, a capacitance type non-contact soil moisture sensor (manufactured by DFROBOT, model number: Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2) is used.
この土壌水分センサーは、土壌水分の指標の一つである体積含水率(θ:土の全体積に対する水の体積の比、m3/m3)のパラメータを非接触でリアルタイムに計測することができる。そのため、本実施の形態における土壌水分の測定値とは、体積含水率(θ)の値である。 This soil moisture sensor can measure the volumetric moisture content (θ: ratio of water volume to total soil volume, m 3 /m 3 ), which is one index of soil moisture, in real time without contact. can. Therefore, the measured value of soil moisture in the present embodiment is the value of volumetric water content (θ).
ここで、必ずしも、本発明における土壌水分の測定値として、体積含水率が採用される必要はない。例えば、土壌水分の指標である含水比(w)、または、乾燥密度(ρb)を用いる態様であってもよい。また、本発明では、土壌水分センサーとして、その他の既知の測定手段を採用することが可能である。 Here, the volumetric water content does not necessarily have to be adopted as the soil moisture measurement value in the present invention. For example, a mode using a water content ratio (w) or a dry density (ρ b ), which is an index of soil moisture, may be used. Also, in the present invention, it is possible to employ other known measuring means as a soil moisture sensor.
[空間統計学的手法による空間分布の確認]
次に、実験圃場における空間統計学的手法による空間分布の確認について、詳細を説明する。なお、以下の内容は対象圃場における空間統計学的手法による空間分布の確認についても同様の手法が採用しうる。
[Confirmation of spatial distribution by spatial statistical method]
Next, the confirmation of the spatial distribution in the experimental field by the spatial statistical technique will be described in detail. In addition, the same method can be adopted for the confirmation of the spatial distribution by the spatial statistical method in the target field for the following contents.
[土壌水分センサーの実験圃場での配置]
まず、実験圃場における空間統計学的手法による空間分布では、90個(n1個)の土壌水分センサーを使用した。本実施の形態では、実験圃場は、横6mかつ縦18mの長方形状の圃場である。
[Arrangement of the soil moisture sensor in the experimental field]
First, 90 (n 1 ) soil moisture sensors were used in the spatial distribution by the spatial statistical technique in the experimental field. In this embodiment, the experimental field is a rectangular field with a width of 6 m and a length of 18 m.
この実験圃場に対して、90個の土壌水分センサーを、横一列に5台、かつ、縦に18台として、縦横のいずれもセンサー同士の距離を1m間隔で、格子状になるように配置した。 In this experimental field, 90 soil moisture sensors were arranged in a grid pattern, with 5 sensors arranged horizontally and 18 sensors vertically, with a distance of 1m between the sensors both vertically and horizontally. .
このような配置とすることで、実験圃場の大部分の範囲が、均等に配置された土壌水分センサーで占められることになり、センサーの個数90個を、実験圃場の面積の広さに配置可能な数とみなすことができる。 With this arrangement, most of the experimental field is occupied by evenly distributed soil moisture sensors, and 90 sensors can be arranged over the expansive area of the experimental field. can be regarded as a number
また、本実施の形態で使用するセンサーは、本体中の約7cmの範囲に計測部分が設けられており、ここでは、土壌水分センサーの計測部分が、土壌の地表面から深さ2cm~9cmの範囲に位置するように、センサーを土壌に設置した。90個のセンサーはいずれも同様に、地表面から深さ2cm~9cmの範囲に設置した。 In addition, the sensor used in this embodiment has a measuring portion within a range of about 7 cm in the main body. The sensor was placed in the soil so that it was located in range. All 90 sensors were similarly installed in the range of 2 cm to 9 cm in depth from the ground surface.
なお、土壌水分センサーの測定は、略平坦な圃場が測定対象であっても、センサー本体の計測部分が設置される土壌深さによって異なる測定となる。そのため、略平坦な圃場を測定対象とする際には、センサーの設置深さを揃える必要がある。 In addition, the measurement of the soil moisture sensor varies depending on the depth of the soil where the measuring portion of the sensor main body is installed, even if the measurement target is a substantially flat field. Therefore, when a substantially flat field is to be measured, it is necessary to align the installation depths of the sensors.
上記では、地表面から深さ2~9cmの範囲にセンサーを設置したが、土壌のより深い位置で測定するのであれば、センサーの挿入深さを揃えるものとなる。また、例えば、圃場に畝が設けられ、高低差を含む土壌の場合、畝のある範囲と、畝のない範囲に分けて、それぞれの範囲に、本発明を適用した土壌水分の推定方法を適用することができる。 In the above description, the sensors were installed at a depth of 2 to 9 cm from the ground surface, but if the measurement is to be made at a deeper position in the soil, the insertion depth of the sensors should be the same. Further, for example, in the case of soil with ridges provided in a field and including height differences, it is divided into a range with ridges and a range without ridges, and the method for estimating soil moisture to which the present invention is applied is applied to each range. can do.
ここで、必ずしも、本発明では、90個の土壌水分センサーを、縦横のいずれもセンサー同士の距離を1m間隔で、格子状になるように配置する必要はなく、センサー間の距離が算出可能であれば、センサーの設置間隔や配置の形状は限定されるものではない。但し、1m間隔で、格子状になるように配置することで、多数のセンサーの設置が容易となり、かつ、2つのセンサーの各組み合わせでのセンサー間の距離が算出しやすいものとなる。 Here, in the present invention, it is not always necessary to arrange the 90 soil moisture sensors in a lattice pattern with a distance of 1 m between the sensors both vertically and horizontally, and the distance between the sensors can be calculated. If there is, the installation interval and the shape of the arrangement of the sensors are not limited. However, by arranging the sensors in a lattice pattern at intervals of 1 m, it becomes easy to install a large number of sensors and to easily calculate the distance between the sensors in each combination of two sensors.
上記で説明した内容で90個の土壌水分センサーを配置して、次の測定条件で、実験圃場における土壌水分の測定を行った。まず、実験圃場の全範囲に対して、土壌が乾燥した状態から、その土壌の最大容水量の水を潅水して、自然乾燥で、土壌がそれ以上乾燥しない状態になるまで、経時的に測定を行った。 90 soil moisture sensors were arranged as described above, and the soil moisture in the experimental field was measured under the following measurement conditions. First, for the entire range of the experimental field, the soil was watered from a dry state to the maximum water capacity of the soil, and then naturally dried and the soil was no longer dried, and measured over time. did
土壌への潅水後、土壌がそれ以上乾燥しない状態になるまでは、3週間の期間であった。また、90個の土壌水分センサーでの測定は、初期の乾燥した状態から測定を開始して、潅水後に、土壌が再度乾燥するまでの間、1分間隔で測定を行った。即ち、1つのセンサーでは、例えば、30分間に30個の測定値が得られ、これを経時的に3週間測定し、データの取得を行った。 After watering the soil, there was a period of 3 weeks until the soil was no longer dry. In addition, the measurement with the 90 soil moisture sensors was started from the initial dry state, and after watering, the measurement was performed at intervals of 1 minute until the soil dried again. That is, with one sensor, for example, 30 measured values were obtained in 30 minutes, and these were measured over time for 3 weeks to acquire data.
続いて、実験圃場での、90個の土壌水分センサーを用いた3週間の測定結果に対して、空間統計学的手法を用いて、土壌水分における実験圃場の空間分布の確認を行った。 Subsequently, the spatial distribution of soil moisture in the experimental field was confirmed using a spatial statistical method for the measurement results for 3 weeks using 90 soil moisture sensors in the experimental field.
[標本セミバリオグラム作成工程]
まず、空間統計学的手法では、各測定タイミングでの測定値に対して、標本セミバリオグラム作成工程を行う。標本セミバリオグラム作成工程は、次の手順である。
[Specimen semivariogram preparation process]
First, in the spatial statistical method, a sample semivariogram creation step is performed for the measured values at each measurement timing. The sample semivariogram preparation process is the following procedure.
ここでは、90個のセンサーから、任意の2つを選ぶ組み合わせについて、その全通りの組み合わせである、「90×(90-1)/2」通り、即ち、4005通りの組み合わせに対して、2つのセンサー間の距離hに応じて、グループ分けを行った。例えば、距離1mのグループ、距離2mのグループ、距離√2のグループ等のように、センサー間の距離が同じ距離となる組み合わせで、グループに分類する。 Here, from 90 sensors, for a combination of arbitrarily selecting two, there are 90 × (90-1) / 2 combinations, that is, 4005 combinations. Grouping was performed according to the distance h between the two sensors. For example, the sensors are classified into groups in which the distances between sensors are the same, such as a group with a distance of 1 m, a group with a distance of 2 m, a group with a distance of 2, and the like.
そして、2つのセンサー間の距離hにおけるグループ(区間)ごとに、そのグループに含まれる2つのセンサーの組み合わせの各測定値(zi、zj)の差の2乗の平均値を、2で割った値である標本セミバリオグラムを算出する。標本セミバリオグラムは、下記の式(7)で表される。つまり、距離hごとに、標本セミバリオグラムを算出する。 Then, for each group (section) in the distance h between the two sensors, the average value of the squares of the differences in each measurement value (z i , z j ) of the combination of the two sensors included in the group is 2. A sample semivariogram, which is the divided value, is calculated. A sample semivariogram is represented by the following equation (7). That is, a sample semivariogram is calculated for each distance h.
[セミバリオグラム推定工程]
次に、距離hと標本セミバリオグラムの散布図に曲線をあてはめる。空間統計学(確率場の理論)では、この曲線をセミバリオグラムモデルと呼ぶ。このセミバリオグラムモデルを用いて、任意の距離hに対するセミバリオグラムの値γ(h)を推定する。
[Semivariogram estimation step]
A curve is then fitted to the scatterplot of the distance h and the sample semivariogram. In spatial statistics (random field theory), this curve is called a semivariogram model. This semivariogram model is used to estimate the semivariogram value γ(h) for any distance h.
ここで、セミバリオグラムには、空間統計学(確率場の理論)において複数のモデルがある。その1つがナゲット効果モデルと球形モデルを組み合わせたモデルであり、下記の式(8)で定義される。 Here, the semivariogram has multiple models in spatial statistics (random field theory). One of them is a model combining a nugget effect model and a spherical model, which is defined by the following equation (8).
ここで、θ0、θ1、θ2はパラメータで、これらの値により、このモデルの曲線の形が決まる。また、セミバリオグラムは、2つのセンサー間の距離hの関数である。
where θ 0 , θ 1 , θ 2 are parameters whose values determine the shape of the curve of this model. Also, the semivariogram is a function of the distance h between the two sensors.
また、距離hと標本セミバリオグラムの散布図に曲線をあてはめる作業について、図2を用いて説明する。図2は、横軸にセンサー間の距離h、縦軸に標本セミバリオグラムを取った散布図であり、グラフ中の丸が、各距離hでの標本セミバリオグラムを示している。 Also, the work of fitting a curve to the scatter diagram of the distance h and the sample semivariogram will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a scatter diagram with the distance h between sensors on the horizontal axis and the sample semivariogram on the vertical axis, and the circles in the graph indicate the sample semivariogram at each distance h.
ここで、図2中の曲線が、セミバリオグラムモデルである。この曲線は、曲線と、各距離hにおける標本セミバリオグラムとの誤差(図2中に縦向きの点線で示す)について、その誤差の2乗の総和が最小になるように、上記式(9)おけるパラメータθ0、θ1、θ2の値を求めることで生成することができる。なお、図2は、説明を簡易にするために用いた典型的な曲線の形である。 Here, the curve in FIG. 2 is the semivariogram model. This curve is calculated by the above formula (9) so that the sum of the squares of the error between the curve and the sample semivariogram at each distance h (indicated by the vertical dotted line in FIG. 2) is minimized. It can be generated by obtaining the values of parameters θ 0 , θ 1 , and θ 2 in . Note that FIG. 2 is a typical curve shape used for ease of explanation.
このようにして、距離hと標本セミバリオグラムの散布図に曲線をあてはめ、セミバリオグラムモデルを生成し、このセミバリオグラムモデルを用いて、任意の距離hに対するセミバリオグラムの値γ(h)を推定する。つまり、曲線に任意の距離hを与えることで、距離hに対するセミバリオグラムの値γ(h)を求めることができる。 Thus, a curve is fitted to the scatterplot of the distance h and the sample semivariogram to generate a semivariogram model, which is used to estimate the semivariogram value γ(h) for any distance h. . That is, by giving an arbitrary distance h to the curve, the semivariogram value γ(h) for the distance h can be obtained.
なお、セミバリオグラムγ(h)は空間非類似性とも呼ばれる。また、標本セミバリオグラムは空間類似性の平均値とも呼ばれる。 Note that the semivariogram γ(h) is also called spatial dissimilarity. The sample semivariogram is also called the average spatial similarity.
また、確率場の理論により、セミバリオグラム(空間非類似性)γ(h)には、以下の式(9)で表す定理が成り立つ。 Further, according to random field theory, the theorem represented by the following equation (9) holds for the semivariogram (spatial dissimilarity) γ(h).
特にγ(0)=0のとき、C=C(0)よりC(h)=C(0)-γ(h)が成り立つ。
In particular, when γ(0)=0, C(h)=C(0)−γ(h) holds from C=C(0).
ここで、関数C(h)はコバリオグラム(空間類似性)を表し、Cは定数を表している。また、確率場の理論から、セミバリオグラムとコバリオグラムは表裏一体の関係となる(図3参照)。 where the function C(h) represents the covariogram (spatial similarity) and C represents a constant. In addition, from the theory of random fields, the semivariogram and the covariogram are two sides of the same coin (see Fig. 3).
即ち、図3には、図2で示したセミバリオグラムモデルに対するコバリオグラムの曲線(符号Cで示す)を示している。また、セミバリオグラム(空間非類似性)とコバリオグラム(空間類似性)の関係から、空間類似性の強さ(図3の符号Yで示す箇所)と、空間類似性が及ぶ距離(図3の符号Xで示す箇所)が明らかとなる。 That is, FIG. 3 shows a covariogram curve (indicated by symbol C) for the semivariogram model shown in FIG. In addition, from the relationship between the semivariogram (spatial dissimilarity) and the covariogram (spatial similarity), the strength of the spatial similarity (indicated by symbol Y in FIG. 3) and the distance to which the spatial similarity extends ( The location indicated by the symbol X) becomes clear.
なお、空間類似性が及ぶ距離については、セミバリオグラムモデルの曲線で、標本セミバリオグラムが頭打ちになった箇所の距離(h)からも確認可能である。 The distance over which the spatial similarity extends can also be confirmed from the distance (h) at which the sample semivariogram peaks out on the curve of the semivariogram model.
ここで、空間類似性が及ぶ距離(レンジ)は、土壌水分センサーの測定値が及ぶ範囲を示す数値である。本実施の形態では、空間類似性が及ぶ距離(レンジ)は0.55mであった。そのため、実験圃場においては、土壌水分センサー間の距離に関して、空間類似性は隣接する土壌水分センサーに及ばず、個々のセンサーで測定を行う意義があることが確認できた。 Here, the distance (range) covered by the spatial similarity is a numerical value indicating the range covered by the measured value of the soil moisture sensor. In this embodiment, the distance (range) covered by the spatial similarity was 0.55 m. Therefore, in the experimental field, the spatial similarity of the distance between the soil moisture sensors did not extend to the adjacent soil moisture sensors, and it was confirmed that it is meaningful to measure with each sensor.
また、図2及び図3に示すセミバリオグラムモデルからは、曲線で、標本セミバリオグラムが頭打ちになった箇所の距離(h)(約1.9m)の位置を境界として、距離(h)が0~1.9mの範囲では、距離(h)と標本セミバリオグラムとの間に比例関係があり、距離(h)が1.9m以上の範囲では、距離(h)と標本セミバリオグラムとの間に関係が無くなることが分かる。このように、セミバリオグラムモデルからは、空間類似性の関係も明らかとなる。 In addition, from the semivariogram model shown in FIGS. 2 and 3, the distance (h) is 0 with the position of the distance (h) (about 1.9 m) where the specimen semivariogram peaks as a boundary. In the range of ~1.9 m, there is a proportional relationship between the distance (h) and the sample semivariogram, and in the range where the distance (h) is 1.9 m or more, there is a proportional relationship between the distance (h) and the sample semivariogram It turns out that there is no relationship. Thus, the semivariogram model also reveals spatial similarity relationships.
[任意地点水分値推定工程]
次に、実験圃場の任意の地点における土壌水分の値について、90個全ての土壌水分センサーの測定値を総合的に考慮し、「拡張された重み付き平均」を用いて推定する。即ち、実験圃場の中で、センサーが配置されていない地点について、土壌水分の値を推定する。
[Optional point moisture value estimation step]
The value of soil moisture at any point in the experimental field is then estimated using an "extended weighted average", taking into account all 90 soil moisture sensor readings collectively. That is, the soil moisture value is estimated at points where no sensor is placed in the experimental field.
ここで、拡張された重み付き平均とは、以下の式(10)で表され、かつ、重み係数wiの条件を以下の式(11)のみとしたものである。 Here, the expanded weighted average is represented by the following equation (10), and the condition of the weighting factor wi is only the following equation (11).
まず、任意の地点における土壌水分の値を、全ての土壌水分センサーの測定値z1、z2・・・znからの、通常の平均値として求めると、任意の地点における値は同じになってしまい、地点ごとの値の違い(空間分布)を知ることはできない。 First, when the soil moisture value at an arbitrary point is obtained as a normal average value from the measured values z 1 , z 2 . Therefore, it is not possible to know the difference in values (spatial distribution) for each point.
そこで、通常の平均値を拡張した、「重み付き平均」を考える。通常の平均値は、全ての土壌水分センサーの測定値z1、z2・・・znに重み係数(1/n)をかけた総和とみなすことができる。この重み係数を、より一般的なwiとし、wiの条件として、0≦wi≦1、かつ、上記の式(11)を満たす値としたのが、重み付き平均である。この重み付き平均は、上述した式(10)で表される。 Therefore, we consider a "weighted average" that is an extension of the normal average. A typical average value can be regarded as the sum of all soil moisture sensor measurements z 1 , z 2 . . . z n multiplied by a weighting factor (1/n). A weighted average is obtained by setting this weighting coefficient to a more general w i , and setting 0≦w i ≦1 as a condition for w i and a value that satisfies the above equation (11). This weighted average is represented by Equation (10) above.
ここで、さらに、上述したように、重み付き平均における、0≦wi≦1の条件を除外して、上記の式(11)のみをwiの条件としたものが、「拡張された重み付き平均」である。これは線形結合とも呼ばれる。また、空間統計学(確率場の理論)においては、より一般的な、上記の式(11)のみをwiの条件としたものが採用されている。 Here, further, as described above, excluding the condition of 0≦w i ≦1 in the weighted average and using only the above equation (11) as the condition of wi is the “extended weight "Average with". This is also called a linear combination. Further, in spatial statistics (stochastic field theory), a more general one in which only the above equation (11) is used as a condition for wi is adopted.
以下、任意の地点について、拡張された重み付き平均を用いた、土壌水分の値の推定をさらに説明する。 Estimation of soil moisture values using extended weighted averages for arbitrary points is further described below.
まず、2地点の土壌水分センサーを考えた場合、1つ目のセンサーについて、x座標をx1、y座標をy1、測定値z1とし、2つ目のセンサーについて、x座標をx2、y座標をy2、測定値z2とする。この際の拡張された重み付き平均は、以下の式(12)となる。また、重み係数w1及びw2は、w1+w2=1を満たす。 First, when considering soil moisture sensors at two points, the x-coordinate is x 1 , the y-coordinate is y 1 , and the measured value is z 1 for the first sensor, and the x-coordinate is x 2 for the second sensor. , the y-coordinate is y 2 and the measured value is z 2 . The extended weighted average at this time is given by the following equation (12). Also, the weighting factors w 1 and w 2 satisfy w 1 +w 2 =1.
また、確率場の理論より、重み係数w1及びw2を、任意の地点における各土壌水分センサーからの距離に応じて、以下の式(13)及び式(14)のように決める。なお、h01は任意の地点と1つ目のセンサーの距離であり、h02は任意の地点と2つ目のセンサーの距離であり、h12は1つ目のセンサーと1つ目のセンサーの距離である。また、γ(h)はセミバリオグラムである。このように、重み係数には、任意の地点と、センサーの距離hに対するセミバリオグラムγ(h)が反映される。 Further, according to the random field theory, the weighting coefficients w1 and w2 are determined according to the distance from each soil moisture sensor at an arbitrary point as shown in the following formulas (13) and (14). In addition, h 01 is the distance between an arbitrary point and the first sensor, h 02 is the distance between an arbitrary point and the second sensor, and h 12 is the first sensor and the first sensor is the distance of γ(h) is a semivariogram. Thus, the weighting factor reflects the semivariogram γ(h) for an arbitrary point and the sensor distance h.
そして、任意の地点と、距離h01及び距離h02について、次の3つの場合を考える。
(場合1)任意の地点が、2つの土壌水分センサーから等距離にある(h01=h02)。
(場合2)任意の地点が、1つ目の土壌水分センサーに近い(h01<h02)。
(場合3)任意の地点が、2つ目の土壌水分センサーに近い(h01>h02)。
Consider the following three cases for an arbitrary point and distances h 01 and h 02 .
(Case 1) Any point is equidistant from two soil moisture sensors (h 01 =h 02 ).
(Case 2) An arbitrary point is close to the first soil moisture sensor (h 01 <h 02 ).
(Case 3) Any point is close to the second soil moisture sensor (h 01 >h 02 ).
まず、「場合1」の際は、h01=h02で、セミバリオグラムが同じ値になり(γ(h01)=γ(h02))、重み係数w1及びw2は、上記の式(13)及び式(14)から、同じ1/2の値となる。そして、式(12)から、拡張された重み付き平均は、(z1+z2)/2で、通常の平均値となる。
First, in
また、「場合2」の際は、h01<h02で、セミバリオグラムはγ(h01)≦γ(h02)となり、重み係数w1及びw2は、上記の式(13)及び式(14)から、w1≧w2となる。そして、拡張された重み付き平均は、重み係数w1の方が、重み係数w2よりも大きいと、式(12)から、通常の平均値に比べて、z1に近い値となる。
In addition, in the case of “
また、「場合3」の際は、h01>h02で、セミバリオグラムはγ(h01)≧γ(h02)となり、重み係数w1及びw2は、上記の式(13)及び式(14)から、w1≦w2となる。そして、拡張された重み付き平均は、重み係数w2の方が、重み係数w1よりも大きいと、式(12)から、通常の平均値に比べて、z2に近い値となる。
Further, in
このように、実験圃場における任意の地点では、2地点の土壌水分センサーの座標からの距離と、各センサーの測定値との関係から、拡張された重み付き平均を用いて、その任意の地点での土壌水分の値を推定することができる。 In this way, at an arbitrary point in the experimental field, using the extended weighted average from the relationship between the distance from the coordinates of the two soil moisture sensors and the measured value of each sensor, of soil moisture can be estimated.
以上の内容は、説明を簡略化するため、2地点の土壌水分センサーとの関係で説明を行ったが、実験圃場の任意の地点では、1つの任意の地点に対して、全てのセンサーに関する、各座標からの距離と、各センサーの測定値と関係で考える。即ち、90個のセンサーを配置した場合、1つの任意の地点に対する土壌水分の値の推定は、90個のセンサーとの関係で演算する。 In order to simplify the explanation, the above contents were explained in relation to soil moisture sensors at two points. Consider the relationship between the distance from each coordinate and the measured value of each sensor. That is, if 90 sensors are deployed, an estimate of the soil moisture value for any one point is computed in relation to the 90 sensors.
[空間分布把握工程]
次に、実験圃場における土壌水分の空間分布の見える化の詳細を説明する。
ここでは、各測定タイミングにおける土壌水分センサーの測定値と、全ての土壌水分センサーの測定値から、上述した拡張された重み付き平均を用いて推定された、任意の地点における土壌水分の値を用いて、各測定タイミングでの、実験圃場の土壌水分を可視化する。
[Spatial distribution grasping process]
Next, the details of the visualization of the spatial distribution of soil moisture in the experimental field will be described.
Here, the soil moisture value at an arbitrary point estimated from the measured values of the soil moisture sensor at each measurement timing and the measured values of all the soil moisture sensors using the above-mentioned extended weighted average is used. Visualize the soil moisture in the experimental field at each measurement timing.
まず、図4及び図5を用いて説明する。本部分では、説明の便宜上、土壌水分センサーを12個用いた例をもって説明を行う。ここでは、圃場中に配置した12個のセンサーで囲まれた縦及び横の範囲を、0.5mの大きさの正方形で区分けして、各正方形の範囲の土壌水分を示していく。図4の横軸はx座標、縦軸はy座標である。また、右側のスケールバーは土壌水分の値の大きさを色分けして示したものである。 First, it demonstrates using FIG.4 and FIG.5. In this part, for convenience of explanation, an example using 12 soil moisture sensors will be explained. Here, the vertical and horizontal ranges surrounded by the 12 sensors placed in the field are divided into squares of 0.5 m in size, and the soil moisture in each square range is indicated. The horizontal axis in FIG. 4 is the x-coordinate, and the vertical axis is the y-coordinate. Also, the scale bar on the right indicates the magnitude of the soil moisture value by color coding.
また、図4中の黒丸は、12個の土壌水分センサーの位置を示している。0.5mの大きさの正方形は、真ん中にセンサーが位置するように区分けされている。図4では、各センサーに対応する正方形に、それぞれのセンサーの測定値に応じた土壌水分を示す色が付されている。 Also, the black circles in FIG. 4 indicate the positions of the 12 soil moisture sensors. A square of size 0.5m is segmented so that the sensor is located in the middle. In FIG. 4, the squares corresponding to each sensor are colored to indicate the soil moisture according to the respective sensor readings.
また、図4の符号Aで示す点線の正方形は、土壌水分センサーがない任意の地点の1つの範囲を示す図である。図4では内容を分かりやすくするため、任意の地点を1つ示しているが、実際には、圃場中の12個のセンサーで囲まれた範囲で、センサーがない位置の全てに、0.5mの大きさの正方形が設定される。 Also, the dashed square indicated by symbol A in FIG. 4 is a diagram showing one range of arbitrary points where there are no soil moisture sensors. In order to make the content easier to understand in FIG. 4, one arbitrary point is shown, but in reality, 0.5 m A square of size is set.
そして、任意の地点の正方形の中心位置の座標に対して、12個の土壌水分センサーとの距離(h)と、全センサーの測定値との関係から、上述した拡張された重み付き平均を用いて、任意の地点の土壌水分の値を推定する。即ち、演算された拡張された重み付き平均の値を、その任意の地点における土壌水分の値とする。 Then, for the coordinates of the central position of the square at an arbitrary point, the above-mentioned extended weighted average is used from the relationship between the distance (h) to the 12 soil moisture sensors and the measured values of all sensors. to estimate the value of soil moisture at an arbitrary point. That is, the calculated extended weighted average value is taken as the soil moisture value at that arbitrary point.
このような作業を、圃場の中の土壌水分センサーがない、全ての任意の地点の正方形に対して行い、各地点の土壌水分の値を算出する。この結果、図5に示すように、土壌水分について、12個の土壌水分センサーの測定値と、センサーのない任意の地点の推定値の、それぞれに応じた色を付して、ある測定タイミングにおける圃場の土壌水分の状態を可視化することができる。 Such work is performed for all squares at arbitrary points in the field where there is no soil moisture sensor, and the value of soil moisture at each point is calculated. As a result, as shown in FIG. 5, the measured values of the 12 soil moisture sensors and the estimated values of an arbitrary point without sensors are colored according to the soil moisture. It is possible to visualize the state of soil moisture in the field.
また、図4及び図5は、0.5mの大きさの正方形の例を示したが、正方形の大きさを小さくすることで、より細かく、圃場の土壌水分の状態を示すことができる。一例として図6には、12個の土壌水分センサーに対して、圃場を、0.1mの大きさの正方形で区分けして、圃場の土壌水分の状態を可視化している。 Moreover, although FIGS. 4 and 5 show an example of a square with a size of 0.5 m, by reducing the size of the square, it is possible to show the condition of the soil moisture in the field in more detail. As an example, in FIG. 6, the field is divided into squares with a size of 0.1 m with respect to 12 soil moisture sensors, and the state of soil moisture in the field is visualized.
図6では、一例として、0.1mの大きさの正方形の875個で区分けがされている。このように、正方形の大きさの設定を変えることで、より高精度に、圃場の土壌水分の状態を可視化することができる。 In FIG. 6, as an example, division is made into 875 squares with a size of 0.1 m. In this way, by changing the setting of the size of the square, it is possible to visualize the state of the soil moisture in the field with higher accuracy.
また、土壌水分の空間分布の見える化では、土壌水分の測定値及び推定値の結果に基づき、等高線を重ね書きして表示することができる(図7参照)。なお、図7は、図6の結果に対して、等高線を重ね書きした図である。また、さらに、図7の状態から、等高線に沿って、土壌水分の値に応じた色を再度付けると色のはみ出しが消え、より自然に、圃場の土壌水分の状態を可視化することができる(図8参照)。 Also, in the visualization of the spatial distribution of soil moisture, contour lines can be overlaid and displayed based on the results of measured and estimated values of soil moisture (see FIG. 7). Note that FIG. 7 is a diagram in which contour lines are superimposed on the results of FIG. Further, from the state of FIG. 7, if colors are reapplied according to the soil moisture value along the contour lines, the overhanging color disappears, and the soil moisture state in the field can be more naturally visualized ( See Figure 8).
以上の流れで、ある測定タイミングでの、実験圃場における土壌水分の空間分布の見える化を行うことができる。本実施の形態では、実際には、90個の土壌水分センサーを使って、同様の手法で、各測定タイミングでの、実験圃場の中の土壌水分の状態を可視化した。 With the flow described above, it is possible to visualize the spatial distribution of soil moisture in the experimental field at a certain measurement timing. In the present embodiment, 90 soil moisture sensors were actually used to visualize the state of soil moisture in the experimental field at each measurement timing in a similar manner.
また、この実験圃場における土壌水分の空間分布の見える化は、90個のセンサーで、1分間隔で測定した、各測定時において、見える化の作業を行った。その結果、例えば、図9~図11に示すような、測定時点ごとの、実験圃場の土壌水分の状態の情報を得ることができる。 In addition, visualization of the spatial distribution of soil moisture in this experimental field was carried out at each measurement at 1-minute intervals using 90 sensors. As a result, for example, it is possible to obtain information on the state of soil moisture in the experimental field at each time of measurement, as shown in FIGS. 9 to 11. FIG.
また、本発明では、実験圃場の空間分布の確認の工程(図1のSTEP2)として、この測定時点ごとの、実験圃場の土壌水分の状態の図を用いて、その内容を検証することで、土壌水分について、実験圃場が均一な空間分布を示すか否かを確認する。
In addition, in the present invention, as a step of confirming the spatial distribution of the experimental field (
より詳細には、実験圃場の土壌水分の状態の図を、順番に観察していき、実験圃場の面全体として、同じ土壌水分の値が観察される結果が、複数の測定タイミングで得られれば、その観察した圃場のエリアは、均一性がある(均一な空間分布を示す)と判断できる。 More specifically, if the diagrams of the soil moisture conditions in the experimental field are observed in order, and if the same soil moisture value is observed for the entire surface of the experimental field at multiple measurement timings. , it can be determined that the observed field area has uniformity (shows a uniform spatial distribution).
ここで、例えば、図9~図11では、黒い点の1つが、1つの土壌水分センサーの位置を示している。また、全センサーを囲む矩形が、圃場のエリアの面全体に相当し、この面全体(矩形)が、同一の色、即ち、同じ土壌水分の値を示していることから、観察した圃場のエリアは、均一性があると判断できる。 Here, for example, in FIGS. 9 to 11, one black dot indicates the position of one soil moisture sensor. In addition, the rectangle surrounding all the sensors corresponds to the entire surface of the field area, and since this entire surface (rectangle) shows the same color, that is, the same soil moisture value, the observed field area can be judged to be uniform.
なお、黒い点がない箇所は、その測定時点において、測定タイミングのずれ等により、土壌水分センサーの測定値がないことを示している。また、1つずつのセンサーの測定値には、ばらつきがあるため、個々のセンサーを中心とする範囲は、異なる色を示している。 A portion without a black dot indicates that there is no measured value of the soil moisture sensor at the time of measurement due to deviation of measurement timing or the like. Also, since there is variation in the measured values of each sensor, the range centered on each sensor shows a different color.
また、本事例では、全測定タイミングは46,519回であり、全測定タイミング分の空間分布の画像も46,519枚存在した。そして、全画像中のわずか10枚(約1万分の2)を除いて、残りの全ての画像で、圃場のエリアの面全体(矩形)が、同一の色、即ち、同じ土壌水分の値を示す結果となった。 In this case, the total measurement timing is 46,519, and there are 46,519 spatial distribution images for all the measurement timings. Then, except for only 10 images (approximately 2/10,000) in all the images, the entire surface (rectangle) of the field area has the same color, that is, the same soil moisture value, in all the remaining images. The result was shown.
一方、仮に、圃場のエリアの面全体(矩形)が、同一の色にならず、面全体の中に色が異なる複数の境界範囲が含まれる画像が、全測定タイミング分の空間分布の画像の中で多数観察される場合には、その観察した圃場のエリアは、均一性がない(均一な空間分布を示さない)とみなされる。 On the other hand, if the entire surface (rectangle) of the field area does not have the same color, and an image that includes multiple boundary ranges with different colors in the entire surface is an image of the spatial distribution for all the measurement timings. An area of the observed field is considered nonuniform (does not exhibit a uniform spatial distribution) if it is observed in large numbers.
このように、測定時点ごとの、実験圃場の土壌水分の状態を、実験圃場の全体の「面」として捉えることで、そのエリア全体が、土壌水分について、均一な空間分布を示すか否かを決めることができる。 In this way, by grasping the soil moisture conditions in the experimental field at each time point of measurement as the "surface" of the entire experimental field, it is possible to determine whether the entire area exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture. can decide.
本実施の形態では、図9~図11に示すように、ほとんどの測定時点で、圃場のエリアの面全体(矩形)が、同じ土壌水分の値(同一の色)を示す結果が得られたことから、実験圃場は均一な空間分布を示すものであった。また、このことから、実験圃場では、均一な空間分布を示すことから、土壌水分の代表値が1つで良いことが明らかとなった。 In this embodiment, as shown in FIGS. 9 to 11, the results showing the same soil moisture value (same color) for the entire surface (rectangle) of the field area were obtained at most of the measurement points. Therefore, the experimental field showed a uniform spatial distribution. In addition, from this, it was clarified that one representative value of soil moisture is sufficient in the experimental field, since the soil exhibits a uniform spatial distribution.
一方、もし仮に、実験圃場の範囲内が同一の色にならず、面全体の中に色が異なる複数の境界範囲が含まれる画像が、多数の測定タイミングで観察され、均一な空間分布を示さないとなった場合には、明確な境界のある範囲と、そうでない範囲を分けて、取り扱うことができる。 On the other hand, if the area of the experimental field does not have the same color, and multiple border areas with different colors are included in the entire surface, the image is observed at multiple measurement timings, showing a uniform spatial distribution. If there is no clear boundary, it can be handled separately from the range with a clear boundary and the range without it.
つまり、例えば、明確な境界のある範囲だけを対象として、複数の土壌水分センサーの測定結果から、同じ手法を用いて、均一な空間分布を示すものであれば、明確な境界のある範囲について、代表値が1つでよいものとして取り扱うことができる。 In other words, for example, targeting only a range with a clear boundary, using the same method from the measurement results of multiple soil moisture sensors, if it shows a uniform spatial distribution, for a range with a clear boundary, It can be treated as if only one representative value is sufficient.
また、実験圃場の場所によっては、同じ土地であっても、水はけや、乾きやすさ等の違いにより、例えば、長方形の土地の、一端側の20%と、残りの80%で、土壌水分の挙動が異なるケースも想定される。そのような場合、20%の土地と、80%の土地を区分けして、それぞれの土地で、土壌水分の代表値を求めることが可能である。 In addition, depending on the location of the experimental field, even if it is the same land, due to differences in drainage and ease of drying, for example, 20% of one end side and the remaining 80% of a rectangular land may have a soil moisture content. Cases with different behavior are also assumed. In such a case, it is possible to divide 20% of the land and 80% of the land and obtain the representative value of the soil moisture in each of the lands.
このように、実験圃場の空間分布の確認の工程では、空間統計学的手法を用いて、土壌水分について、実験圃場が均一な空間分布を示すか否かを確認することができ、また、代表値を1つとして良いことの妥当性を検証することができる。さらに、本工程では、土壌水分センサーの空間類似性が及ぶ距離(レンジ)を取得することができる。 In this way, in the process of confirming the spatial distribution of the experimental field, it is possible to confirm whether or not the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture using a spatial statistical method. Validity can be verified that one value is acceptable. Furthermore, in this step, the distance (range) spanned by the spatial similarity of the soil moisture sensor can be obtained.
[土壌水分センサーの個数を減らしての測定]
上述したように、次に、土壌水分センサーの測定結果(全測定値)から、その個数n1個から数を減らした個数の測定値の選択を行う(図1のSTEP3)。
[Measurement with reduced number of soil moisture sensors]
As described above, next, from the measurement results (all measured values) of the soil moisture sensor, the number of measured values reduced from n1 is selected (
本工程では、実験圃場の空間分布の確認で用いた90個(n1個)の土壌水分センサーから数を減らし、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個のそれぞれの個数を選択した。 In this process, the 90 (n 1 ) soil moisture sensors used to confirm the spatial distribution of the experimental field were reduced to 45, 27, 14, 13, 9, 7, and 6 sensors. , 5 and 4 were selected.
[経験的確率を算出する工程]
続いて、実験圃場における土壌水分センサーの個数n1個の測定結果と、個数n1個から数を減らした個数の測定値を選択した結果から経験的確率を算出した(図1のSTEP4)。
[Step of calculating empirical probability]
Subsequently, the empirical probability was calculated from the measurement results of the number n1 of the soil moisture sensors in the experimental field and the results of selecting the measurement values of the number n1 less than the number n1 (
本工程では、90個の土壌水分センサーで行った測定結果に由来する、各測定タイミングでの「全数中央値」を基準に、この各測定タイミングでの全数中央値から所定の数値範囲内に、土壌水分センサーの数を減らした個数の測定値を選択して、その選択した測定値における、各測定タイミングでの測定中央値(減数中央値)が含まれる確率(経験的確率)を算出する。 In this process, based on the "median value of total number" at each measurement timing derived from the measurement results of 90 soil moisture sensors, within a predetermined numerical range from the median value of all values at each measurement timing The number of measured values obtained by reducing the number of soil moisture sensors is selected, and the probability (empirical probability) that the selected measured values include the measurement median value (reduced median value) at each measurement timing is calculated.
より詳細には、以下の手順で行う。まず、所定の数値範囲の幅をdとする。dは任意の値を設定可能である。また、測定条件における全時点数(全測定回数)をn(1分間隔で合計n回測定した)する。 In more detail, the procedure is as follows. First, let d be the width of a predetermined numerical range. Any value can be set for d. In addition, the total number of time points (total number of measurements) under the measurement conditions is n (measurement was performed a total of n times at 1-minute intervals).
また、90個の土壌水分センサーでの各測定タイミングでの測定値から、中央値(全数中央値)を算出する。 Also, the median value (the total median value) is calculated from the measured values at each measurement timing with the 90 soil moisture sensors.
また、個数を減らすように選択した土壌水分センサー、例えば、45個のセンサーの測定で、ある測定タイミング(nの中の1回)における、45個のセンサーの測定値の中央値(減数中央値)の値が、同じ測定タイミングにおける「全数中央値-d」から「全数中央値+d」までの範囲に入るかどうかを判定する。なお、本部分は、「|減数中央値-全数中央値|≦d」と数学的に同義である(「|」の記号は絶対値である)。 In addition, the median value of the measured values of the 45 sensors at a certain measurement timing (once in n) in the measurements of the soil moisture sensors selected to reduce the number, for example, 45 sensors (reduced median value ) falls within the range from “total median −d” to “total median +d” at the same measurement timing. Note that this part is mathematically synonymous with "|reduced median−full median|≦d" (the symbol "|" is an absolute value).
そして、この判定を、45個の土壌水分センサーの全測定タイミングの測定値に対して行う。また、45個のセンサーの減数中央値の値が、「全数中央値-d」から「全数中央値+d」までの範囲に入った回数をxとする。 Then, this determination is made for the measured values of all the measurement timings of the 45 soil moisture sensors. Also, let x be the number of times that the value of the reduced median value of the 45 sensors falls within the range from “all median value −d” to “all median value +d”.
続いて、上記の入った回数xを全時点数nで割った値を算出する。この値が、経験的確率となる。45個と同様に、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個のそれぞれの個数でも経験的確率を算出する。 Subsequently, a value is calculated by dividing the number of times x of times of entry by the total number of time points n. This value is the empirical probability. Empirical probabilities are calculated for each of 27, 14, 13, 9, 7, 6, 5, and 4 as well as 45.
また、経験的確率では、所定の数値範囲の幅であるdを、使用者の求める精度に応じて、設定できる。例えば、dは、5、3、1のような数値で設定しうる。本実施の形態で算出した経験的確率の結果を表1に示す。 In the empirical probability, d, which is the width of the predetermined numerical range, can be set according to the accuracy desired by the user. For example, d can be set to values such as 5, 3, and 1. Table 1 shows the results of empirical probabilities calculated in this embodiment.
[測定精度の選択の工程]
次に、測定精度の選択工程において、経験的確率の内容から、使用者が求める精度に応じて、土壌水分センサーの個数を減らした複数のパターンの個数から、1つを選択する(図1のSTEP5)。
[Process of selecting measurement accuracy]
Next, in the step of selecting the measurement accuracy, one is selected from a plurality of patterns with a reduced number of soil moisture sensors according to the accuracy desired by the user based on the content of the empirical probability (Fig. 1). STEP5).
ここでは、表1に基づき、90個の土壌水分センサーの個数を、45個、27個、14個、13個、9個、7個、6個、5個、4個と減らしていった場合での、各個数で測定精度の中から、使用者が求める精度に応じて、センサーの個数(m1個)を選択する。 Here, based on Table 1, when the number of 90 soil moisture sensors is reduced to 45, 27, 14, 13, 9, 7, 6, 5, and 4 , the number of sensors (m 1 ) is selected according to the accuracy desired by the user from among the measurement accuracies for each number.
例えば、土壌水分センサーの個数「13個」を選択した場合、90個のセンサーの測定結果に関する全数中央値±5%に含まれる経験的確率が99.3%(0.993)となる。 For example, when the number of soil moisture sensors "13" is selected, the empirical probability that the measurement results of 90 sensors are included in the total median ±5% is 99.3% (0.993).
つまり、13個のセンサーでの測定結果の中央値(小中央値)は、99.3%の確率で、90個のセンサーでの測定結果の「全中央値±5%」の範囲に入る精度が担保されることになる。 In other words, the median (small median) of the measurement results with 13 sensors has a probability of 99.3%, and the accuracy that falls within the range of "total median ± 5%" of the measurement results with 90 sensors. will be guaranteed.
そのため、使用者はセンサーの減らした個数を選択することで、自身が必要とする測定精度を選択したものとなる。 Therefore, the user selects the measurement accuracy required by himself/herself by selecting the reduced number of sensors.
[対象圃場で使用するセンサーの個数を決定する工程]
続いて、対象圃場で使用するセンサーの個数を決定する(図1のSTEP6)。
[Step of determining the number of sensors to be used in the target field]
Subsequently, the number of sensors to be used in the target field is determined (
本工程では、上記の、測定精度の選択工程で選択した、実験圃場での個数を減らした数(m1個)と、実験圃場において、その面積の広さに配置可能な数であり、個数を減らす前の土壌水分センサーの数(n1個=90個)と、対象圃場の面積の広さに配置可能な土壌水分センサーの数(n2個とする)の情報から、対象圃場で使用するセンサーの個数(m2個とする)を決定する。 In this step, the number of the reduced number in the experimental field (m 1 piece) selected in the selection step of the measurement accuracy described above, and the number that can be arranged in the area in the experimental field. From the information on the number of soil moisture sensors (n 1 = 90) before reducing Determine the number of sensors to be used (m = 2 ).
まず、本事例では、対象圃場の面積の広さに応じて配置可能な土壌水分センサーの数n2個が「30個」であったものとする。即ち、対象圃場は、土壌水分センサーを、縦横のいずれもセンサー同士の距離を1m間隔で、格子状になるように配置した場合、30個が配置可能な個数に相当する。また、対象圃場は、実験圃場よりも面積が小さいものとする。 First, in this example, it is assumed that the number n2 of the soil moisture sensors that can be arranged according to the size of the target field is "30". That is, if the soil moisture sensors are arranged in a lattice pattern with a distance of 1 m between each sensor in the vertical and horizontal directions, the target field corresponds to 30 sensors that can be arranged. In addition, the target field shall be smaller in area than the experimental field.
そして、上述した式(2)~式(6)の内容から、式(1)が導かれる。また、式(1)について、小中央値を小平均に、全中央値を全平均にそれぞれ対応させ、小中央値と全中央値の差の分布を、小平均と全平均の差の分布で置き換えたものとして、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2を算出する。 Equation (1) is derived from the contents of Equations (2) to (6) described above. Also, regarding formula (1), the small median corresponds to the small mean, and the total median corresponds to the total mean. As a replacement, the number of soil moisture sensors m2 used in the target field is calculated.
例えば、使用者が、測定精度の選択工程で、使用者が求める精度から、土壌水分センサーの個数m1個として、「7個」を選択した場合、上記の式(1)を満たす整数として、対象圃場で使用する土壌水分センサーの個数m2は、「6個」と算出できる。 For example, in the measurement accuracy selection process, when the user selects "7" as the number of soil moisture sensors m 1 from the accuracy desired by the user, the integer that satisfies the above formula (1) is: The number m2 of soil moisture sensors used in the target field can be calculated as "6".
即ち、実験圃場で担保された、7個の土壌水分センサーを用いた測定精度の水準を維持して、対象圃場で測定を行う際には、6個のセンサーを用いることが分かり、このことから、対象圃場で使用するセンサーの適切な個数を決定できる。 That is, it is found that 6 sensors are used when measuring in the target field while maintaining the level of measurement accuracy using 7 soil moisture sensors secured in the experimental field. , can determine the appropriate number of sensors to use in the target field.
[対象圃場での土壌水分の測定及び代表値の取得]
そして、対象圃場において、6個の土壌水分センサーを用いて、土壌水分の測定を行い、測定結果に基づき、対象圃場の代表値を取得する(図1のSTEP7)。
[Measurement of soil moisture in target fields and acquisition of representative values]
Then, in the target field, soil moisture is measured using six soil moisture sensors, and a representative value of the target field is obtained based on the measurement results (STEP 7 in FIG. 1).
また、6個の土壌水分センサーは、対象圃場において、センサー間の距離を空けて各センサーを配置する。 Also, the six soil moisture sensors are arranged with a distance between them in the target field.
そして、所定の測定条件で測定を行い、原則、各測定タイミングでの測定値から、中央値を算出する。この中央値が、対象圃場における土壌水分の代表値と推定することができる。 Then, the measurement is performed under predetermined measurement conditions, and in principle, the median value is calculated from the measured values at each measurement timing. This median value can be estimated as the representative value of soil moisture in the target field.
例えば、対象圃場での潅水前のタイミングで測定を行い、測定の代表値を取得することで、乾燥時の対象圃場についての土壌水分の情報を把握できる。また、対象圃場で、作物等を育てる際に、土壌水分センサーで経時的にモニタリングしながら、所望のタイミングでの土壌水分を確認することで、適切な潅水のタイミングや、潅水時間等を設定することができる。 For example, it is possible to grasp the information of the soil moisture in the target field during drying by performing the measurement at the timing before watering the target field and obtaining the representative value of the measurement. In addition, when growing crops in the target field, the soil moisture sensor monitors the soil moisture over time and confirms the soil moisture at the desired timing, thereby setting the appropriate watering timing and watering time. be able to.
また、6個の土壌水分センサーを用いて測定した対象圃場の測定結果から、空間統計学的手法を用いて、対象圃場が均一な空間分布を示すかを確認することもできる(図1のSTEP8)。
In addition, it is also possible to confirm whether the target field exhibits a uniform spatial distribution using a spatial statistical method from the measurement results of the target field measured using six soil moisture sensors (
この対象圃場において、その全体範囲が均一な空間分布を示すものであれば、対象圃場の土壌水分の代表値が1つで良いことを確認することができる。また、対象圃場の土壌水分についての空間分布を見える化できる。 In this target field, if the entire range shows a uniform spatial distribution, it can be confirmed that only one representative value of the soil moisture content of the target field is sufficient. Also, the spatial distribution of soil moisture in the target field can be visualized.
また、本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法Aでは、土壌水分センサーの測定値に対して、所定の数値範囲に含まれる測定値のみを測定結果として採用することも可能である。ここで、所定の数値範囲とは、例えば、使用するセンサーで規定された、精度が担保された測定値範囲である。即ち、センサーの測定値を、測定結果として採用する前に、前処理でフィルタリングして、センサーの性能から見て異常と思われる測定値が含まれないように、データの値を制限する。このようにすることで、測定の精度が高まり、結果として、土壌水分の代表値の精度を向上させることができる。 In addition, in estimation method A, which is an example of a method for estimating soil moisture to which the present invention is applied, it is also possible to adopt only measured values within a predetermined numerical range for the measured values of the soil moisture sensor as measurement results. is. Here, the predetermined numerical range is, for example, a measured value range defined by the sensor used and whose accuracy is ensured. That is, before the sensor measurement values are adopted as measurement results, preprocessing is performed to filter the data values so as not to include measurement values that are considered to be abnormal in terms of sensor performance. By doing so, the accuracy of measurement is improved, and as a result, the accuracy of the representative value of soil moisture can be improved.
また、本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法Aでは、土壌水分センサーの測定値に対して、所定の範囲内に含まれない測定値を、所定の範囲内に含まれるように、所定の範囲に満たない測定値は、所定の範囲の下限の値として扱い、または、所定の範囲を超える測定値は、所定の範囲の上限の値として扱うことも可能である。ここで、所定の数値範囲とは、例えば、使用するセンサーで規定された、精度が担保された測定値範囲である。即ち、センサーの測定値を、測定結果として採用する前に、測定精度が良好に保たれる測定値の上限及び下限の範囲に基づき、所定の範囲を設定し、設定した範囲に満たない測定値や、設定した範囲を超える値を、その範囲の下限値または上限値として扱うように、前処理でフィルタリングして、センサーの性能から見て異常と思われる測定値も、所定の範囲に含まれるように処理することで、測定の精度が高まり、結果として、土壌水分の代表値の精度を向上させることができる。 Further, in estimation method A, which is an example of a method for estimating soil moisture to which the present invention is applied, a measured value that is not within a predetermined range is included within a predetermined range with respect to the measured value of the soil moisture sensor. Thus, a measured value below the predetermined range can be treated as the lower limit value of the predetermined range, or a measured value exceeding the predetermined range can be treated as the upper limit value of the predetermined range. Here, the predetermined numerical range is, for example, a measured value range defined by the sensor used and whose accuracy is ensured. That is, before adopting the measured value of the sensor as the measurement result, a predetermined range is set based on the upper and lower limits of the measured value that maintains good measurement accuracy, and the measured value that is less than the set range Also, the values that exceed the set range are filtered by preprocessing so that they are treated as the lower or upper limit of the range, and the measured values that are considered abnormal from the sensor performance are also included in the specified range. By processing in this manner, the accuracy of measurement is increased, and as a result, the accuracy of the representative value of soil moisture can be improved.
また、本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法Aでは、土壌水分センサーの測定値を、1分間隔で測定した各測定値を利用していたが、必ずしも、1分間隔で測定した各測定値をそのまま用いる必要はない。例えば、1分間隔で測定した際に、30分を1区分として、30回分の各測定値から、土壌水分センサーごとに中央値または平均値を算出して、これを用いることもできる。 Further, in the estimation method A, which is an example of the method for estimating the soil moisture to which the present invention is applied, the measured values of the soil moisture sensor are measured at 1-minute intervals. It is not necessary to use each measured value as it is. For example, when measuring at intervals of 1 minute, the median value or average value can be calculated for each soil moisture sensor from each measurement value of 30 times with 30 minutes as one segment, and this can be used.
これは、実験圃場での空間分布の確認の工程、経験的確率を算出する工程、対象圃場で代表値を取得する工程等、各工程で採用することができる。このように、一定の時間範囲で、土壌水分センサーごとに中央値または平均値をとることで、個々の測定で生じうる測定誤差の影響を小さくした測定結果を得ることができる。この結果、土壌水分の代表値の精度を向上させることができる。 This can be adopted in each process such as the process of confirming the spatial distribution in the experimental field, the process of calculating the empirical probability, the process of obtaining the representative value in the target field, and the like. In this way, by obtaining the median value or average value for each soil moisture sensor within a certain time range, it is possible to obtain measurement results that reduce the influence of measurement errors that may occur in individual measurements. As a result, the accuracy of the representative value of soil moisture can be improved.
また、本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法Aでは、上述した、一定の時間範囲で中央値または平均値をとる際に、例えば、測定のタイミングをずらして、土壌水分センサーごとに中央値または平均値をとるように設定することも可能である。即ち、例えば、長い時間、土壌水分のモニタリングをする際に、一定の時間範囲として、常に、0分~30分の各測定値から、30分の平均値を算出するのではなく、1分~31分の各測定値から、30分の中央値または平均値を算出するように、測定のタイミングをずらした、移動範囲区分で、土壌水分センサーごとに中央値または平均値をとるような態様とすることもできる。これによっても、個々の測定で生じうる測定誤差の影響を小さくした測定結果を得ることができ、土壌水分の代表値の精度を向上させることができる。 Further, in the estimation method A, which is an example of the method for estimating the soil moisture to which the present invention is applied, when taking the median value or the average value in a certain time range, for example, the timing of measurement is shifted, and the soil moisture It is also possible to set the median or mean value for each sensor. That is, for example, when monitoring soil moisture for a long time, instead of calculating the average value of 30 minutes from each measurement value of 0 minutes to 30 minutes as a certain time range, 1 minute to From each measurement value of 31 minutes, the timing of measurement is shifted so that the median value or average value of 30 minutes is calculated. You can also This also makes it possible to obtain measurement results in which the influence of measurement errors that may occur in individual measurements is reduced, and to improve the accuracy of the representative value of soil moisture.
以上で説明した本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法では、実験圃場から得られた測定情報を基に、空間統計学的手法を用いて、実験圃場が均一な空間分布を示すことを確認すると共に、空間分布を見える化できる。また、実験圃場の代表値の妥当性を検証することができる。 In the estimation method, which is an example of the method for estimating soil moisture to which the present invention is applied, a spatial statistical method is used based on the measurement information obtained from the experimental field, and the spatial distribution of the experimental field is uniform. In addition to confirming that , the spatial distribution can be visualized. Moreover, the validity of the representative value of the experimental field can be verified.
また、本発明の推定方法では、実験圃場で、土壌水分センサーの個数を減らして測定を行い、各個数の測定結果から、経験的確率を算出し、平均値による近似を用いて、対象圃場で選択するセンサーの個数を決定することで、使用者が求める精度に必要なセンサーの個数を決めることができる。 In addition, in the estimation method of the present invention, in the experimental field, measurements are performed with a reduced number of soil moisture sensors, the empirical probability is calculated from the measurement results of each number, and the average value is used to approximate the target field. By determining the number of sensors to be selected, the number of sensors necessary for the accuracy desired by the user can be determined.
また、本発明の推定方法では、対象圃場にて、使用者が求める精度に応じた個数の土壌水分センサーを使用して、圃場の面全体での土壌水分の代表値を推定することができる。 In addition, in the estimation method of the present invention, the representative value of the soil moisture in the entire surface of the field can be estimated using the number of soil moisture sensors corresponding to the accuracy required by the user in the target field.
以上のように、本発明の土壌水分の推定方法は、実験圃場から得られた測定情報を基に、土壌水分を把握したい対象圃場における測定において、測定の精度を担保しながら、適切な個数の土壌水分センサーを用いて、対象圃場の土壌水分の代表値を得ることが可能なものとなっている。 As described above, the method for estimating soil moisture of the present invention is based on the measurement information obtained from the experimental field. Using the soil moisture sensor, it is possible to obtain a representative value of the soil moisture in the target field.
上記の目的を達成するために、本発明の土壌水分の推定方法は、実験圃場における複数の土壌水分センサーを用いた土壌水分の測定結果の情報に基づき、対象圃場における土壌水分の代表値を推定するための土壌水分の推定方法であって、複数の前記土壌水分センサーを用いて前記実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する第1の空間分布確認工程と、前記第1の空間分布確認工程で、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示す際に、前記実験圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第1の個数の前記土壌水分センサーで、前記実験圃場の土壌水分を、所定の測定間隔及び所定の測定回数で測定した、測定タイミングごとの測定結果に由来する、全数中央値または全数平均値を取得する全数由来値取得工程と、前記第1の個数を用いた測定結果の中から、前記第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、測定タイミングごとの測定結果に由来する、減数中央値または減数平均値を、複数のパターンの前記第2の個数で取得する減数由来値取得工程と、前記全数中央値または前記全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定すると共に、測定タイミングごとに、前記減数中央値または前記減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入るか否かを判定し、同判定を全測定タイミング分行い、前記第2の個数での、減数中央値または減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出する、経験的確率算出工程と、前記任意の所定幅及び前記経験的確率に基づき、前記複数のパターンの前記第2の個数の中から、所望の精度を有する前記土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択するセンサー個数選択工程と、前記第1の個数、前記第3の個数、及び、前記土壌水分センサーの個数であり、前記対象圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数、前記実験圃場の面積の情報、及び、前記対象圃場の面積の情報に基づき、前記対象圃場で使用する前記土壌水分センサーの個数m2について、前記第1の個数と、前記第4の個数が同じ場合には、前記個数m2の数を、前記第3の個数と同じ数に決定し、または、前記第1の個数と、前記第4の個数が異なる場合には、前記第1の個数をn1、前記第3の個数をm1、及び、前記第4の個数をn2として、前記個数m2の数を、下記の式(1)を満たす整数として決定する、センサー数決定工程と、前記個数m2の前記土壌水分センサーで前記対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とする代表値推定工程と、を備える。 In order to achieve the above object, the method for estimating soil moisture of the present invention estimates a representative value of soil moisture in a target field based on information obtained from measurement results of soil moisture using a plurality of soil moisture sensors in an experimental field. A method for estimating soil moisture for the purpose of measuring the soil moisture in the experimental field using a plurality of the soil moisture sensors, and using a spatial statistical method to estimate the soil moisture in the experimental field with a uniform spatial distribution and in the first spatial distribution confirmation step, when the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture, the area of the experimental field The first number of the soil moisture sensors that can be arranged according to the measurement results of measuring the soil moisture in the experimental field at a predetermined measurement interval and a predetermined number of measurements at each measurement timing. , a total number derived value obtaining step of obtaining a total median value or a total average value; number of measured values are selected, and for each of the selected measured values, a reduced median value or a reduced average value derived from the measurement results at each measurement timing is acquired with the second number of patterns A derived value acquisition step, setting an arbitrary predetermined width based on the value of the all-number median value or the all-number average value, and at each measurement timing, the reduced median value or the reduced average value is determined from the reference. It is determined whether or not it falls within the range of the arbitrary predetermined width, and the same determination is performed for all measurement timings, and the subtrahend median value or the subtrahend average value in the second number is the above when viewed from the reference. An empirical probability calculation step of calculating an empirical probability of falling within any predetermined width, and based on the arbitrary predetermined width and the empirical probability, out of the second number of the plurality of patterns, a sensor number selection step of selecting a third number that is the number of the soil moisture sensors having a desired accuracy; The soil moisture used in the target field based on the fourth number, which is the number that can be arranged according to the size of the target field, information on the area of the experimental field, and information on the area of the target field. Regarding the number m2 of sensors, when the first number and the fourth number are the same, the number m2 is determined to be the same number as the third number, or the first number When the number of and the fourth number are different, the The number of 1's is n 1 , the third number is m 1 , and the fourth number is n 2 , and the number of the number m 2 is determined as an integer satisfying the following formula (1): a number determining step, measuring the soil moisture in the target field with the soil moisture sensors of the number m2 , and estimating the representative value using the median value or the average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field. and a step.
また、土壌水分センサーにおける土壌水分の測定結果が、所定の範囲内に含まれる測定値のみを採用する場合には、得られる測定値の精度を高めることができる。また、この結果、対象圃場における土壌水分の代表値の精度を高めることができる。即ち、例えば、使用する土壌水分センサーについて、測定精度が良好に保たれる測定値の上限及び下限の範囲に基づき、所定の範囲を設定することで、同範囲内のみの測定値が採用されるものとなり、測定値の精度を向上させることができる。 In addition, when the soil moisture measurement result of the soil moisture sensor employs only the measured values within a predetermined range, it is possible to improve the accuracy of the obtained measured values. Moreover, as a result, it is possible to improve the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field. That is, for example, for the soil moisture sensor to be used, by setting a predetermined range based on the range of the upper limit and the lower limit of the measured value that maintains good measurement accuracy, only the measured value within the same range is adopted. , and the accuracy of the measured values can be improved.
また、土壌水分センサーにおける土壌水分の測定結果が、所定の範囲内に含まれない測定値を、所定の範囲内に含まれるように、所定の範囲に満たない測定値は、所定の範囲の下限の値として扱い、または、所定の範囲を超える測定値は、所定の範囲の上限の値として扱う場合には、得られる測定値の精度を高めることができる。また、この結果、対象圃場における土壌水分の代表値の精度を高めることができる。即ち、例えば、使用する土壌水分センサーについて、測定精度が良好に保たれる測定値の上限及び下限の範囲に基づき、所定の範囲を設定し、設定した範囲に満たない測定値や、設定した範囲を超える値を、その範囲の下限値または上限値として扱うことで、設定した範囲に含まれる測定値として収集可能となり、測定値の精度を向上させることができる。 In addition, the measurement result of the soil moisture sensor, so that the measured value that is not included in the predetermined range is included in the predetermined range, the measured value that is less than the predetermined range is the lower limit of the predetermined range or treating a measured value exceeding the predetermined range as the upper limit value of the predetermined range, the accuracy of the obtained measured value can be improved. Moreover, as a result, it is possible to improve the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field. That is, for example, for the soil moisture sensor to be used, a predetermined range is set based on the range of the upper and lower limits of the measured value that maintains good measurement accuracy, and the measured value that is less than the set range or the set range is treated as the lower limit value or the upper limit value of the range, it becomes possible to collect the measured value within the set range, and the accuracy of the measured value can be improved.
また、土壌水分センサーにおける土壌水分の測定を、一定の測定間隔で複数回行う際に、測定結果として、一連の測定における一定範囲区分に含まれる複数の測定値の区分中央値または区分平均値を採用する場合には、1回ずつの測定値で生じうる、変動する誤差の影響が小さくなり、対象圃場における土壌水分の代表値の精度を高めることができる。例えば、1分間隔での測定を、数時間継続する際に、30分の範囲ずつの、土壌水分センサーごとの中央値または平均値を測定結果に採用することで、1分間隔の測定で生じうる測定誤差の影響を小さくした測定結果を得ることができる。つまり、30回分の測定値の中に、いくつか測定誤差と考えられる値が含まれていても、30回分の中央値または平均値を用いることで、測定誤差と考えられる値の影響を減らすことができる。 Also, when measuring the soil moisture with the soil moisture sensor multiple times at regular measurement intervals, the measurement result is the division median value or the division average value of the multiple measurement values included in the fixed range division in the series of measurements. When adopted, the influence of fluctuating errors that may occur in each measured value is reduced, and the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field can be increased. For example, when the measurement at 1-minute intervals continues for several hours, by adopting the median value or average value for each soil moisture sensor in each 30-minute range for the measurement results, It is possible to obtain a measurement result in which the influence of possible measurement errors is reduced. In other words, even if some values considered to be measurement errors are included in the 30 measurements, the influence of values considered to be measurement errors can be reduced by using the median or average value for 30 measurements. can be done.
また、土壌水分センサーにおける土壌水分の測定を、一定の測定間隔で複数回行う際に、測定結果として、一連の測定において、測定回数を固定して、かつ、測定のタイミングをずらした移動範囲区分に含まれる複数の測定値の土壌水分センサーごとの移動中央値または移動平均値を採用する場合には、1分間隔の測定で生じうる測定誤差の影響をリアルタイムで減らすことができる。即ち、例えば、1分間隔での測定を、数時間継続し、30分の範囲ずつの、土壌水分センサーごとの中央値または平均値を測定結果に採用する際に、0分から30分までの同一範囲(30分範囲)だけを採用せず、1分から31分の異なる範囲で、30分の範囲ずつの中央値または平均値を測定結果に採用することで、変動する誤差の影響がリアルタイムで小さくなり、対象圃場における土壌水分の代表値の精度をリアルタイムで高めることができる。 In addition, when the soil moisture sensor measures the soil moisture a plurality of times at regular measurement intervals, the measurement result is a movement range classification in which the number of measurements is fixed and the measurement timing is staggered in a series of measurements. If a running median or average value for each soil moisture sensor of the multiple measurements contained in is employed, the effect of possible measurement errors in measurements at one-minute intervals can be reduced in real time. That is, for example, when the measurement at 1-minute intervals is continued for several hours and the median value or average value for each soil moisture sensor in each 30-minute range is adopted as the measurement result, the same By adopting the median value or average value for each 30-minute range in different ranges from 1 minute to 31 minutes instead of adopting only the range (30-minute range), the influence of fluctuating errors is reduced in real time. As a result, the accuracy of the representative value of the soil moisture in the target field can be improved in real time.
また、上記の目的を達成するために、本発明の土壌水分の推定方法は、実験圃場における複数の土壌水分センサーを用いた土壌水分の測定結果の情報に基づき、対象圃場における土壌水分の代表値を推定するための土壌水分の推定方法であって、複数の前記土壌水分センサーを用いて前記実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する空間分布確認工程と、前記空間分布確認工程で、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示す際に、所定の測定間隔及び所定の測定回数にて、第1の個数の前記土壌水分センサーで、前記実験圃場の土壌水分を測定した第1の測定結果と、前記第1の測定結果の中から、前記第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択した、第2の測定結果を、複数のパターンで得ると共に、前記第1の測定結果の測定タイミングごとに得られた全数中央値または全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定し、前記第2の測定結果の測定タイミングごとに得られた減数中央値または減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出する、経験的確率算出工程と、前記任意の所定幅及び前記経験的確率に基づき、前記複数のパターンの前記第2の個数の中から、所望の精度を有する前記土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択するセンサー個数選択工程と、前記実験圃場の面積の情報、前記対象圃場の面積の情報、及び、前記第3の個数の情報に対して、平均値による近似を用いて、前記対象圃場で使用する前記土壌水分センサーの個数を決定するセンサー数決定工程と、前記センサー数決定工程で決定した個数の前記土壌水分センサーで前記対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とする代表値推定工程と、を備える。 Further, in order to achieve the above object, the method for estimating soil moisture of the present invention provides a representative soil moisture value The soil moisture estimation method for estimating the a spatial distribution confirmation step of confirming whether or not the spatial distribution is exhibited, and in the spatial distribution confirmation step, when the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of the soil moisture, at a predetermined measurement interval and a predetermined number of measurements, A first measurement result obtained by measuring the soil moisture in the experimental field with the first number of soil moisture sensors, and the first measurement result, the number of which is arbitrarily reduced from the first number. A second measurement result obtained by selecting a second number of measurement values, which is a number, in a plurality of patterns, and a total median value or a total average value obtained for each measurement timing of the first measurement result An arbitrary predetermined width is set based on the value of the second measurement result, and the reduced median value or the reduced average value obtained at each measurement timing of the second measurement result is within the arbitrary predetermined width as viewed from the reference. an empirical probability calculation step of calculating an empirical probability of entering the soil having a desired accuracy from among the second number of the plurality of patterns based on the arbitrary predetermined width and the empirical probability A sensor number selection step of selecting a third number that is the number of moisture sensors, an average value for the information on the area of the experimental field, the information on the area of the target field, and the information on the third number a number of sensors determining step of determining the number of the soil moisture sensors to be used in the target field, using the approximation by , and measuring the soil moisture of the target field with the number of the soil moisture sensors determined in the number of sensors determining step. and a representative value estimating step of determining the median value or average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field.
本発明を適用した土壌水分の推定方法の一例である推定方法は、一定の広さの実験圃場における土壌水分センサーの測定結果の情報に基づき、実験圃場より面積が小さい対象圃場における土壌水分の代表値を推定する方法である。 The estimation method, which is an example of the method for estimating soil moisture to which the present invention is applied, is based on the information of the measurement result of the soil moisture sensor in the experimental field of a certain size, and represents the soil moisture in the target field smaller than the experimental field. It is a method of estimating the value.
図1に示すように、本発明では、まず、実験圃場において、実験圃場の面積の広さに配置可能な個数(n1個とする)の土壌水分センサーを用いて土壌水分の測定を行う(図のSTEP1)。以下の内容では、個数n1の一例として、90個を例に説明を行う。また、必要に応じて、個数n1を「全数」と呼ぶことがある。 As shown in FIG. 1, in the present invention, first, in an experimental field, soil moisture is measured using the number of soil moisture sensors (n =1 ) that can be arranged in the area of the experimental field ( STEP 1) in the figure. In the following description, 90 pieces will be described as an example of the number n1 . Also, the number n1 may be referred to as the "total number" as necessary.
次に、個数n1(全数)の土壌水分センサーの測定結果から、実験圃場の空間分布の確認を行う(図1のSTEP2)。
Next, the spatial distribution of the experimental field is confirmed from the measurement results of the number n 1 (total number) of soil moisture sensors (
また、実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する工程により、対象圃場の空間分布を見える化できる。また、本工程では、実験圃場における、土壌水分センサーの空間類似性が及ぶ距離(レンジ)の情報を得ることができる。なお、土壌水分センサー及び実験圃場の空間分布の確認の詳細については後述する。 Moreover, the spatial distribution of the target field can be visualized by the process of confirming whether the experimental field exhibits a uniform spatial distribution. In addition, in this step, it is possible to obtain information on the distance (range) to which the spatial similarity of the soil moisture sensor extends in the experimental field. The details of confirmation of the soil moisture sensor and the spatial distribution of the experimental field will be described later.
また、実験圃場の空間分布の確認の工程にて、実験圃場が均一な空間分布を示した場合、個数n1個(90個)の土壌水分センサーでの測定結果(全測定値)から、その個数n1個から数を減らした個数の測定値の選択を行う(図1のSTEP3)。
In addition, in the process of confirming the spatial distribution of the experimental field, if the experimental field shows a uniform spatial distribution, the measurement results (total measured values) of n 1 (90) soil moisture sensors The number n of measured values is selected by decreasing the number from 1 (
Claims (8)
複数の前記土壌水分センサーを用いて前記実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する第1の空間分布確認工程と、
前記第1の空間分布確認工程で、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示す際に、前記実験圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第1の個数の前記土壌水分センサーで、前記実験圃場の土壌水分を、所定の測定間隔及び所定の測定回数で測定した、測定タイミングごとの測定結果に由来する、全数中央値または全数平均値を取得する全数由来値取得工程と、
前記第1の個数を用いた測定結果の中から、前記第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択して、その選択した測定値につき、測定タイミングごとの測定結果に由来する、減数中央値または減数平均値を、複数のパターンの前記第2の個数で取得する減数由来値取得工程と、
前記全数中央値または前記全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定すると共に、測定タイミングごとに、前記減数中央値または前記減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入るか否かを判定し、同判定を全測定タイミング分行い、前記第2の個数での、減数中央値または減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出する、経験的確率算出工程と、
前記任意の所定幅及び前記経験的確率に基づき、前記複数のパターンの前記第2の個数の中から、所望の精度を有する前記土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択するセンサー個数選択工程と、
前記第1の個数、前記第3の個数、及び、前記土壌水分センサーの個数であり、前記対象圃場の面積の広さに応じて配置可能な個数である第4の個数、前記実験圃場の面積の情報、及び、前記対象圃場の面積の情報に基づき、前記対象圃場で使用する前記土壌水分センサーの個数m2について、
前記第1の個数と、前記第4の個数が同じ場合には、前記個数m2の数を、前記第3の個数と同じ数に決定し、
または、
前記第1の個数と、前記第4の個数が異なる場合には、前記第1の個数をn1、前記第3の個数をm1、及び、前記第4の個数をn2として、前記個数m2の数を、下記の式(1)を満たす整数として決定する、センサー数決定工程と、
前記個数m2の前記土壌水分センサーで前記対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とする代表値推定工程と、を備える
土壌水分の推定方法。
A first spatial distribution confirmation of measuring the soil moisture in the experimental field using a plurality of the soil moisture sensors and confirming whether the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of the soil moisture by a spatial statistical method. process and
In the first spatial distribution confirming step, when the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture, the first number, which is the number that can be arranged according to the area size of the experimental field. The soil moisture sensor measures the soil moisture in the experimental field at a predetermined measurement interval and a predetermined number of measurements, and obtains the total median value or the total average value derived from the measurement results for each measurement timing. process and
From the measurement results using the first number, select a second number of measurements, which is a number arbitrarily reduced from the first number, and for the selected measurement value, a subtraction-derived value acquisition step of acquiring the subtraction median value or the subtraction average value derived from the measurement result for each measurement timing, in the second number of a plurality of patterns;
An arbitrary predetermined width is set based on the value of the all-number median value or the all-number average value, and at each measurement timing, the reduced median value or the reduced average value changes to the arbitrary predetermined width as viewed from the reference. The same determination is made for all measurement timings, and the median value or average value of the second number is within the arbitrary predetermined width range viewed from the reference an empirical probability calculation step of calculating an empirical probability of falling within
sensor number selection for selecting a third number, which is the number of the soil moisture sensors having a desired accuracy, from the second number of the plurality of patterns based on the arbitrary predetermined width and the empirical probability; process and
The first number, the third number, and the number of the soil moisture sensors, and the fourth number, which is the number that can be arranged according to the area size of the target field, and the area of the experimental field. and information on the area of the target field, the number m 2 of the soil moisture sensors used in the target field,
if the first number and the fourth number are the same, the number m2 is determined to be the same number as the third number;
or,
When the first number and the fourth number are different, the first number is n 1 , the third number is m 1 , and the fourth number is n 2 . A sensor number determination step of determining the number of m2 as an integer that satisfies the following formula (1);
a representative value estimating step of measuring the soil moisture in the target field with the m2 soil moisture sensors, and using the median value or average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field. A method for estimating soil moisture.
所定の範囲内に含まれる測定値のみを採用する
請求項1に記載の土壌水分の推定方法。 The measurement result of the soil moisture in the soil moisture measurement sensor is
The method for estimating soil moisture according to claim 1, wherein only measurements falling within a predetermined range are employed.
所定の範囲内に含まれない測定値を、前記所定の範囲内に含まれるように、
前記所定の範囲に満たない測定値は、前記所定の範囲の下限の値として扱い、または、前記所定の範囲を超える測定値は、前記所定の範囲の上限の値として扱う
請求項1に記載の土壌水分の推定方法。 The measurement result of the soil moisture in the soil moisture measurement sensor is
So that the measured value not included in the predetermined range is included in the predetermined range,
The measured value less than the predetermined range is treated as the lower limit value of the predetermined range, or the measured value exceeding the predetermined range is treated as the upper limit value of the predetermined range. A method for estimating soil moisture.
請求項1、請求項2または請求項3に記載の土壌水分の推定方法。 When the soil moisture measurement sensor measures the soil moisture a plurality of times at constant measurement intervals, the measurement result is the division median value or the division average value of the plurality of measured values included in the fixed range division in the series of measurements. The method for estimating soil moisture according to claim 1, claim 2 or claim 3.
請求項4に記載の土壌水分の推定方法。 When measuring the soil moisture by the soil moisture measuring sensor a plurality of times at a constant measurement interval, the measurement result is divided into movement ranges in which the number of measurements is fixed and the timing of measurement is shifted in a series of measurements. The method for estimating soil moisture according to claim 4, wherein a moving median value or a moving average value of a plurality of measured values included in the soil moisture measurement sensor is adopted.
前記実験圃場に配置したn個の前記土壌水分センサーから任意の2個を選ぶ組み合わせの全通りに対して、センサー間の距離を算出し、前記センサー間の距離に応じたグループである距離グループ群に分けると共に、前記距離グループ群におけるグループごとの土壌水分の測定値の差のデータ群に基づいて、標本セミバリオグラムを作成する、標本セミバリオグラム作成工程と、
前記センサー間の距離と、前記標本セミバリオグラムの散布図に曲線をあてはめ、セミバリオグラムモデルを作成すると共に、前記セミバリオグラムモデルを用いて、任意の距離に対するセミバリオグラムの値を推定する、セミバリオグラム推定工程と、
前記n個の前記土壌水分センサーによる土壌水分の測定値に基づく、拡張された重み付き平均を用いて、前記実験圃場の任意の地点における土壌水分を推定する任意地点水分値推定工程と、
前記n個の前記土壌水分センサーによる土壌水分の測定値と、前記任意地点水分値推定工程から推定された前記任意の地点における土壌水分から、各測定時点での、前記実験圃場における土壌水分の可視化を行い、前記実験圃場の空間分布の均一性を確認する空間分布把握工程と、を有する
請求項1、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5に記載の土壌水分の推定方法。 The spatial statistics method includes:
A distance group group, which is a group corresponding to the distance between the sensors, by calculating the distance between the sensors for all combinations of selecting any two sensors from the n soil moisture sensors arranged in the experimental field. a sample semivariogram creating step of creating a sample semivariogram based on a data group of differences in measured values of soil moisture for each group in the distance group group;
Semivariogram estimation, wherein a curve is fitted to the inter-sensor distances and a scatter plot of the sample semivariogram to create a semivariogram model, and the semivariogram model is used to estimate the value of the semivariogram for any given distance. process and
an arbitrary point moisture value estimation step of estimating the soil moisture at an arbitrary point in the experimental field using an expanded weighted average based on the soil moisture values measured by the n soil moisture sensors;
Visualization of the soil moisture in the experimental field at each measurement time based on the soil moisture measured by the n soil moisture sensors and the soil moisture at the arbitrary point estimated by the arbitrary point moisture value estimation step. and a spatial distribution grasping step of confirming the uniformity of the spatial distribution of the experimental field. .
請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、または請求項6に記載の土壌水分の推定方法。 A second step of measuring the soil moisture in the target field using the number m 2 of the soil moisture sensors, and confirming whether the target field exhibits a uniform spatial distribution of soil moisture by the spatial statistical method. and a spatial distribution confirmation step of .
複数の前記土壌水分センサーを用いて前記実験圃場の土壌水分を測定し、空間統計学的手法により、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示すかを確認する空間分布確認工程と、
前記空間分布確認工程で、土壌水分について、前記実験圃場が均一な空間分布を示す際に、所定の測定間隔及び所定の測定回数にて、第1の個数の前記土壌水分センサーで、前記実験圃場の土壌水分を測定した第1の測定結果と、前記第1の測定結果の中から、前記第1の個数から、任意で数を減らした数である第2の個数分の測定値を選択した、第2の測定結果を、複数のパターンで得ると共に、前記第1の測定結果の測定タイミングごとに得られた全数中央値または全数平均値の値を基準に、任意の所定幅を設定し、前記第2の測定結果の測定タイミングごとに得られた減数中央値または減数平均値が、前記基準から見た前記任意の所定幅の範囲内に入る経験的確率を算出する、経験的確率算出工程と、
前記任意の所定幅及び前記経験的確率に基づき、前記複数のパターンの前記第2の個数の中から、所望の精度を有する前記土壌水分センサーの個数である第3の個数を選択するセンサー個数選択工程と、
前記実験圃場の面積の情報、前記対象圃場の面積の情報、及び、前記第3の個数の情報に対して、平均値による近似を用いて、前記対象圃場で使用する前記土壌水分センサーの個数を決定するセンサー数決定工程と、
前記センサー数決定工程で決定した個数の前記土壌水分センサーで前記対象圃場の土壌水分を測定して、その測定結果の中央値または平均値を、対象圃場における土壌水分の代表値とする代表値推定工程と、を備える
土壌水分の推定方法。 A method for estimating soil moisture for estimating a representative value of soil moisture in a target field based on information on the results of measuring soil moisture using a plurality of soil moisture measurement sensors in an experimental field, comprising:
a spatial distribution confirmation step of measuring the soil moisture in the experimental field using a plurality of the soil moisture sensors and confirming whether the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of the soil moisture by a spatial statistical technique;
In the spatial distribution confirmation step, when the experimental field exhibits a uniform spatial distribution of the soil moisture, the first number of the soil moisture sensors are used at a predetermined measurement interval and a predetermined number of times to measure the experimental field. and the first measurement result of measuring the soil moisture, and from the first measurement result, the measurement value for the second number, which is the number arbitrarily reduced from the first number, was selected. , obtaining the second measurement result in a plurality of patterns, and setting an arbitrary predetermined width based on the value of the total median value or the total average value obtained at each measurement timing of the first measurement result, An empirical probability calculation step of calculating an empirical probability that the reduced median value or the reduced average value obtained at each measurement timing of the second measurement result falls within the arbitrary predetermined range with respect to the reference. and,
sensor number selection for selecting a third number, which is the number of the soil moisture sensors having a desired accuracy, from the second number of the plurality of patterns based on the arbitrary predetermined width and the empirical probability; process and
The number of the soil moisture sensors to be used in the target field is calculated using approximation by an average value for the information on the area of the experimental field, the information on the area of the target field, and the information on the third number. a step of determining the number of sensors to be determined;
Measure the soil moisture in the target field with the number of soil moisture sensors determined in the number of sensors determining step, and estimate the representative value using the median or average value of the measurement results as the representative value of the soil moisture in the target field. and a method for estimating soil moisture.
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