JP5078508B2 - 土壌中の根圏要素の自動分類方法 - Google Patents
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Description
分類精度(%)=(正しいクラスに分類されたピクセル数)÷(試験に使用したそのクラスの教師データのピクセル数)×100
実験は、ポプラクローン(I45/51)を用いて行った。黒ボク土(85体積%)と市販の広葉樹腐葉土(菊池産業(株)製)(15体積%)を混合した土壌を入れたガラスケース(20cm×30cm×高さ20cm)に、長さ約10cmのポプラの挿し枝(発根していないもの)8本を植栽し、人工光チャンバー(小糸製作所社製)で、明期12時間/暗期12時間に制御して、12週間育成を行った。チャンバー内の温度は明期25℃/暗期20℃に、湿度は明期55%/暗期70%に設定し、2000倍に希釈した液体肥料(N:P:K=5:10:5、ハイポネックス社製)を含んだ水を0.5L/1日潅水した。12週間後、ポプラの挿し枝の高さは、平均で約85cmであった。地上部を切断し、ガラスケース中の地中部を残し、潅水を停止して暗所でさらに12週間経過させ、完全に枯死させた。
根圏要素(成育期間の異なる生根、枯死根、土壌、及び腐植)の分光反射特性の相違について検討するため、可視光−近赤外光連続分光画像の撮影を行った。
生きている根(生根)を成長段階ごとに4クラスに分類し、さらに枯死根、腐植、土壌を加えた7つのクラスの自動分類のために効果的な分光バンドと波長を調査した。
(インサイチュの根圏要素のVIS−NIR反射)
図3では、測定例として27、55、及び170日後の、根圏のトゥルーカラー(可視)画像(R:650nm、G:550nm、B:480nm)と、可視−近赤外フォールスカラー画像(R:886nm、G:679nm、B:522nm)を示す。植栽後、成長に伴い、合成画像で、根の色が白色から茶色に変化していく様子が観察された。土壌中の腐植の外観は、可視画像と可視−外画像では、明確に異なっていた。土壌と腐植は、可視画像では同じように観察されたが(図3a参照)、可視−近赤外画像では、腐植では、土壌よりも高いNIR反射があり、Rバンドのディスプレイが強調されたので、土壌とは異なって観察された(図3b参照)。
クラス1、根の発生からまもない根端(0〜1日齢)、
クラス2、伸長と肥大成長を示す白色根(0〜9日齢)、
クラス3、伸長がほぼ停止し、色素沈着と木質化が始まろうとしている若い(淡黄〜薄茶色)根(7〜31日齢)、
クラス4、成長が停止し、成熟した茶色根(28〜59日齢)
である。また、
クラス5、完全に乾燥した枯死根、
クラス6、腐植、及び
クラス7、土壌
にクラス分けした。図4に示すように、反射特性は、同一クラス内では類似していた。
成長に伴う生根の可視域反射率の低下は、主として、根の表面の二次的な成長に関連する色素の沈着によるものと推論する(e.g. Hishi and Takeda 2005; Hishi 2007)。1000nm未満のNIR反射の変化に対する植物細胞組織中のリグニン又はセルロースの蓄積の影響は不明である。なぜなら、リグニン又はセルロースの吸収バンドは、それぞれ約2100nm及び2300nmであるからである(Dawson et al. 1998; Nagler et al., 2000, 2003)。クラス1よりもクラス2〜4の近赤外域の反射率が高かったのは、細胞組織の発達に関連する細胞間隙の拡散の増大に関連するものであろう。枯死根で全体の反射率が低くなったのは、根の色素の変化と枯死後の細胞組織の構造の破壊によるものであろう(Comas et al., 2000)。すなわち枯死根の表面の暗色により、可視域の反射率は低下し、崩壊細胞組織への水分の均一な浸入が原因で、近赤外域の反射率が低下した。枯死根、腐植、土壌の反射は、近赤外領域で異なったが(枯死根>腐植>土壌)(図5参照)、この相違は、細胞壁と気層の間の近赤外波長の反射と散乱特性の相違や枯死細胞組織の分解による構造的変化をおそらく反映するものである。地中の腐植などの有機物は、一般的に同様の水分含有率を有する粘土鉱物よりも高い近赤外反射率を示し(Nagler et al., 2000, 2003)、根、腐植及び土壌の反射率についての我々の結果を支持するものである。
Claims (6)
- 以下の(a)〜(d)の各ステップを順次備えたことを特徴とする土壌中の根圏要素の自動分類方法。
(a)光源から、可視領域(400〜700nm)の一部を含む領域及び近赤外領域(700〜1100nm)の一部を含む領域の波長の光を根圏要素に照射するステップ;
(b)可視領域の一部を含む領域及び近赤外領域の一部を含む領域における根圏要素の近接連続分光画像を経時的に撮影するステップ;
(c)画像処理により、可視領域の一部を含む領域及び近赤外領域の一部を含む領域における分光反射率を計測するステップ;
(d)計測した分光反射率を、あらかじめ作成した教師データと比較評価するステップ; - 光源として、ハロゲンランプを用いることを特徴とする請求項1記載の土壌中の根圏要素の自動分類方法。
- 可視領域の一部を含む領域及び近赤外領域の一部を含む領域が、可視領域2〜3バンド及び近赤外領域1バンドであることを特徴とする請求項1又は2記載の土壌中の根圏要素の自動分類方法。
- 可視領域の一部を含む領域及び近赤外領域の一部を含む領域が、緑(513〜522nm)、赤(623〜679nm)、及び近赤外波長域(728〜886nm)からそれぞれ選択される3バンドであることを特徴とする請求項1又は2記載の土壌中の根圏要素の自動分類方法。
- ハイパースペクトルデジタルカメラを用いて、根圏要素の近接連続分光画像を経時的に撮影することを特徴とする請求項1〜4のいずれか記載の土壌中の根圏要素の自動分類方法。
- 根圏要素が、生根、枯死根、腐植、及び土壌であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載の土壌中の根圏要素の自動分類方法。
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