JP6338184B2 - 植物栽培用の環境制御システム - Google Patents

Description

本発明は、施設園芸分野において栽培する植物の環境を高度に制御する植物栽培用の環境制御システムに関する。

植物が成長する速度（伸長速度）や植物の茎の頂点部分（茎頂部）の運動は、植物を栽培する環境との関連が深く、様々な研究が従来から行われてきた。そして、植物の伸長速度や茎頂部の運動に関しては、従来から実験レベルで様々な手法によって計測されており、積算した気温との関連や、光環境による茎頂部の運動の様子の変化などの報告がある。

そして、植物の茎頂部の位置や、植物の伸長速度を測定する手法として、様々な技術が開示されている。例えば、植物の茎頂部の位置を測定する手法としては、直接定規で茎頂部の位置を計測する方法、透明な板に転写する方法、カメラを用いて撮影することによって植物の茎頂部の運動を計測する方法などがある。また、例えば、植物の伸長速度を測定する手法としては、インクジェットプリンタで観察する部位にマーキングを施して観察する方法（特許文献１参照）、カメラで植物の節の間の伸長量を測定して局所的に温度を低下させる制御を行うシステム（特許文献２参照）、可視光カメラと赤外線カメラとを用いて稲の定点観測を行い、独自の計算式によって草丈を推定する方法（特許文献３参照）などがある。また、例えば、植物の３次元の形状を計測する手法として、レーザースキャナを周回させて植物全体を撮影するシステム（特許文献４参照）、レーザーによって広範囲な樹木の群落の３次元の画像を作成するシステム（特許文献５参照）などがある。

ところで、施設園芸分野では、収量の向上と高収益化のために、植物を栽培する環境をより高精度に制御するための制御技術が求められている。しかしながら、植物の伸長速度や茎頂部の運動を研究した情報を、植物を育てる環境の制御に実用的に利用することができるシステムの普及は進んでいない。

従来の施設園芸分野では、気温や日射を基準として植物を育てる環境の制御を行う手法が普及している。例えば、ビニールハウスなどの温室に設置されたサーモスタットによって検出した温度の情報に基づいて天窓の開閉や暖房機を制御する手法や、日射センサによって検出した日射に基づいて植物に水や液肥を与える日射比例方式の潅水制御装置などがある。

しかしながら、気温や日射に基づいて植物を育てる環境の制御を行う手法では、植物の生育状態を直接的に計測することができない。このため、植物の栽培環境を最適に保つためには、人間が直接的に植物の生育状態を確認（観察）し、植物の生長に合わせて手動で栽培環境を変更する必要があった。このため、人間による手作業では、リアルタイムに植物の生育状態を計測することは困難であり、観察した植物の生育状態に応じて栽培環境を変更するのに時間を要していた。さらに、夜間に植物の生育状態を確認（観察）することは極めて難しかった。

そこで、例えば、特許文献６には、カメラで撮影した画像に基づいて花芽誘導材の吹き付けを制御する植物栽培装置の技術が開示されている。より具体的には、特許文献６で開示された植物栽培装置では、前方に整列して定植された苗を撮影する複数のカメラを設置し、これらのカメラが撮影した画像から苗の頂点の位置と撮像範囲の最下位置との間の距離を用いて苗の高さを特定して、閾値以上の高さの苗が存在する場合に花芽誘導材を吹き付けるように制御している。

特開２００６−０４７１５８号公報 特許第５４０７０５６号公報 特開２０１０−２２０５６９号公報 特開２００４−１９１２４３号公報 特開２００３−１４３９６１号公報 特開２０１１−１６０７３５号公報

しかしながら、特許文献６で開示された技術のような、カメラを使用して植物の高さを計測する場合には、植物が生育していく全ての過程において植物の高さを計測するために、カメラが撮影する範囲を広げておく、つまり、植物が生育する最終的な高さまでを撮影することができるようにしておくことが必要になる。

そこで、植物を遠方から撮影することが考えられる。しかし、この場合には、カメラを設置する位置が植物から遠くなり、例えば、ビニールハウスなどの限られた広さの中で植物を栽培する場合には、遠方からの植物の撮影は難しい。また、植物の全体を撮影するために広角レンズを使用することも考えられる。しかし、広角レンズは、外縁部の歪みが大きいため、誤差が拡大し、測定に支障を来すことがある。また、一般的に、広角レンズは高価である。

また、植物の成長に合わせて撮影範囲を変更するように制御すると、カメラの焦点距離や撮影方向を徐々に変えるための仕組みが必要となり、システムの制御が複雑化したり、大規模化したりする。このため、カメラで撮影した画像に基づいた植物の栽培環境の制御は、カメラの撮影範囲に収まる小型の植物への適用に制限されるなどの制約があった。

さらに、可視光カメラを用いて植物の高さを計測する場合には、外乱光が測定に大きな影響を与えるおそれがあり、不安定な直射日光の下では、正確な画像処理ができなくなることがある。また、外乱光を防ぐために、人工光源を用いて夜間に撮影を行うと、植物の生育を撹乱してしまうことが懸念される。

本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、植物の高さを容易に計測し、計測した植物の高さの結果を、植物を栽培する環境の制御に利用することができる植物栽培用の環境制御システムを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、この発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明の植物栽培用の環境制御システムは、植物を上方から撮影し、該撮影した前記植物を含む被写体との距離を表す距離情報が関連付けられた距離画像を出力する距離画像取得手段と、前記植物を栽培する環境を調節する環境調節手段と、前記距離画像に基づいて前記植物の高さを検出し、検出した前記植物の高さに基づいて、前記環境調節手段を制御する環境制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の植物栽培用の環境制御システムにおける前記環境制御手段は、前記距離画像に含まれる前記距離画像取得手段と前記植物との距離を表す前記距離情報に基づいて前記植物の茎頂部の位置を検出し、該検出した前記植物の茎頂部の位置を表す茎頂部位置情報を出力する茎頂部位置検出部と、前記距離画像に含まれる前記距離画像取得手段と前記植物との距離を表す前記距離情報、および前記茎頂部位置情報に基づいて前記植物の高さを算出し、該算出した前記植物の高さを表す植物高さ情報を出力する植物高さ算出部と、前記植物高さ情報に基づいて、前記植物を栽培する環境の調節量を決定し、該決定した調節量に基づいて前記環境調節手段を制御する栽培環境調節部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の植物栽培用の環境制御システムにおける前記距離画像は、それぞれの画素毎、または予め定めた組み合わせの複数の画素毎に、前記距離情報が関連付けられている、ことを特徴とする。

また、本発明の植物栽培用の環境制御システムにおける前記茎頂部位置検出部は、前記距離画像に含まれる前記植物の領域内において前記距離情報の値が最も高い値を示している前記画素、または予め定めた組み合わせの複数の画素の領域を、前記植物の茎頂部の位置として検出する、ことを特徴とする。

また、本発明の植物栽培用の環境制御システムにおける前記植物高さ算出部は、前記距離画像取得手段が設置されている高さの情報と、前記茎頂部位置情報で表された前記植物の茎頂部の位置の前記画素、または予め定めた組み合わせの複数の画素の領域の前記距離情報との差分を前記植物の高さとして算出する、ことを特徴とする。

また、本発明の植物栽培用の環境制御システムにおける前記栽培環境調節部は、前記植物の高さと前記植物の生育特性とに基づいて予め設定された前記植物の栽培環境の調整値を、前記植物高さ情報に基づいて選択し、前記栽培環境が該選択した調整値になるように前記環境調節手段を制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、植物の高さを容易に計測し、計測した植物の高さの結果を、植物を栽培する環境の制御に利用することができる植物栽培用の環境制御システムを提供することができるという効果が得られる。

本発明の実施形態における環境制御システムの概略構成を示した図である。 本実施形態の環境制御システムを適用した温室の一例を示した図である。 本実施形態の環境制御システムにおいて撮影した植物の頂点部分を検出するための画像の一例を示した図である。 本実施形態の環境制御システムにおいて検出した植物の高さの一例を示した図である。 植物の高さと気温の積算値との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における環境制御システムの概略構成を示した図である。環境制御システム１は、カメラ装置１０と、環境制御装置２０と、環境調節装置３０とを含んで構成される。

環境制御システム１は、例えば、ビニールハウスなどの温室に設置され、栽培している植物の高さを計測する。そして、環境制御システム１は、計測した植物の高さに基づいて、植物を栽培する環境を制御する。

なお、図１には、温室内の気温や日射などを測定する環境センサ４０の情報も、本実施形態の環境制御システム１において検出した植物の高さに加えて植物の栽培環境を制御する構成を示している。

カメラ装置１０は、例えば、温室の天井に、植物の茎の頂点部分（茎頂部）を撮影することができる位置に設置され、予め定めた時間の間隔で、温室内で栽培している植物を上方から撮影する。カメラ装置１０は、可視光による撮影と、例えば、赤外光による撮影とを行う機能を備えている。そして、カメラ装置１０は、可視光によって撮影した画像に、赤外光による撮影によって得られる被写体（植物を含む）との距離を表す情報を関連付けた撮影画像（以下、「距離画像」という）を、予め定めた時間の間隔で撮影を行う毎に、環境制御装置２０に出力する。

なお、カメラ装置１０での赤外光による撮影は、植物に影響が少ない波長領域を使うことが望ましい。また、赤外光が植物の生育を撹乱してしまう懸念がある場合には、撮影する瞬間だけ赤外光を照射するなど、赤外光による植物への影響を最小限にする必要がある。

ここで、距離画像に含まれる被写体（植物を含む）との距離を表す情報（以下、「距離情報」という）は、可視光によって撮影した画像（以下、「可視光画像」という）に含まれるそれぞれの画素に対して１つずつ関連付けられている。この距離画像によって、環境制御装置２０は、入力された距離画像のそれぞれの画素毎に、植物やその他の被写体との距離を判定することができる。

なお、カメラ装置１０における可視光の撮影機能の解像度と、赤外光の撮影機能の解像度とは、必ずしも同様である構成に限定されるものではない。このため、距離情報は、可視光画像に含まれるそれぞれの画素に対して１つずつ関連付けられている構成のみではなく、予め定めた組み合わせの複数の画素毎に１つずつ関連付けられている構成であってもよい。例えば、１つの距離情報が、可視光画像に含まれる水平方向および垂直方向にそれぞれ２画素ずつ、つまり、４画素に関連付けられている構成であってもよい。

なお、可視光画像は、必ずしも色の情報を含む画像ではない。つまり、可視光画像は、色の情報と輝度の情報とを含んだカラー画像であってもよいし、輝度の情報のみを含んだ白黒画像であってもよい。また、距離画像は、上述したような、可視光画像に含まれる画素に距離情報が関連付けられた構成のみではなく、画像内における位置と、その位置の被写体との距離情報とが関連付けたれた構成であってもよい。つまり、距離画像は、カメラ装置１０から被写体までの距離情報が二次元的に配列された構成であれば、必ずしも可視光画像を含む構成に限定されるものではない。しかし、以下の説明において距離画像は、距離情報が、可視光画像に含まれる画素に関連付けられている構成であるものとして説明する。

なお、環境制御システム１は、複数のカメラ装置１０を温室内に設置することによって、温室内で栽培している全ての植物の距離画像を撮影する構成であってもよい。また、環境制御システム１は、カメラ装置１０が設置される位置や距離画像を撮影する方向を変更する機構を備えることによって、１台のカメラ装置１０で、温室内で栽培している全ての植物の距離画像を順次撮影する構成にしてもよい。例えば、カメラ装置１０を温室の上部にある遮光・保温カーテンなどに取り付けることによって、カーテンの開閉に合わせてカメラ装置１０を移動させることができ、より広い範囲の植物の距離画像を撮影することができる。

環境制御装置２０は、カメラ装置１０から入力されたそれぞれの距離画像に対して、予め定めた処理を行って、植物の茎頂部の位置を検出し、検出した植物の茎頂部の位置の情報に基づいて、栽培している植物の高さを算出する。そして、環境制御装置２０は、算出した植物の高さの情報に基づいて、植物を栽培する環境を調節するための調節量を決定し、決定した調節量に基づいて、環境調節装置３０を制御する。環境制御装置２０は、画像取得部２１０と、植物高さ検出部２２０と、栽培環境調節部２３０とを備えている。

画像取得部２１０は、カメラ装置１０から予め定めた時間の間隔で入力されたそれぞれの距離画像を取得する。そして、画像取得部２１０は、取得したそれぞれの距離画像を、植物高さ検出部２２０に出力する。

植物高さ検出部２２０は、画像取得部２１０から入力されたそれぞれの距離画像に対して、予め定めた処理を施し、距離画像に含まれる植物の高さを検出する。そして、植物高さ検出部２２０は、検出した植物の高さを表す情報（以下、「植物高さ情報」という）を栽培環境調節部２３０に出力する。植物高さ検出部２２０は、茎頂部位置検出部２２１と、植物高さ算出部２２２とを備えている。

茎頂部位置検出部２２１は、画像取得部２１０から入力されたそれぞれの距離画像に含まれる距離情報に基づいて、距離画像に含まれる植物の茎の頂点部分（茎頂部）の位置を検出する。例えば、距離画像内に一本の植物が含まれる、つまり、１枚の距離画像内に一本の植物が撮影されている場合を考える。この場合、茎頂部位置検出部２２１は、距離画像に含まれる植物の領域内において距離情報の値が最も高い値を示している場所（つまり、画素の位置）を、植物の茎頂部の位置として検出する。なお、カメラ装置１０は、植物を上方から撮影しているため、距離情報の値が最も高い場所とは、カメラ装置１０と植物との距離が最も近い距離を表している場所である。ただし、距離画像に含まれる距離情報の値が、地上（例えば、植物が植えられたている土壌や温室の床）の位置を基準とした値である場合、つまり、地上高からの高さの値である場合には、距離情報の値が最も高い場所とは、単純に最も遠い距離を表している場所である。そして、茎頂部位置検出部２２１は、検出した茎頂部の位置を表す情報（以下、「茎頂部位置情報」という）を、植物高さ算出部２２２に出力する。

なお、茎頂部位置検出部２２１が植物の茎頂部の位置を検出する方法は、上述した距離情報の値が最も高い場所を検出する方法に限定されるものではなく、様々な方法が考えられる。例えば、過去に撮影した複数枚の距離画像に含まれる同じ場所（画素）の距離情報の値同士の差分を算出し、この差分が最も大きい場所を茎頂部の位置として検出してもよい。また、例えば、距離画像に含まれる地上の位置（画素）の距離情報の値を基準とした、つまり、地上高を基準とした距離情報の値のヒストグラムを作成し、作成したヒストグラムにおいて値が高い方から予め定めた範囲（数％）内の距離情報の値が分布している場所を茎頂部の位置として検出してもよい。また、例えば、距離画像に対して画像処理を施し、最も小さい葉が生えている場所（つまり、画素の領域）を抽出するなどによって植物の茎の位置を検出し、その場所を茎頂部の位置として検出してもよい。また、例えば、植物の茎を予め定めた方向に向かわせるための誘引線が垂直方向に設置されている場合には、距離画像に対して画像処理を施して誘引線の画素を抽出し、その周辺の予め定めた範囲内の画素で距離情報の値が最も高い値を示している場所を茎頂部の位置として検出してもよい。

なお、茎頂部位置検出部２２１は、距離画像内に複数の植物が含まれる、つまり、１枚の距離画像内に複数の植物が撮影されている場合には、それぞれの植物毎に茎頂部の位置を検出し、検出した茎頂部位置情報のそれぞれを、それぞれの植物に対応付けて植物高さ算出部２２２に出力する。

なお、茎頂部位置検出部２２１は、最初に茎頂部の位置を検出する処理を行った後、この最初に茎頂部を検出した位置を中心とした距離画像内の予め定めた領域を、次に茎頂部の位置を検出する対象の範囲に設定する（狭くする）、つまり、茎頂部の位置を検出する距離画像の範囲を一部の領域に限定してもよい。これにより、茎頂部位置検出部２２１は、次に茎頂部の位置を検出する際の検出精度や検出速度を向上することができ、茎頂部の位置が植物の成長によって移動した場合でも、効率的に茎頂部の位置を検出する処理を行うことができる。なお、茎頂部の位置を検出する対象の範囲の設定を変更する方法は、例えば、最初に撮影した距離画像をトリミングなど、ソフトウェア的に実現する方法であってもよい。また、例えば、茎頂部位置検出部２２１が茎頂部の位置を検出した後、茎頂部を検出した位置を、カメラ装置１０が距離画像を撮影する際の中心の位置とするように、カメラ装置１０が植物を撮影する方向や位置を機械的に動かす方法であってもよい。

植物高さ算出部２２２は、画像取得部２１０から入力されたそれぞれの距離画像に含まれる距離情報と、茎頂部位置検出部２２１から入力された茎頂部位置情報に基づいて、植物の高さを算出する。そして、植物高さ算出部２２２は、算出した植物の高さを表す情報（植物高さ情報）を栽培環境調節部２３０に出力する。例えば、距離画像内に一本の植物が含まれる、つまり、１枚の距離画像内に一本の植物が撮影されている場合を考える。この場合、植物高さ算出部２２２は、カメラ装置１０が設置されている高さの情報と、距離画像における茎頂部の位置（画素）の距離情報との差分を算出し、この差分の値を植物高さ情報として栽培環境調節部２３０に出力する。

なお、植物高さ算出部２２２が植物の高さを算出する方法は、上述したカメラ装置１０が設置されている高さの情報に基づいて算出する方法に限定されるものではなく、様々な方法が考えられる。例えば、距離画像に含まれる地上の位置（画素）の距離情報の値、つまり、地上高と茎頂部の位置の距離情報との差分を植物の高さとして算出してもよい。また、例えば、誘引線が水平方向に設置されている場合には、距離画像に対して画像処理を施して誘引線の画素を抽出し、誘引線が設置されている高さの情報と茎頂部の位置の距離情報との差分を植物の高さとして算出してもよい。

なお、植物高さ算出部２２２も、距離画像内に複数の植物が含まれる、つまり、茎頂部位置検出部２２１から複数の植物の茎頂部の位置を示した茎頂部位置情報が入力された場合には、それぞれの植物毎に高さを算出し、植物高さ情報のそれぞれを、それぞれの植物に対応付けて栽培環境調節部２３０に出力する。このとき、仮に、栽培している植物が密な群落を形成する性質を持ち、それぞれの植物の茎頂部を分離して認識することが困難である場合、植物高さ算出部２２２は、例えば、距離画像から複数の植物の茎頂部を含む部分の平均高さを算出し、この値を「複数の植物の平均高さ」という情報として出力してもよい。また、例えば、地上高を基準とした距離情報の値のヒストグラムを作成し、作成したヒストグラムにおいて値が高い方から予め定めた範囲（数％）内の平均高さを算出し、この値を「複数の植物の平均高さ」という情報として出力してもよい。

栽培環境調節部２３０は、植物高さ検出部２２０内の植物高さ算出部２２２から入力された植物高さ情報に基づいて、植物の栽培環境を制御するために調節する環境調節装置３０の調節量を決定する。そして、栽培環境調節部２３０は、決定した調節量に制御するための制御信号を、環境調節装置３０に出力する。

ここで、栽培環境調節部２３０が決定する環境調節装置３０の調節量は、植物の栽培を行う人間、つまり、温室で植物（作物）を栽培する生産者によって、植物の高さ毎に予め設定されている。つまり、植物の栽培環境は、生産者によって予め設定されている。そして、栽培環境調節部２３０は、植物高さ検出部２２０から入力された植物高さ情報に基づいて、予め設定された環境調節装置３０の調節量を選択し、選択した調節量に環境調節装置３０を制御するための制御信号を出力する。

なお、実際の栽培環境の制御は、植物の高さのみではなく、温室内の気温や日射なども考慮して行う必要がある。このため、生産者は、植物の高さに加えて温室内の気温や日射などが考慮された環境調節装置３０の調節量を予め設定しておくことが望ましい。これにより、栽培環境調節部２３０は、環境センサ４０から入力された様々な情報も含めて、環境調節装置３０の調節量を決定することができる。

環境調節装置３０は、環境制御装置２０内の栽培環境調節部２３０から入力された制御信号に応じて、植物の栽培環境を変更する装置である。なお、図１に示した環境制御システム１では、１つの環境調節装置３０を示しているが、環境調節装置３０は、複数の装置で構成されていてもよい。例えば、環境調節装置３０には、温室内の温度を変更するための暖房機、温室に備えた天窓やカーテンの開閉を制御するための制御装置、植物に水や液肥を与えるための潅水制御装置や液肥混入器など、様々な装置が含まれる。

このような構成によって、環境制御システム１は、設置された温室内で栽培されている植物を予め定めた時間の間隔で撮影して、植物の高さを検出する。そして、環境制御システム１は、検出した植物の高さに応じて、植物を栽培する栽培環境を制御する。これにより、生産者は、例えば、植物の栽培を開始する際に、植物の高さ毎の栽培環境を予め設定しておくことによって、植物の栽培の終了まで、栽培環境の調節を放任しておくこともできるようになる。

ここで、環境制御システム１を適用した温室の一例について説明する。図２は、本実施形態の環境制御システム１を適用した温室の一例を示した図である。図２に示した温室には、環境制御システム１を構成するカメラ装置１０と、環境制御装置２０と、複数の環境調節装置３０とが設置されている。

図２に示した環境制御システム１において環境制御装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ：ＰＣ）で構成されたサーバー装置上で、環境制御装置２０のそれぞれの機能が動作する。また、図２に示した環境制御システム１では、環境調節装置３０として、暖房機３１と、天窓制御装置３２と、カーテン制御装置３３と、潅水制御装置３４と、液肥混入器３５とが設置されている。また、図２に示した温室には、環境センサ４０として、温湿度センサ４１と日射センサ４２とが設置されている。

そして、図２に示したように、環境制御システム１に備えた環境制御装置２０とその他の装置（カメラ装置１０、環境調節装置３０、および環境センサ４０）とは、有線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワークインターフェースによって接続されている。なお、環境制御装置２０とその他の装置との接続は、図２に示した有線ＬＡＮによる接続に限定されるものではなく、例えば、一部または全ての装置が、無線ＬＡＮなどのネットワークインターフェースによって接続される構成であってもよい。

暖房機３１は、環境制御装置２０から入力された制御信号に応じて、温室内の温度を変更する。
天窓制御装置３２は、環境制御装置２０から入力された制御信号に応じて、温室に備えた天窓３２１の開閉を制御する。
カーテン制御装置３３は、環境制御装置２０から入力された制御信号に応じて、温室に備えたカーテン３３１の開閉を制御する。

潅水制御装置３４は、環境制御装置２０から入力された制御信号に応じて、温室内で栽培される植物（作物）１００に供給する水の供給量を制御する。なお、潅水制御装置３４は、植物１００の周辺の土壌の水分量を検出し、検出した水分量の情報を環境制御装置２０に出力する構成であってもよい。この場合、環境制御装置２０は、潅水制御装置３４から入力された水分量の情報を考慮して、潅水制御装置３４を制御することができる。

液肥混入器３５は、環境制御装置２０から入力された制御信号に応じて、温室内で栽培される植物１００に供給する水に液肥を混入させる量、つまり、液肥の供給量を制御する。

温湿度センサ４１は、温室内の温度や湿度を検出し、検出した温度や湿度の情報を環境制御装置２０に出力する。
日射センサ４２は、温室に対する日差しの強弱などを含めた日射量を検出し、検出した日射量の情報を環境制御装置２０に出力する。

図２に示した構成では、カメラ装置１０が植物１００を撮影し、撮影した距離画像を、有線ＬＡＮを介して環境制御装置２０の機能が動作しているサーバー装置に送信する。また、温湿度センサ４１が検出した温度や湿度の情報と、日射センサ４２が検出した日射量の情報とも、有線ＬＡＮを介してサーバー装置に送信される。

図３は、本実施形態の環境制御システム１においてカメラ装置１０が撮影した植物１００の頂点部分を検出するための画像の一例を示した図である。図３（ａ）には、カメラ装置１０が可視光によって撮影した可視光画像の一例を示している。図３（ａ）に示した可視光画像は、１枚の可視光画像内に複数の植物が撮影されている場合の一例である。また、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示した可視光画像に含まれるそれぞれの画素に対して関連付けられている距離情報を画像で表した一例を示している。

サーバー装置上で動作する環境制御装置２０では、植物高さ検出部２２０が、送信された距離画像（図３参照）に基づいて植物１００の高さを検出する。そして、栽培環境調節部２３０が、検出した植物１００の植物高さ情報と、温度や湿度の情報と、日射量の情報とを併せて、植物１００の栽培環境を制御するためのそれぞれの環境調節装置３０の調節量を決定し、決定した調節量に制御するための制御信号を、有線ＬＡＮを介してそれぞれの環境調節装置３０に送信する。

そして、環境調節装置３０のそれぞれは、有線ＬＡＮを介して送信されてきた制御信号に応じた動作を実行する。これにより、図２に示した温室内の栽培環境が、現在の生育状態の植物１００に適した環境に変更される。

図４は、本実施形態の環境制御システム１において環境制御装置２０が検出した植物の高さの一例を示した図である。図４に示した一例は、カメラ装置１０が夜間に、予め定めた時間の間隔で植物１００を撮影した距離画像に基づいて検出した植物１００の植物高さ情報を３日分示している。

環境制御システム１では、カメラ装置１０が植物１００を撮影する時間の間隔を狭くすることによって、植物１００の距離画像をリアルタイムに撮影して環境制御装置２０に送信することができる。つまり、環境制御システム１では、環境制御装置２０が、リアルタイムに距離画像を取得することができる。これにより、環境制御システム１では、環境制御装置２０が、距離画像に基づいて植物１００の高さを逐次検出することができる。そして、環境制御システム１では、環境制御装置２０が検出した植物高さ情報を図４に示した一例のようにまとめて、生産者に提示する構成にすることもできる。この構成の場合、生産者は、温室内で栽培する植物１００の茎が成長する速度（伸長速度）、植物１００の茎頂部や葉の運動をリアルタイムに観察することができ、さらには、植物１００のストレスなどの情報も得ることができる。しかも、環境制御システム１では、環境制御装置２０がサーバー装置に構成され、環境制御システム１に備えたそれぞれの装置がネットワークインターフェースによって接続されているため、生産者は、自身が温室に出向いていない場合でもこれらの情報を得ることができる。そして、生産者は、環境制御システム１から提示された情報（図４参照）から得られた情報に基づいて、温室内で栽培する植物１００の栽培環境の調整値を設定することができる。これにより、環境制御システム１は、生産者によって設定された栽培環境に制御するための制御信号を環境調節装置３０に出力し、生産者による栽培環境の調整をリアルタイムに反映することができる。

次に、実際の植物の栽培に本実施形態の環境制御システム１を利用する場合の一例について説明する。以下の説明においては、トマトの栽培に環境制御システム１を利用する場合の例について説明する。

トマトの栽培では、生育の段階に応じて与える最適な肥料の濃度（肥料濃度）が異なり、一般的に定植した直後は肥料濃度を薄くし、開花時期を指標として肥料濃度を徐々に上げるように制御することがある。トマトがどの程度の草高で開花するかは品種ごとに概ね決まっている。このため、草高を直接測定することができる環境制御システム１を用いて液肥混入器３５を制御することによって、自動的に肥料濃度を最適に保つことができる。

トマトの伸長速度は、季節によって変化する。これは、季節によって平均気温が異なるためである。そして、長段栽培のトマトにおけるつる下げ作業は、一般的に年間の労働時間の３割を占めると考えることができるが、夏季では７日間隔、冬期では１０日間隔などと季節によって頻度が変動する。このため、トマトの栽培においては、栽培する季節によって必要とされる労働力が変動することになり、生産者における経営の妨げになっていた。

図５は、植物（トマト）の高さ（草高）と気温の積算値との関係を示した図である。図５には、２種類のトマト（品種Ａおよび品種Ｂ）の草高と気温の積算値（積算気温）との関係を示している。一般的にトマトの草高は、図５に示したように、気温の積算値と相関が高いと考えられている。ただし、実際には、トマトの伸長速度は日射量の影響も受けるため、長期間にわたって気温のみで制御すると誤差が蓄積してしまう。このため、高い精度でトマトの草高を制御するためには、実際のトマトの草高を測定してフィードバック制御を行う必要がある。

このため、実際のトマトの草高の情報を利用可能な環境制御システム１を用いて温室内の気温を制御することによって、トマトの草高の伸長速度を高精度に制御することができる。例えば、トマトの草高の伸長速度が目標の速度に満たない場合には、環境制御システム１によって自動的に暖房機などを制御して温室内の気温を上昇させ、トマトの草高の伸長速度が目標の速度を超えている場合には、環境制御システム１によって自動的に天窓やカーテンなどを制御して温室内の気温を低下させることができる。これにより、トマトの草高の伸長速度を均平化することができ、年間を通して必要な労働力を一定にすることができる。また、緊急に労働力が不足しているような状況では、トマトの伸長速度を低下させるように、前述したような気温の制御を環境制御システム１によって行い、作業の頻度を低下させることもできる。

なお、例えば、トマトを誘引する高さが３ｍである場合には、１台のカメラ装置１０によって、一度に５〜６株のトマトを撮影する、つまり、５〜６株分の草高の情報（植物高さ情報）を得ることができると考えられる。この場合でも、環境制御システム１では、それぞれのトマトの株に対応付けられた植物高さ情報に基づいて、それぞれのトマトの株の生育状態に応じた栽培環境の制御を行うようにしてもよい。

このように、環境制御システム１を利用することによって、栽培しているトマトの草高を自動的に計測し、図５に示したような、トマトが生育する特性（生育特性）に応じて栽培環境を制御することができる。

なお、環境制御システム１においては、上述した温室内の気温の制御のみではなく、トマトの草高に応じた潅水制御装置の制御を加えることによって、潅水量の制御を栽培環境の制御に加えることもできる。この場合には、草高とトマトが吸水する水の最大量との関係（これも生育特性である）を関数化し、この関数に日射量を乗じることによって、適切な潅水量を予め算出し、環境制御システム１に設定しておくことが必要になる。しかし、この関係を一度算出して設定しておけば、環境制御システム１によって自動的に潅水制御装置を制御することができ、容易に潅水制御を行うことができる。これにより、従来から普及している日射比例方式の潅水制御装置を利用している場合には、トマトの定植から株が十分に大きくなるまでの間に、手作業による栽培環境の設定変更を頻繁に行うことが必要であったが、環境制御システム１を利用することによって、自動的に計測したトマトの草高に応じた栽培環境の制御を容易に行うことができる。

上記に述べたとおり、本発明を実施するための形態によれば、栽培している植物を上方から撮影すると共に、植物との距離を表す情報（距離情報）を関連付けた撮影画像（距離画像）を取得するカメラ装置を設置する。これにより、本発明を実施するための形態では、距離画像に基づいて、栽培している植物の茎頂部の位置を自動的に検出することができる。また、本発明を実施するための形態では、検出した植物の茎頂部の位置の情報（茎頂部位置情報）に基づいて、栽培している植物の高さを算出することができる。そして、本発明を実施するための形態では、算出した植物の高さの情報（植物高さ情報）に基づいて、植物の栽培環境を制御する。これにより、本発明を実施するための形態の環境制御システムを利用した植物の栽培では、植物の高さに応じた適切な栽培環境にすることができる。つまり、本発明を実施するための形態によって、これまで実験レベルでの計測によって植物の伸長速度や茎頂部の運動を研究した情報を実用的な植物の栽培の管理に利用し、植物の栽培環境の制御にフィードバックすることができる。

また、本発明を実施するための形態の環境制御システムでは、植物の栽培を開始する際に植物の高さに応じた栽培環境の調整値を予め設定しておくことによって、栽培している植物の茎頂部の位置を自動的に検出して植物の高さを検出し、検出した植物の高さの情報（植物高さ情報）に応じて栽培環境を自動的に制御することができる。これにより、生産者は、植物の栽培が終了するまで、手作業による栽培環境の調節を放任しておくこともできるようになる。

特に、本発明を実施するための形態の環境制御システムは、垂直方向に伸びる植物（作物）の栽培に対して有効である。これは、本発明を実施するための形態の環境制御システムでは、栽培している植物を上方から撮影するため、一定の高さにカメラ装置を設置しておくのみで、植物の生育状態に影響されることなく、作物を収穫する最終的な高さに生育するまで植物の高さを検出することができるからである。つまり、本発明を実施するための形態の環境制御システムでは、植物を横方向から撮影する場合に必要であると考えられる、植物の生育状態に応じて撮影範囲を変更する仕組みが不要であるからである。このため、本発明を実施するための形態の環境制御システムは、植物の種類や温室の広さを選ぶことなく利用することができる。

なお、本実施形態においては、１つの植物の高さを、１台のカメラ装置１０が撮影した距離画像に基づいて検出する構成について説明したが、複数台のカメラ装置のそれぞれが撮影した距離画像に基づいて、１つの植物の高さを検出する構成であってもよい。

また、本実施形態においては、赤外光による撮影によって、被写体（植物を含む）との距離を表す情報を得る構成について説明したが、植物を含む被写体との距離を表す情報（距離情報）を得る方法は、本実施形態において説明した方法に限定されるものではない。例えば、可視光によって撮影する２つのカメラ装置間の距離に応じた視差を利用して、植物やその他の被写体との距離を表す情報（距離情報）を得る構成であってもよい。

また、本実施形態においては、本発明の環境制御システム１を、温室で栽培する植物の栽培環境の制御に利用した場合について説明した。しかし、本発明の環境制御システム１を、例えば、屋外で栽培する植物の潅水制御に利用することもできる。この場合、例えば、カメラ装置に防水機能を備えることが必要になると考えられる。

また、本実施形態においては、本発明の環境制御システム１を構成する環境制御装置２０の機能が、サーバー装置上で動作する構成について説明した。しかし、環境制御装置２０の機能が動作する構成は、本実施形態において説明した構成に限定されるものではない。例えば、環境制御装置２０の機能をカメラ装置１０に備えた構成であってもよく、いずれかの環境調節装置３０に備える構成であってもよい。

以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

１・・・環境制御システム
１０・・・カメラ装置（距離画像取得手段）
２０・・・環境制御装置（環境制御手段）
２１０・・・画像取得部（環境制御手段）
２２０・・・植物高さ検出部（環境制御手段）
２２１・・・茎頂部位置検出部（環境制御手段，茎頂部位置検出部）
２２２・・・植物高さ算出部（環境制御手段，植物高さ算出部）
２３０・・・栽培環境調節部（環境制御手段，栽培環境調節部）
３０・・・環境調節装置（環境調節手段）
３１・・・暖房機（環境調節手段）
３２・・・天窓制御装置（環境調節手段）
３２１・・・天窓（環境調節手段）
３３・・・カーテン制御装置（環境調節手段）
３３１・・・カーテン（環境調節手段）
３４・・・潅水制御装置（環境調節手段）
３５・・・液肥混入器（環境調節手段）
４０・・・環境センサ
４１・・・温湿度センサ
４２・・・日射センサ
１００・・・植物（作物）

Claims (6)

1. 植物を上方から撮影し、該撮影した前記植物を含む被写体との距離を表す距離情報が関連付けられた距離画像を出力する距離画像取得手段と、
   前記植物を栽培する環境を調節する環境調節手段と、
   前記距離画像に基づいて前記植物の高さを検出し、検出した前記植物の高さに基づいて、前記環境調節手段を制御する環境制御手段と、
   を備えることを特徴とする植物栽培用の環境制御システム。
2. 前記環境制御手段は、
   前記距離画像に含まれる前記距離画像取得手段と前記植物との距離を表す前記距離情報に基づいて前記植物の茎頂部の位置を検出し、該検出した前記植物の茎頂部の位置を表す茎頂部位置情報を出力する茎頂部位置検出部と、
   前記距離画像に含まれる前記距離画像取得手段と前記植物との距離を表す前記距離情報、および前記茎頂部位置情報に基づいて前記植物の高さを算出し、該算出した前記植物の高さを表す植物高さ情報を出力する植物高さ算出部と、
   前記植物高さ情報に基づいて、前記植物を栽培する環境の調節量を決定し、該決定した調節量に基づいて前記環境調節手段を制御する栽培環境調節部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の植物栽培用の環境制御システム。
3. 前記距離画像は、
   それぞれの画素毎、または予め定めた組み合わせの複数の画素毎に、前記距離情報が関連付けられている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の植物栽培用の環境制御システム。
4. 前記茎頂部位置検出部は、
   前記距離画像に含まれる前記植物の領域内において前記距離情報の値が最も高い値を示している前記画素、または予め定めた組み合わせの複数の画素の領域を、前記植物の茎頂部の位置として検出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の植物栽培用の環境制御システム。
5. 前記植物高さ算出部は、
   前記距離画像取得手段が設置されている高さの情報と、前記茎頂部位置情報で表された前記植物の茎頂部の位置の前記画素、または予め定めた組み合わせの複数の画素の領域の前記距離情報との差分を前記植物の高さとして算出する、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の植物栽培用の環境制御システム。
6. 前記栽培環境調節部は、
   前記植物の高さと前記植物の生育特性とに基づいて予め設定された前記植物の栽培環境の調整値を、前記植物高さ情報に基づいて選択し、前記栽培環境が該選択した調整値になるように前記環境調節手段を制御する、
   ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１の項に記載の植物栽培用の環境制御システム。