JP4830102B2 - 樹木の特性測定方法、および樹木の特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹木の植物生理学的特性を測定する技術に関するものである。

従来より、樹木の植物生理学的特性のひとつとして含水率があるが、樹木の含水率は、降雨、日照、気温などの環境条件によって大きく変化する。そのような環境条件に応じて適切な灌水をしなければ、樹木の生長に著しい障害を与え、場合によって枯死に至る。
このような樹木の含水率を測定する技術としては、樹木の葉を切り取って、密閉容器に入れて、切断面を外に出して加圧することによって、切断面から滲出する液体の滲出圧力を測定するというプレッシャーチャンバー法や、樹木の一部の電気伝導度を測定して含水率を測定する方法などがある。

ところが、上述したような従来の方法は、試験室では測定できても、樹木育成の現場の山や畑では使用することは困難であって、実用的でないという問題があった。
例えば、プレッシャーチャンバー法で用いる装置は、高圧気体ボンベ、耐圧容器などで構成されており、装置は大型となるので、樹木育成の現場の山や畑で使用するために容易に持ち運びで切るものではなかった。
また、電気伝導度による方法は、含水率が120％を超えると電気伝導度がゼロに近づき測定できなくなり、また、電気伝導度を測定するためには、樹木に針のような探針を埋め込まなければならず、このような措置は、樹木を傷つけ、ときには病害を引き起こす可能性がある。
そこで、樹木の含水率を非破壊で測定可能な非侵襲的な測定技術が待望されていた。

そこで、本発明は、樹木の含水率を非侵襲的に測定する技術を提供することを目的としてなされたものである。

本発明にかかる測定方法の請求項１においては、
測定対象の樹木の一部に低周波の振動を与える振動手段と、前記樹木の他の一部に伝わる低周波の振動を検出する検出手段とを、前記樹木の幹の側面に、当該樹木の中心に関して点対象の位置に当接させた状態で保持し、
前記振動手段を用いて前記樹木の一部に、０Hzから10,000Hzまでの低周波の振動、０Hzから15,000Hzまでの低周波の振動、もしくは０Hzから20,000Hzまでの低周波の振動の何れかを与えて、前記検出手段を用いて前記樹木の他の一部に伝わる低周波の振動を検出し、検出した低周波の振動に基づいた振動伝達特性を得て、この振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性を測定することを特徴としている。
請求項２では、
当該樹木の直径と、前記振動伝達特性と、予め設定された関数とに基づいて、当該樹木の含水率を得ることを特徴としている。
請求項３では、
測定対象の樹木の一部に与える低周波の振動は、
振幅がほぼ一定で、かつ、
周波数が０Hzから20,000Hzまでの範囲でスイープする低周波信号に基づいた低周波の振動としたことを特徴としている。
請求項４では、
測定対象の樹木の一部に与える低周波の振動は、
振幅がほぼ一定で、かつ、
周波数が０Hzから20,000Hzまでの周波数成分を含むホワイトノイズ信号、もしくは、
０Hzから20,000Hzまでの周波数成分を含むピンクノイズ信号の
少なくとも何れか１つの信号に基づいた低周波の振動としたことを特徴としている。
請求項５に係る測定装置では、
測定対象の樹木の一部に、０Hzから10,000Hzまでの低周波の振動、０Hzから15,000Hzまでの低周波の振動、もしくは０Hzから20,000Hzまでの低周波の振動の何れかを与える振動手段と、
前記樹木の他の一部に伝わる低周波の振動を検出する検出手段と、
前記振動手段と前記検出手段とを、前記樹木の幹の側面に、当該樹木の中心に関して点対象の位置に当接させた状態で保持するバンド体と、
前記検出手段で検出した低周波の振動に基づいた振動伝達特性を得て、この振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性データを出力する演算手段と、
を備えたことを特徴としている。
請求項６では、
測定対象の樹木の直径データを入力する入力手段を備え、
前記演算手段は、前記直径データと、前記振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性データを出力するように構成した。
請求項７では、
前記入力手段は、測定対象の直径を測定する測定手段を備え、測定した直径に基づいた直径データを前記演算手段に入力するように構成した。
請求項８では、
前記入力手段は、測定対象の樹木の周囲に巻き付けるバンド体に表記した寸法目盛を含み、前記寸法目盛から読み取った直径データを前記演算手段に入力するように構成した。
請求項９では、
前記振動手段が測定対象の樹木の一部に与える低周波の振動は、
振幅がほぼ一定で、かつ、
周波数が０Hzから20,000Hzまでの範囲でスイープする低周波信号に基づいた低周波の振動とした。

本発明にかかる測定方法によれば、測定対象の樹木の一部に当接させた振動手段で、０Hzから10,000Hzまでの低周波の振動、０Hzから15,000Hzまでの低周波の振動、もしくは０Hzから20,000Hzまでの低周波の振動の何れかを与えて、当該樹木の他の一部に伝わる振動を、当該樹木の中心に関して点対象の位置に当接させた検出手段で検出して、検出した振動に基づいた振動伝達特性を得て、この振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性などの植物生理学的特性を測定するので、水分の分析などの手間をかけずに、短時間でほぼリアルタイムで、測定対象の樹木の水分の過不足状態を知ることができる。
本発明にかかる測定装置によれば、上述したように、水分の分析などの手間をかけずに、短時間でほぼリアルタイム、かつ、無人で、測定対象の樹木の水分の過不足状態を知ることができる。

以下に、本発明にかかる樹木の特性測定方法に用いる装置を、実施するための最良の形態を示した図面を参照しながら詳細に説明する。
図１、２において、
１０は本発明にかかる樹木の特性測定装置としての樹木水分測定装置であり、
測定対象の樹木Ｔの幹の表面の一部に振動を与える振動手段１と、
前記樹木の幹の表面の他の一部（１８０度反対側）に伝わる振動を検出する検出手段２と、
前記振動手段１と検出手段２とを樹木Ｔの幹の側面に保持する保持手段を兼ねるとともに、樹木の直径を測定するための寸法目盛が表面に形成されたバンド体４と、
前記検出手段２で検出した振動に基づいた振動伝達特性と、樹木Ｔの直径データとに基づいて樹木の含水率を演算して含水率データとして出力する演算手段２０と、
前記演算手段２０に、前記バンド体４に形成された寸法目盛から読み取った樹木Ｔの直径データを入力するテンキーなどの入力手段４１と、
前記演算手段２０から出力される含水率データを送信するデータ送信部５，７と、
前記振動手段１、検出手段２、演算手段２０、入力手段４１、データ送信部５，７などに必要な電力を供給する電源部３と、
前記データ送信部５から送信された含水率データを受信するデータ受信部９と、
前記データ送信部５から送信された含水率データを受信して保存するデータ保存部６と
を基本的構成として備えている。

前記バンド体に表記された寸法目盛は、特許請求の範囲に記載された入力手段と保持手段を兼ねている。
入力手段は、装着された樹木の直径、もしくは全周長などを自動的に測定するために、前記バンド体にリニアエンコーダなどの長さ測定手段を具備するとよい。

前記前記振動手段１と検出手段２は、図３の平断面図に示したように、互いに、樹木の中心に関して点対称の位置に配置することが望ましい。その理由は、本発明においては、当該樹木に与えた振動の円周モードにおける振動（図３において実線で示した。）を測定するようにしているからである。
なお、前記振動の円周モードとは、樹木あるいは枝の側面の一点を振動させたとき、図３において実線で示したような振動モードのことである。この円周モードの振動強度は、振動を与えた点Ａから９０度おきのＢ点、Ｃ点、Ｄ点の各点で最も大きくなる。したがって、Ａ点を振動させた場合には、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点で振動を検出すると、樹木の測定箇所の上下の幹の状態や枝や果実の状態に影響を受けない振動信号を得ることができるのである。

前記演算手段２０は、
前記検出手段２で検出した振動に基づいた信号をフーリエ解析して、当該樹木の振動伝達特性を得る第１演算部２１と、
前記演算部２１で得られた振動伝達特性と前記入力手段４１から入力された直径データとに基づいて当該樹木の含水率に関連する特性データを解析する第２演算部２２と、解析した含水率などの特性データを表示する表示部８とを備えている。

前記第１演算部２１で得られる振動伝達特性の一例を図４、７に示した。
図４は、円周あるいは周囲３６ｃｍの樹木に対して、前記振動部１に振幅がほぼ一定で、０Hzから10,000Hzまでの周波数成分を含んだホワイトノイズ信号を与えて振動を発生させた場合の、前記検出部２で検出した振動の振動強度の特性を示したものであり、検出した振動を第１演算部２１においてフーリエ解析することによって、横軸を振動周波数とし、縦軸を振動強度として示した振動伝達特性のグラフである。
図７は、円周あるいは周囲１０ｃｍミカンの木に、振幅がほぼ一定で、０Hzから15,000Hzまでの周波数成分の振動を発生させた場合の振動強度の特性を示したものである。

この図４に示した振動伝達特性のグラフから、振動強度のピークが複数箇所発生していることが分かる。このピークは当該樹木の円周モードの振動の共鳴周波数である。この共鳴周波数は、樹木内部の弾性率と密度に応じて変化するものであり、この共鳴周波数は、弾性率が低くなると低くなり、密度が高くなると低くなる。（共鳴周波数＝α×（弾性率／密度）^1/2）。一般に、樹木の含水率が高いと弾性率は低くなり、密度は高くなるので、共鳴周波数が相乗的に低下する。したがって、樹木の円周モードの共鳴周波数は、樹木の含水率に敏感に反応して変化するといえる。このことから、樹木の円周モードの共鳴周波数を測定することによって、当該樹木の含水率、もしくは含水率に関連する特性データを得ることができるのである。

なお、前記共振周波数（第１のピーク）を検出するためには、ピークを検出する範囲を設定しておいて、その範囲内でのピークを前記共鳴周波数と決定することが適切である。そのため、ピークを検出するための範囲を、測定対象の樹種や直径（または、円周あるいは周囲）の程度に応じて、予め決定しておく。測定対象の樹種に応じて標準的な弾性率と密度とに基づいて、予め実験を行い、共振周波数（ピーク）を検出するための範囲を、前記演算部２０に設定しておく。

また、樹木の円周モードの共鳴周波数を測定することによって、当該樹木の含水率に関連する特性データは得ることができるが、含水率そのものを得るためには、予め、共鳴周波数と含水率との関係を関数や参照テーブルなどの形態で設定しておく必要がある。そのために、絶乾法などの他の水分測定法を用いて測定した含水率を基準にして、本発明による方法を用いて含水率を得るための関数や参照テーブルを決定しておくものとする。

例えば、図５において実線で示した特性ａは絶乾法による含水率が０％の場合であり、一点鎖線で示した特性ｂは含水率が７％の場合であり、長鎖線で示した特性ｃは含水率が１３％の場合であり、短鎖線で示した特性ｄは含水率が５７％の場合である。この樹木の円周あるいは周囲は１０ｃｍである。

図５に示したような、絶乾法による含水率と、共鳴周波数との関係を、樹木の直径（または、円周あるいは周囲）に応じて回帰分析して、回帰式（関数：例えば、含水率（％）＝−0.1×共鳴周波数（Hz）＋215）として求めておき、この関数を前記第２演算部２２に設定しておけば、入力手段４１から入力された樹木の直径データと、第１演算部２１にて得られた共鳴周波数とに基づいて、含水率データを出力することができるのである。
なお、前記図５に示したデータに基づいた回帰分析においては高い自己相関特性が得られ、本発明による方法で高精度の含水率測定が可能であることが示された。
前記電源部３は、太陽電池と蓄電池とを組み合わせて、屋外での長期間の測定を可能とするとよい。

次に、本発明の含水率測定装置による実際の樹木の含水率測定の手順を、図６のフローチャートを参照して説明する。
まず、予め設定された所定のタイムスケジュールに応じて、測定開始時刻になると、ステップＳ１において、入力手段４１によって測定対象の樹木の直径（または、円周あるいは周囲）を測定する。ステップＳ２においては、振動手段１に所定の低周波信号を与えて振動を発生させて、当接している樹木の表面に振動を与える。ステップＳ３では、この振動が樹木の内部を伝達して検出手段２に伝達することによって振動信号を得る。

ステップＳ４では、演算手段２０の第１演算部２１においてフーリエ（ＦＦＴ）解析して、共鳴周波数を求め、ステップＳ５では、第２演算部２２において、所定の回帰式に基づいて、前記共鳴周波数と前記直径データとに基づいて、含水率を演算して出力する。このようにして出力された含水率は、ステップＳ６において、前記表示部８にて数値表示されるとともに、ステップＳ７において、前記データ送信部７からデータ保存部９に送信されて保存される。

ステップＳ８においては、測定された含水率が、所定の含水率の下限値より低くなった場合には、自動潅水装置１１を制御して適切な量もしくは適切な時間潅水を行う。
以上の手順の後、次回の測定開始時刻が来るまで待機する。

なお、前記第１演算部２１において共鳴周波数を求めるために、振動強度のピークを求めるための範囲は、測定対象の樹木の直径もしくは全周長に応じた所定の範囲を予め設定しておく。このように設定された周波数範囲内での振動強度のピークを求め、そのピークのときの周波数を共鳴周波数として決定して出力する。

なお、以上の測定手順においては、対象樹木の測定箇所の直径を入力するようにしたが、同一樹木における含水率の短期的な経時的な変化を求めるだけの場合には、直径データは含水率測定の都度入力する必要はない。さらには、含水率を求めずに、含水率に関連した特性データとして求めるだけであれば、相関式も不要であり、共鳴周波数の変遷を求めるだけで、含水率が低下したか、増加したか、変化しないか、等の相対的な変化を求めることができる。

なお、測定対象の樹木の一部に与える振動は、振幅がほぼ一定で、かつ、周波数が０Hzから20,000Hzまでの範囲でスイープする低周波信号に基づいた振動であれば、演算手段２０ではフーリエ解析することは必要ではなく、前記低周波信号のスイープに同期して、検出手段２からの振動を出力するように構成すればよい。
各周波数成分の信号強度がほぼ一定で、かつ、周波数成分が０Hzから20,000Hzまでの範囲にわたるホワイトノイズ信号に基づいた振動であれば、フーリエ解析する必要がある。
さらにまた、前記振動は、ピンクノイズ信号、もしくは、周波数が一定のパルス信号に基づいた振動としてもよい。

以上のような測定装置１０を、多数の測定対象の樹木にそれぞれ設置し、各測定装置１０から送信されてくる含水率を集中的に受信して、効率よく管理することが可能となる。

本発明は、樹木に限らず、ほぼ円柱状の種々の物体の密度、弾性率、もしくは含水率の少なくとも何れか１つの特性データを測定することに利用することができる。

本発明にかかる樹木の特性測定方法に用いる装置の実施形態における配置図である。 前記装置の構成図である。 振動手段と検出手段の位置と、振動の円周モードとの関係を説明する平断面図である。 検出した振動の特性データの一例を示す図である。 検出した振動の特性データと含水率との関係の一例を示す図である。 本発明の方法による測定手順を説明するフローチャートである。 検出した振動の特性データの一例を示す図である。

符号の説明

１０ 樹木特性測定装置
１ 振動手段
２ 検出手段
２０ 演算手段
２１ 第１演算部
２２ 第２演算部
３ 電源部
４ バンド体
４１ 入力手段
５ データ送信部（無線伝送）
６ データ保存部
７ データ送信部（有線伝送）
８ データ表示部
９ データ受信部
１１ 自動潅水装置
Ｔ 測定対象の樹木

Claims (9)

1. 測定対象の樹木の一部に低周波の振動を与える振動手段と、前記樹木の他の一部に伝わる低周波の振動を検出する検出手段とを、前記樹木の幹の側面に、当該樹木の中心に関して点対象の位置に当接させた状態で保持し、
   前記振動手段を用いて前記樹木の一部に、０Hzから10,000Hzまでの低周波の振動、０Hzから15,000Hzまでの低周波の振動、もしくは０Hzから20,000Hzまでの低周波の振動の何れかを与えて、前記検出手段を用いて前記樹木の他の一部に伝わる低周波の振動を検出し、検出した低周波の振動に基づいた振動伝達特性を得て、この振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性を測定することを特徴とする樹木の特性測定方法。
2. 当該樹木の直径と、前記振動伝達特性と、予め設定された関数とに基づいて、当該樹木の含水率を得ることを特徴とする請求項１に記載の樹木の特性測定方法。
3. 測定対象の樹木の一部に与える低周波の振動は、
   振幅がほぼ一定で、かつ、
   周波数が０Hzから20,000Hzまでの範囲でスイープする低周波信号に基づいた低周波の振動としたことを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項に記載の樹木の特性測定方法。
4. 測定対象の樹木の一部に与える低周波の振動は、
   振幅がほぼ一定で、かつ、
   周波数が０Hzから20,000Hzまでの周波数成分を含むホワイトノイズ信号、もしくは、
   ０Hzから20,000Hzまでの周波数成分を含むピンクノイズ信号の
   少なくとも何れか１つの信号に基づいた低周波の振動としたことを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項に記載の樹木の特性測定方法。
5. 測定対象の樹木の一部に、０Hzから10,000Hzまでの低周波の振動、０Hzから15,000Hzまでの低周波の振動、もしくは０Hzから20,000Hzまでの低周波の振動の何れかを与える振動手段と、
   前記樹木の他の一部に伝わる低周波の振動を検出する検出手段と、
   前記振動手段と前記検出手段とを、前記樹木の幹の側面に、当該樹木の中心に関して点対象の位置に当接させた状態で保持するバンド体と、
   前記検出手段で検出した低周波の振動に基づいた振動伝達特性を得て、この振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性データを出力する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする樹木の特性測定装置。
6. 測定対象の樹木の直径データを入力する入力手段を備え、
   前記演算手段は、前記直径データと、前記振動伝達特性に基づいて当該樹木の含水率に関連する特性データを出力するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の樹木の特性測定装置。
7. 前記入力手段は、測定対象の直径を測定する測定手段を備え、測定した直径に基づいた直径データを前記演算手段に入力するように構成したことを特徴とする請求項６に記載の樹木の特性測定装置。
8. 前記入力手段は、測定対象の樹木の周囲に巻き付けるバンド体に表記した寸法目盛を含み、前記寸法目盛から読み取った直径データを前記演算手段に入力するように構成したることを特徴とする請求項６に記載の樹木の特性測定装置。
9. 前記振動手段が測定対象の樹木の一部に与える低周波の振動は、
   振幅がほぼ一定で、かつ、
   周波数が０Hzから20,000Hzまでの範囲でスイープする低周波信号に基づいた低周波の振動としたことを特徴とする請求項５乃至８の何れか１項に記載の樹木の特性測定装置。

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