JP3579628B2

JP3579628B2 - 葉のクロロフィル含量推定方法およびこれを利用した推定装置

Info

Publication number: JP3579628B2
Application number: JP2000072065A
Authority: JP
Inventors: 耕中屋
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001264254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、葉のクロロフィル含量を非破壊非接触で推定できる葉のクロロフィル含量推定方法およびこれを利用した推定装置に関する。更に詳述すると、本発明は誘起光を当てた葉から励起された蛍光スペクトルを解析してクロロフィル含量を推定する葉のクロロフィル含量推定方法およびこれを利用した推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クロロフィルは植物の光合成に関与する色素であり、葉のクロロフィル含量は植物の健全性を判断する重要な指標である。このクロロフィルの含量を非破壊非接触で推定する方法としては、赤色光より短い波長の光を葉に照射するとクロロフィルから主に赤色域の誘起蛍光（以下「クロロフィル蛍光」と呼ぶ）が放射されるという性質を利用するものがある。この方法では、葉から発せられた蛍光スペクトルを測定して、例えば６９０ｎｍ付近と７４０ｎｍ付近にそれぞれ見られるクロロフィル蛍光の蛍光ピークの強さの比Ｆ６９０／Ｆ７４０を算出する。そして、この蛍光強度比が図６に示すようにクロロフィル含量に対応して変化するため、予め蛍光強度比とクロロフィル含量との関係を求めておけば蛍光強度比からクロロフィル含量を推定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したクロロフィル蛍光の蛍光ピーク同士の強さの比からクロロフィル含量を推定する方法では、クロロフィル含量が多くなるにつれて蛍光強度比が収束して変化量が小さくなってしまうので、クロロフィル含量が多いとき（例えば図６に示す例では１０ｍｇ／ｇ以上）の推定精度が低くなってしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、クロロフィル含量が多いときでも推定精度を高くできる葉のクロロフィル含量推定方法およびこれを利用した推定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ところで、紫外光のように青色光よりも短い波長の誘起光を葉に照射したときに、図３に示すように青緑域（約４５５ｎｍ〜５７７ｎｍ）と赤色域（約６２２ｎｍ〜７７０ｎｍ）とにそれぞれ数個の蛍光ピークが見られることが知られている。赤色域の蛍光はクロロフィル蛍光であるのに対して、青緑色域の蛍光は主に葉の表皮から発せられる別の蛍光であると考えられる。
【０００６】
かかる事実に基づいて本出願の発明者が鋭意研究を重ねた結果、青緑色域での蛍光ピークとクロロフィル蛍光の蛍光ピークとの蛍光強度の比が図１に示すようにクロロフィル含量とほぼ線形の関係にあることを知見した。これは、励起エネルギが一定の場合は、クロロフィルによる誘起光の吸収量はその含量に比例して増大するのでクロロフィル蛍光の蛍光強度もクロロフィル含量に比例して増大するが、青緑色の蛍光はクロロフィルに再吸収されるため、その蛍光強度はクロロフィル含量の増大により減少するためであると考えられる。
【０００７】
この知見に基づいて発明された請求項１記載の葉のクロロフィル含量推定方法は、測定対象である葉に青色光よりも短い波長の誘起光を当て、誘起光により葉から放射された蛍光を受光してスペクトルを測定し、蛍光スペクトルでのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比ならびに該比と葉のクロロフィル含量の予め求めておいた線形の相関関係に基づいて葉のクロロフィル含量を推定するようにしている。また、請求項４記載の葉のクロロフィル含量推定装置は、測定対象である葉に青色光よりも短い波長の誘起光を当てる誘起光源と、葉から放射された蛍光を受光してスペクトルを測定する測定手段と、蛍光スペクトルでのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比ならびに該比と葉のクロロフィル含量の予め求めておいた線形の相関関係に基づいて葉のクロロフィル含量を推定する推定手段とを備えるようにしている。
【０００８】
したがって、蛍光スペクトルのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比と、該比と葉のクロロフィル含量の相関関係とに基づいて葉のクロロフィル含量を推定するので、この比と葉のクロロフィル含量とが線形関係にあることからクロロフィル蛍光のピーク強度同士の比に基づいて推定するよりも推定精度を高めることができる。
【０００９】
さらに、請求項２記載の葉のクロロフィル含量推定方法および請求項５記載の葉のクロロフィル含量推定装置では、誘起光はレーザ光であるようにしている。したがって、レーザ光は直進性に優れるので、推定精度をほとんど低下させることなく誘起光源や測定手段を葉から離隔して設置することができる。このため、遠隔照射および遠隔測定が可能になるので、作業効率を良好にすることができる。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の葉のクロロフィル含量推定方法において、誘起光はパルス光であると共に、葉から蛍光が放射される間のみ該蛍光を受光するように誘起光の発光と蛍光の受光とのタイミングを同期させるようにしている。また、請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の葉のクロロフィル含量推定装置において、誘起光はパルス光であると共に、葉から蛍光が放射される間のみ該蛍光を受光するように誘起光源による照射と測定手段による受光とのタイミングを同期させる同期手段を備えるようにしている。
【００１１】
したがって、蛍光の測定をごく短時間で行うことができるので、蛍光の測定中に外光の強さが変化してもノイズとして誘起蛍光に影響を及ぼさないようにすることができる。よって、クロロフィル含量の推定精度を更に高くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。図２に本発明の葉のクロロフィル含量推定装置１の実施形態を示す。このクロロフィル含量推定装置１は、測定対象である葉２に青色光よりも短い波長の誘起光３を当てる誘起光源４と、葉２から放射された蛍光５を受光してスペクトルを測定する測定手段６と、測定手段６での測定結果に基づいて葉２のクロロフィル含量を推定する推定手段７とを備えるようにしている。この推定手段７では、測定手段６で測定された蛍光スペクトルでのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比ならびに該比と葉２のクロロフィル含量の相関関係に基づいて葉２のクロロフィル含量を推定するようにしている。このため、この比と葉２のクロロフィル含量とは線形関係にあるので、従来のようにクロロフィル蛍光のピーク同士の蛍光強度比に基づいてクロロフィル含量を推定する場合に比べて推定精度を高めることができる。
【００１３】
本実施形態で青緑色域の蛍光のピーク強度とは、図３に示すように例えば４６０ｎｍに見られる蛍光ピークの強度（以下、Ｆ４６０と略称する）をいうものとする。また、クロロフィル蛍光のピーク強度とは、例えば７４０ｎｍに見られる蛍光ピークの強度（以下、Ｆ７４０と略称する）をいうものとする。各蛍光ピークの波長としては、これらに限られないのは勿論である。例えば、青緑色域でのピーク強度として５１０ｎｍの蛍光のピーク強度（Ｆ５１０）を利用したり、クロロフィル蛍光のピーク強度として６９０ｎｍの蛍光のピーク強度（Ｆ６９０）を利用するようにしても良い。
【００１４】
誘起光源４としてはＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを使用している。そして、誘起光３は紫外レーザ光であるようにしている。このため、レーザ光は直進性に優れることから、推定装置１を葉２から離隔して設置しても良好な推定精度を維持することができる。よって、誘起光源４による遠隔照射および測定手段６による遠隔測定が可能になり作業効率を良好にすることができると共に、植物群落情報のリモートセンシング技術の開発を図ることができる。また、誘起光３は紫外光であることにより、波長範囲の広い蛍光を葉２から得ることができるので、波長の短い青緑色域での蛍光ピークでも余裕を持って正確に測定することができる。
【００１５】
葉２の蛍光スペクトルを測定する測定手段６は、誘起光源４の波長域より長波長側の蛍光のみを透過させるためのフィルタ８と、フィルタ８を通過する蛍光５を成分波長に分散して蛍光スペクトルを決定する分光器９と、分光器９で決定された蛍光スペクトルを撮像する撮像手段１０とを備えている。フィルタ８は葉２から得られた光のうちで散乱する紫外光を取り除くようにするものであり、例えばカットオフフィルタやバンドパスフィルタ等を利用することができる。撮像手段１０としてはイメージインテンシファイヤ付きＣＣＤカメラを利用している。本実施形態では撮像手段１０としてイメージインテンシファイヤ付きＣＣＤカメラを利用しているが、これには限られずイメージインテンシファイヤの無いＣＣＤカメラとしたり、あるいは蛍光スペクトルの所定波長のピーク強度を求めることができる他の装置、例えばフォトマルチプライヤを利用することができる。
【００１６】
葉２のクロロフィル含量を推定する推定手段７は、撮像手段１０で得られた蛍光スペクトルの画像に基づいて青緑色域でのピーク強度Ｆ４６０とクロロフィル蛍光のピーク強度Ｆ７４０を求め、これらの蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０に基づいて葉２のクロロフィル含量を推定する。この推定手段７は、具体的には中央処理装置や記憶装置、入出力装置等を備えたコンピュータ装置、あるいはシーケンサ回路等から成る。
【００１７】
誘起光３はパルス光であるようにしている。また、本実施形態の推定装置１では誘起光源４と測定手段６とを同期させる同期手段１１を備え、葉２から蛍光５が放射される間のみ蛍光５を受光するように構成されている。このため、蛍光５の測定をごく短時間で行うことができるので、蛍光５の測定中に外光の強さが変化してもノイズとして誘起蛍光５に影響を及ぼさないようにすることができる。よって、クロロフィル含量の推定精度を更に高めることができる。
【００１８】
同期手段１１としては、誘起光源４および測定手段６に接続されたパルス発生器を使用している。そして、このパルス発生器は、誘起光源４にパルス光を発光させて、このパルス光により葉２から発せられた蛍光５を測定手段６が受光するように誘起光源４および測定手段６を同期させる。
【００１９】
本実施形態では誘起光源４としてＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを使用しているので、同期手段１１からのパルス信号によりレーザ光の発光タイミングとレーザ出力の調整を行うことができる。また、撮像手段１０としてイメージインテンシファイヤ付きＣＣＤカメラを使用しているので、同期手段１１からのパルス信号により蛍光５が発生している間だけイメージインテンシファイヤのゲートを開いて撮像を行うようにできる。なお、イメージインテンシファイヤの無いＣＣＤカメラを使用する場合はＣＣＤから画像データを取り出すタイミングを同期手段１１で決定することにより蛍光５が発生している間だけ撮像を行うようにできる。
【００２０】
これら誘起光源４と測定手段６の同期のタイミングの一例を図４に示す。同図に示すように、例えば１０Ｈｚで同期する場合、誘起光３のレーザ出力を調節するためにインターバルを設け（Ｔ０〜Ｔ１：０〜１８５ｎｓ）、続いて誘起光源４のＱスイッチをオンしてゲートディレイとする（Ｔ１〜Ｔ２：５０〜１００ｎｓ）。そして、Ｑスイッチをオフすると誘起光３がパルス発光されて蛍光５の放射が始まる。また、Ｑスイッチのオフと同時に撮像手段１０のゲートを開いて蛍光５の撮像を行う。撮像手段１０の露光時間は、蛍光５の寿命である約数十ｎｓ（ここではＴ２〜Ｔ３：１００〜２００ｎｓ）程度に設定する。これにより、葉２の周囲の自然光がほとんど変化しない程の短時間で蛍光５の測定を行うことができるので、外光の影響を受けずに高いシグナル比で蛍光５を測定することができるようになる。
【００２１】
上述したクロロフィル含量推定装置１により葉２のクロロフィル含量を推定する手順を以下に説明する。
【００２２】
同期手段１１から誘起光源４にパルス信号が送信されると、誘起光源４から紫外パルスレーザの誘起光３が葉２に照射される。この誘起光３により葉２では蛍光５が誘起される。そして、葉２から発せられる光のうちで紫外光がフィルタ８で除去されて分光器９で蛍光スペクトルが得られる。
【００２３】
また、同期手段１１は誘起光源４にパルス信号を送信した後、撮像手段１０の露光を行うように信号を発する。これにより、分光器９で得られた蛍光スペクトルが撮像手段１０で撮像される。
【００２４】
推定手段７では、撮像された蛍光スペクトルに基づいて青緑色域の蛍光のピーク強度Ｆ４６０とクロロフィル蛍光のピーク強度Ｆ７４０を求め、これらの蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０を算出する。そして、図１に示すような予め求めておいたクロロフィル含量と蛍光強度比との相関関係に照らし合わせてクロロフィル含量を推定することができる。
【００２５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では誘起光源４からの発光と測定手段６による受光とを同期手段１１により同期させているが、これには限られず同期手段１１を設けずに発光と受光とを連続して行うようにしても良い。この場合、外光として定常光が与えられる環境下であれば測定手段６による受光の際のノイズの発生を防止できるので、蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０からクロロフィル含量を高精度に推定することができる。
【００２６】
また、本実施形態では誘起光３をレーザ光にしているが、これには限られずレーザ光以外の拡散するような光にしても良い。この場合、クロロフィル含量推定装置１と葉２との間隔が短距離で有れば蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０からクロロフィル含量を高精度に推定することができる。
【００２７】
さらに、本実施形態では誘起光３を紫外光にしているが、これには限られず青色光よりも短い波長の光であれば良い。このような誘起光３を葉２に照射すれば青緑域の成分とクロロフィル蛍光を含んだ蛍光５を受光することができるので、青緑域での蛍光ピーク強度とクロロフィル蛍光のピーク強度との比を利用してクロロフィル含量を高精度に推定することができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０とクロロフィル含量との関係を求めた。尚、Ｆ４６０／Ｆ７４０の測定には図２に示すクロロフィル含量推定装置１を利用した。
【００２９】
誘起光源４としては１０Ｈｚで発振するＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（ＳｕｒｅｌｉｔｅＩ，Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ社製）を用い、誘起光３として第３高長波（３５５ｎｍ）を利用した。レーザ発振のパルス幅は４〜６ｎｍである。さらに、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのレーザ光のビーム径は約５ｍｍであるが、これを葉２に広く均一に照射するためにビームエキスパンダを利用して１０００ｍｍ離れた測定対象上で直径５０ｍｍに拡大した。
【００３０】
また、測定手段６としては、蛍光受信光学系（昭和オプトロニクス社製）を利用した。そして、基礎的なデータを精度良く得るために葉２から１６００ｍｍ離れた位置に折り返しミラーを設置して、葉２と測定手段６との距離を１６００ｍｍとした。この測定手段６の分光器９としては、ＭＳ２５７（ＯＲＩＥＬ社製）を利用した。撮像手段１０としては、イメージインテンシファイヤ付きダイオードアレイ撮像装置（ＩＣＣＤカメラ、ＩｎｓｔａＳｐｅｃＶ、ＯＲＩＥＬ社製）を用いた。
【００３１】
同期手段１１としては、パルス発生器（ＤＧ５３５、ＳＲＩ社製）を用いた。推定手段７としてはＡ／Ｄコンバータを備えたパーソナルコンピュータ（ＩＢＭＰＣ互換機）を利用した。
【００３２】
葉２としては、イネ（Oryza sativa L.,品種：日本晴）を用いた。この種子を暗黒条件下で８日間発芽育成し、２８０μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１の白色光を１４４時間連続照射して緑葉化させた。さらに、このイネを２００μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１の白色灯に１０分間曝露した。
【００３３】
このクロロフィル含量推定装置１を利用して上述の葉２について蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０の測定を行った。そして、蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０とクロロフィル含量との関係を求めた結果を図１に示す。同図に示すように、青緑色域での蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ４６０）とクロロフィル蛍光のピーク強度（Ｆ７４０）の比がクロロフィル含量の多少によらずクロロフィル含量と線形の関係にあることが判明した。これにより、クロロフィル含量が多いときでも蛍光強度比Ｆ４６０／Ｆ７４０に基づいてクロロフィル含量を高精度に推定できるようになる。
【００３４】
（実施例２）
実施例１と同じ葉２について青緑色域での蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ５１０）とクロロフィル蛍光のピーク強度（Ｆ７４０）の比Ｆ５１０／Ｆ７４０と、クロロフィル含量との関係を求めた。尚、Ｆ５１０／Ｆ７４０の測定には上述したクロロフィル含量推定装置１を利用した。その結果を図５に示す。同図に示すように、蛍光強度比Ｆ５１０／Ｆ７４０がクロロフィル含量の多少によらずクロロフィル含量と線形の関係にあることが判明した。これにより、クロロフィル含量が多いときでも蛍光強度比Ｆ５１０／Ｆ７４０に基づいてクロロフィル含量を高精度に推定できるようになる。
【００３５】
（比較例）
実施例１と同じ葉２についてクロロフィル蛍光での異なる２つの蛍光ピークの強度比Ｆ６９０／Ｆ７４０とクロロフィル含量との関係を求めた。尚、Ｆ６９０／Ｆ７４０の測定には上述したクロロフィル含量推定装置１を利用した。その結果を図６に示す。同図に示すように、蛍光強度比Ｆ６９０／Ｆ７４０はクロロフィル含量が多くなると収束してしまうことが判明した。これにより、クロロフィル含量が多いときは、蛍光強度比Ｆ６９０／Ｆ７４０に基づいてクロロフィル含量を推定する精度が低くなってしまう。
【００３６】
これら実施例１，２および比較例の結果から明らかなように、本発明のクロロフィル含量推定装置１によれば青緑色域での蛍光ピークとクロロフィル蛍光の蛍光ピークとの蛍光強度比に基づいてクロロフィル含量を推定しているので、クロロフィル含量を高精度に推定できるようになることが判明した。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の葉のクロロフィル含量推定方法および請求項４記載の葉のクロロフィル含量推定装置によれば、蛍光スペクトルのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比ならびに該比と葉のクロロフィル含量の線形関係に基づいて葉のクロロフィル含量を推定するので、クロロフィル含量によらずクロロフィル蛍光のピーク強度同士の比に基づいて推定するよりも推定精度を高めることができる。
【００３８】
さらに、請求項２記載の葉のクロロフィル含量推定方法および請求項５記載の葉のクロロフィル含量推定装置によれば、遠隔照射および遠隔測定が可能になるので、作業効率を良好にすることができる。また、植物群落情報のリモートセンシング技術の開発を図ることができる。
【００３９】
また、請求項３記載の葉のクロロフィル含量推定方法および請求項６記載の葉のクロロフィル含量推定装置によれば、蛍光の測定をごく短時間で行うことができるので、蛍光の測定中に外光の強さが変化してもノイズとして誘起蛍光に影響を及ぼさないようにすることができる。よって、クロロフィル含量の推定精度を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る葉のクロロフィル含量推定方法により求めた青緑色域での蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ４６０）とクロロフィル蛍光の蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ７４０）の比ならびにクロロフィル含量の線形関係を示すグラフである。
【図２】本発明に係る葉のクロロフィル含量推定装置の概略を示すブロック図である。
【図３】葉から得られた蛍光の強度と波長との関係を示すグラフである。
【図４】発光と受光とのタイミングを示すタイムチャートである。
【図５】青緑色域での蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ５１０）とクロロフィル蛍光の蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ７４０）の比ならびにクロロフィル含量の線形関係を示すグラフである。
【図６】クロロフィル蛍光の異なる２つの蛍光ピークの蛍光強度（Ｆ６９０、Ｆ７４０）の比とクロロフィル含量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１葉のクロロフィル含量推定装置
２葉
３誘起光
４誘起光源
５蛍光
６測定手段
７推定手段
１１同期手段

Claims

測定対象である葉に青色光よりも短い波長の誘起光を当て、前記誘起光により前記葉から放射された蛍光を受光してスペクトルを測定し、前記蛍光スペクトルでのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比ならびに該比と前記葉のクロロフィル含量の予め求めておいた線形の相関関係に基づいて前記葉のクロロフィル含量を推定することを特徴とする葉のクロロフィル含量推定方法。
前記誘起光はレーザ光であることを特徴とする請求項１記載の葉のクロロフィル含量推定方法。
前記誘起光はパルス光であると共に、前記葉から前記蛍光が放射される間のみ該蛍光を受光するように前記誘起光の発光と前記蛍光の受光とのタイミングを同期させることを特徴とする請求項１または２記載の葉のクロロフィル含量推定方法。
測定対象である葉に青色光よりも短い波長の誘起光を当てる誘起光源と、前記葉から放射された蛍光を受光してスペクトルを測定する測定手段と、前記蛍光スペクトルでのクロロフィル蛍光のピーク強度と青緑色域の蛍光のピーク強度の比ならびに該比と前記葉のクロロフィル含量の予め求めておいた線形の相関関係に基づいて前記葉のクロロフィル含量を推定する推定手段とを備えることを特徴とする葉のクロロフィル含量推定装置。
前記誘起光はレーザ光であることを特徴とする請求項４記載の葉のクロロフィル含量推定装置。
前記誘起光はパルス光であると共に、前記葉から前記蛍光が放射される間のみ該蛍光を受光するように前記誘起光源からの照射と前記測定手段による受光とのタイミングを同期させる同期手段を備えることを特徴とする請求項４または５記載の葉のクロロフィル含量推定装置。