JP4820966B2

JP4820966B2 - 給液制御装置

Info

Publication number: JP4820966B2
Application number: JP2006138761A
Authority: JP
Inventors: 弘重仁科; 弘太郎高山; 堅治羽藤
Original assignee: Ehime University NUC
Current assignee: Ehime University NUC
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007306846A

Description

本発明は、植物を栽培するための給液の制御を行う装置に関する。

近年、安い輸入農産物の影響などにより、国内の農産物価格は低迷しており、国産農産物市場を圧迫している。今後も農産物の輸入量の増加や、それに伴う農産物価格の低下にさらに拍車がかかることが予想される。安い輸入農産物に対抗するためには、安心・安全・高品質といった高付加価値農産物を生産し、輸入農産物との差別化を図る必要がある。このような高付加価値農産物の一例として、高糖度トマトがあげられる。高糖度トマトとは、通常のトマトの糖度が4〜5 Brix％であるのに対し、糖度を8〜10 Brix％に上昇させたトマトで、人気が高く、高い値段で取引されており、今後の消費の伸びが期待されている農産物である。

高糖度トマトを生産するためには、低水分管理によってトマト個体に適切な水ストレスをかけながら栽培する必要がある。植物の水ストレスの判定方法として、特許文献１には非液絡系の起電力測定回路を用いて植物の水ストレスを診断する方法が記載されている。特許文献２には被検植物の葉の¹³Ｃと¹²Ｃとの比率（被検植物¹³Ｃ／¹²Ｃ）、及び湿潤な土壌条件下で生育した対照植物の葉の¹³Ｃと¹²Ｃとの比率（対照植物¹³Ｃ／¹²Ｃ）を測定し、被検植物¹³Ｃ／¹²Ｃが対照植物¹³Ｃ／¹²Ｃより大きい場合に、その被検植物は水ストレスを受けていると判定することが記載されている。さらに、非特許文献１には、植物の葉の投影面積を測定して水ストレスを判定しながら給水を制御することが記載されている。
特願２０００−８４９３７号公報特開平９−２８１９１号公報山本展寛, 2005.デジタルカラー画像から求めた投影面積変化によるトマトの水ストレス状態の診断、農業環境工学関連７学会２００５年合同大会講演要旨集

特許文献１および特許文献２には、水ストレスを自動的に判定する技術が記載されている。しかし、その技術は複雑なものであり、植物の栽培に実際に使用するのは困難と思われる。一方、非特許文献１に記載された発明においては、簡易な装置でありながら水ストレス状態を敏感に検知している。しかし、植物の栽培中において葉の投影面積は単純に増加し続けるとは限らない。トマト栽培などにおいては葉かきという作業によって不要な葉を取り除くことがあり、葉の投影面積は一時的に大きく減少することがある。葉かき前の最大投影面積に基いて投影面積の変化を評価し続けると、葉かき後は投影面積が小さく評価され、水ストレス状態であると判断され続けることがありうる。この判断にしたがって給液を制御すると、過剰に給液が繰り返されることになる。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、葉かき等の要因により葉の投影面積に一時的減少があっても正確に水ストレス状態を判断できる給液制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を解決するために、本発明の給液制御装置は、
画像入力装置と、給液信号出力装置とを有し、
画像入力装置より画像データを読み込み、画像中に現れた植物体の葉の投影面積を求める投影面積計算手段と、
投影面積の最大値である最大投影面積を記憶する最大投影面積記憶部と、
投影面積の最大投影面積に対する比である投影面積比を求める投影面積比計算手段と、
投影面積比が所定の給液基準値を下回るときに給液信号を給液信号出力装置に出力するとともにそのときの投影面積の値を最大投影面積として最大投影面積記憶部に記憶する給液信号出力手段を有する。

この発明の給液制御装置によれば、葉かき等の要因による葉の投影面積に一時的減少があっても正確に水ストレス状態を評価でき、適切な給液が実現できる。トマト栽培などに適用すると、付加価値の高い高糖度の果実を得ることができる。

この発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は給液制御装置の構成を示す概念図である。給液制御装置１は中央演算装置（ＣＰＵ）２、記憶装置３、給液信号出力装置４および画像入力装置５を有する。給液制御装置１は専用のハードウエアで構成してもよく、パーソナルコンピュータやサーバなど汎用のコンピュータを使用してもよい。ここでは、給液制御装置１としてパーソナルコンピュータを使用しており、給液信号出力装置４および画像入力装置５はＵＳＢなどパーソナルコンピュータに付属している汎用の入出力ポートを使用する。

給液信号出力装置４には、給液装置６が接続される。給液装置６は植物７へ養分を含む液体を供給する。画像入力装置５にはデジタルカメラやビデオカメラなどの撮影装置８が接続されている。撮影装置８は植物７へ向けて設置されており、植物７を上方向から撮影するようになっている。

つぎに、給液制御装置１の作用について説明する。図２は給液制御プログラムの動作を示すフローチャートである。この給液制御プログラムは記憶装置３に記憶されており、中央演算装置（ＣＰＵ）２、記憶装置３、給液信号出力装置４および画像入力装置５を給液制御装置１として機能させるものである。

画像入力ルーチン２１と投影面積計算ルーチン２２は中央演算装置（ＣＰＵ）２、記憶装置３および画像入力装置５を投影面積計算手段として機能させるプログラムである。画像入力ルーチン２１は画像入力装置５より画像データを読み込む。投影面積計算ルーチン２２は読み込んだ画像データに対して２値化処理などの処理を行って植物体７の投影面積を算出する。ここで、投影面積として必ずしも平方センチ単位で示されるような絶対的な面積を求める必要はなく、たとえば葉の色に対応する画素の数を求めれば足りる。撮影された各画像に対して投影面積を求めてもよく、一定の時間内に撮影された複数の画像を平均化した上で投影面積を求めてもよい。

投影面積比計算ルーチン２３は、中央演算装置（ＣＰＵ）２および記憶装置３を投影面積比計算手段として機能させるプログラムである。記憶装置３中の最大投影面積記憶部３ａには投影面積の最大値である最大投影面積が記憶される。投影面積比計算ルーチン２３では投影面積の最大投影面積に対する比である投影面積比を求める。投影面積比は、例えば百分率で求める。

給液判断ルーチン２４と給液信号出力ルーチン２５は中央演算装置（ＣＰＵ）２、記憶装置３および給液信号出力装置４を給液判断手段として機能させるプログラムである。給液判断ルーチン２４は、投影面積比計算ルーチン２３で算出された投影面積比に基いて、給液の要否を判断する。たとえば、７５％を給液基準値とし、投影面積比がこの給液基準値を下回るか否かを基準とすれば、簡単に判断することができる。さらに、投影面積比の時間変化率（微分量）や時間積分量も判断材料に加えても良い。給液を不要と判断すれば、画像入力ルーチン２１へ戻る。給液を必要と判断すれば、給液信号出力ルーチン２５によって給液信号を給液信号出力装置に出力する。この給液信号の出力によって給液装置６が作動して、植物７に給液を行う。そして、そのときの投影面積の値を最大投影面積として最大投影面積記憶部３ａに記憶する。給液信号出力ルーチン２５を終了すると、画像入力ルーチン２１へ戻る。

以上、画像入力ルーチン２１、投影面積計算ルーチン２２、投影面積比計算ルーチン２３および給液判断ルーチン２４が繰り返される。投影面積は最大投影面積と比較され、投影面積が最大投影面積を上回ったときには、その投影面積が新たな最大投影面積となる。したがって、通常は、最大投影面積の値は減少しない。しかし、給液が行われるときには、その投影面積が新たな最大投影面積となる。この場合、最大投影面積は減少することになる。つまり、直近の給液以降の最大投影面積に基いて投影面積比が求められ、この投影面積比に基いて次の給液の要否が判定される。したがって、葉かきによって投影面積が急に減少したら、給液が行われることがありうる。しかし、この給液に伴って最大投影面積が更新されるので、給液後では葉かき前の最大投影面積は投影面積比の計算に影響しない。これによって、過剰な給液が回避され、適正な給液制御が実現される。

つぎに、この発明の実施例について説明する。この発明の給液制御装置をトマト栽培に使用した例である。

栽培植物として、ハウス桃太郎(Lycopersicon esculentum Mill. cv. Hausu-Momotaro)を用いた。2005年9月20日にミニポット(日東紡績(株), M30S30)に播種し、同年9月30日にロックウールキューブ３１(ニチアス(株), やさいはなマット・ポット，10cm×10cm×10cm)に移植し、同年10月21日にワグネルポット(1/2000a)３２に定植した。図３はトマト７を定植した栽培容器（ワグネルポット）３２を示す断面図である。ワグネルポット３２の底から5cmの高さに金網３３を敷き、余分に給液した養液を排水するようにした。金網の上に防根シート３４を敷き、ロックウール粒状綿３５(日東紡績(株), 55R)80gを敷き詰めた。ロックウール粒状綿３５の上にトマト７を移植したロックウールキューブ３１を定植した)。ワグネルポット１鉢につきトマト１個体を定植した。第5果房が着果した時点で摘心を行い、1果房あたりの着果数は5個以下に制限した。養液は大塚ハウス1号(大塚化学(株))と大塚ハウス2号(大塚化学(株))を重量比が3:2の割合で混合したものを水に溶かして使用し(大塚A処方)、ECは2.0dSm^-1とした。

給液制御について説明する。植物体領域と背景領域の判別のための閾値を決定し、２値化を行い、植物体領域を抽出した切り抜き画像を作成した。切り抜き画像から投影面積を算出した。投影面積から投影面積比を算出し、投影面積比をもとに給液のタイミングを判定し、給液を行った。これらの給液制御は作成したプログラムを用いて自動的に行った。

図４は給液制御装置と栽培設備を示す概念図である。トマト個体群の中心から1.4m上部(トマト個体群冠の0.9m上部)にデジタルカメラ８(有効画素数500万画素)を垂直・下向きに設置した。デジタルカメラ８はUSBを介してパソコンに接続されており、デジタルカラー画像の撮影および画像のパソコンへの取り込みはZoomBrowser EX 4.6(キャノン(株))を用いて行った。画像の撮影は5分間隔で行い、フラッシュを用いることで昼夜連続して撮影した。取り込まれた画像はパソコンで画像処理され、ポンプのオン・オフはリレーを介して植物栽培用信号入出力装置で行った。植物体と背景となる床面を区別しやすくするために、床面に青色シート３６を敷設し、さらに、ワグネルポットは青色のカバーで覆った。

デジタルカラー画像内での植物体領域と背景領域との判別は、色相のヒストグラムに対して判別分析法を適用し、画像ごとに植物体領域と背景領域を分ける色相の閾値を自動決定した。閾値決定後、2値化を行い、植物体領域のピクセル数をカウントし、最新の3画像の平均値を計算して投影面積とした。

給液の制御指標として、投影面積比を算出した。投影面積比は直前の給液以降の投影面積の最大値に対するその時点の投影面積の割合で、直前の給液以降の投影面積の最大値を100としたときの相対値として表した。図５に投影面積と投影面積比の経時変化の模式図を示す。図中の矢印は給液した時点を表している。投影面積と投影面積比について、まず、投影面積の経時変化から説明する。トマトがしおれると投影面積が減少する(図５の１)。しおれが進むとある時点で給液が行われる(図５の２)。給液が行われるとしおれが回復し、投影面積が上昇する(図５の３)。この流れを投影面積比でみてみる。投影面積が減少すると、同じように投影面積比も減少する(図５の４)。投影面積比がある値まで減少すると給液が行われる(図５の５)。投影面積比は直前の給液以降の投影面積の最大値に対するその時点の投影面積の割合であるため、給液直後に撮影された画像から算出した投影面積比は100％となり(図５の６)、その後の上昇中も100％となる(図５の７)。なお、投影面積比による給液制御はトマト個体が生長するなどして葉面積が増大した場合においても、それぞれの時点でのしおれ具合を適切に表すことができる。図６は、生長による投影面積の増加を伴った投影面積と投影面積比の経時変化を示す模式図である。投影面積比の経時変化では生長により投影面積が増加しているが(図６の１)、投影面積比の経時変化では直前の給液以降の投影面積の最大値が更新されると投影面積比は100となるため、生長時における投影面積の増大の影響などを取り除くことが可能となった(図６の２)。

処理区として75%区４１、60%区４２、対照区４３の3区を設けた。栽培したトマト個体数は、1処理区あたり5個体とし、デジタルカラー画像の撮影領域に含まれるトマト個体は1処理区あたり3個体であった。75％区４１はしおれの初期段階で給液を行う処理区であり、投影面積比が75%まで低下した時に給液を行う。60%区４２はしおれがさらに進んだ段階で給液を行う処理区であり、投影面積比が60％まで低下した時に給液を行う。対照区４３では、毎日6:00と12:00の2回給液を行う。

果実収穫後に、糖度、重量、体積、果皮および果肉の硬度を測定した。糖度の測定には糖度計(N-10, (株)アタゴ)を用いた。体積は水を満たした容器にトマト果実を沈め、沈める前後の容器の重さの差からあふれた水の重さを計算し、水の密度を1g/cm³として算出した。果皮および果肉の硬度の測定には果実硬度計(KM-5型, (株)藤原製作所)を用いた。なお、果皮の硬度の測定には円筒型の針頭を用い、果肉の硬度の測定には円錐型の針頭を用いた。

図７は投影面積と投影面積比の経時変化を示すグラフである。2006年1月14日から同年1月20日の75%区と60%区の投影面積と投影面積比の経時変化を示す。2日後の1月16日の12:20に75％区で投影面積比が75％を下回ったため給液が行われた(図７の２)。翌日の1月17日の15:00に60％区において投影面積比の大きな低下がみられたが、60％を下回らなかった(63.61％)ため、給液は行われなかった(図７の３)。翌日の1月18日の16:00に60％区で投影面積比が60％を下回り、給液が行われた(図７の４)。翌日の1月19日の11:15には75％区で投影面積比が再び75％を下回ったため給液が行われた(図７の５)。

表１に各処理区の糖度、重量、体積、比重、果皮および果肉の硬度の平均値を標準偏差と共に示す。糖度の平均値は、対照区が5.5 Brix %、75%区が8.4 Brix %、60%区が8.6 Brix %であった。75%区と60%区で対照区よりも有意に大であったが、75%区と60%区の間では有意差はみられなかった。重量の平均値は、対照区が121.6g、75％区が80.4g、60％区が54.6gであった。75％区は対照区より有意に小であり、60％区は75％区より有意に小であった。体積の平均値は、対照区が122.1cm³、75％区が79.1cm³、60％区が54.2cm³であった。75％区は対照区より有意に小であり、60％区は75％区より有意に小であった。果皮の硬度の平均値は、対照区が1.39kg、75％区が2.20kg、60％区が2.41kgであった。75%区と60%区で対照区よりも有意に大であった。果肉の硬度の平均値は、対照区が1.07kg、75％区が1.36kg、60％区が1.46kgであった。60%区が対照区よりも有意に大であった。

60％区では、給液を行った日の前日から投影面積比が大きく低下しており、純光合成速度と蒸散速度は給液を行った日の前日から2日間低い値を維持していた。このことは、60％区では水ストレス状態が1日以上続く場合があることを示している。これに対し、75％区では1〜2時間という比較的短い時間で水ストレスが解消されており、75％区と60％区で水ストレスにさらされる時間に差があることが確認された。

糖度は、75％区と60％区で対照区よりも有意に大であった。しかし、75％区と60％区の間で差は見られなかった。このことは、水ストレスをかけると糖度は上昇するが、水ストレスの強さを変えても糖度に差がでない可能性があることを示していた。重量は、すべての処理区間で有意差がみられ、水ストレスの強い処理区ほど有意に小であった。このことは、水ストレスをかけると重量は低下することを示していたが、一方で、水ストレスの程度をできるだけ小さくすることで、重量の低下を抑えることができる可能性があることも示していた。体積は、すべての処理区間で有意差がみられ、水ストレスの強い処理区ほど有意に小であった。このことは、水ストレスをかけると体積は低下することを示していたが、一方で水ストレスの程度をできるだけ小さくすることで、体積の低下を抑えることができる可能性があることも示していた。果皮の硬度は75％区と60％区で対照区よりも有意に大であった。75％区と60％区では有意差は認められなかったが、平均値は75％区が2.20kg、60％区が2.41kgとなっており、75％区の方が低かった。果肉の硬度は60％区が対照区より有意に大であった。75％区と60％区では有意差認められなかったが、平均値は75％区が1.36kg、60％区が1.46kgとなっており、75％区の方が低い値であった。これらの結果は、水ストレスをかけると果皮と果肉の硬度は上昇することを示す一方で、水ストレスの程度を小さくすることで果皮と果肉の硬度の上昇を抑えることができる可能性があることも示していた。

以上の結果は、水ストレスをかけることで糖度は上昇するが、水ストレスの程度を強くしても糖度に差が出ない可能性があること、さらに、水ストレスの程度を強くすると重量と体積が低下し、果皮および果肉の硬度が高くなる、つまり、果実の小型化と硬化が促進されることを示していた。このことは、水きり処理による高糖度トマトの生産を行う場合、しおれの初期段階で給液を行うことで、果実の小型化と硬化を抑えつつ高糖度トマトを生産できることを示していた。

この発明は、植物の栽培のためのとして広く利用できる。適切に水ストレスをかけながら給液することによって、商品価値の高い作物を得ることができる。特に、トマトの栽培などに利用することによって、高糖度のトマトをえることができる。

給液制御装置の構成を示す概念図である。給液制御プログラムの動作を示すフローチャートである。トマト７を定植した栽培容器（ワグネルポット）３２を示す断面図である。給液制御装置と栽培設備を示す概念図である。投影面積と投影面積比の経時変化を示す模式図である。生長による投影面積の増加を伴った投影面積と投影面積比の経時変化を示す模式図である。投影面積と投影面積比の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１．給液制御装置
２．中央演算装置
３．記憶装置
４．給液信号出力装置
５．画像入力装置
６．給液装置
７．植物
８．撮影装置
２１．画像入力ルーチン
２２．投影面積計算ルーチン
２３．投影面積比計算ルーチン
２４．給液判断ルーチン
２５．給液信号出力ルーチン
３１．ロックウールキューブ
３２．栽培容器
３３．金網
３４．防根シート
３５．ロックウール粒状綿
３６．青色シート
４１．６０％区
４２．７５％区
４３．対照区

Claims

画像入力装置と、給液信号出力装置とを有し、
画像入力装置より画像データを読み込み、画像中に現れた植物体の葉の投影面積を求める投影面積計算手段と、
投影面積の最大値である最大投影面積を記憶する最大投影面積記憶部と、
投影面積の最大投影面積に対する比である投影面積比を求める投影面積比計算手段と、
投影面積比が所定の給液基準値を下回るときに給液信号を給液信号出力装置に出力するとともにそのときの投影面積の値を最大投影面積として最大投影面積記憶部に記憶する給液信号出力手段を有する給液制御装置。