JP4599590B2 - 植物の生育度測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は植物の生育度測定装置に関する。より詳細には、植物が反射した太陽光を測定することにより植物の生育度を光学的に測定する装置に関する。
農作業においては、農作物の生育状況に合せて施肥を行うことが必要である。施肥を行う時期や施肥量が不適切であると、期待する収穫を得ることができず、また商品価値の低い農産物となってしまう。そのため、農家等にとって施肥の時期やその量を決定することは極めて重要な事項である。従来にあっては、(1)植物の草丈、(2)茎数、(3)葉色(SPAD値または葉色板示度)等を基に植物の生育度を求め、その生育度に合せて施肥時期や施肥量を決定していた。
上記(1)植物の草丈とは、株の根元から葉の先端までの長さである。人が田畑に入り、適当な1株の葉を手で揃え、物差で株の根元から葉の先端までの長さを測定する。また、上記(2)茎数とは一株当たりの茎の数である。これも人が田畑に入り、適当な株を選び、手でより分けながらその茎数を数えている。また、上記(3)葉色(SPAD値または葉色板示度)の測定では、通常、ハンディータイプの葉色計で葉を挟み込み、光の透過率からSPAD値を計測したり、葉色板(色見本)を対照して目視により判定している。
上記のように、従来の一般的な生育測定は何れも作業者が田畑に入り、煩雑な作業をしなければならず、多大な労力を要する。また、農作物の乾物重を測定する場合もあるが、乾燥までに最短でも数十時間を要するので迅速な生育診断を行えない。
上記のような状況を鑑み、植物の測定作業の労力軽減や測定時間の短縮等を目的として、生育度を光学的に診断する技術が提案がされている。例えば特許文献1や特許文献2は、所定面積に生育している植物群落から反射された太陽光を受光し、その光強度から測定植物群落全体としてのクロロフィル濃度を測定し、これをもとに生育度を求める生育度測定装置を開示している。このような生育度測定装置を用いることで、短時間で測定結果が得られるため、測定作業の労力軽減及び測定時間の短縮化を図ることができる。さらに一度の測定により植物群落をサンプリングできることから測定精度の上でも有利となる。
また、本出願人らも植物の生育を精度よく診断するために、特許文献3で2波長以上の反射光を用いる生育度測定装置について提案している。さらに、特許文献4では、1つの受光部で受光する光強度を用いて生育指標を求めるように構成し、簡素化を図った生育度測定装置の提案をしている。特に、この特許文献4では分母と分子の次数が同一である正規化植生指数(NDVI:Normalized Difference Vegetation Index)等の生育指標を用いて、植物の生育度を判断する技術を提案している。後述するように正規化植生指数(NDVI)は植物の茎葉の窒素含有量と極めて高い相関があるので、生育度の判定を行う際の有効な生育指標となる。
特開昭62−282243号公報 特開昭62−282244号公報 特開2002−168771号公報 特開2004−301810号公報
図7は、水稲(品種:「ひとめぼれ」)の茎葉窒素含有量と生育指標GI(Growth Index)との関係について一例を示した図である。なお、この生育指標GIは上記正規化植生指数(NDVI)を100倍したものである。この図で示されるように、生育指標GIと水稲の茎葉窒素含有量とは指数関数(図ではy=0.1248e0.0483x)の回帰曲線で近似できる。決定係数Rが0.9394と1に近く相関が極めて高い。この図によって正規化植生指数(NDVI)が極めて有効な生育指標であることを確認できる。
しかしながら、図7では回帰線が指数関数となるので生育指標GIが80辺りになると飽和状態となり水稲の茎葉窒素含有量が変化しても、生育指標GIが殆ど変化しなくなる。本願発明者らによると生育指標GIが80辺りとなるのは水稲の追肥時期に当たる幼穂形成期辺りであり、この時期の生育診断が困難となってしまう。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、植物の生育期間の全般に亘り生育診断を行うことができる生育度測定装置を提供することを目的とする。
上記目的は、植物の生育度を光学的に測定する生育度測定装置であって、植物によって反射された太陽光を分光して受光し、2種以上の特定波長の光強度を測定する第1の受光部と、太陽光を前記第1の受光部と同一波長に分光して受光し、光強度を測定する第2の受光部と、前記第2の受光部が測定した光強度と前記第1の受光部が測定した光強度との比から前記植物の反射率を求め、該反射率を用いて生育指標を求める演算部とを含み、前記演算部は、赤色光についての反射率Rと近赤外光についての反射率NIRとを、次式(1)に代入して、
√((1−NIR) +R )・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
第1の生育指標を算出することを特徴とする植物の生育度測定装置により達成できる。
本発明によると、演算部が第1の生育指標を上式(1)から算出する。この第1の生育指標と茎葉窒素含有量とは回帰線が直線となり、高い相関を示す。よって、本発明の生育度測定装置の算出する第1の生育指標を用いると植物の生育期間全般に亘り生育診断を行うことができる。
そして、前記演算部は、前記第1の生育指標と、植生指標とを組み合わせた第2の生育指標を算出するようにしてもよい。
この場合、前記演算部は、赤色光についての反射率Rと近赤外光についての反射率NIRとを、次式(2)に代入して、
((NIR−R)/(NIR+R))/√((1−NIR)+R)・・・(2)
第2の生育指標を算出するようにしてもよい。
また、測定対象とする植物と前記第1の受光部との距離を一定にする測距手段をさらに備えた構造を採用すれば、更に精度よく生育診断を行える。
また、前記植物の位置を確認するための位置情報取得装置と接続可能に設定され、前記位置情報取得装置からの情報を用いて圃場に関する生育度データを作成するようにしてもよい。さらに、1つの受光部を、前記第1の受光部及び前記第2の受光部として兼用するように構成してもよい。この場合には装置構成を簡素化して、コストの低減を図ることができる。
以上説明したように、本発明によると植物の生育期間全般に亘り生育診断を行うことができる生育度測定装置を提供できる。
以下、本発明に係る植物の生育度測定装置の実施形態を図面を参照して説明する。なお、ここでは、水稲の生育度を求める場合について例示する。
図1は作業者が持ち運びできるように携帯型に形成した実施例の生育度測定装置1について示した図であり、(A)は生育度測定装置1の平面図、(B)は同装置1の正面図である。この図1で示すように、生育度測定装置1は受光部10及びこの受光部10で受光した光の強度に基づいて所定の処理を行う操作制御装置20を備えている。受光部10と操作制御装置20とは、支持部材30を介して一体化されている。すなわち、生育度測定装置1は支持部材30の基端部側に操作制御装置20、先端側に受光部10を固定した外形をなしている。操作制御装置20の底部には、操作者が持ち運びし易いように把持部(グリップ)40が固定されている。この把持部40内には駆動用のバッテリ41が内蔵されている。
図2は、図1の受光部10を拡大して詳細に示した斜視図であり、(A)は受光部10を下側から見た斜視図、(B)は受光部10を上側から見た斜視図である。この受光部10は、第1の受光部となる第1受光センサ11Aと第2の受光部となる第2受光センサ11Bとを備えている。受光センサ11A、Bは背中合わせで固定されている。それぞれの受光センサ11A、Bは、同様の構成を有している。
第1受光センサ11Aについて説明する。この第1受光センサ11Aは水稲と対向するように下向き姿勢で配置され、水稲から反射する太陽光を受光する。この第1受光センサ11Aは、特定波長の光を受光する複数の受光素子を備えている。例えば、第1受光センサ11Aは赤色(例えば波長650nm)用の受光素子12a、近赤外光(例えば波長850nm)用の受光素子12b及び緑色(例えば波長550nm)用の受光素子12cを備えている。なお、ここで採用する受光素子は公知のものでよい。受光素子としては、例えばSiフォトダイオードやスペクトルメータなどを使用できる。また、入射光を赤色光、近赤外光または緑色光に分光するために、図示しない分光フィルタが各受光素子の受光面に付設されている。
他方の第2受光センサ11Bは、太陽光を直接に受光するように上向き姿勢で配置されている。この第2受光センサ11Bは、第1受光センサ11Aと同一の特定波長を受光するように設定されている。すなわち、第2受光センサ11Bも同様に、赤色用の受光素子12a、近赤外光用の受光素子12b及び緑色用の受光素子12cを備え、各受光素子の受光面には分光フィルタが付設されている。なお、太陽光の入射角度の影響を避けるために拡散板を分光フィルタの前面に更に取付けてもよい。上記第1受光センサ11Aについても拡散板を取付けてもよい。
再度、図1を参照する。支持部材30は中空な棒状の部材であり、内部に受光部10と操作制御装置20とを電気的に接続する不図示の配線が敷設されている。支持部材30の外周にはスライダ31が摺動自在に配設されている。このスライダ31には測距用のマーカロッド32が回動自在に取り付けられている。このマーカロッド32は測定する水稲と第1受光センサ11Aとの距離を一定にするための測距手段として機能する。
生育度測定装置1を使用ないときには、図1(B)において実線で示すように、スライダ31を右端に移動しマーカロッド32の前端側をフック部材33上に引っ掛けておく。このようにすることでマーカロッド32が支持部材30と平行となるので、生育度測定装置1を持運ぶときや保管において邪魔とならない。そして、生育度測定装置1を使用するときには、図1(B)において点線で示すように、スライダ31を左側にずらすと共に、マーカロッド32をフック部材33から外して先端部(図1では作図の都合で省略)を回動する。そして、先端部を水稲上に設定すると、水稲と第1受光センサ11Aとの距離を常に一定とすることができる。スライダ31を所定位置にずらすことで、所望の距離(例えば水稲から第1受光センサ11Aまでの距離を50cm)とすることができる。
本生育度測定装置1は、上記のようにマーカロッド32を備えているので、煩雑な測距作業をすることなく水稲との距離を一定に保つことができる。よって、水稲から反射した太陽光を一定の条件で第1受光センサ11Aにより受光することができるのでため診断条件を整えて、精度良い生育診断を行うことができる。
また、図1(A)で示すように、操作制御装置20は前面に押圧して入力操作を行うボタンを備えた操作部22及び測定結果等を表示する表示部23を備えている。この操作制御装置20の内部には、受光部10へ指示信号を供給したり、受光部10の測定結果を受信して生育指標を算出するための処理を行う制御回路が配置されている。図3は、操作制御装置20の主要部構成を示した機能ブロック図である。操作制御装置20は、インターフェース部21を介して前記受光部10と接続されている。
操作制御装置20は、図1(A)で示している操作部22及び表示部23の他、記憶部24、演算部25及びこれらを全体的に制御する制御部26を含んでいる。これらの各部はバス27を介して互いに接続されている。
上記記憶部24は、例えばCD-ROM、DVD−ROM、HDD、電気的に書換が可能なメモリ等の記憶装置により構成される。この記憶部24には制御部26を駆動するためのプログラムを格納する他、生育指標に関する一連のデータを記憶することができる。なお、後述するように、この生育度測定装置1にGPS装置を接続し圃場の位置情報も付加した生育指標マップを作成してもよい。このように圃場毎の生育指標に関する生育データも記憶部24に記憶するようにしてもよい。また、制御部26はCPU(Central Processing Unit)を中心に構成したマイクロコンピュータとすることができる。
受光部10の第1受光センサ11Aは、水稲から反射する太陽光の近赤外光や赤色光の光強度を測定する。第2受光センサ11Bは、太陽光を直に受光して近赤外光や赤色光の光強度を測定する。制御部26は演算部25を制御して、受光センサ11A及び受光センサ11Bが測定した光強度を用いて生育指標を算出させる。制御部26は生育指標を算出するためのプログラムを記憶部24から読み出して演算部25を制御して生育指標を算出させる。
演算部25は、赤色光について受光センサ11Bの測定値に対する受光センサ11Aの測定値の比として反射率Rを算出する。演算部25は、同様に、近赤外光について受光センサ11Bの測定値に対する受光センサ11Aの測定値の比として反射率NIRを算出する。なお、演算部25は制御部26の一部として実現してもよい。
さらに、演算部25は上記反射率R及び反射率NIRを次式に参入することにより、第1の生育指標I及び第2の生育指標IIを算出する。

第1の生育指標Iは、次式(1)による。
生育指標I=√((1−NIR)+R)・・・・・・・・・・・・・(1)

第2の生育指標IIは、次式(2)による。
生育指標II=
((NIR−R)/(NIR+R))/√((1−NIR)+R)・・・・(2)
この生育指標IIは、正規化植生指数(NDVI)を生育指標Iで除したものである。これらの生育指標I及びIIについては後述する。
さらに、図4(A)は、図1(A)において操作制御装置20を矢印A方向へ見た図を示している。操作制御装置20は内部に水準器28を備え、その上側が開口29となっている。よって、操作者は開口29を介して水準器28を確認することで生育度測定装置1をほぼ水平姿勢に維持できるので受光センサ11Aを地面に対して略水平に設置でき測定精度を高めることができる。
また、図4(B)は、操作制御装置20の底面を示した図である。前述したように操作制御装置20の底部には把持部40が固定されている。また、操作制御装置20の底部には、位置情報取得装置としてのGPS(Global Positioning System)装置と接続するためのコネクタ43、外部電源に接続するためのコネクタ44及びパソコン(PC)に接続するためのコネクタ45が設けられている。本生育度測定装置1はGPS装置と接続することで、圃場における水稲の位置を確認して生育度データに、測定位置情報を付加してマップ化することもできる。更に、測定時期や気候データ(天候、気温等)等を付加してもよい。そして、これらの情報を年次データとして蓄積し、生育計画に反映させることにより、より効率的な生育が可能になる。このような一連のデータを記憶部24に記憶して、後においてコネクタ45を介してPCに接続してデータ解析を行うこともできる。
生育度測定装置1は上記の如く構成されているので、作業者が圃場に携帯して水稲の生育度測定を簡単に行うことができる。一連の動作をまとめて説明する。作業者はマーカロッド32を測定対象の水稲の上にセットすることで距離を確認すると共に、水準器28を確認してから操作部22の所定キーを押す。これにより制御部26が起動して生育度測定を開始する。制御部26はまず第1受光センサ11A、第2受光センサ11Bを順に駆動する。
制御部26は、太陽光を直接に測定する第2受光センサ11Bの出力(光強度)と、水稲により反射された太陽光を測定する第1受光センサ11Aの出力(光強度)とを演算部25に供給し、それぞれの波長についての反射率Rと反射率NIRを算出させる。反射率は次式(3)により算出される。

反射率=
(受光センサ11Aが測定した光強度)/(受光センサ11Bが測定した光強度)
・・・・・・(3)
なお、測定精度を高めるため各受光センサ11A、11Bの暗室内での出力(ダーク値)を予め確認しておき、それぞれの実測値からダーク値を引いた補正値の比を用いて反射率を得てもよい。また、水稲からの反射光を受光する第1受光センサ11Aの反射率については、さらに白色板校正係数を掛けて補正した反射率を用いてもよい。白色板校正を行う際には、光強度の測定の前後において太陽光を白色板に当てて、その反射光の光強度を受光センサ11Aで測定して白色板校正係数を求めればよい。
図5は、従来について示した図7と同じデータを用いて第1の生育指標Iと水稲(品種:ひとめぼれ)の茎葉窒素含有量との関係を示した図である。第1の生育指標Iは、上記反射率R及び反射率NIRを式(1)に代入して演算部25が算出したものである。
第1の生育指標I=√((1−NIR)+R)・・・・・・・(1)
図5で示されるように、第1の生育指標Iと水稲の茎葉窒素含有量とは1次関数(図ではy=−16.974x+13.972)の回帰直線で近似できる。決定係数Rが0.9159と1に近く相関が極めて高い。この図によって第1の生育指標Iが極めて有効な生育指標であることを確認できる。特に、回帰線が直線となるので第1の生育指標I(X軸の値)から水稲の茎葉窒素含有量(Y軸の値)を全期間に亘りに確認できる。すなわち、図5で示すグラフは図7で示した従来のものと比較して見易く、第1の生育指標Iから水稲の茎葉窒素含有量を確認できる。よって、従来にあっては生育診断が困難であった幼穂形成期以降から穂揃い期に至るまでの期間を含む全期間での生育診断を迅速に行える。これにより適正穂肥の判定、籾数の推定、収量の推定及び品質の推定を行うことができる。
なお、上記第1の生育指標Iは本願発明者が案出したものである。水稲が最も成長したときには稲が圃場を覆う割合が高くなるので反射率NIRが大きくなる。その一方で、水稲が成長すると色が濃くなる(茎葉窒素含有が多くなる)と反射率Rが小さくなる。生育指標Iは、(反射率NIR,反射率R)=(1.0,0)の点を設定し、この点と受光部で測定した光強度に基づいて定まる点(反射率NIR,反射率R)との距離を指標とするものである。
図6は、従来について示した図7と同じデータを用い第2の生育指標IIと水稲の茎葉窒素含有量との関係を示した図である。第2の生育指標IIも上記反射率R及び反射率NIRを式(2)に代入して演算部25が算出したものである。 第2の生育指標II=
((NIR−R)/(NIR+R))/√((1−NIR)+R)・・・・(2)
この第2の生育指標IIは、正規化植生指数(NDVI)を上記第1の生育指標Iで除したものである。
図6で示されるように、第2の生育指標IIと水稲の茎葉窒素含有量との関係も1次関数(図ではy=3.9451x−1.0718)の回帰直線で近似できる。決定係数Rが0.9362と1に近く相関が極めて高い。第2の生育指標IIも極めて有効な生育指標であることを確認できる。図6で示すものも回帰線が直線となるので第2の生育指標IIから水稲の茎葉窒素含有量を全期間に亘りに確認できる。よって、水稲の全生育期間で茎葉窒素含有量を確認して生育診断を迅速に行える。これにより適正穂肥の判定、籾数の推定、収量の推定及び品質の推定を行うことができる。
正規化植生指数(NDVI)は、水稲の幼穂形成期頃までの時期及び出穂期よりも後の時期での生育状態を診断するに有効である。また、前述したように第1の生育指標Iは水稲の全生育期間を診断するに有効である。よって、正規化植生指数(NDVI)と第1の生育指標Iとを合せる第2の生育指標IIは、水稲の生育期間全般を的確に診断できる指標となる。
上記生育度測定装置1は種々の変更が可能である。受光部10を回転可能に支持し、1つの受光センサ11で第1の受光部及び前記第2の受光部するようにしてもよい。このように1つの受光センセを兼用すれば、装置構成を簡素化してコストの低減を図ることができる。
また、上記では第1の生育指標Iと正規化植生指数(NDVI)とを合せて第2の生育指標IIを用いる例を説明したが、第1の生育指標Iと他の生育指標(比植性指数(RVI)など)と組合せた生育指標を設定してもよい。また、上記では赤色光と近赤外光とにより第1の生育指標Iを求め、またNDVIと合せた第2の生育指標IIについて説明したので、この点では緑色光(例えば波長550nm)用の受光素子12cは省略可能である。しかし、緑色光の反射率を用いる生育指標と、前記第1の生育指標Iとを組合わせて新たな生育指標を設定してもよい。
上記実施例では、植物の一例として生育度測定装置1を水稲に適用した場合について説明したが、生育に伴い茎葉中の窒素含有量が変化する植物に好適に使用できる。例えば、実施例の生育度測定装置1は、水稲の他、麦やお茶の生育診断に好適に使用できる。また、上記実施例では携帯型の生育度測定装置1について説明したが、このような携帯型に限るものではない。トラクタ、ヘリコプタ等の移動体にセットする搭載型の生育度測定装置とした場合にも本発明を同様に適用できることが言うまでもない。
以上、本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
作業者が持ち運びできるように携帯型に形成した実施例の生育度測定装置について示した図であり、(A)は生育度測定装置の平面図、(B)は同装置の正面図である。 図1の受光部を拡大して詳細に示した斜視図であり、(A)は受光部を下側から見た斜視図、(B)は受光部を上側から見た斜視図である。 図1で示す生育度測定装置の操作制御装置の主要部構成を示した機能ブロック図である。 (A)は図1(A)において操作制御装置を矢印A方向へ見た図であり、(B)は操作制御装置の底面を示した図である。 第1の生育指標と茎葉窒素含有量との関係について示した図である 第2の生育指標と茎葉窒素含有量との関係について示した図である。 水稲について生育指標GIと茎葉窒素含有量との関係を示した図である。
符号の説明
1 生育度測定装置
10 受光部
11A 第1受光センサ(第1の受光部)
11B 第2受光センサ(第2の受光部)
12(12a〜12c) 受光素子
20 操作制御装置
25 演算部
26 制御部
30 支持部材
31 スライダ
32 マーカロッド
40 把持部
R 赤色光の反射率
NIR 近赤外光の反射率

Claims (6)

  1. 植物の生育度を光学的に測定する生育度測定装置であって、
    植物によって反射された太陽光を分光して受光し、2種以上の特定波長の光強度を測定する第1の受光部と、
    太陽光を前記第1の受光部と同一波長に分光して受光し、光強度を測定する第2の受光部と、
    前記第2の受光部が測定した光強度と前記第1の受光部が測定した光強度との比から前記植物の反射率を求め、該反射率を用いて生育指標を求める演算部とを含み、
    前記演算部は、赤色光についての反射率Rと近赤外光についての反射率NIRとを、次式(1)に代入して、
    √((1−NIR) +R )・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
    第1の生育指標を算出することを特徴とする植物の生育度測定装置。
  2. 前記演算部は、前記第1の生育指標と、植生指標とを組み合わせた第2の生育指標を算出することを特徴とする請求項1に記載の植物の生育度測定装置。
  3. 前記演算部は、赤色光についての反射率Rと近赤外光についての反射率NIRとを、次式(2)に代入して、
    ((NIR−R)/(NIR+R))/√((1−NIR)+R
    ・・・(2)
    第2の生育指標を算出することを特徴とする請求項に記載の植物の生育度測定装置。
  4. 測定対象とする植物と前記第1の受光部との距離を一定にする測距手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の植物の生育度測定装置。
  5. 前記植物の位置を確認するための位置情報取得装置と接続可能に設定され、前記位置情報取得装置からの情報を用いて圃場に関する生育度データを作成することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の植物の生育度測定装置。
  6. 1つの受光部を、前記第1の受光部及び前記第2の受光部として兼用することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の植物の生育度測定装置。
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