JP6455794B2 - 水分量観察装置、水分量観察方法および栽培装置 - Google Patents

水分量観察装置、水分量観察方法および栽培装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6455794B2
JP6455794B2 JP2018516086A JP2018516086A JP6455794B2 JP 6455794 B2 JP6455794 B2 JP 6455794B2 JP 2018516086 A JP2018516086 A JP 2018516086A JP 2018516086 A JP2018516086 A JP 2018516086A JP 6455794 B2 JP6455794 B2 JP 6455794B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
moisture
leaf
plant
observation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018516086A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017208765A1 (ja
Inventor
藤山 毅
毅 藤山
祐二 寺島
祐二 寺島
久裕 田中
久裕 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JPWO2017208765A1 publication Critical patent/JPWO2017208765A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6455794B2 publication Critical patent/JP6455794B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3554Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G27/00Self-acting watering devices, e.g. for flower-pots
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G27/00Self-acting watering devices, e.g. for flower-pots
    • A01G27/003Controls for self-acting watering devices
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G7/00Botany in general
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G7/00Botany in general
    • A01G7/04Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth
    • A01G7/045Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth with electric lighting
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274Calibration, base line adjustment, drift correction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/359Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/0002Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0004Industrial image inspection
    • G06T7/001Industrial image inspection using an image reference approach
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N2021/8466Investigation of vegetal material, e.g. leaves, plants, fruits
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10Image acquisition modality
    • G06T2207/10048Infrared image
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30181Earth observation
    • G06T2207/30188Vegetation; Agriculture

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

本開示は、植物に含まれる水分量を観察する水分量観察装置、水分量観察方法、及び栽培装置に関する。
正常な植物では細胞の内外に電位差が存在し、起電力が発生することが知られている。このような起電力が発生することのメカニズムは、例えば高等植物の軸性器官の電気生理学的モデルに基づいて説明が可能である。特に、根と土壌との間の起電力を利用して、植物の根の状態(例えば水ストレス)を非破壊的に調べる方法が各種提案されている。
上記方法を利用して植物における水ストレスを測定する先行技術として、例えば特許文献1が知られている。特許文献1では、植物に第1の非分極性電極が接続され、植物が植生されている土壌に第2の非分極性電極が接続され、これら2つの非分極性電極間に電位差計が設けられ、この電位差計によって両非分極性電極間の起電力が測定されたことによって植物が受けている水ストレスが測定可能となる。
このような視差補正に関するものとして、エッジや特徴量に基づくブロックマッチングにより、2つのカメラの各撮像画像に現れる被写体の像の位置関係を取得して、この情報に基づいて画像を変形させる視差補正を行う技術が知られている(特許文献1参照)。特にこの技術では、視差補正時の画像の変形度合いを規定するスティッチングポイントをフレームごとに変化させて、フレームごとに適切な合成画像を生成するようにしている。
ところで、植物に含まれる水分量を有意義に測定するための指標として、例えば育成過程における水ストレスの時系列の推移を観察者(例えば農夫等のユーザ)に対して定量的かつ視覚的に提示することが望まれている。植物(例えばトマト等の野菜)を栽培する農家では、トマトの価値(つまり、単価)を向上するために、例えばトマトの糖度を向上させることが考えられるが、糖度を増すためにはどのようなタイミングでどの程度の灌水を行えば良いのかは、農夫の過去の経験や勘等、人為的な取り決めに起因するところが大きかった。水ストレスがどれだけトマトにかかっているかは、そのトマトの糖度を向上させるための灌水タイミングを把握する上で、ある程度正確に予測することが求められる。
一般的に、トマト等の果実の糖度を上げることは、品質の向上に繋がって単価も上昇する。しかし、その反面、トマト等の果実の育成が容易ではないため、歩留まりが下がって生産量が減少するという側面が強い。つまり、果実の高機能化と歩留まりとは、トレードオフの関係にある。今後、歩留まりを向上させて生産性を高めることが期待されている。
本開示は、水と同等の化学的性質を有する外部標準サンプルを用い、植物に含まれる水分量を高確度で推定し、その水分量の時系列の推移をユーザに対して定量的かつ視覚的に提示し、植物への灌水のタイミングを早期に教示することを目的とする。
日本特許公開2001−272373号公報
本開示の水分量観察装置は、植物の観察部位と、前記植物の観察部位の含水量を導出するための基準として用いられる少なくとも一つの試料との背面を覆う背景物に対向して配置され、水分に吸収され難い特性を有する参照光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第1光源と、水分に吸収され易い特性を有する測定光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第2光源と、一定の測定期間において、前記観察部位及び前記試料において反射された前記参照光の各反射光と前記観察部位及び前記試料において反射された前記測定光の各反射光とを基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出する水分量導出部と、前記水分量導出部により導出された、前記測定期間における前記観察部位に含まれる水分量の時系列の推移を表示部に表示する制御部と、を備える。
また、本開示の栽培装置は、植物の観察部位の背面を覆う背景物に対向して配置される水分量観察装置と、栽培制御部と、を備える栽培装置であって、前記水分量観察装置は、水分に吸収され難い特性を有する参照光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第1光源と、水分に吸収され易い特性を有する測定光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第2光源と、一定の測定期間において、前記観察部位において反射された前記参照光の反射光と前記観察部位において反射された前記測定光の反射光とを基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出する水分量導出部と、前記水分量導出部により導出された、前記測定期間における前記観察部位に含まれる水分量の時系列の推移を表示部に表示する制御部と、を備え、前記制御部は、前記参照光の照射周期と前記測定光の照射周期との間に未照射期間を設けるように前記参照光及び前記測定光の照射タイミングを制御し、前記水分量導出部は、前記観察部位において反射された前記参照光の反射光から、前記未照射期間に受光された太陽光のうち前記参照光と同じ波長成分を減算し、前記観察部位において反射された前記測定光の反射光から、前記未照射期間に受光された太陽光のうち前記測定光と同じ波長成分とを減算し、減算後の各反射光を基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出し、前記栽培制御部は、前記測定期間のうち一部の期間において前記水分量導出部により算出された前記水分量の時系列の推移に基づいて、所定量の水分を前記植物に灌水する。
また、本開示の水分量観察方法は、第1光源及び第2光源を有する水分量観察装置における水分量観察方法であって、水分量観察装置は、植物の観察部位と、植物の観察部位の含水量を導出するための基準として用いられる少なくとも一つの試料との背面を覆う背景物に対向して配置され、第1光源が、水分に吸収され難い特性を有する参照光を背景物に向けて順次走査しながら照射し、第2光源が、水分に吸収され易い特性を有する測定光を背景物に向けて順次走査しながら照射し、一定の測定期間において、観察部位及び試料において反射された参照光の各反射光と観察部位及び試料において反射された測定光の各反射光とを基に、観察部位に含まれる水分量を導出し、測定期間における観察部位に含まれる水分量の時系列の推移を表示部に表示する。
本開示によれば、水と同等の化学的性質を有する外部標準サンプルを用い、植物に含まれる水分量を高確度で推定し、その水分量の時系列の推移をユーザに対して定量的かつ視覚的に提示し、植物への灌水のタイミングの早期に教示することができる。
図1は、第1の実施形態における植物検知カメラの使用状況の一例を示す概念説明図である。 図2は、植物検知カメラの内部構成の一例を詳細に示すブロック図である。 図3は、植物検知カメラの画像判定部の内部構成の一例を詳細に示す図である。 図4は、植物検知カメラの制御部における初期設定動作の一例を説明するフローチャートである。 図5は、非可視光センサにおける水分の検知の原理説明図である。 図6は、水(H2O)に対する近赤外光の分光特性の一例を示すグラフである。 図7は、非可視光センサにおける植物の葉に含まれる水分の検知に関する詳細な動作手順の一例を説明するフローチャートである。 図8は、ステップS18−5における水分指数の算出手順の一例を説明するフローチャートである。 図9は、比較例の測定方法の一例を説明する図である。 図10Aは、屋外において葉に向かって近赤外光を照射した際、近赤外光の波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。 図10Bは、屋内及び屋外において白色背景板bdが設置された葉に向かって近赤外光を照射した際、近赤外光の波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。 図11は、白色背景板への葉の取り付け方の一例の説明図である。 図12は、第1回目の水ポテンシャル制御実験における標準化画素平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図13は、第2回目の水ポテンシャル制御実験における標準化画素平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図14は、灌水量と灌水タイミングの一例を説明するグラフである。 図15は、第1の実施形態における最適灌水量探索手順の一例を説明するフローチャートである。 図16は、水ポテンシャル制御に関するユーザインタフェース(UI)画面の一例を示す図である。 図17は、UI画面にポップアップ表示された探索灌水量入力画面の一例を示す図である。 図18は、第1の実施形態の水ストレス制御(栽培制御)手順の一例を説明するフローチャートである。 図19Aは、水ストレスプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図19Bは、水ストレスプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図19Cは、水ストレスプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図19Dは、水ストレスプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図20は、第1の実施形態の変形例1における最適灌水量探索手順の一例を説明するフローチャートである。 図21Aは、第2の実施形態の植物検知カメラによって撮像される、測定対象の葉の含水率を表す画像を示し、かつ位置ズレ前の葉の画像の一例を示す図である。 図21Bは、第2の実施形態の植物検知カメラによって撮像される、測定対象の葉の含水率を表す画像を示し、かつ位置ズレ後の葉の画像の一例を示す図である。 図22は、位置ズレが起きた場合の水ポテンシャル制御実験における標準化画素平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図23は、位置ズレ補正前後の標準化画素平均水分指数の一例を時系列に示すテーブルを示す図である。 図24は、第2の実施形態における位置ズレ補正手順の一例を説明するフローチャートである。 図25Aは、第2の実施形態の変形例1における位置ズレを検知するために用いられる白色背景板を示す図であり、かつ白色背景板の正面図である。 図25Bは、第2の実施形態の変形例1における位置ズレを検知するために用いられる白色背景板を示す図を示し、かつ図25Aに示す白色背景板の側面図である。 図26は、第2の実施形態の変形例2における白色背景板と植物検知カメラとの機械的な配置の一例を説明する図である。 図27Aは、トマトの茎葉を撮像したフレーム画像を示す図である。 図27Bは、図27Aの可視光画像に対し、撮影距離3m、閾値を0.05に設定した場合に求められた葉の占有空間を示す図である。 図27Cは、図27Aの可視光画像に対し、撮影距離1m、閾値を0.3に設定した場合に求められた葉の占有空間を示す図である。 図28は、閾値設定手順の一例を説明するフローチャートである。 図29は、全画素における反射強度比の度数分布を示すグラフである。 図30は、第3の実施形態のトマトの葉(本葉)の含水率の測定状況の一例を示す説明図である。 図31は、図30の測定状況に対応した本葉と造葉の水分量の分布の一例を示す可視光画像データの図である。 図32は、フルクトース(果糖)に対する近赤外光の分光特性の一例を示すグラフである。 図33は、6種類の造葉の反射強度比と含水率との相関関係を示すグラフである。 図34は、外光が降り注ぐ実験室の窓際付近で測定した本葉と造葉の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図35は、図34に示す平均水分指数の時間変化に対し、フルクトース16%含有の造葉における平均水分指数のある時点の測定値を基にベースライン補正した後の、本葉と造葉の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図36は、図34に示す造葉の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図37は、外光の影響を受けにくい実験室の内側で測定した造葉の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。 図38は、最終測定時刻における本葉の含水率を基に算出された造葉の相対含水率を用いて算出された本葉の相対含水率の時間変化の一例を示すグラフである。 図39は、第3の実施形態の本葉の反射強度比の測定中における、本葉の相対含水率の算出手順の一例を説明するフローチャートである。 図40は、ステップS119で使用される、2種類の造葉の反射強度比を用いた補間法の説明図である。 図41Aは、本葉と造葉の白色背景板に対する取り付けの第1変形例を示す図である。 図41Bは、本葉と造葉の白色背景板に対する取り付けの第1変形例を示す図である。 図42Aは、本葉と造葉の白色背景板に対する取り付けの第2変形例を示す図である。 図42Bは、本葉と造葉の白色背景板に対する取り付けの第2変形例を示す図である。 図43Aは、屋外において本葉に向かって905nm、1550nmの各近赤外レーザ光を照射した際、近赤外レーザ光の各波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。 図43Bは、屋外において白色背景板bdが設置された本葉に向かって905nm、1550nmの各近赤外レーザ光を照射した際、近赤外レーザ光の各波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。 図43Cは、本葉の水分量を正確に算出する上で本来必要な、905nm、1550nmの各近赤外レーザ光に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。 図44Aは、屋外での白色背景板設置時における、時刻T1での太陽光の影響に基づく反射光の強度のバックグラウンド上昇分の変化の一例を示すグラフである。 図44Bは、屋外での白色背景板設置時における、時刻T2での太陽光の影響に基づく反射光の強度のバックグラウンド上昇分の変化の一例を示すグラフである。 図44Cは、屋外での白色背景板設置時における、時刻T3での太陽光の影響に基づく反射光の強度のバックグラウンド上昇分の変化の一例を示すグラフである。 図45は、太陽光の影響に基づく反射光の強度を測定するために有用と考えられる、905nm、1550nmの近赤外レーザ光の照射タイミングの一例を示す説明図である。
以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係る水分量観察装置、栽培装置及び水分量観察方法を具体的に開示した各実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
(第1の実施形態)
本実施形態の水分量観察装置の一例として、図1に示す植物検知カメラ1を例示して説明する。また、本実施形態の栽培装置は、図1に示す植物検知カメラ1と、肥料(例えば液肥、つまり液体肥料)を供給したり所定量の水分を植物に灌水したりする栽培制御部の一例としての肥料水供給装置WFと、ユーザインタフェース(User Interface)画面60(図16参照)等を表示する表示部の一例としてのモニタ50とを含む構成である。また、本開示は、植物検知カメラ1が行う各処理を実行する水分量観察方法として表現することも可能である。本実施形態の植物検知カメラ1は、植物の水分の有無の分布状態を検知できる。
ここで、本実施形態の植物検知カメラ1の観察対象は植物とし、より具体的な例を挙げるとすると果菜類を例示して説明する。例えばトマト等の果菜類の生育においては、トマトの果実の糖度を増すためには、根及び葉の水分や肥料が光合成において適量に消化された結果、十分に水分や肥料が供給された状態ではなく、水分や肥料が不足状態になることが必要であることが知られている。例えば葉に十分な水分が供給されていれば、葉は健全な状態として平坦な形状となる。一方、葉への水分が相当に不足していると、葉の形状が反る。一方、土壌への肥料が相当に不足していると、葉が黄色くなる等の症状が発生する。
以下の本実施形態では、植物検知カメラ1は、植物(例えば葉)に波長の異なる複数種類の近赤外レーザ光を照射し、葉の照射位置において反射したそれぞれの拡散反射光の強度比を基に、葉の水分を検知する。なお、本実施形態では、植物の葉を測定対象としたが、葉に限らず、実、茎、花等の他の部位であってもよい。このことは第2の実施形態以降においても同様である。
(植物検知カメラの概要)
図1は、第1の実施形態における植物検知カメラ1の使用状況の一例を示す概念説明図である。植物検知カメラ1は、例えばトマト等の果菜類が植生されているビニールハウス内の定点に設置される。具体的には、植物検知カメラ1は、例えば地面から鉛直上方向に立伸している円柱状の支柱MT1を挟むように取り付けられた取付冶具ZGに固定された基台BS上に設置されている。植物検知カメラ1は、支柱MT1に取り付けられた電源スイッチPWSから電源が供給されて動作し、観察対象の植物PTに向けて波長の異なる複数種類のレーザ光である参照光LS1,測定光LS2を照射範囲RNGにわたって照射する。
植物PTは、例えばトマト等の果菜類の植物であり、土台BB上に設置された養土ポットSLPに充填された養土SLから根を生やしており、幹PT1、茎PT2、葉PT3、果実PT4、花PT5をそれぞれ有する。土台BB上には、肥料水供給装置WFが設置されている。肥料水供給装置WFは、LAN(Local Area Network)ケーブルLCB2を介して接続された無線通信システムRFSYからの指示により、例えばケーブルWLを介して水を養土ポットSLPに供給する。これにより、養土SLに水が供給されることになるので、植物PTの根が水分を吸収し、植物PT内の各部(つまり、幹PT1、茎PT2、葉PT3、果実PT4、花PT5)に水分が供給される。
また、植物検知カメラ1は、参照光LS1,測定光LS2が照射された植物PTの照射位置において反射した拡散反射光RV1,RV2を受光し、更に、環境光RV0も受光する。後述するように、植物検知カメラ1は、通常のカメラ機能を同時に有してもよく、環境光RV0の入光によって既定の画角内の画像(つまり、図1に示すビニールハウス内の植物PTの可視光画像)を撮像可能である。植物検知カメラ1は、拡散反射光RV1,RV2を基にした各種の検知結果(後述参照)や画像データを含む出力データをデータロガーDLに出力する。
データロガーDLは、植物検知カメラ1からの出力データを、LANケーブルLCB1及び無線通信システムRFSYを介して、ビニールハウスとは地理的に離れた位置にある事務所内制御室の管理PC(Personal Computer)に送信する。無線通信システムRFSYは、特に通信仕様は限定されないが、ビニールハウス内のデータロガーDLと事務所内制御室内の管理PCとの間の通信を制御し、更に、養土ポットSLPへの水や肥料の供給に関する管理PCからの指示を肥料水供給装置WFに送信する。
事務所内制御室内の管理PCにはモニタ50が接続され、管理PCは、データロガーDLから送信された植物検知カメラ1の出力データをモニタ50に表示する。図1では、モニタ50は、例えば観察対象の植物PTの全体と、植物PT全体の水分の有無に関する分布状態とを表示している。また、モニタ50は、植物PTの全体のうち特定の指定箇所(つまり、管理PCを使用する観察者のズーム操作によって指定された指定箇所ZM)の拡大分布状態とその指定箇所に対応する画像データとを生成して対比可能に表示している。また、表示部の一例としてのモニタ50は、後述する葉中水分モニタリング画面Gm1(図16参照)を含むUI画面60を表示する。
植物検知カメラ1は、例えば非可視光センサNVSSだけの構成でもよいし、又は可視光カメラVSCと非可視光センサNVSSとを含む構成であってもよい。ここでは、植物検知カメラ1が可視光カメラVSCと非可視光センサNVSSの両方を有する場合について説明する。可視光カメラVSC(取得部)は、例えば既存の監視カメラと同様に、所定の波長(例えば0.4〜0.7μm)を有する可視光に対する環境光RV0を用いて、ビニールハウス内の植物PTを撮像する。以下、可視光カメラVSCにより撮像された植物の画像データを、「可視光カメラ画像データ」という。
非可視光センサNVSSは、可視光カメラVSCと同一の植物PTに対し、複数種類の波長(後述参照)を有する非可視光(例えば赤外光)である参照光LS1,測定光LS2を投射する。非可視光センサNVSSは、参照光LS1,測定光LS2が照射された植物PTの照射位置において反射した拡散反射光RV1,RV2の強度比を用いて、観察対象である植物PTの照射位置における水分の有無を検知する。
また、植物検知カメラ1は、可視光カメラVSCが撮像した可視光カメラ画像データに、非可視光センサNVSSの水分の検知結果に相当する出力画像データ(以下、「検知結果画像データ」という)又は検知結果画像データに関する情報を合成した表示データを生成して出力する。表示データは、検知結果画像データと可視光カメラ画像データとが合成された画像データに限定されず、例えば検知結果画像データと可視光カメラ画像データとが対比可能に生成された画像データでもよい。植物検知カメラ1からの表示データの出力先は、例えばネットワークを介して植物検知カメラ1に接続された外部接続機器であり、データロガーDL又は通信端末MTである(図2参照)。このネットワークは、有線ネットワーク(例えばイントラネット、インターネット)でも良いし、無線ネットワーク(例えば無線LAN)でもよい。
(植物検知カメラの各部の説明)
図2は、植物検知カメラ1の内部構成の一例を詳細に示すブロック図である。図2に示す植物検知カメラ1は、非可視光センサNVSSと、可視光カメラVSCとを含む構成である。非可視光センサNVSSは、制御部11と、投射部PJと、画像判定部JGとを含む構成である。投射部PJは、第1投射光源13と、第2投射光源15と、投射光源走査用光学部17とを有する。画像判定部JGは、撮像光学部21と、受光部23と、信号加工部25と、検知処理部27と、表示処理部29とを有する。可視光カメラVSCは、撮像光学部31と、受光部33と、撮像信号処理部35と、表示制御部37とを有する。通信端末MTは、ユーザ(例えばトマト等の果菜類の植物PTの生育の観察者。以下同様。)により携帯される。
植物検知カメラ1の各部の説明では、制御部11、非可視光センサNVSS、可視光カメラVSCの順に説明する。
制御部11は、例えばCPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)又はDSP(Digital Signal Processor)を用いて構成され、可視光カメラVSCや非可視光センサNVSSの各部の動作制御を全体的に統括するための信号処理、他の各部との間のデータの入出力処理、データの演算処理及びデータの記憶処理を行う。また、制御部11は、後述するタイミング制御部11aを含む(図3参照)。
制御部11は、非可視光センサNVSSの検知対象となる植物PTの検知閾値Mを後述する検知処理部27に設定する。制御部11の動作の詳細については、図4を参照して後述する。
タイミング制御部11aは、投射部PJにおける第1投射光源13及び第2投射光源15の投射タイミングを制御する。具体的には、タイミング制御部11aは、第1投射光源13及び第2投射光源15に投射光を投射させる場合に、光源走査用タイミング信号TRを第1投射光源13及び第2投射光源15に出力する。
また、タイミング制御部11aは、所定の投射周期の開始時に、光源発光信号RFを第1投射光源13又は第2投射光源15に交互に出力する。具体的には、タイミング制御部11aは、奇数番目の投射周期の開始時に光源発光信号RFを第1投射光源13に出力し、偶数番目の投射周期の開始時に光源発光信号RFを第2投射光源15に出力する。
次に、非可視光センサNVSSの各部について説明する。
第1光源の一例としての第1投射光源13は、制御部11のタイミング制御部11aから光源走査用タイミング信号TRを受けると、奇数番目の投射周期(既定値)毎に、タイミング制御部11aからの光源発光信号RFに応じて、所定の波長(例えば905nm)を有する非可視光のレーザ光である参照光LS1(例えば近赤外光)を、投射光源走査用光学部17を介して、植物PTに投射する。
なお、植物PTにおける水分の検知の有無は、所定の検知閾値Mと比較することで判断してもよい。この検知閾値Mは、予め決められた値でもよく、任意に設定された値でもよく、更に、水分が無い状態で取得された拡散反射光の強度を基にした値(例えば水が無い状態で取得された拡散反射光の強度の値に所定のマージンが加算された値)でもよい。即ち、水分の検知の有無は、水分が無い状態で取得された検知結果画像データと、その後取得された検知結果画像データとを比較することで、判断されてもよい。このように、水分が無い状態における拡散反射光の強度を取得しておくことで、水分の有無の検知閾値Mとして、植物検知カメラ1の設置された環境に適する閾値を設定することができる。
第2光源の一例としての第2投射光源15は、制御部11のタイミング制御部11aから光源走査用タイミング信号TRを受けると、偶数番目の投射周期(既定値)毎に、タイミング制御部11aからの光源発光信号RFに応じて、所定の波長(例えば1550nm)を有する非可視光のレーザ光である測定光LS2(例えば赤外光)を、投射光源走査用光学部17を介して、植物PTに投射する。本実施形態では、第2投射光源15から投射される測定光LS2は、植物PTにおける水分の検知の有無の判定に用いられる。測定光LS2の波長1550nmは、水分に吸収され易い特性を有する波長である(図6参照)。
更に、植物検知カメラ1は、植物PTの照射位置における水分を検知するための参照データとして参照光LS1の拡散反射光RV1を用い、測定光LS2が照射された植物PTの照射位置における拡散反射光RV2と、参照光LS1の拡散反射光RV1とを用いて、参照光LS1及び測定光LS2が照射された植物PTの照射位置における水分の有無を検知する。従って、植物検知カメラ1は、植物PTにおける水分の検知に異なる2種類の波長の参照光LS1,測定光LS2及びそれらの拡散反射光RV1,RV2を用いることで、植物PTの水分を高精度に検知できる。
投射光源走査用光学部17は、非可視光センサNVSSにおける検知エリアに存在する植物PTに対し、第1投射光源13から投射される参照光LS1又は第2投射光源15から投射される測定光LS2を2次元的に走査する。これにより、植物検知カメラ1は、測定光LS2が植物PTの照射位置において反射した拡散反射光RV2と上述した拡散反射光RV1とを基に、参照光LS1及び測定光LS2が照射される植物PTの照射位置における水分の有無を検知できる。
次に、画像判定部JGの内部構成について、図2及び図3を参照して詳細に説明する。図3は、植物検知カメラ1の画像判定部JGの内部構成の一例を詳細に示す図である。
撮像光学部21は、例えばレンズを用いて構成され、植物検知カメラ1の外部から入射する光(例えば拡散反射光RV1又は拡散反射光RV2)を集光し、拡散反射光RV1又は拡散反射光RV2を受光部23の所定の撮像面に結像させる。
受光部23は、参照光LS1及び測定光LS2の両方の波長に対する分光感度のピークを有するイメージセンサである。受光部23は、撮像面に結像した拡散反射光RV1又は拡散反射光RV2の光学像を電気信号に変換する。受光部23の出力は、電気信号(電流信号)として信号加工部25に入力される。なお、撮像光学部21及び受光部23は、非可視光センサNVSSにおける撮像部としての機能を有する。
信号加工部25は、I/V変換回路25aと、増幅回路25bと、コンパレータ/ピークホールド処理部25cとを有する。I/V変換回路25aは、受光部23の出力信号(アナログ信号)である電流信号を電圧信号に変換する。増幅回路25bは、I/V変換回路25aの出力信号(アナログ信号)である電圧信号のレベルを、コンパレータ/ピークホールド処理部25cにおいて処理可能なレベルまで増幅する。
コンパレータ/ピークホールド処理部25cは、増幅回路25bの出力信号(アナログ信号)と所定の閾値との比較結果に応じて、増幅回路25bの出力信号を2値化して閾値設定/水分指数検知処理部27aに出力する。また、コンパレータ/ピークホールド処理部25cは、ADC(Analog Digital Converter)を含み、増幅回路25bの出力信号(アナログ信号)のAD(Analog Digital)変換結果のピークを検知して保持し、更に、ピークの情報を閾値設定/水分指数検知処理部27aに出力する。
検知処理部27は、閾値設定/水分指数検知処理部27aと、メモリ27bと、検知結果フィルタ処理部27cとを有する。閾値設定/水分指数検知処理部27a(閾値保持部)は、予め度数分布データを作成して登録する。度数分布データは、1フレーム画像の全画素における反射強度比(水分指数)の度数分布を示す。閾値設定/水分指数検知処理部27a(閾値算出部)は、後述するように、この度数分布データを用いて、葉の形状を識別するための反射強度比の閾値Shを算出して設定する。
また、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、参照光LS1の拡散反射光RV1におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)と、測定光LS2の拡散反射光RV2におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)とを基に、植物PTの参照光LS1及び測定光LS2の照射位置における水分の有無を検知する。
具体的には、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、例えば参照光LS1の拡散反射光RV1におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)をメモリ27bに一時的に保存し、次に、測定光LS2の拡散反射光RV2におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)が得られるまで待機する。閾値設定/水分指数検知処理部27aは、測定光LS2の拡散反射光RV2におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)が得られた後、メモリ27bを参照して、画角内に含まれる植物PTの同一ラインにおける参照光LS1の拡散反射光RV1におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)と、測定光LS2の拡散反射光RV2におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)との比を算出する。
例えば水分が存在する照射位置では、測定光LS2の一部が吸収され易いので、拡散反射光RV2の強度(つまり、振幅)が減衰する。従って、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、画角内に含まれる植物PTのライン毎の算出結果(例えば拡散反射光RV1と拡散反射光RV2の各強度の差分(振幅の差分ΔV)の算出結果、又は拡散反射光RV1と拡散反射光RV2の強度比)を基に、参照光LS1及び測定光LS2の照射位置における水分の有無を検知することができる。
なお、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、参照光LS1の拡散反射光RV1の振幅VAと、測定光LS2の拡散反射光RV2の振幅VBとの振幅差分(VA−VB)と振幅VAとの比RTと所定の検知閾値Mとの大小の比較に応じて、植物PTの参照光LS1及び測定光LS2の照射位置における水分の有無を検知しても良い(図5参照)。
更に、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、拡散反射光RV1と拡散反射光RV2の強度比、つまり反射強度比(測定値ともいう)Ln(I905/I1550)を算出し、この反射強度比Ln(I905/I1550)の総和から葉に含まれる水分量に相当する水分指数を得る。反射強度比Ln(I905/I1550)は、可視光カメラVSCで撮像されるフレーム画像における全画素において、例えば所定の画素数(4×4画素)毎に算出され、所定の画素数毎に反射強度比W1〜Wkとして表現される。
メモリ27bは、例えばRAM(Random Access Memory)を用いて構成され、参照光LS1の拡散反射光RV1におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)を一時的に保存する。
検知結果フィルタ処理部27cは、閾値設定/水分指数検知処理部27aの出力を基に、植物検知カメラ1からの水分の検知結果に関する情報をフィルタリングして抽出する。検知結果フィルタ処理部27cは、抽出結果に関する情報を表示処理部29に出力する。例えば検知結果フィルタ処理部27cは、植物PTの参照光LS1及び測定光LS2の照射位置における水分の検知結果に関する情報を表示処理部29に出力する。
表示処理部29は、検知結果フィルタ処理部27cの出力を用いて、照射位置における水分に関する情報の一例として、植物検知カメラ1からの距離毎の照射位置における水分の位置を示す検知結果画像データを生成する。表示処理部29は、植物検知カメラ1から照射位置までの距離の情報を含む検知結果画像データを可視光カメラVSCの表示制御部37に出力する。
次に、可視光カメラVSCの各部について説明する。撮像光学部31は、例えばレンズを用いて構成され、植物検知カメラ1の画角内からの環境光RV0を集光し、環境光RV0を受光部33の所定の撮像面に結像させる。
受光部33は、可視光の波長(例えば0.4μm〜0.7μm)に対する分光感度のピークを有するイメージセンサである。受光部33は、撮像面に結像した光学像を電気信号に変換する。受光部33の出力は、電気信号として撮像信号処理部35に入力される。なお、撮像光学部31及び受光部33は、可視光カメラVSCにおける撮像部としての機能を有する。
撮像信号処理部35は、受光部33の出力である電気信号を用いて、人が認識可能なRGB(Red Green Blue)又はYUV(輝度・色差)等により規定される可視光画像データを生成する。これにより、可視光カメラVSCにより撮像された可視光画像データが形成される。撮像信号処理部35は、可視光画像データを表示制御部37に出力する。
表示制御部37は、撮像信号処理部35から出力された可視光画像データと、表示処理部29から出力された検知結果画像データとを用いて、水分が可視光画像データのいずれかの位置で検知された場合に、水分に関する情報の一例として、可視光画像データと検知結果画像データとを合成した表示データ、又は可視光画像データと検知結果画像データとを対比可能に表した表示データを生成する。表示制御部37(出力部)は、表示データを、例えばネットワークを介して接続されたデータロガーDL又は通信端末MTに送信して表示を促す。
データロガーDLは、表示制御部37から出力された表示データを通信端末MT又は1つ以上の外部接続機器に送信し、通信端末MT又は1つ以上の外部接続機器(例えば図1に示す事務所内制御室内のモニタ50)の表示画面における表示データの表示を促す。
通信端末MTは、例えばユーザ個人が用いる携帯用の通信用端末であり、ネットワークを介して、表示制御部37から送信された表示データを受信し、通信端末MTの表示画面に表示データを表示させる。
(非可視光センサの制御部における初期動作の一例の説明)
次に、本実施形態の植物検知カメラ1の非可視光センサNVSSの制御部11における初期動作の一例について、図4を参照して説明する。図4は、植物検知カメラ1の制御部11における初期設定動作の一例を説明するフローチャートである。
制御部11が、閾値設定/水分指数検知処理部27aに対し、葉の形状を識別するための反射強度比の閾値Shの設定を指示すると、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、閾値Shを算出して設定する(S1)。この閾値Shを設定する処理の詳細については、例えば図27〜図29を参照して後述する。なお、閾値Shが固定値である場合、ステップS1の処理は省略可能である。
また、制御部11は、非可視光センサNVSSの検知処理部27における水分の検知閾値Mを閾値設定/水分指数検知処理部27aに設定する(S2)。検知閾値Mは、検知対象となる特定の物質に応じて適宜設けられることが好ましい。
ステップS2の処理後、制御部11は、撮像処理を開始させるための制御信号を可視光カメラVSCの各部に出力する(S3−1)。更に、制御部11は、第1投射光源13又は第2投射光源15に参照光LS1又は測定光LS2の投射を開始させるための光源走査用タイミング信号TRを非可視光センサNVSSの第1投射光源13及び第2投射光源15に出力する(S3−2)。なお、ステップS3−1の動作とステップS3−2の動作との実行タイミングはどちらが先でもよく、同時でもよい。
図5は、非可視光センサNVSSにおける水分の検知の原理説明図である。閾値設定/水分指数検知処理部27aは、例えばRT>Mであれば水分を検知したと判定し、RT≦Mであれば水分を検知しないと判定する。このように、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、振幅差分(VA−VB)と振幅VAとの比RTと検知閾値Mとの比較結果に応じて、水分の有無を検知することで、ノイズ(例えば外乱光)の影響を排除でき、水分の有無を高精度に検知することができる。
図6は、水(HO)に対する近赤外光の分光特性の一例を示すグラフである。図6の横軸は波長(nm)であり、図6の縦軸は透過率(%)を示す。図6に示すように、波長905nmの参照光LS1は、水(HO)の透過率がほぼ100%に近いため、水分に吸収され難い特性を有することがわかる(図6のref.参照)。同様に、波長1550nmの測定光LS2は、水(HO)の透過率が10%に近いため、水分に吸収され易い特性を有することがわかる(図6のtar.参照)。そこで、本実施形態では、第1投射光源13から投射される参照光LS1の波長を905nm、第2投射光源15から投射される測定光LS2の波長を1550nmとしている。
葉が萎れることで近赤外光の投影範囲が減少する場合、また、葉が反れたり巻いたりすることで葉の厚みが増す場合でも、本実施形態では、葉の全画素における反射強度比の総和の平均(以下、「標準化画素平均水分指数」、「平均水分指数」又は単に「水分指数」と称する)を水分量の指標とする。従って、標準化画素平均水分指数Dwは、「(1/葉の画素数)×ΣLn(I905/I1550)」で表され、水ポテンシャルと強い相関を有する。
(非可視光センサの水分の検知に関する詳細な動作の説明)
次に、植物検知カメラ1の非可視光センサNVSSにおける水分の検知に関する詳細な動作手順について、図7を参照して説明する。図7は、非可視光センサNVSSにおける植物PTの葉PT3に含まれる水分の検知に関する詳細な動作手順の一例を説明するフローチャートである。図7に示すフローチャートの説明の前提として、タイミング制御部11aは、光源走査用タイミング信号TRを第1投射光源13又は第2投射光源15に出力しており、植物検知カメラ1から参照光LS1及び測定光LS2が植物PTの葉PT3に向けて照射される。
図7において、制御部11は、奇数番目の投射周期における光源発光信号RFがタイミング制御部11aから出力されたか否かを判別する(S12)。奇数番目の投射周期における光源発光信号RFがタイミング制御部11aから出力された場合には(S12、YES)、第1投射光源13は、タイミング制御部11aからの光源発光信号RFに応じて、参照光LS1を投射する(S13)。投射光源走査用光学部17は、植物検知カメラ1の画角内に含まれる植物PTのX方向のライン上に参照光LS1を1次元的に走査する(S15)。参照光LS1が照射されたX方向のライン上のそれぞれの照射位置において、参照光LS1が拡散反射したことで生じた拡散反射光RV1が撮像光学部21を介して受光部23により受光される(S16)。
信号加工部25では、拡散反射光RV1の受光部23における出力(電気信号)が電圧信号に変換され、この電圧信号のレベルがコンパレータ/ピークホールド処理部25cにおいて処理可能なレベルまで増幅される(S17)。コンパレータ/ピークホールド処理部25cは、増幅回路25bの出力信号と所定の閾値との比較結果に応じて、増幅回路25bの出力信号を2値化して閾値設定/水分指数検知処理部27aに出力する。コンパレータ/ピークホールド処理部25cは、増幅回路25bの出力信号のピークの情報を閾値設定/水分指数検知処理部27aに出力する。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、参照光LS1の拡散反射光RV1に対するコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)をメモリ27bに一時的に保存する(S18−2)。また、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、メモリ27bに保存された前回のフレーム(投射周期)における参照光LS1又は測定光LS2に対する拡散反射光RV1又は拡散反射光RV2における同一ラインに関するコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力をメモリ27bから読み出す(S18−3)。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、同一ラインにおける参照光LS1の拡散反射光RV1におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)と、測定光LS2の拡散反射光RV2におけるコンパレータ/ピークホールド処理部25cの出力(ピークの情報)と、所定の検知閾値Mとを基に、同ライン上における水分の有無を検知する(S18−4)。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、反射強度比の総和ΣLn(I905/I1550)である水分指数を算出する(S18−5)。この水分指数の算出の詳細については後述する。
表示処理部29は、検知結果フィルタ処理部27cの出力を用いて、水分の検知位置を示す検知結果画像データを生成する。表示制御部37は、表示処理部29で生成された検知結果画像データ、及び可視光カメラVSCで撮像された可視光画像の可視光カメラ画像データを出力する(S19)。ステップS15、S16、S17、S18−2〜S18−5、S19の各動作は、1回のフレーム(投射周期)の検知エリア内のライン毎に実行される。
つまり、1つのX方向のラインに対するステップS15、S16、S17、S18−2〜S18−5、S19の各動作が終了すると、次のX方向のラインに対するステップS15、S16、S17、S18−2〜S18−5、S19の各動作が行われ(S20、NO)、以降、1フレーム分のステップS15、S16、S17、S18−2〜S18−5、S19の各動作が終了するまで、Y方向の走査に関してステップS15、S16、S17、S18−2〜S18−5、S19の各動作が繰り返される。
一方、1フレームの全てのラインに対してステップS15、S16、S17、S18−2〜S18−5、S19の各動作の実行が終了した場合には(S20、YES)、投射光の走査が継続する場合には(S21、YES)、非可視光センサNVSSの動作はステップS12に戻る。一方、参照光LS1及び測定光LS2の走査が継続しない場合には(S21、NO)、非可視光センサNVSSの動作は終了する。
図8は、ステップS18−5における水分指数の算出手順の一例を説明するフローチャートである。閾値設定/水分指数検知処理部27aは、フレーム画像から全画素における反射強度比Ln(I905/I1550)を算出する(S31)。ここで、各画素の反射強度比Ln(I905/I1550)の測定値を反射強度比W1〜Wkで表す。例えば近赤外光の画像が76,800(=320×240)画素から構成される場合、Wkの添え字kは1〜76,800を表す変数である。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、画素毎の反射強度比Wkが葉PT3を識別するための閾値Shより大きいか否かを判別する(S32)。閾値Shの初期値は、経験値として閾値設定/水分指数検知処理部27aにあらかじめ登録されている。経験値は、水分量観察装置の仕様(照射レーザ光の強度、受光素子の感度等)、測定対象の葉の含水率(90%前後)、葉の厚み(例えば200μm)、屋内/屋外等によって決定される。特に、屋外の場合、太陽光の当たり方や葉群としての茂り具合によって変化し、その都度変更される。
例えば経験値として、撮影距離1mの場合、屋内撮影時の閾値Shは約0.3に設定される。屋外撮影時の閾値Shは、約0.9に設定される。また、撮影距離3mの場合、屋内撮影時の閾値Shは約0.05に設定される。これらの閾値Shを初期値として設定し、実際の葉の形状と照らし合わせて、最適であるか否かを判断し、最適でない場合、閾値Shを変更することが好ましい。また、後述するように、閾値Shの算出処理を行い、算出された閾値Shを初期値として登録しておくことも可能である。
ステップS32で、反射強度比Wkが閾値Sh未満である場合、この画素は、葉以外の背景を表す画素であるとして、表示処理部29は、この画素を単色で表示するための単色表示データを生成する(S36)。
一方、ステップS32で反射強度比Wkが閾値Sh以上(閾値以上)である場合、表示処理部29は、この画素を、反射強度比Ln(I905/I1550)に対応する階調色で表示する(S33)。ここでは、反射強度比Ln(I905/I1550)に対応する階調色をn階調で表示可能である。nは任意の正数である。
具体的に、反射強度比Ln(I905/I1550)が0.3未満である場合、つまり、葉の閾値Sh以下である場合、その画素は、例えば白色(単色)で表示される。一方、反射強度比Ln(I905/I1550)が0.3以上0.4未満である場合、その画素は例えば深緑色で表示される。同様に、0.4以上0.5未満である場合、その画素は緑色で表示される。0.5以上0.55未満である場合、その画素は黄色で表示される。0.55以上0.6未満である場合、その画素はオレンジ色で表示される。0.6以上0.75未満である場合、その画素は赤色で表示される。0.75以上である場合、その画素は紫色で表示される。このように、葉に属する画素の色は、6諧調のいずれかに設定される。
なお、実際の葉の形状と照らし合わせて、葉が占有している画素空間が適切でない場合、ユーザが閾値Shを所定刻み(例えば0.01)毎にアップ又はダウンするように設定してもよい。或いは、ユーザが後述する閾値Shを自動設定する処理を起動させて適切な閾値Shを設定してもよい。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、葉が占有している画素空間として任意のエリアを特定する(S34)。葉の画素は、反射強度比Ln(I905/I1550)が閾値Sh(ここでは、0.3)を超える画素である。また、葉の画素を囲むように、矩形(A×B)のエリアが特定される。このエリアは、葉の大きさを判断する値として用いられる。なお、葉の大きさは、閾値Shを超える画素数で表してもよい。
閾値設定/水分指数検知処理部27a(水分量導出部)は、上述したエリア内で、測定値(反射強度比Ln(I905/I1550))が閾値Shよりも大きい、反射強度比Ln(I905/I1550)の総和である水分指数ΣLn(I905/I1550)を計算する(S35)。この水分指数ΣLn(I905/I1550)が得られることで、葉全体に含まれる水分量が分かる。
更に、ステップS35では、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、上述したエリア内で、測定値(反射強度比Ln(I905/I1550))が閾値Shよりも大きい画素の数を計算し、この計算された画素の数で反射強度比の総和ΣLn(I905/I1550)を除して平均値を算出することができる。この平均値は、閾値Shによって葉の外形が決定された葉の面積で反射強度比の総和が除された値であり、スポットの一定面積でスポット内の反射強度比の総和が除された値とは異なる。この後、水分指数の算出動作が終了する。
このように、本実施形態では、照射位置毎の反射強度比を求めるのでなく、フレーム画像における画素毎の反射強度比を求め、画素毎の反射強度比の総和から、水分指数を正確に算出できる。従って、葉、即ち植物の健全度を正確に判断することができる。
ここでは、前述したように、葉の閾値Shは、初期値として次のような値に設定されている。屋内に植物検知カメラ1を設置し、屋内で葉PT3を撮像する場合、経験的に撮影距離が1mである場合、閾値Shは約0.3に設定される。撮影距離が3mである場合、閾値Shは約0.05に設定される。一方、屋外(例えばビニールハウスVGH内)で撮像する場合、外光(例えば太陽光)の条件が変動するので、経験的に閾値Shは約0.9に設定される。図27A,図27B及び図27Cは、葉の占有範囲を示す図である。図27Aは、トマトの茎葉を撮像したフレーム画像を示す図である。葉間距離は約1cmである。図27Bは、図27Aの可視光画像に対し、撮影距離3m、閾値Shを0.05に設定した場合に求められた葉の占有空間を示す。この場合、葉が一部重なっており、閾値Sh(=0.05)は不適切に設定された値であることが分かる。図27Cは、図27Aの可視光画像に対し、撮影距離1m、閾値Shを0.3に設定した場合に求められた葉の占有空間を示す。この場合、葉の外形は他の葉と重なり合うことなく、また、葉の占有空間は可視光画像の葉の外形と大まかに同じである。この場合、閾値Sh(=0.3)は正しく設定された値であることが分かる。
また、葉の閾値Shは、次のような処理を行い、図8に示す水分指数の算出処理を実行する前に登録されてもよい。図28は、閾値設定手順の一例を説明するフローチャートである。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、可視光カメラVSCで撮像されたフレーム画像(例えば図27A参照)に対し、葉の色と判断される緑色(G)の画素が占有する出現割合(G画素数/全画素数)を求める(S101)。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、水分指数の度数分布データを元に、出現割合に対応する水分指数を求める(S102)。図29は、全画素における反射強度比の度数分布を示すグラフである。度数分布データは、閾値設定/水分指数検知処理部27aに登録されている。この度数分布データを用いると、例えば葉の色と判断される緑色(G)の画素が占有する出現割合が52%である場合、水分指数は約0.3である。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ステップS102で求められた水分指数を閾値Shに設定する(S103)。この後、閾値設定/水分指数検知処理部27aは本処理を終了する。
このように、可視光カメラVSCで撮像された可視光画像を利用することで、葉の緑色(特定色)の占有画素数と、同じ画素数になるように測定値であるLn(I905/I1550)の累積度数に対応する閾値Shを求めることで、つまり、葉に含まれていると判断される画素毎の水分量の閾値を変更することによって、葉の外形を正しく決定することができる。従って、葉の外形が正しく判断されることで、画素単位の平均値を正確に算出できる。これに対し、スポットの一定面積や可視光画像の外形を用いる場合、葉の外形が正しく捉えられないと、画素単位の平均値に大きな誤差が生じてしまう。
ここで、葉中の水分量を測定する他の方法について、比較例を示す。図9は、比較例の測定方法の一例を説明する図である。ビニル袋fkで密封包装された大葉の葉PT3を取り出し、ホワイトボードwbに葉PT3が動かないように固定する。葉PT3ががっしりと固定されたホワイトボードwbを重量計gmに載せ、その重さを計る。このとき、ホワイトボードwbの重さは、あらかじめ測定され、0点調整されているので、重量計gmのメータには、葉の重さが表示される。葉の蒸散による重量の変化を、時間の経過とともに測定する。全ての測定を完了した後、葉を完全に枯らし、その重量を求める。測定時の葉の重量から枯渇時の葉の重量を差し引き、更にその差分と枯らす前の葉の重量との割合を求めることで、測定時における葉の平均含水量を求めることが可能である。葉の平均含水率は、時間の経過とともに徐々に下がっていく。
一方、本実施形態を含む各実施形態では、葉の水分量を測定する際、測定対象の葉の背面(裏側)を覆うように、背景物が配置される。背景物の材質としては、水分を含まず、農薬・散水・CO噴霧で変形しないもの、例えばプラスチック、コート紙、アルミ箔(板)等のシート、板、或いはブロックが挙げられる。また、背景物の大きさは、測定対象の葉を覆うような大きな面を有し、測定対象の葉の投影面積の2倍以内であり、他の葉の光合成を妨げない大きさであることが望ましい。また、背景物の厚みは、自己支持性でカールしない厚さ50μm〜1mmであり、特に50〜200μmであることが好ましい。また、背景物の重量は、葉の茎で支持される場、葉が萎れない程度の重さであることが好ましい。また、背景物の色は、可視光及び近赤外光の反射率が高い白色や銀色であることが好ましい。
本実施形態を含む各実施形態では、背景物として、白色背景板が用いられる場合を示す。なお、白色背景板は、白色プラスチック板、アルミ板、標準白色板、白色紙、白色不織布等が挙げられる。例えば白色不織布を白色背景板として用いることで、観察対象の葉が数か月以上経過しても痛まず、COの吸収、蒸散、呼吸がそれぞれし易くなる。
図10Aは、屋外において葉に向かって近赤外光を照射した際、近赤外光の波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。縦軸は非可視光センサNVSSで検知される近赤外光の強度を示し、横軸は近赤外領域の波長を示す。非可視光センサNVSSで検知される近赤外光の強度には、太陽光による光の強度の他、周辺の葉で散乱された光の強度が含まれる。つまり、検知される近赤外光の強度には、太陽光が周辺の葉で多重散乱されたことによるバックグラウンドの上昇分が含まれる。また、周辺の葉によって1550nmの波長を有する近赤外光が吸収されることで、非可視光センサNVSSで検知される光の強度は小さくなる。従って、反射強度比Ln(I905/I1550)の値は大きくなる。このため、屋外で葉の水分量を測定する場合、反射強度比Ln(I905/I1550)と比較される閾値Shの値を大きく設定する必要がある。
図10Bは、屋内及び屋外において白色背景板bdが設置された葉に向かって近赤外光を照射した際、近赤外光の波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。縦軸は非可視光センサNVSSで検知される近赤外光の強度を示し、横軸は近赤外領域の波長を示す。白色背景板bdが測定対象の葉PT3tの背面(裏側)を覆うように配置されたことで、周辺の葉PT3oからの多重散乱が起きなくなる。従って、1550nmの波長を有する近赤外光の強度が低下することは起きない。また、屋内の場合、バックグラウンドの上昇も生じない。なお、屋外で測定する場合、閾値Shは約0.5に設定される。また、屋内で測定する場合、閾値Shは約0.3に設定される。
測定対象の葉PT3tの背面に白色背景板bdを配置する場合、葉を固定することなく配置してもよいし、白色背景板bdに葉PT3tを取り付けて固定してもよい。ここでは、白色背景板bdに葉PT3tを取り付ける場合を示す。なお、本実施形態を含む各実施形態では、植物検知カメラ1の第1投射光源13及び第2投射光源15から見て、測定対象となる少なくとも1枚の葉の背面には、白色背景板bdがそれぞれ配置されている。
図11は、白色背景板bdへの葉PT3tの取り付け方の一例の説明図である。白色背景板bdは、縦長の長方形を有する白色プラスチック板である。白色背景板bdの中央部には、矩形状にくり抜かれた開口部bd1が形成されている。また、白色背景板bdの上部には、円形の孔部bd2が形成されている。孔部bd2には、上端面にまで達するスリットbd21が形成されている。また、白色背景板bdに形成された開口部bd1の下側及び両側には、それぞれ3本のスリットbd3,bd4,bd5が形成されている。
葉PT3tを白色背景板bdに取り付ける場合、葉PT3tの先端を3本のスリットbd3の1本に挿し込み、スリットbd21を中心に左右の白色背景板bdを前後方向にずらして空隙を作り、その内側に葉の茎PT2を通して、孔部bd2に茎PT2を固定する。
次に、本実施形態の植物検知カメラ1を用いて植物PTの葉に含まれる水分量の観察として、当該葉に含まれる水ポテンシャルの制御実験を行い、その結果得られた水ストレスによる葉中の糖度について考察する。
図12は、第1回目の水ポテンシャル制御実験における標準化画素平均水分指数Dwの時間変化の一例を示すグラフである。このグラフの縦軸は、標準化画素平均水分指数を表す。標準化画素平均水分指数は、測定対象の葉に含まれる水分量の指標としての水ポテンシャルを表し、植物の葉を撮像した画像における1画素当たりに含まれる葉中の平均の水分量を示す。グラフの横軸は、日を単位とする経過時間を表す。ターゲットの水分量の範囲の一例としての目標範囲Bwは、例えばトマトの果実の糖度を増すために適すると判断される目標となる水分量の範囲を表しており、ここでは、標準化画素平均水分指数Dwに対応する値として値0.8〜0.9の範囲に設定されている。この目標範囲Bwは、植物の種類、さらには同じ植物であってもその観察場所(葉、茎等)によっても異なる。また、図12や後述の図13において、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bdを下回る場合には、植物は水ストレスを感じていることになる。
図12に示す第1回目の水ポテンシャル制御実験は、ほぼ適量な灌水量の灌水が灌水タイミングの際に行われた場合の標準化画素平均水分指数の時系列の推移の一例が示されている。図12では、植物サンプルsm1である葉が萎凋している状態を起点としており、通常灌水を行って回復した後に、水ポテンシャル制御実験が開始している。通常灌水では、一日のうち朝と夕の2回、定期的に灌水が行われた。一方、水ポテンシャル制御実験では、標準化画素平均水分指数Dwの値を元に適切と判断されたタイミングで灌水が行われるのみで、定期的な灌水は行われていない。以下、図12に示す実験結果について説明する。なお、モニタ50には、図12に示す標準化画素平均水分指数Dwの経時的な推移が表示される。
葉の標準化画素平均水分指数Dwが値0.60に近い萎凋の状態から始まり、通常灌水が開始される(0日目)。通常灌水の開始後、翌日には、葉の標準化画素平均水分指数Dwが値1.0付近になるまで回復した。そして、一週間程、葉の標準化画素平均水分指数Dwが値1.0付近を保つように定期的に通常灌水が行われた(1〜8日目)。その後の3日間、絶水した(9,10,11日目)。絶水の結果、葉の標準化画素平均水分指数Dwは、徐々に下がり、値0.7付近になるまで下降した(12日目)。
この時点で矢印r11に示すように、一定量の灌水が行われると、葉中の標準化画素平均水分指数Dwは、上昇し、そのピークが目標範囲Bwに一旦含まれるが、その後、未灌水に基づいて下降し、目標範囲Bwから外れる。再び矢印r12に示すタイミングで同じ一定量の灌水が行われると、葉中の標準化画素平均水分指数Dwは、再び上昇し、そのピークが目標範囲Bwに入った後、未灌水に基づいて下降する。このとき、標準化画素平均水分指数Dwは目標範囲Bwを下回るが、その外れ量は前回より小さい。再び矢印r13に示すタイミングで同じ一定量の灌水が行われると、標準化画素平均水分指数Dwのピークが目標範囲Bwの上限値を超えた後に下降するが、今度は標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwを下回らない。さらに、矢印r14に示すタイミングで同じ一定量の灌水が行われると、標準化画素平均水分指数Dwのピークが目標範囲Bwの上限値を超えた後に下降するが、標準化画素平均水分指数Dwはほぼ目標範囲Bwに留まる(12日目〜16日目)。
その後の2日間(17,18日目)の絶水があっても、矢印r15,r16,r17,r18に示すように、同様の灌水が行われたことで、葉中の標準化画素平均水分指数Dwはほぼ目標範囲Bwに収まるように制御された。
図13は、第2回目の水ポテンシャル制御実験における標準化画素平均水分指数Dwの時間変化の一例を示すグラフである。このグラフの縦軸は、図12と同様、標準化画素平均水分指数Dwを表す。グラフの横軸は、分を単位とする経過時間を表す。第2回目の水ポテンシャル制御実験では、第1回目の植物サンプルsm1とは異なる、同種の2つの植物サンプルsm2,sm3(例えばトマト)が用いられた。植物サンプルsm2(比較例)に対しては、朝・夕2回の通常灌水が定期的に行われる。一方、植物サンプルsm3(本実施形態に対応する実施例)に対しては、水ストレスを与えながらの灌水が行われる。つまり、植物サンプルsm3に対しては、図12に示す水ポテンシャル制御期間(12日目〜22日目)と同様に、灌水が行われるタイミング以外は灌水されない。
第2回目の水ポテンシャル制御実験では、図13に示すように、水ポテンシャル降下期間TW1、最適灌水量探索期間TW2、水ストレス制御期間TW3及び含水率回復期間TW4の4つの期間に分けて、葉中の標準化画素平均水分指数Dwの観測が行われた。標準化画素平均水分指数Dwの目標範囲Bwは、図12に示す目標範囲Bwとは異なり、値0.70〜0.80の範囲に設定された。これは、第2回目の水ポテンシャル制御実験で使用された植物サンプルが異なることに起因したものである。
比較例及び実施例の葉中の含水率の初期値は、それぞれ90.5%,91.2%とほぼ同じである。また、これらの標準化画素平均水分指数Dwは、値1.30近辺でほぼ同じである。また、比較例及び実施例のそれぞれの糖度を表すBrix値は、いずれも値2.3%と同じである。
水ポテンシャルの制御実験の期間中、比較例の植物サンプルsm2に対しては、通常灌水が継続して行われた。
一方、実施例の植物サンプルsm3に対し、水ポテンシャル降下期間TW1(0〜11520分頃の期間)では、実施例の植物サンプルsm3に対しては、全く灌水がされなかった。この結果、初期値の設定時以降、比較例の葉中の標準化画素平均水分指数Dwは値1.0付近にあってほぼ一定であるのに対し、実施例の葉中の標準化画素平均水分指数Dwは、徐々に下がり、水ポテンシャル降下期間TW1の終わりには、目標範囲Bwの下限値である値0.70を下回るようになっていた。
最適灌水量探索期間TW2(11520〜20160分頃の期間)では、最初に、実施例の葉中の標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲の下限値0.70を下回ったことで、図中矢印r1に示す時点(タイミング)で、灌水量K1の灌水が行われた。この結果、実施例の葉中の標準化画素平均水分指数Dwが急激に上昇し、目標範囲Bwの上限値を超えて、値1.00に近接するまでになった。この時点で灌水量K1が多過ぎたと判断される。その後、絶水期間が始まり、実施例の葉中の標準化画素平均水分指数Dwが再び目標範囲の下限値を下回り、値0.60に至った。絶水期間が終了すると、矢印r2に示す時点で灌水量K2の灌水が行われた。これにより、標準化画素平均水分指数Dwが上昇し、目標範囲Bwを少し超えるようになった。モニタ50に表示されるこれらの結果を元にすることで、最適な灌水量は、灌水量K1,K2より少ない量であるとの判断が可能となる。
水ストレス制御期間TW3(20160〜25920分頃の期間)では、実施例の葉中の標準化画素平均水分指数Dwが再び下がり出し、目標範囲Bwの下限値を下回ると、矢印r3に示す時点で灌水量K1,K2より少ない灌水量K3で灌水が行われた。また、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの下限値を下回り、矢印r4に示す時点では、灌水量K3と同様、灌水量K4で灌水を行われた。このように、間欠的に灌水量K3,K4の灌水が行われたことで、植物サンプルsm3に水ストレスを与えながらも、標準化画素平均水分指数Dwは、ほぼ目標範囲Bw内となるように推移する。その後、実施例の植物サンプルsm3の葉に対して一定の絶水期間に突入したために葉が萎凋度合いが大きくなり、標準化画素平均水分指数Dwが低下してしまい、植物サンプルsm3の標準化画素平均水分指数Dwは値0.4まで下がってしまった。
絶水期間が終了し、含水率回復期間TW4(25920〜34560分頃の期間)では、植物サンプルsm3の葉の萎凋の度合いが大きかったので、矢印r5,r6に示す時点でそれぞれ灌水量K3,K4より多い灌水量K5,K6で灌水が行われた。
含水率回復期間TW4の終盤、比較例及び実施例における、植物サンプルsm2,sm3の葉の含水率が、初期値とほぼ同様の値(90.7%,89.0%)になった時点で、それぞれの糖度を表すBrix値を測定した結果、比較例ではBrix値が値2.8%であるのに対し、実施例ではBrix値が値3.3%であった。つまり、比較例のBrix値は、水ポテンシャル制御の前後で、Brix値が値2.3%から2.8%に上昇して0.5%増えたが、実施例のBrix値は、値2.3%から3.3%に上昇して1%と大きく増えた。
このように、水ストレスを与えることなく定期的な灌水量の灌水が行われた比較例の植物サンプルsm2と比べ、実施例の植物サンプルsm3では、未灌水に基づく水ストレスを与えながら標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲の下限付近に至ったタイミングで灌水が行われたことで、葉中の糖度の増加量が多くなり、水ストレスによる葉中の糖度の上昇が見られた。このように、水ストレスを与えることで、葉の糖度が高くなることが図13の水ポテンシャル制御実験により分かった。また、葉の糖度が高くなると、葉はその糖度を転流という現象により、根や実の方に送ることで、植物全体として健全な状態となる。
ここで、葉中の糖度の測定は、次のような手順(T1)〜(T5)で行われた。
(T1)トマト等の葉を温度105℃で2時間乾燥させる。この重量変化から含水率が算出可能となる。
(T2)乾燥した葉を乳鉢に入れ、粉末になるように葉をすり潰して粉砕する。
(T3)葉に含まれる含水量(乾燥させる前)の4倍の量を持つ、60℃のお湯が入った容器に、粉砕した葉の粉末を入れ、室温で2時間撹拌する。
(T4)葉の粉末が入った容器を放置し、15時間超えるまで、葉の粉末を自然沈降させる。
(T5)上澄み液を抽出し、糖度計でそのBrix値を計測する。ただし、このBrix値は、葉中の水分量の4倍のお湯を使って得られた仮のBrix値であるので、数式(1)に従い、真のBrix値が得られる。なお、数式(1)による真のBrix値の算出は、糖度計で得られたBrix値が入力された時点で、制御部11により行われてもよい。
真のBrix値(%) =[仮のBrix値×水分量×4倍/(1−仮のBrix値)] ÷ [水分量+(仮のBrix値×水分量×4倍)/(1−仮のBrix値)]× 100 ……(1)
上記水ポテンシャルの制御実験を基に、次のような灌水量と灌水タイミングが考察される。図14は、灌水量と灌水タイミングの一例について説明するグラフである。このグラフの縦軸は、標準化水分指数(つまり、標準化画素平均水分指数Dw)を表す。横軸は経過時間を表す。グラフ中、測定点は、四角形で表される。目標範囲Bwは値0.8〜0.9に設定される。
葉中の標準化画素平均水分指数Dwの初期値は値1.0である。標準化画素平均水分指数Dwが初期値から時間の経過とともに漸減し、目標範囲Bwの下限値付近に達すると、次の灌水が行われる。標準化画素平均水分指数Dwが低下する傾き(降下速度)が「−a」であると、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの下限値を横切る、矢印raで示すタイミングが灌水ポイントtpとなる。
灌水ポイントtpにおける灌水量Kpは、例えば数式(2)を用いて求められる。
次回の葉中の水分量= 今回の葉中の水分量 + 根からの吸水量 − 葉からの蒸散量 ……(2)
ここで、根からの吸水量は、灌水量、液肥の浸透圧(電気伝導度)、根の本数(表面積)等で求まる。葉からの蒸散量は、葉数、葉面積、飽差(つまり、飽和水蒸気圧と相対湿度との差分)等で求まる。一般的に葉の光合成が活発で蒸散が盛んに行われるのは、晴れた日であってかつ飽差が3〜7g/mの間(つまり、相対湿度が75%RH前後となる期間)と言われている。故に、晴れた日の朝や昼は蒸散が盛んなために葉中水分量は減少傾向にあるが、一方、夕方(日没)になると葉の蒸散量が減少すると、葉中水分量が上昇する。また、夜間には、葉は光合成を行わないため、葉中水分量の変化は小さい。また、雨の日は相対湿度が高くて気孔を開いても蒸散が行われないため、葉中水分量の変化は小さく、夏場などの気温が高い日は、植物はこれ以上体内の水分を失わないように気孔を閉じるため、蒸散が行われず葉中水分量の変化は小さくなる。
灌水が行われると、標準化画素平均水分指数Dwは上昇し、目標範囲Bwの上限値に達した後、再び下降する動作を繰り返す。矢印rbに示すタイミングでは、矢印raで示すタイミングと同様の灌水が行われる。その後、矢印rcに示すタイミングでは、目標範囲Bwの下限値を下回り、標準化画素平均水分指数Dwが値0.7に達するタイミング、つまり、水ストレスが大きくなった状態で灌水が行われる。これにより、植物に水ストレスを与えることができる。
図15は、第1の実施形態における最適灌水量探索手順の一例を説明するフローチャートである。この最適灌水量探索動作は、図13に示す最適灌水量探索期間TW2において実行される処理であり、例えば図16に示すUI画面60で、灌水量探索モードボタン71が押下されると、実行される。
最適灌水量探索動作では、まず、制御部11は、UI画面60に対するユーザ(例えばトマトの育成者である農夫)の操作により、初期値、目標範囲Bwの上限値及び下限値を設定する(S41)。制御部11は、目標範囲Bwの下限値までの予測降下時刻、及び探索灌水予定時刻を表示する(S42)。なお、この探索灌水予定時刻は、予測降下時刻と同じ、または近傍の時刻に設定される。
制御部11は、図17に示す探索灌水量入力画面61を表示する(S43)。制御部11は、探索灌水量の入力が完了したか否かを判別し(S44)、入力が完了していない場合、ステップS43で探索灌水量入力画面61の表示を続ける。
また、探索灌水量の入力が完了すると、制御部11は、標準化画素平均水分指数Dwを測定し、UI画面60に表示された、葉中水分モニタリング画面Gm1内のグラフにこの測定点を追加する(S45)。制御部11は、探索灌水予定時刻になったか否かを判別する(S46)。探索灌水予定時刻になっていない場合、制御部11は、ステップS45の処理に戻る。
探索灌水予定時刻になると、制御部11は、探索灌水量の水分の滴下を制御する(S47)。この探索灌水量は、図13の灌水量K1,K2に相当する。また、この探索灌水量の水分の滴下は、肥料水供給装置WFによって自動で行われてもよいし、人による手作業で行われてもよい。制御部11は、指定時刻まで待機した後に水分指数を算出する(S48)。この指定時刻は、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの上限値に達するように指定される時刻であり、予測降下時刻と探索灌水予定時刻を基に設定される。
制御部11は、標準化画素平均水分指数Dwと目標範囲Bwの上限値とを比較する(S49)。標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの上限値を超えた場合、制御部11は、ステップS42に戻り、再度、予測降下時刻及び探索灌水予定時刻をUI画面60に表示する。また、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの上限値を超えていない場合、制御部11は、ステップS43に戻り、探索灌水量入力画面61を表示する。
また、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの上限値に等しくなった場合、制御部11は、探索灌水量を最適水分量として栽培制御のプロセスに移行するように表示する(S50)。この表示は、例えばメッセージ等でポップアップ表示される。この後、制御部11は、本動作を終了する。
図16は、水ポテンシャル制御に関するユーザインタフェース(UI)画面60の一例を示す図である。このUI画面60は、葉中水分モニタリング画面Gm1を含む。UI画面60の上部に配置された葉中水分モニタリング画面Gm1には、標準化画素平均水分指数Dwの時系列の変化を表すグラフが表示される。このグラフは、前述した図12のグラフと同様である。
UI画面60の下部の左側には、設定領域63が表示される。この設定領域63には、初期設定ボタン64及びズレ閾値設定ボタン66が配置される。また、目標範囲Bwの上限値を設定するための入力ボックス67、及び目標範囲Bwの下限値を入力するための入力ボックス68が配置される。入力ボックス67,68への数値の入力には、タッチパネル、テンキー、携帯端末等を用いることが可能である。
また、UI画面60の下部の右側には、灌水量探索モードボタン71及び水ストレス制御(栽培制御)モードボタン73が配置される。灌水量探索モードボタン71が押下されると、前述した図15に示す最適灌水量探索動作が開始する。水ストレス制御(栽培制御)モードボタン73が押下されると、後述する図18に示す栽培制御動作が開始する。また、UI画面60には、探索灌水量の設定値を表示する表示ボックス72、及び、栽培灌水量の設定値を表示する表示ボックス74が配置される。
図17は、UI画面60にポップアップ表示された探索灌水量入力画面61の一例を示す図である。探索灌水量入力画面61では、ミリリットル(ml)の単位で探索灌水量が入力・設定される。探索灌水量の入力には、タッチパネル、テンキー、携帯端末等を用いることが可能である。
図18は、第1の実施形態の水ストレス制御(栽培制御)手順の一例を説明するフローチャートである。この栽培制御動作は、図13に示す水ストレス制御期間TW3において実行される処理であり、例えば図16に示すUI画面60で、水ストレス制御(栽培制御)モードボタン73が押下されると、実行される。
水ストレス制御動作では、制御部11は、まず、栽培(制御)灌水量入力画面を表示する(S61)。この栽培灌水量入力画面は、探索灌水量入力画面と同様、UI画面60上でポップアップ表示される。
制御部11は、栽培灌水量入力画面において、栽培灌水量の入力が完了したか否かを判別する(S62)。栽培灌水量は、最適灌水量探索期間TW2(つまり、図15に示すフローチャート)の探索処理において求められた適切な灌水量を示す。栽培灌水量の入力が完了していない場合、制御部11は、ステップS61に戻り、栽培灌水量入力画面の表示を継続する。
一方、栽培灌水量の入力が完了すると、制御部11は、栽培灌水量の水分を滴下する(S63)。制御部11は、目標範囲Bwの下限値までの予測降下時刻及び栽培灌水予定時刻を表示する(S64)。なお、この栽培灌水予定時刻は、予測降下時刻と同じ、または近傍の時刻に設定される。
制御部11は、栽培灌水量を変更するか否かを判別する(S65)。栽培灌水量を変更しない場合、制御部11は、ステップS68の処理に進む。一方、栽培灌水量を変更する場合、制御部11は、再度、栽培灌水量入力画面を表示する(S66)。制御部11は、栽培灌水量入力画面において、栽培灌水量の入力が完了したか否かを判別する(S67)。栽培灌水量の入力が完了していない場合、制御部11は、ステップS66に戻り、栽培灌水量入力画面の表示を継続する。
一方、栽培灌水量の入力が完了すると、制御部11は、栽培灌水予定時刻になったか否かを判別する(S68)。栽培灌水予定時刻になっていない場合、制御部11は、ステップS64の処理に戻る。栽培灌水予定時刻になると、制御部11は、栽培灌水量の水分を滴下する(S69)。制御部11は、栽培制御を終了するか否かを判別する(S30)。栽培制御を終了しない場合、制御部11は、ステップS64の処理に戻る。一方、栽培制御を終了する場合、制御部11は本動作を終了する。
次に、植物に水ストレスを与えるための水ストレスプロファイルについて説明する。図19A,図19B,図19C及び図19Dは、水ストレスプロファイルの一例を模式的に示す図である。図19Aに示す水ストレスプロファイルpf1では、目標範囲Bw(ターゲットの水分量の範囲)の上限値と下限値との間で水分指数(つまり、標準化画素平均水分指数Dw。以下同様。)が変動するように、灌水が行われる。つまり、目標範囲Bwの下限値のタイミングで、目標範囲Bwの上限値に達するような灌水量の灌水を行う。この場合、水ストレスは小さい。
図19Bに示す水ストレスプロファイルpf2では、目標範囲Bwの下限値で灌水が行われ、標準化画素平均水分指数Dwのピークが目標範囲Bwの中程で収まり、標準化画素平均水分指数Dwの変動が少なくするようにする。この場合、水ストレスはかなり小さい。
図19Cに示す水ストレスプロファイルpf3では、標準化画素平均水分指数Dwを萎縮点まで下降させた後、多量の灌水量で灌水が行われ、標準化画素平均水分指数Dwが値1を超えるまで上昇させた後、再び萎縮点まで下降させ、同様に灌水が行われる。この場合、標準化画素平均水分指数Dwが値1を超える領域では水ストレスが無く、萎凋点の付近では水ストレスが大きい。この水ストレスプロファイルpf3は、例えば他段にある植物の開花や結実時期で水分指数が変化したり、天候で変化する場合に用いられる。
図19Dに示す水ストレスプロファイルpf4では、標準化画素平均水分指数Dwを萎縮点まで下降させた後、目標範囲Bwの上限値に達するような灌水量で灌水が行われ、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwの上限値に達した後、再び目標範囲Bwの下限値に至ると、目標範囲Bwの上限値に達するような灌水量で灌水が行われる。このような動作が交互に繰り返される。この場合、標準化画素平均水分指数Dwが萎凋点の付近になると、水ストレスが大きいが、目標範囲Bwの下限値の付近になると、水ストレスが小さくなる。なお、これらの水ストレスプロファイルは一例であり、他の水ストレスプロファイルを適用することも可能である。
以上により、第1の実施形態の植物検知カメラ1では、植物検知カメラ1の第1投射光源13は、光学走査により、水分に吸収され難い特性を有する第1波長(905nm)の近赤外光(参照光)を植物PTの葉PT3に向けて照射する。植物検知カメラ1の第2投射光源15は、光学走査により、水分に吸収され易い特性を有する第2波長(1550nm)の近赤外光(測定光)を植物PTの葉PT3に向けて照射する。閾値設定/水分指数検知処理部27aは、葉PT3の全照射位置において反射した905nmの反射光と葉PT3の全照射位置において反射した1550nmの反射光とを元に、反射強度比の総和ΣLn(I905/I1550)である葉1枚の水分指数を算出する。制御部11は、測定期間の開始時から終了時までの植物PTの葉PT3に含まれる水分量の時系列の推移を表すグラフをモニタ50のUI画面60に表示する。植物PTの葉PT3には、第1投射光源13及び第2投射光源15から見て、植物PTの葉PT3の背面を覆う白色背景板bd(背景物)が配置される。
このように、植物検知カメラ1によれば、モニタ50のUI画面60に植物PTの葉PT3に含まれる水分量の時系列の推移を表すグラフを表示することで、植物に含まれる水分量の推移を定量的かつ時系列に提示することができる。また、モニタ50のUI画面60に表示された葉PT3に含まれる標準化画素平均水分指数Dwの時系列の推移によると、植物検知カメラ1は、ユーザに対し、葉PT3への灌水のタイミングや灌水量を教示することも可能となる。ユーザは、モニタ50のUI画面60に表示されたグラフから適切な灌水タイミングで適切な灌水量の灌水を行うことができる。従って、トマト等の植物の高機能化を図る際、最適な栽培制御を行うことが可能となり、歩留まりが向上し、生産性を高めることができる。
また、植物検知カメラ1によれば、植物の標準化画素平均水分指数Dw(水分量)の目標範囲Bwと、水分量の初期値と、ストレス(例えば水ストレス)の付与の一例としての未灌水により降下している水分量の変化とが表示されるので、ユーザは、植物の水分量を時系列に把握することができる。
また、植物検知カメラ1によれば、植物の標準化画素平均水分指数Dw(水分量)が目標範囲Bwに入るような最適な灌水量を探索することが可能である。
また、植物検知カメラ1によれば、ストレス(例えば水ストレス)の付与の一例としての未灌水による水分量の下降と、灌水による水分量の上昇との両方が表示されるので、標準化画素平均水分指数Dwが目標範囲Bwに入るような最適な灌水量がより一層探索し易くなる。
また、植物検知カメラ1によれば、植物の水分量の目標範囲Bwと、植物の水分量を目標範囲に保持するための灌水による水分量の変化とが表示されるので、植物の水分量が目標範囲に入るような灌水量の灌水を行い易くなる。
また、植物検知カメラ1によれば、通常灌水で灌水を行った植物に含まれる水分量と、水ストレスを与えながらの灌水を行った植物に含まれる水分量とを対比的に比較可能となるので、ユーザは灌水量及び灌水タイミングの適否を効率的かつ高精度に判断できる。
(第1の実施形態の変形例1)
図20は、第1の実施形態の変形例1における最適灌水量探索手順の一例を説明するフローチャートである。図15と同一のステップ処理については、同一のステップ番号を付すことでその説明を省略する。制御部11は、ステップS48で指定時刻まで待機した後に水分指数を算出した後、探索灌水量と、水分指数が目標範囲Bw(範囲内)に保持するように標準化画素平均水分指数Dwの上昇分を表示する(S49A)。これらの表示を基に、ユーザは、最適な水分量を推測することができる。この後、制御部11は本動作を終了する。
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、葉中の標準化画素平均水分指数Dwを連続して測定中に、何かの影響で葉の位置ズレが生じた場合を示す。葉中の標準化画素平均水分指数Dwを時系列に測定中、例えば強風や衝突により測定対象の葉が貼り付けられた白色背景板が傾き、葉の位置ズレが生じた場合、レーザ光の照射による反射強度比によって測定される葉中の標準化画素平均水分指数Dwが急激に変化することになる。
測定対象の葉の位置ズレが生じた場合、葉中の標準化画素平均水分指数Dwを時系列に記録しているデータが一気に変動し、その連続性が失われるため、従来では、それまで時系列に測定された標準化画素平均水分指数Dwのデータを破棄し、始めから測定をやり直していた。この結果、測定データの取得効率が著しく低下した。
第2の実施形態では、葉の位置ズレが生じた場合でも、それまで時系列に測定されたデータを破棄することなく有効に活かすことで、葉中の標準化画素平均水分指数Dwのデータを効率良く取得でき、測定時間の増大を抑制するようにする。
図21Aは、第2の実施形態の植物検知カメラ1によって撮像される、測定対象の葉の含水率を表す画像を示し、かつ位置ズレ前の葉の画像の一例を示す図である。図21Bは、第2の実施形態の植物検知カメラ1によって撮像される、測定対象の葉の含水率を表す画像を示し、かつ位置ズレ後の葉の画像の一例を示す図である。図中、ドットの数が多くて濃い領域は、含水量の多い領域である。最も濃い(含水量の最も多い)領域sc1は、葉の内側に存在する。次に濃い領域(含水量がやや多い)領域sc2は、領域sc1の周囲に存在する。薄い領域(含水量の少ない)領域sc3は、葉の外側に存在する。また、位置ズレ前と比べ、位置ズレ後では、含水量の多い領域sc1の面積が増えている。
図22は、位置ズレが起きた場合の水ポテンシャル制御実験における標準化画素平均水分指数Dwの時間変化の一例を示すグラフである。このグラフの縦軸は、第1の実施形態と同様、標準化画素平均水分指数を表す。標準化画素平均水分指数は、水ポテンシャルを表し、植物の葉を撮像した画像における1画素当たりに含まれる水分量に相当する値を示す。グラフの横軸は、分を単位とする経過時間を表す。
葉の位置ズレがあった時(図中、タイミングtc参照)、標準化画素平均水分指数Dwは、一気に変化する。葉の位置ズレが無かった場合の葉中の標準化画素平均水分指数Dwは、グラフgh1に示すように変化する。一方、葉の位置ズレがあった場合の葉中の標準化画素平均水分指数Dwは、グラフgh2に示すように変化する。
第2の実施形態では、葉の位置ズレがあった場合でも、次のような考察に基づく補正を行うことで、葉の位置ズレ前の標準化画素平均水分指数Dwのデータを有効に活用し、葉の位置ズレ後の標準化画素平均水分指数Dwのデータと連続性を保つようにして、時系列の標準化画素平均水分指数Dwのデータを取得する。
以下の考察では、葉の位置ズレとして、葉が傾く場合を想定する。この場合、葉がパン方向あるいはチルト方向に傾いて角度が変わることは、カメラから見た場合に葉の厚みが変わることに相当する。
葉に含まれる水分量である葉中の含水率(言い換えると、水ポテンシャル)は、標準化画素平均水分指数Dwと比例する。また、標準化画素平均水分指数Dwは、前述したように、反射強度比Ln(I905/I1550)の総和から得られる。
反射強度比Ln(I905/I1550)は、既知のLambert・Beerの法則に基づく、数式(3)に示すように、葉の厚みtとほぼ比例する(相関がある)ことが分かっている。数式(3)において、α:水の吸収係数、t:葉の厚み、C:水の濃度、β:散乱損失項である。
Ln(I905/I1550) =α・t・C + β ……(3)
総括すると、葉中の含水率(水ポテンシャル)は、葉の厚みtを勾配(傾き)として持つ、標準化画素平均水分指数Dwの一次関数で表される。つまり、葉中の含水率の傾きは、葉の厚みtによって変化する。
前述したように、位置ズレが起きて葉の角度が変化することは、葉の厚みtによる傾きの変化に相当することから、葉の角度の変化(葉の厚みtによる傾きの変化)に対応する係数Q(補正係数)を、位置ズレ後の標準化画素平均水分指数Dwのデータに乗算することで、位置ズレ前の標準化画素平均水分指数Dwのデータを得ることができる。
これにより、位置ズレの前後で時系列に得られた標準化画素平均水分指数Dwのデータは連続性を保つことができる。ただし、位置ズレ直前と位置ズレ直後の含水率の取得は、僅かな時間内で行われることから、これらの間で実質的な含水率は変化無しとする。
具体的に、位置ズレ前後の標準化画素平均水分指数Dwの補正例を示す。図23は、位置ズレ補正前後の標準化画素平均水分指数の一例を時系列に示すテーブルを示す図である。このテーブルでは、図22に示すグラフにおいて、経過時間が16250分(時刻17:10)で位置ズレが起きた場合、補正前の標準化画素平均水分指数Dwと補正後の標準化画素平均水分指数Dwとが示されている。ここでは、葉の角度の変化に対応する係数Qは、係数算出部の一例としての制御部11により算出され、具体的には、値0.7303(=0.6416/0.8785)である。
図24は、第2の実施形態における位置ズレ補正手順の一例を説明するフローチャートである。第2の実施形態の植物検知カメラ1は第1の実施形態とほぼ同一の構成を有する。第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を用いることで、その説明を省略する。
制御部11は、現時刻の標準化画素平均水分指数Dw1を取得し、UI画面60に表示する(S91)。制御部11は、指定された経過時間後(例えば30分後)の標準化画素平均水分指数Dw2を取得して表示する(S92)。指定された経過時間とは、測定間隔に相当する。
制御部11は、標準化画素平均水分指数Dw1と標準化画素平均水分指数Dw2の差分が閾値thを超えるか否かを判別する(S93)。この閾値thは、葉の位置ズレが起き、標準化画素平均水分指数Dwが変化すると想定される値の判定に用いられる。
ここで、閾値thはあらかじめ設定される。閾値thを設定する際、制御部11は、ズレ判定閾値入力画面を表示する。ユーザは、このズレ判定閾値入力画面に対し、位置ズレが起きたと判定するための閾値thを入力する。入力が済むと、制御部11は、この入力値を表示し、閾値thの設定を受け付ける。
標準化画素平均水分指数Dw1と標準化画素平均水分指数Dw2の差分が閾値thを超えない場合、つまり、葉の位置ズレが起きていないと想定される場合、制御部11はステップS95の処理に進む。一方、標準化画素平均水分指数Dw1と標準化画素平均水分指数Dw2の差分が閾値thを超えた場合、制御部11は、位置ズレが起きたと判断し、標準化画素平均水分指数Dw2及びその後の標準化画素平均水分指数Dwの値を、ズレ量を補正してUI画面60に表示する(S94)。
この後、制御部11は、最適灌水量の探索制御を終了するか、または、栽培制御を終了するか、それとも終了しないかを判別する(S95)。最適灌水量の探索制御を終了しない、かつ、栽培制御を終了しない場合、制御部11は、ステップS91の処理に戻る。一方、最適灌水量の探索制御を終了するか、または、栽培制御を終了する場合、制御部11は、本動作を終了する。
このように、第2の実施形態の植物検知カメラ1では、検知部の一例としての制御部11は、植物の位置ずれを検知する。制御部11は、植物の位置ずれが検知された場合に、位置ずれ前後における水分指数を基に、位置ずれ後の水分指数に乗算される係数Q(補正係数)を算出する。制御部11は、係数Qを位置ずれ後の水分指数に乗算することで位置ズレ量を補正し、位置ズレ前の水分指数と位置ズレ後の水分指数とが連続性を保つように補正された結果をモニタ50のUI画面60に表示させる。
これにより、葉の位置ズレが生じた場合でも、時系列に測定された葉中の標準化画素平均水分指数Dwの連続性を保つことができる。従って、それまでの測定した葉中の標準化画素平均水分指数Dwデータを無駄にすることなく、有意義かつ有効に活用することができる。これにより、葉中の標準化画素平均水分指数Dwの時系列のデータを効率良く取得できるとともに、たとえ途中で位置ずれが起きてしまった場合でも、標準化画素平均水分指数Dwの測定時間の増大を抑制することができる。
(第2の実施形態の変形例1)
上記第2の実施形態では、葉の位置ズレを標準化画素平均水分指数Dwの差分が閾値thを超えたか否かによって判断していたが、葉の位置ズレを物理的に検知する場合を示す。
図25Aは、第2の実施形態の変形例1における位置ズレを検知するために用いられる白色背景板bdを示す図であり、かつ白色背景板bdの正面図である。図25Bは、第2の実施形態の変形例1における位置ズレを検知するために用いられる白色背景板bdを示す図であり、図25Aに示す白色背景板bdの側面図である。
白色背景板bdの周縁部には、額縁のような形状を有する、黒塗りの四角形の枠体bd11が設けられている。また、白色背景板bdの表(おもて)面の四隅には、それぞれ米印のマークmk1〜mk4が描かれている。また、白色背景板bdの表面の中央には、葉PT3が貼り付けられている。
植物検知カメラ1で白色背景板bdに貼り付けられた葉PT3を撮像する際、ファインダの枠に黒塗りの枠体bd11を合わせることで、白色背景板bdと植物検知カメラ1のファインダとの平行度を出す。この状態で白色背景板bdを撮像することで、マークmk1〜mk4間の各距離を、予め登録された基準距離と比較する。この基準距離は、植物検知カメラ1に対し、白色背景板bdが平行になるようにセットされた場合に撮像されたマークmk1〜mk4間の距離である。マークmk1〜mk4間の各距離が基準距離と比べて短い場合、白色背景板bdが傾いて位置ズレを起こしていると判断される。
例えばマークmk1とマークmk4間の距離が基準距離と比べて短い程、チルト角が大きいことが分かる。マークmk1とマークmk2間の距離が基準距離と比べて短い程、パン角が大きいことが分かる。
このように、物理的に葉の位置ズレを検知し、かつ、位置ズレ量を計測することができる。更には、計測された位置ズレ量に対応する係数Qを登録しておくことで、位置ズレ後の標準化画素平均水分指数Dwのデータに乗算する処理を行う際、補正前後の標準化画素平均水分指数Dwのデータを用いなくても済む。従って、処理の負荷を軽減できる。
(第2の実施形態の変形例2)
図26は、第2の実施形態の変形例2における白色背景板bddと植物検知カメラ1との機械的な配置の一例を説明する図である。白色背景板bddは、ベース101に立てられた棒材102の上に取り付けられ、立て札として設置される。植物検知カメラ1は三脚151に固定されている。また、白色背景板bddは、ワイヤや棒材等の連結部材mpで植物検知カメラ1と機械的に繋がって固定されている。白色背景板bddに位置ズレが起きた場合、その変化はそのまま植物検知カメラ1に伝わる。例えば大きな位置ズレが起きた場合、植物検知カメラ1で撮像される画像に大きな変化が生じる。
植物検知カメラ1は、時系列に撮像した画像の相関度が閾値以下となった場合、つまり、前回のフレーム画像と今回のフレーム画像との類似度が著しく低下した場合、白色背景板bdに位置ズレが起きたと判断してもよい。これにより、比較的に簡単に白色背景板bdの位置ズレを検知することができる。
また、位置ズレの検知は、上記の方法に限らない。例えば植物検知カメラ1は、衝撃を感知する加速度センサを搭載してもよい。白色背景板bddに位置ズレが起きると、白色背景板bddの変化は、連結部材mpを介して植物検知カメラ1に伝わる。植物検知カメラ1に搭載された加速度センサによってその衝撃が感知された場合、白色背景板bddに位置ズレが起きたことを検知してもよい。
(第3の実施形態)
第3の実施形態では、植物検知カメラ1は、観察部位としてのトマトの葉(以下、「本葉」という)の水分量(例えば相対含水率)を導出する際に、白色背景板bdの本葉の近傍に取り付けられた少なくとも一つの外部試料としての外部標準サンプルを用いる。本葉の相対含水率は、例えば少なくとも一つの外部標準サンプルの相対含水率が既知である場合に、これらの相対含水率の値を用いて後述する計算式を用いて算出される。以下、外部標準サンプルを本物の葉である「本葉」と区別して、「造葉」と称する。具体的には、植物検知カメラ1は、本葉と複数の造葉とが取り付けられた白色背景板bdに対し、波長の異なる2種類の近赤外レーザ光(つまり、参照光LS1,測定光LS2)を照射する。植物検知カメラ1は、本葉により反射した反射光の強度とそれぞれの造葉により反射した各反射光の強度とを用いて、本葉の水分量を示す指標として、含水率(相対含水率ともいう)を算出して導出する。また、後述するように造葉にはフルクトースが含まれ、一方、水は含まれていないが、以下の説明では、本葉中に含まれる水分率(含水率)を「本葉の相対含水率」と表記するのに倣い、造葉中に含まれるフルクトース率(含フルクトース率)を「造葉の相対含水率」と表記して説明する。
なお、第3の実施形態においても、植物検知カメラ1の内部構成は第1の実施形態の植物検知カメラ1の内部構成と同一であるため、同一の構成については同一の符号を参照して説明を簡略化又は省略する。
先ず、第3の実施形態において本葉と複数の造葉とが取り付けられた実験室の測定雰囲気について、図30及び図31を参照して説明する。図30は、第3の実施形態のトマトの葉(本葉)の含水率の測定状況の一例を示す説明図である。図31は、図30の測定状況に対応した本葉と造葉の水分量の分布の一例を示す可視光画像データの図である。
矩形状の白色背景板bdに、本実施形態の植物検知カメラ1の観察対象となる本葉PT10,PT11,PT12と複数の造葉frc1,frc2,frc3とが取り付けられている。以下、本葉PT10を「先端葉」、本葉PT11,PT12を「側葉」ということもある。なお、本葉PT10,PT11,PT12は、白色背景板bdに対し、例えばセロテープ(登録商標)で固定されてもいいし、PETフィルムで固定されても構わない。
先ず、造葉について説明する。造葉は、例えば次の工程により作成される。
・[工程1]
先ず、粘性のあるアミン硬化剤の液体(特殊変性シリコーン樹脂)とフルクトース(果糖)とが均一になるように混合される。ここで、本実施形態では複数個の造葉が作成されるが、それぞれの造葉の違いはエポキシ樹脂量に対するフルクトースの含有率である。例えば図31に示されているように、それぞれ異なる3種類の含有率を有するフルクトース(つまり、13%、16%、18%)が予め準備される。
・[工程2]
[工程1]により作成された混合物にエポキシ樹脂の液体が混合される。これにより、アミン硬化剤とエポキシ樹脂とが常温で速やかに化学反応を開始し、硬化が始まる。なお、[工程2]において使用されるエポキシ樹脂の液体は、例えばセメダイン株式会社のエポキシ樹脂系弾性接着剤EP001が使用されるが、これに限定されない。
・[工程3]
[工程2]により硬化した結果物としての3種類の混合物が、白色背景板bd上に薄く延ばすように配置され、更に、その全面を覆うようにPETフィルムにより被覆される。常温で約24時間程度が経過すると、白色背景板bdに造葉frc1,frc2,frc3がPETフィルムにより固定された状態で取り付けられる。
図32は、フルクトース(果糖)に対する近赤外光の分光特性の一例を示すグラフである。図32の横軸は波長(nm)であり、図32の縦軸は透過率(%)を示す。図32に示すように、水(HO)の透過率と同様に、波長905nmの参照光LS1のフルクトースの透過率がほぼ100%に近いため、波長905nmの参照光LS1は水分にもフルクトースにも吸収され難い特性を有することがわかる(図32のref.(=reference)参照)。同様に、水(HO)の透過率と同様に、波長1550nmの測定光LS2のフルクトースの透過率が10%に近いため、言い換えると、吸収し易い波長のピークがほぼ一致しているので、波長1550nmの測定光LS2は水分にもフルクトースにも吸収され易い特性を有することがわかる(図32のtar.(=target)参照)。
つまり、本実施形態において、外部標準サンプルとしての造葉の主成分の一例としてフルクトースが採用されたのは、次の理由に起因する。フルクトース(つまり、果糖)は、化学的特性の一例として、図32に示すように、水(HO)と同様の近赤外分光特性(吸収スペクトル)を有する。これは、フルクトースの化学構造式が、例えば図32に示されるように周知であり、本葉に含まれる水分を構成するヒドロキシル基(つまり、水酸基であるOH基)の割合がその化学構造式全体において高いために、モル吸光係数が大きく、蒸気圧が水に比べて低く、常温・常圧において蒸発などによりフルクトース含有量が変化しないために、フルクトース含有量の測定値の信頼性が高いことに基づくためであると考えられる。
更に、外部標準サンプルとしての造葉の主成分の一例としてエポキシ樹脂が採用されたのは、次の理由に起因する。エポキシ樹脂は、フルクトースとは異なり、化学的構造式において水酸基であるOH基に基づく近赤外線の吸収が小さく、水溶性も無く、紫外線に強く、剥がれにくく、組成も経時変化しないので、安定性が高い。
従って、本実施形態の外部標準サンプルは、水溶性があるフルクトースと水溶性がほとんどないエポキシ樹脂とがアミン硬化剤によって固形化することにより、例えば実験の測定中であっても経時的に形状や化学的特性が変化しにくい造葉が得られる。
また、図30や図31に示すように、本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1,frc2,frc3とは近接配置されているので、後述するように、ともに同様な外光(例えば太陽光)の影響を受けやすくなる。
図31に示すように、造葉frc1は白色背景板bdに対し、枠wk1の大きさの面積を有するPETフィルムに挟まれるように取り付けられている。同様に、造葉frc2は白色背景板bdに対し、枠wk2の大きさの面積を有するPETフィルムに挟まれるように取り付けられている。造葉frc3は白色背景板bdに対し、枠wk3の大きさの面積を有するPETフィルムに挟まれるように取り付けられている。
また、図31では、本葉PT10(つまり、先端葉)の水分量(例えば相対含水率)に相当するOH基量は造葉frc2の含フルクトース率(造葉frc2の相対含水率)に相当するOH基量と近い値であり、本葉PT11(つまり、図31の紙面左側の側葉)は水分量(例えば相対含水率)が多く、本葉PT12(つまり、図31の紙面右側の側葉)の水分量(例えば相対含水率)に相当するOH基量は造葉frc1の含フルクトース率(造葉frc2の相対含水率)に相当するOH基量と近い値であることが示されている。
図33は、6種類の造葉の反射強度比と含水率との相関関係を示すグラフである。図30や図31では、例えば3種類の造葉が示されているが、図33に示すように6種類の造葉が使用されても構わない。本実施形態では、図33に示すように、造葉内のフルクトース含有量を示す指標としての反射強度比と相対含水率(言い換えると、造葉における含フルクトース率)との間には線型の相関性があるとする(図33の直線SOK参照)。つまり、造葉内のフルクトースの反射強度比が大きくなるほど、造葉の相対含水率(言い換えると、造葉中に含まれるフルクトース率)は大きくなる。もちろん、図30や図31に示したように、3種類の造葉についても、それぞれ反射強度比と含水率との間には相関性がある。
次に、本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1,frc2のそれぞれの相対含水率が不明である場合に、本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1,frc2のそれぞれの反射強度比(平均水分指数)を導出することで、それぞれの相対含水率を求める実験とその実験結果について、図34〜図38を参照して説明する。
図34は、外光が降り注ぐ実験室の窓際付近で測定した本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1,frc2の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。図35は、図34に示す平均水分指数の時間変化に対し、フルクトース16%含有の造葉frc2における平均水分指数のある時点の測定値を基にベースライン補正した後の、本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1,frc2の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。図36は、図34に示す造葉frc1,frc2の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。図37は、外光の影響を受けにくい実験室の内側で測定した造葉frc1,frc2の平均水分指数の時間変化の一例を示すグラフである。
図34〜図37の横軸は経過時間(分)を示し、図34〜図37の縦軸は平均水分指数を示す。実験は、本葉PT10,PT11,PT12の反射強度比や相対含水率と造葉frc1,frc2の反射強度比や相対含水率の測定を、2016年4月25日(月)午後6時30分頃に開始、同月28日(木)の午後2時30分頃に終了した。
図34の実験結果では、外光(例えば太陽光)が降り注ぐ実験室の窓際付近で測定されたため、外光の影響(つまり、太陽光が植物検知カメラ1により受光されたこと及び太陽光による本葉と造葉の温度変化)で、図34に示す各平均水分指数の値には一定のバックグラウンド分が加算された値となっている。
“Development of a calibration equation with temperature compensation for determining the Brix value in intact peaches”(S.Kawano et al., J.Near Infrared Spectrosc.3,211-218(1995))という文献には、水や糖類のようなOH基を有する物質の、水素結合に基づく吸収スペクトルが、温度によっては低波長側へシフトすることを補正するための技術について記載されている。ここではこのような温度特性もバックグラウンド分(マイナス成分も含む)の加算として考慮される。
このため、上述した外光の影響により、太陽の照度や動きが時間的に変化し、反射光の角度依存性や温度変化が見られるため、本来一定値が得られるはずの造葉の平均水分指数が多少変動したことが示されている(例えば図34の特性ZH1,ZH2参照)。特性ZH1はフルクトースの含有率が16%の造葉frc2の平均水分指数の時系列の推移を示す。特性ZH2はフルクトースの含有率が18%の造葉frc1の平均水分指数の時系列の推移を示す。
また、特性GH3は本葉PT10(つまり、先端葉)1枚の平均水分指数の時系列の推移を示す。特性GH2は側葉2枚(つまり、本葉PT11,PT12)の平均水分指数の時系列の推移を示す。特性GH1は本葉PT10(つまり、先端葉)1枚と側葉2枚(つまり、本葉PT11,PT12)の計3枚の本葉の平均水分指数の時系列の推移を示す。
従って、それぞれの造葉の測定値(つまり、平均水分指数)が時間的に変動しているので、この測定値が一定値となるように補正することが好ましい。そこで、図36及び図37を参照して、それぞれの造葉の測定値が一定となるように補正(以下、「ベースライン補正」ともいう)することについて説明する。
図36では、図34に示される2種類の造葉frc1,frc2の測定値(つまり、平均水分指数)の時系列の推移のみが抽出されて示されている。上述したように、造葉frc1,frc2の測定値が時間変化するのは、外光(例えば太陽光)の影響を受けて、太陽の動きの時間変化に基づく角度依存性や太陽の照度の変化に基づく温度変化が見られるためであると考えられる。そのため、図36にも示されているように、例えば造葉frc1の特性ZH2は時間によって平均水分指数の変位量が大きい。
図36に示す実験結果は外光が降り注ぐ実験室の窓際付近で実験されたのに対し、図37に示す実験結果は外光があまり当たらない実験室の内部(例えば暗室)で実験されたものである。図36と比較して、図37に示すように、例えば造葉frc1の特性ZH2bは時間による平均水分指数の変位量は小さい。同様に、造葉frc2の特性ZH1bも時間による平均水分指数の変位量も小さい。言い換えると、外光の影響による造葉frc1,frc2のそれぞれの平均水分指数の時間変動を極力抑制することができている。
そこで、図34又は図36において、植物検知カメラ1の閾値設定/水分指数検知処理部27aは、それぞれの測定値と、例えば明け方から日の出前の時間帯(図36に示す3600分など)における測定値(平均水分指数)との差分値を、それぞれの測定値から引き算する。明け方から日の出前の時間帯は、外光(例えば太陽光)の影響を受けにくい時間帯の一例である。これにより、植物検知カメラ1は、ベースライン補正を行うことができ、図35に示すように、造葉frc1,frc2の各測定値の時間的変化をほぼ一定に補正することができる。なお、明け方から日の出前の時間帯として、例えば3600分における測定値を選択して説明したのは、明け方から日の出前の時間帯における測定値が割とフラットであった時間が3600分であったためである。従って、明け方から日の出前の時間帯として、3600分における測定値に限定されず、他の時間における測定値(例えば720分、2160分における各測定値)が選択されても構わない。
同様に、植物検知カメラ1は、ベースライン補正によって、本葉PT10,PT11,PT12及び造葉frc1,frc2のそれぞれの測定値を、外光の影響をできる限り抑制してより適正に補正して導出することができる。ベースライン補正後の本葉PT10,PT11,PT12及び造葉frc1,frc2のそれぞれの測定値は、図35に示す特性GH3a,GH2a,GH1a,ZH1a,ZH2aに示されている。これにより、本実施形態において、植物検知カメラ1が本葉の相対含水率の予測値を推定する際に(図39及び図40参照)、外部標準サンプルとしての造葉の平均水分指数が時間変化しないことになるので、造葉の外部標準サンプルとしての信頼性が向上する。
ここで、図34に示す最終測定時刻の後、例えば本葉PT10が図30に示す状態から摘み取られ(所謂、摘葉され)、図9に示した方法で含水率が実測される。つまり、最終測定時刻(2016年4月28日(木)の14:30)に摘葉された先端葉である本葉PT10の重量a(g)が計測され、更にその本葉PT10が例えば110℃の雰囲気で2時間程度乾燥される。乾燥後の本葉PT10の重量b(g)であった場合、本葉PT10の含水率は(a−b)/aにより求められる。
また、最終測定時刻における先端葉(本葉PT10)の測定値(平均水分指数)をG、各造葉(造葉frc1,frc2)の測定値(平均水分指数)をV,Rとする。植物検知カメラ1の閾値設定/水分指数検知処理部27aは、これらの測定値を取得でき、造葉frc1の相対含水率Yを(V/G)×(a−b)/aとして求め、同様に、造葉frc2の相対含水率Yを(R/G)×(a−b)/aとして求めることができる。
従って、植物検知カメラ1の閾値設定/水分指数検知処理部27aは、測定中のある時刻における先端葉(本葉PT10)の測定値(平均水分指数)をXとすると、当該先端葉の相対含水率を、(X/V)×Y又は(X/V)×Yとして算出して導出できる。但し、この相対含水率の算出においては、本葉PT10の測定値(平均水分指数)と近い造葉の測定値及び相対含水率を用いることが好ましい。これは、太陽光の反射光や太陽光による温度変化(温度特性)は、相対含水率の大きさによってバックグラウンド変動への影響度合いが変化するからである。
図38は、最終測定時刻における本葉PT10の含水率を基に算出された造葉の相対含水率を用いて算出された本葉PT10の相対含水率の時間変化の一例を示すグラフである。図38では、本葉PT10の相対含水率の時間変化の特性GH3gに加え、側葉(本葉PT11,PT12)、先端葉及び側葉、造葉frc1,frc2のそれぞれの相対含水率の時間変化の特性GH2g,GH1g,ZH2g,ZH1gも示されている。造葉frc1の相対含水率は、例えば本葉PT10の晴天の日中の含水率(82%程度)に相当している。一方、造葉frc2の相対含水率は、例えば本葉PT10の永久萎凋点(言い換えると、WSD:Water Saturated Deficitが34%程度)の含水率に相当している。従って、本葉PT10の相対含水率が特性ZH1gとZH2gとの間にあるようであれば、その本葉PT10には適度な水ストレスが付与されているということが分かる。
これにより、例えば図30に示す造葉frc1,frc2の各相対含水率が算出・決定されたことになる。造葉frc1,frc2の各相対含水率は時間変化せずに一定値となる。但し、図38に示される相対含水率の時間変化は、最終測定時刻において本葉PT10が摘葉されてこの時点における含水率が求められたために得られたものであって、測定中に(言い換えると、リアルタイムに)本葉PT10の相対含水率が算出されたものではない。
次に、図38に示された各造葉frc1,frc2の相対含水率(つまり、図34に示す実験(測定)開始時には不明であったが最終測定時刻における本葉PT10の含水率を基に算出された相対含水率)を既知の相対含水率として用い、図39及び図40を参照して、測定中に本葉PT10の相対含水率の予測値を推定する方法について説明する。
図39は、第3の実施形態の本葉PT10の反射強度比の測定中における、本葉PT10の相対含水率の算出手順の一例を説明するフローチャートである。図40は、ステップS119で使用される、2種類の造葉frc1,frc2の反射強度比を用いた補間法の説明図である。図39及び図40では、測定中のある時点Tにおける本葉PT10の相対含水率を、同じ時点Tにおける複数の造葉の相対含水率(既知)及び反射強度比(測定値)から算出する例を説明する。
図39において、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、測定開始後のある時点Tにおける本葉PT10の反射強度比を算出する(S111)。ステップS111における算出の詳細は、例えば図8を参照して説明したので、説明を省略する。また、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ステップS111と同じ時点Tにおける各造葉frc1,frc2の反射強度比を算出する(S112)。なお、ステップS112における算出の詳細は、例えば図8を参照して説明したので、説明を省略する。
図39の説明において、造葉はn個(n:2以上の自然数)使用されているとし、Nは1〜nのいずれかの整数であっていずれかの造葉を示す序数である。また、Nが1からnに上がっていくに従って、造葉の反射強度比の値も大きくなっていくとする。つまり、ある時点におけるN=1の造葉の反射強度比が最も小さく、同じ時点におけるN=nの造葉の反射強度比が最も大きいとする。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、N=nに設定する(S113)。つまり、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ある時点TにおけるN=n番目の造葉の反射強度比(つまり、ある時点Tにおける最大の反射強度比)を取得する(S114)。閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ある時点TにおけるN=n番目の造葉の反射強度比が本葉PT10の反射強度比より大きいかどうかを判定する(S115)。閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ある時点TにおけるN=n番目の造葉の反射強度比が本葉PT10の反射強度比より大きいと判定した場合(S115、YES)、Nを1つ減少してN=(n−1)に設定する(S116)。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ある時点TにおいてN=1になったか否かを判断する(S117)。N=1になっていない場合には(S117、NO)、閾値設定/水分指数検知処理部27aの処理はステップS114に戻る。
一方、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ある時点TにおけるN=n番目の造葉の反射強度比が本葉PT10の反射強度比より小さいと判定した場合(S115、NO)、現在のN番目の造葉の反射強度比よりも大きい(N+1)番目の造葉の反射強度比を得ているか否かを判断する(S118)。
閾値設定/水分指数検知処理部27aは、現在のN番目の造葉の反射強度比よりも大きい(N+1)番目の造葉の反射強度比を得ている場合には(S118、YES)、(N+1)番目及びN番目の各造葉の反射強度比、相対含水率を用いた補間法(図40参照)により、ある時点Tにおける本葉の相対含水率の予測値を算出する(S119)。なお、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ステップS119で得た、ある時点Tにおける本葉の相対含水率の予測値を算出する度に、図15のステップS45の処理のように、モニタ50に表示される実験の測定結果表示画面(例えば図16参照)に適宜表示してもよい。これにより、ユーザは、本葉の相対含水率の予測値を迅速に把握することができ、水ストレスが適度に付与されているのかどうかを判断することができる。ステップS119の後、図39に示す閾値設定/水分指数検知処理部27aの処理は終了する。
一方、ステップS117においてN=1になった場合(S117、YES)、又はステップS118において現在のN番目の造葉の反射強度比よりも大きい(N+1)番目の造葉の反射強度比が得られていない場合には(S118、NO)、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ステップS120の処理を行う。つまり、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、ある時刻Tにおける本葉PT10の相対含水率を測定困難である旨のメッセージ又は相対含水率=0%である旨のメッセージをモニタ50(図1参照)に表示するように、検知結果フィルタ処理部27cを介して、表示処理部29に指示する。表示処理部29は、検知結果フィルタ処理部27cからの指示に従い、相対含水率を測定困難である旨のメッセージ又は相対含水率=0%である旨のメッセージをモニタ50(図1参照)に表示する。
ここで、図40を参照して、ステップS119の補間法について説明する。図40の横軸は相対含水率を示し、図40の縦軸は反射強度比を示している。
図40において、ステップS119の処理時点(つまり、ある時刻T)において、(N+1)番目及びN番目の各造葉の反射強度比、相対含水率が得られている。言い換えると、本葉PT10の反射強度比γ1、N番目の造葉の反射強度比α1、(N+1)番目の造葉の反射強度比β1、更に、N番目の造葉の相対含水率(既知)A1、(N+1)番目の造葉の反射強度比B1がいずれも得られている。図40に示す直線BFzrに示されるように、相対含水率と反射強度比とは線形の相関性を有する。これにより、閾値設定/水分指数検知処理部27aは、測定開始後のある時刻Tにおける本葉PT10の相対含水率C1の予測値を、{{{(B1−A1)/(β1−α1)}×(γ1−α1)}+A1}と算出することができる。この予測値は図38を参照して説明した各造葉の相対含水率(ほぼ一定)が得られたことを用いて導出される。このため、相対含水率Cの予測値としての信頼性は高いと考えられる。従って、本実施形態の植物検知カメラ1は、測定中であっても、本葉の反射強度比と複数の造葉の反射強度比及び相対含水率を用いることで、高確度な本葉の相対含水率を算出することができる。
また、本実施形態では、例えば測定中に白色背景板bdが動いてしまい、測定開始時の位置からずれてしまった場合でも、植物検知カメラ1は、本葉PT10,PT11,PT12の相対含水率を適正に導出することができる。図40に示す直線BFzrは、白色背景板bdの位置がずれる前の相対含水率と反射強度比との間の相関性を示す。図40に示す直線AFzrは、白色背景板bdの位置がずれた後の相対含水率と反射強度比との間の相関性を示す。
つまり、測定中に白色背景板bdが位置ずれしてしまった場合でも、本葉PT10,PT11,PT12と複数の造葉frc1,frc2とは共に白色背景板bdに取り付けられているために同じ方向に位置ずれすると考えられる。このため、直線BFzrに示す相関性から直線AFzrに示す相関性が変わっても、相対含水率と反射強度比とが相関すること自体は変わりない。これにより、本実施形態の植物検知カメラ1は、白色背景板bdの位置ずれにより相対含水率と反射強度比との関係を示す直線の傾きが変わっても、ステップS119の補間法は同様に使用でき、位置ずれ前と同様に、本葉PT10,PT11,PT12の相対含水率の値を高確度の推定値として算出できる。このため、植物検知カメラ1が定位置に設置される据置タイプに限らず、例えばユーザが手で持てるハンディータイプのもので構成可能な場合には、ハンディータイプの植物検知カメラ1は、同様に本葉PT10,PT11,PT12の相対含水率の値を高確度の推定値として算出できる。ハンディータイプの植物検知カメラ1はユーザの手により把持され、多少の揺れ又は移動によって位置ずれが起きるが、本実施形態の植物検知カメラ1は白色背景板bdが位置ずれしても本葉PT10,PT11,PT12の相対含水率の値を高確度の推定値として算出できる。ハンディータイプの植物検知カメラ1によれば、ユーザは、据置タイプの植物検知カメラ1に比べて、複数箇所における観察対象の本葉の相対含水率を取得できるので、空間的に多地点(多くの)データを取得することができる。
なお、本実施形態の造葉frc1,frc2,frc3は、図30に示すように、観察対象となる本葉PT10,PT11,PT12の近傍に配置されるように白色背景板bdに取り付けられた。但し、造葉frc1,frc2,frc3の白色背景板bdの取り付け方は図30の例に限定されない(例えば図41A及び図41B、図42A及び図42B参照)。
図41A及び図41Bは、本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1の白色背景板bdに対する取り付けの第1変形例を示す図である。図42A及び図42Bは、本葉PT10,PT11,PT12と造葉frc1の白色背景板bdに対する取り付けの第2変形例を示す図である。
図41Bに示すように、例えば図25と同様に額縁のように、既定の含有率のフルクトースが混合された造葉frc1が白色背景板bdの周囲に配置されるように取り付けられてもよい。図41Aは、図41Bの側断面図である。図41Aでは、白色背景板bdと造葉frc1の厚みはさほど変わらないように図示されているが、実際には白色背景板bdの厚みは3mm程度に対し、造葉frc1の厚みは100〜400μm程度である。図30に示す取り付け例においても、白色背景板bd、造葉frc1の厚みは同様である。また、図41Bにおいて、白色背景板bdの四辺の一辺毎に、造葉に含まれるフルクトースの含有率がそれぞれ異なるように作成された4種類の造葉が取り付けられても構わない。
また、図42Bに示すように、白色背景板bdに対し、同図紙面の右側に本葉PT10,PT11,PT12が取り付けられ、更に、植物検知カメラ1の光軸方向と白色背景板bdの法線方向とが一致し、その方向に沿って2個の正方形状の断面を有しかつ一定の厚みを有する造葉frc1と、同方向に沿って2個の正三角形状の断面を有しかつ同様の厚みを有する造葉frc2とが取り付けられてもよい。
つまり、図42Bでは、平行度をチェックするために一般的に知られているテストパターン形状を有するように、造葉frc1,frc2が白色背景板bdに取り付けられることになる。これにより、植物検知カメラ1は、例えば測定中に白色背景板bdがパン方向、チルト方向、又はその両方の方向に位置ずれしてしまった場合に、正方形や正三角形がずれた方向に向かって同様にずれるので、ずれた角度の値を算出することができる。例えばパン方向(左右方向)にずれた場合には、左右方向の長さが変わり、大きさが正方形や正三角形ではなくなる。同様にチルト方向(上下方向)にずれた場合には、上下方向の長さが変わり、大きさが正方形や正三角形ではなくなる。また、植物検知カメラ1は、測定開始前の初期設定時に、白色背景板bdの法線方向と植物検知カメラ1の光軸とが平行であるか又はずれているかを検知することができ、白色背景板bdの初期設置時の作業を効率化できる。また、植物検知カメラ1は、白色背景板bdの法線方向と植物検知カメラ1の光軸との平行度の確認を行いながら、本葉PT10,PT11,PT12と複数の造葉frc1,frc2が白色背景板bdに取り付けられるので、上述したように、例えば本葉PT10の相対含水率を算出することができる(例えば図39のステップS119参照)。
以上により、第3の実施形態の植物検知カメラ1は、植物の観察部位としてのトマトの葉(本葉PT10,PT11,PT12)と、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分と同等の化学的特性を有する少なくとも一つの外部試料としての造葉frc1,frc2との背面を覆う白色背景板bdに対向して配置される。植物検知カメラ1は、水分に吸収され難い特性を有する近赤外レーザ光である参照光LS1を白色背景板bdに向けて順次走査しながら照射する。植物検知カメラ1は、水分に吸収され易い特性を有する近赤外レーザ光である測定光LS2を白色背景板bdに向けて順次走査しながら照射する。植物検知カメラ1は、一定の測定期間において、本葉PT10,PT11,PT12及び造葉frc1,frc2において反射された参照光LS1の各反射光と本葉PT10,PT11,PT12及び造葉frc1,frc2において反射された測定光LS2の各反射光とを基に、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量(例えば相対含水率)を導出する(図39のステップS119参照)。また、植物検知カメラ1は、測定期間における本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量(例えば相対含水率)の時系列の推移をモニタ50に表示する。
これにより、植物検知カメラ1は、水と同等の化学的性質(例えば吸収スペクトル)を有し、かつ相対含水率が既知となった造葉frc1,frc2を用いることで、トマトの葉(本葉PT10,PT11,PT12)に含まれる水分量(例えば相対含水率)を高確度で推定できる。また、植物検知カメラ1は、トマトの葉(本葉PT10,PT11,PT12)に含まれる水分量の時系列の推移をユーザに対して定量的かつ視覚的に提示することができ、植物への灌水のタイミングの早期教示に資することができる。
また、少なくとも一つの造葉frc1,frc2は、化学的特性として、参照光LS1及び測定光LS2の各波長(905nm,1550nm)に対する水の吸収スペクトルと同等の吸収スペクトルを有するフルクトース(果糖)がエポキシ樹脂に混合された試料である。フルクトース(つまり、果糖)は、化学的特性の一例として、図32に示すように、水(HO)と同様の近赤外分光特性(吸収スペクトル)を有する。これは、フルクトースの化学構造式が、例えば図32に示されるように周知であり、本葉に含まれる水分を構成するヒドロキシル基(つまり、水酸基であるOH基)の割合がその化学構造式全体において高いために、モル吸光係数が大きく、蒸気圧が水に比べ低く、常温・常圧において蒸発などによりフルクトース含有量が変化しないために、フルクトース含有量の測定値の信頼性が高いことに基づくためである。更に、造葉frc1,frc2の主成分の一例としてエポキシ樹脂が採用されたのは、次の理由に起因する。エポキシ樹脂は、フルクトースとは異なり、化学的構造式において水酸基であるOH基に基づく近赤外線の吸収が小さく、水溶性も無く、紫外線に強く、剥がれにくく、組成も経時変化しないので、安定性が高い。従って、本実施形態の造葉frc1,frc2は、水溶性があるフルクトースと水溶性がほとんどないエポキシ樹脂とがアミン硬化剤によって固形化することにより、例えば実験の測定中であっても経時的に形状や化学的特性が変化しにくい造葉が得られる。
また、本葉PT10,PT11,PT12と複数の造葉frc1,frc2とは、白色背景板bdにおいて近接して配置される。これにより、本葉PT10,PT11,PT12と複数の造葉frc1,frc2とは、同様な外光(例えば太陽光)の影響を受けやすくなる。従って、造葉frc1,frc2の相対含水率が不明である場合に(図34参照)、造葉frc1,frc2の反射強度比に基づく平均水分指数をベースライン補正することで、本葉PT10,PT11,PT12の反射強度比もより適正に補正されるため、相対含水率の算出精度が向上し、不明であった造葉frc1,frc2の相対含水率の算出精度も向上する。
また、モニタ50は、植物検知カメラ1からの指示により、本葉PT10,PT11,PT12に所望な水ストレスが付与されている状態を示すターゲットの水分量の範囲(例えば図12に示す目標範囲BW)を表示する。植物検知カメラ1の制御部11は、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量が目標範囲BWの下限付近の値となったことを検知すると、本葉PT10,PT11,PT12に対する灌水を促す旨の表示をモニタ50に指示して表示させてもよい。これにより、ユーザは、植物検知カメラ1の観察対象の本葉PT10,PT11,PT12に付与されている水ストレスが過多になりそうであり、次に灌水しなければならないタイミングが近いことを迅速かつ簡単に知ることができる。
また、モニタ50は、植物検知カメラ1からの指示により、本葉PT10,PT11,PT12に所望な水ストレスが付与されている状態を示すターゲットの水分量の範囲(例えば図12に示す目標範囲BW)を表示する。植物検知カメラ1の制御部11は、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量が目標範囲BWの上限付近の値となったことを検知すると、本葉PT10,PT11,PT12に対する灌水の中止を促す旨の表示をモニタ50に指示して表示させてもよい。これにより、ユーザは、植物検知カメラ1の観察対象の本葉PT10,PT11,PT12への灌水を中止することで、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量(例えば平均水分指数)が減少する(言い換えると、水ストレスを与える)必要があることを迅速かつ簡単に知ることができる。
また、本実施形態の栽培装置は、植物検知カメラ1と、栽培制御部としての肥料水供給装置WFとを含む構成である。肥料水供給装置WFは、測定期間のうち一部の期間において、例えばユーザの操作に基づく植物検知カメラ1からの指示により、植物検知カメラ1により算出された水分量(例えば平均水分指数、又は相対含水率)の時系列の推移に基づいて、所定量の水分を本葉PT10,PT11,PT12に灌水することができる。
次に、測定中に外光(例えば太陽光)の受光に基づいて反射光の強度が一定のバックグラウンドとして上昇していること及び太陽光の受光に基づいて本葉や造葉が温度変化し反射光の強度が一定のバックグラウンドとして変化していることに関して、外光の影響をできる限り抑制するための近赤外レーザ光の照射方法について考察した例を、図43A,図43B及び図43C、図44A,図44B,及び図44C並びに図45を参照して説明する。
図43Aは、屋外において本葉PT10に向かって905nm、1550nmの各近赤外レーザ光を照射した際、近赤外レーザ光の各波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。図43Bは、屋外において白色背景板bdが設置された本葉PT10に向かって905nm、1550nmの各近赤外レーザ光を照射した際、近赤外レーザ光の各波長に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。図43Cは、本葉PT10の水分量を正確に算出する上で本来必要な、905nm、1550nmの各近赤外レーザ光に対する反射光の強度の一例を示すグラフである。
図44Aは、屋外での白色背景板bd設置時における、時刻T1での太陽光の影響に基づく反射光の強度のバックグラウンド上昇分の変化の一例を示すグラフである。図44Bは、屋外での白色背景板bd設置時における、時刻T2での太陽光の影響に基づく反射光の強度のバックグラウンド上昇分の変化の一例を示すグラフである。図44Cは、屋外での白色背景板bd設置時における、時刻T3での太陽光の影響に基づく反射光の強度のバックグラウンド上昇分の変化の一例を示すグラフである。図45は、太陽光の影響に基づく反射光の強度を測定するために有用と考えられる、905nm、1550nmの近赤外レーザ光の照射タイミングの一例を示す説明図である。
図43A,図43B及び図43Cにおいて、横軸は波長を示し、縦軸は反射光の強度(光強度)を示す。図44A,図44B及び図44Cにおいて、横軸は波長を示し、縦軸は反射光の強度(光強度)を示す。なお、図43Aは図10Aに対応し、図43Bは図10Bに対応するので、同一の内容の説明は簡略化又は省略し、異なる内容について説明する。
図43A及び図43Bにおいて、範囲PDsはある範囲の近赤外レーザ光(つまり、参照光LS1,測定光LS2)の波長域に感度を有するフォトダイオード(PD:Photo Diode)の波長範囲を示す。図43Aでは、観察対象の葉(例えば本葉PT10)が屋外に設置され、更に、白色背景板bdが取り付けられていない。このため、周囲の葉(例えば本葉PT11,PT12)における太陽光の多重散乱が生じ、その多重散乱により反射した周囲の葉(例えば本葉PT11,PT12)からの反射光の受光分がバックグラウンドとして加わっている。このため、参照光LS1の波長(905nm)は透過率が高いため、バックグラウンドの上昇に応じて、参照光LS1の反射光の強度は相対的に大きくなっている。一方、測定光LS2の波長(1550nm)は透過率が低いため、バックグラウンドの上昇に応じて、測定光LS2の反射光の強度が相対的に小さくなっている。従って、本葉PT10により反射した参照光LS1,測定光LS2の各反射光の強度は、本来必要な光強度から上述したバックグラウンドの影響を受け、本葉PT10の正確な反射強度比(言い換えると、平均水分指数)の算出が困難である。
次に、図43Bでは、本葉PT10が屋外に設置されているが、白色背景板bdが本葉PT10の背面側に取り付けられている。このため、周囲の葉(例えば本葉PT11,PT12)における太陽光の多重散乱は生じないので、図43Aに示す程のバックグラウンドの上昇は生じない。このため、参照光LS1の反射光の強度は太陽光の受光分に基づく強度の分だけ大きくなっているが、これは、測定光LS2の反射光の強度についても同様である。従って、図43Aに示す場合に比べて、本葉PT10により反射した参照光LS1,測定光LS2の各反射光の強度は、本来必要な光強度に近い値とはなるが、太陽光の影響を受けているので、本葉PT10の正確な反射強度比(言い換えると、平均水分指数)の算出値に数%程度の誤差が含まれてしまう。
図43Cでは、図43Bに示す太陽光の受光に基づく光強度の分及び太陽光による温度変化に基づく光強度変化分が差し引かれた参照光LS1,測定光LS2の各反射光の強度が示されている。本来、上述した数式(3)に従って水の濃度Cを求めるためには、適正な参照光LS1,測定光LS2の各反射光に基づく反射強度比I905/I1550が数式(3)に代入されるべきである。しかし、図43Bを参照して説明したように、白色背景板bdを取り付けたとしても太陽光の受光に基づく光強度及び温度変化分が上乗せされてくる。しかも、この太陽光の光強度は時刻により刻々と変化するため、その太陽光の光強度及びそれによる温度変化分を時刻に合わせて差し引く必要がある。
図44Aでは、時刻T1(例えば晴れの日の昼間の時間)における、参照光LS1,測定光LS2の各反射光の光強度が示されている。時刻T1における範囲PDsの全域において太陽光の強度が大きい。つまり、太陽光の受光量が多くなっているため、植物検知カメラ1は、上述した数式(3)に代入するべき反射強度比I905/I1550として、参照光LS1,測定光LS2の各反射光の光強度の実測値から、図44Aに示す太陽光の受光に基づく反射光の光強度の分及び温度変化分を差し引いて求めるべきである。
図44Bでは、時刻T2(例えば晴れの日の夕方頃の時間)における、参照光LS1,測定光LS2の各反射光の光強度が示されている。時刻T2における範囲PDsの高波長側では太陽光の強度が減衰している。このため、植物検知カメラ1は、上述した数式(3)に代入するべき反射強度比I905/I1550として、参照光LS1,測定光LS2の各反射光の光強度の実測値から、図44Bに示す太陽光の受光に基づく反射光の光強度の分及び太陽光に基づく反射光の温度変化分を差し引いて求めるべきである。なお、図44Bにおいて、参照光LS1,測定光LS2の照射タイミングはμ秒程度のオーダーであるため、検知された太陽光の受光及び温度特性に基づく各反射光の波長分布は同様と考えて差し支えない。
図44Cでは、時刻T3(例えば曇りの日)における、参照光LS1,測定光LS2の各反射光の光強度が示されている。時刻T3における範囲PDsの全域において太陽光の強度が減衰している。植物検知カメラ1は、上述した数式(3)に代入するべき反射強度比I905/I1550として、参照光LS1,測定光LS2の各反射光の光強度の実測値から、図44Cに示す太陽光の受光に基づく反射光の光強度の分及び太陽光による温度変化に基づく反射光の光強度変化分を差し引いて求めるべきである。なお、受光素子であるフォトダイオード(PD)は、時間変化する太陽光の波長分布(つまり、反射光)を、その波長毎の感度により電流値に変換・積算して数値化する。この数値化された値が、上述した差し引かれるべき太陽光の受光に基づく各反射光の強度及び太陽光による温度変化に基づく反射光の光強度変化分に相当する。
また、前述のうち太陽光の受光に基づく反射光の強度を求めるためには、図45の下段に示すように、905nmの参照光LS1と1550nmの測定光LS2との照射タイミングの間に、参照光LS1や測定光LS2の照射がされない期間が設けられることが好ましい。例えば図45の上段に示す照射方法では、ある照射周期F内に参照光LS1が照射されると、その照射周期内には、太陽光の影響を受けた参照光LS1の反射光が植物検知カメラ1により受光される。その次の照射周期に測定光LS2が照射されると、その照射周期内には、太陽光の影響を受けた測定光LS2の反射光が植物検知カメラ1により受光される。従って、太陽光のみが植物検知カメラ1により受光される間隔が得られないため、上述した差し引かれるべき太陽光の受光に基づく各反射光の強度が得られない。
そこで、図45の下段に示すように、参照光LS1や測定光LS2の照射がされない期間が設けられると、その照射周期内では参照光LS1の反射光も測定光LS2の反射光も受光されないため、純粋に太陽光のみが植物検知カメラ1により受光される。言い換えると、植物検知カメラ1は、この照射周期内に受光した太陽光の反射光の強度により、上述した差し引かれるべき太陽光の受光に基づく各反射光の強度を得ることができる。
以上により、図43A,図43B及び図43C、図44A,図44B及び図44B並びに図45を参照して説明した考察によれば、植物検知カメラ1の制御部11は、参照光LS1の照射周期と測定光LS2の照射周期との間に未照射期間を設けるように参照光LS1及び測定光LS2の照射タイミングを制御する。植物検知カメラ1は、本葉PT10及び少なくとも一つの造葉frc1,frc2において反射された参照光LS1の各反射光から、未照射期間に受光された太陽光のうち参照光LS1と同じ波長成分を減算する。更に、植物検知カメラ1は、本葉PT10及び造葉frc1,frc2において反射された測定光LS2の各反射光から、未照射期間に受光された太陽光のうち測定光LS2と同じ波長成分とを減算する。これにより、植物検知カメラ1は、数式(3)に本来代入するべき反射強度比を正確に算出できるので、太陽光の影響をできる限り抑制した本葉PT10に含まれる水分量を正確に導出することができる。
また、植物検知カメラ1は、植物の観察部位としてのトマトの葉(本葉PT10,PT11,PT12)の背面を覆う白色背景板bdに対向して配置されても構わない。言い換えると、図30に示す白色背景板bdに本葉PT10,PT11,PT12のみが取り付けられてもよい。植物検知カメラ1は、水分に吸収され難い特性を有する近赤外レーザ光である参照光LS1を白色背景板bdに向けて順次走査しながら照射する。植物検知カメラ1は、水分に吸収され易い特性を有する近赤外レーザ光である測定光LS2を白色背景板bdに向けて順次走査しながら照射する。植物検知カメラ1は、一定の測定期間において、本葉PT10,PT11,PT12において反射された参照光LS1の各反射光と本葉PT10,PT11,PT12において反射された測定光LS2の各反射光とを基に、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量(例えば相対含水率)を導出する。また、植物検知カメラ1は、測定期間における本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量(例えば相対含水率)の時系列の推移をモニタ50に表示する。この水分量の導出においては、上述した太陽光の影響をできる限り抑制するために、参照光LS1,測定光LS2が照射されない未照射期間が設けられることが好ましい。植物検知カメラ1は、本葉PT10,PT11,PT12において反射された参照光LS1の各反射光から、未照射期間に受光された太陽光のうち参照光LS1と同じ波長成分を減算する。また、植物検知カメラ1は、本葉PT10,PT11,PT12において反射された測定光LS2の反射光から、未照射期間に受光された太陽光のうち測定光LSと同じ波長成分とを減算する。植物検知カメラ1は、減算後の各反射光を基に、本葉PT10,PT11,PT12に含まれる水分量を導出する。
これにより、植物検知カメラ1は、たとえ少なくとも一つの外部標準サンプルとしての造葉frc1,frc2を用いない場合であっても、数式(3)に本来代入するべき反射強度比を正確に算出できるので、太陽光の影響をできる限り抑制した本葉PT10、PT11,PT12に含まれる水分量を正確に導出することができる。
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、上述した本実施形態の栽培装置は、植物(例えばトマトの葉)へのストレス(例えば水ストレス)を付与するために、植物への灌水を中断する等の未灌水の処理を行う旨を説明した。しかしながら、本実施形態の栽培装置において、植物へのストレス(例えば水ストレス)を付与する方法は、未灌水に限定されない。例えば本実施形態の栽培装置は、植物へのストレス(例えば水ストレス)を付与するために、未灌水ではなく、植物に供給される液肥(つまり、液体肥料)の電気伝導度を所定値以上に大きくなるように変えても構わない。つまり、栽培装置は液肥の電気伝導度が所定値以上に大きくなるように変えることにより、結果的に未灌水と同等の水ストレスが植物に付与されることになる。これは、液肥の電気伝導度が所定値以上に大きくなるように変わることにより、根が浸透圧の関係で水を吸えなくなること(言い換えると、塩ストレスの付与)が起きてしまい、結果として未灌水と同様に、植物に水ストレスが付与されることになるためである。なお、所定値は、育成者の経験により得られる既知の値であり、塩ストレスが植物に付与される時の液肥の電気伝導度の下限値である。
本開示は、水と同等の化学的性質を有する外部標準サンプルを用い、植物に含まれる水分量を高確度で推定し、その水分量の時系列の推移をユーザに対して定量的かつ視覚的に提示し、植物への灌水のタイミングの早期教示に資することができる水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置として有用である。
1 植物検知カメラ
11 制御部
11a タイミング制御部
13 第1投射光源
15 第2投射光源
17 投射光源走査用光学部
21,31 撮像光学部
23,33 受光部
25 信号加工部
25a I/V変換回路
25b 増幅回路
25c コンパレータ/ピークホールド処理部
27 検知処理部
27a 閾値設定/水分指数検知処理部
27b メモリ
27c 検知結果フィルタ処理部
29 表示処理部
35 撮像信号処理部
37 表示制御部
50 モニタ
60 UI(ユーザインタフェース)画面
61 探索灌水量入力画面
63 設定領域
64 初期設定ボタン
66 ズレ閾値設定ボタン
67,68 入力ボックス
71 灌水量探索モードボタン
72,74 表示ボックス
73 水ストレス制御(栽培制御)モードボタン
101 ベース
102 棒材
151 三脚
ARE エリア
BB 土台
bd,bdd 白色背景板
bd1 開口部
bd2 孔部
bd3,bd4,bd5,bd21 スリット
bd11 枠体
Bw 目標範囲
gh1,gh2 グラフ
Gm1 葉中水分モニタリング画面
JG 画像判定部
PT3,PT3t,PT3o 葉
LS1 参照光
LS2 測定光
mk1,mk2,mk3,mk4 マーク
mp 連結部材
MT 通信端末
NVSS 非可視光センサ
pf1,pf2,pf3,pf4 水ストレスプロファイル
PJ 投射部
TR 光源走査用タイミング信号
RF 光源発光信号
RV0 環境光
RV1,RV2 拡散反射光
r1〜r5,r11〜r18,ra,rb,rc 矢印
sc1,sc2,sc3 領域
sm1,sm2,sm3 植物サンプル
TW1 水ポテンシャル降下期間
TW2 最適灌水量探索期間
TW3 水ストレス制御期間
TW4 含水率回復期間
VSC 可視光カメラ
W1,Wk 反射強度比
WF 肥料水供給装置

Claims (8)

  1. 植物の観察部位と、前記植物の観察部位の含水量を導出するための基準として用いられる少なくとも一つの試料との背面を覆う背景物に対向して配置され、
    水分に吸収され難い特性を有する参照光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第1光源と、
    水分に吸収され易い特性を有する測定光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第2光源と、
    一定の測定期間において、前記観察部位及び前記試料において反射された前記参照光の各反射光と前記観察部位及び前記試料において反射された前記測定光の各反射光とを基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出する水分量導出部と、
    前記水分量導出部により導出された、前記測定期間における前記観察部位に含まれる水分量の時系列の推移を表示部に表示する制御部と、を備える、
    水分量観察装置。
  2. 請求項1に記載の水分量観察装置であって、
    前記試料は、前記参照光及び前記測定光の各波長に対する水の吸収スペクトルと同等の吸収スペクトルを有する糖類(果糖、ショ糖、ブドウ糖など)と樹脂との混合物を備える、
    水分量観察装置。
  3. 請求項1に記載の水分量観察装置であって、
    前記植物の観察部位と前記試料とは、前記背景物において近接して配置される、
    水分量観察装置。
  4. 請求項1に記載の水分量観察装置であって、
    前記表示部は、前記植物の観察部位に所望な水ストレスが付与されている状態を示すターゲットの水分量の範囲を表示し、
    前記制御部は、前記観察部位に含まれる水分量が前記ターゲットの水分量の範囲の下限付近の値となったことに応じて、前記植物の観察部位に対する灌水を促す旨の表示を前記表示部に指示する、
    水分量観察装置。
  5. 請求項1に記載の水分量観察装置であって、
    前記表示部は、前記植物の観察部位に所望な水ストレスが付与されている状態を示すターゲットの水分量の範囲を表示し、
    前記制御部は、前記観察部位に含まれる水分量が前記ターゲットの水分量の範囲の上限付近の値となったことに応じて、前記植物の観察部位に対する灌水の中止を促す旨の表示を前記表示部に指示する、
    水分量観察装置。
  6. 請求項1に記載の水分量観察装置であって、
    前記制御部は、前記参照光の照射周期と前記測定光の照射周期との間に未照射期間を設けるように前記参照光及び前記測定光の照射タイミングを制御し、
    前記水分量導出部は、
    前記観察部位及び前記試料において反射された前記参照光の各反射光から、前記未照射期間に受光された太陽光のうち前記参照光と同じ波長成分を減算し、
    前記観察部位及び前記試料において反射された前記測定光の各反射光から、前記未照射期間に受光された太陽光のうち前記測定光と同じ波長成分とを減算し、
    減算後の各反射光を基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出する、
    水分量観察装置。
  7. 植物の観察部位の背面を覆う背景物に対向して配置される水分量観察装置と、栽培制御部と、を備える栽培装置であって
    前記水分量観察装置は
    水分に吸収され難い特性を有する参照光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第1光源と、
    水分に吸収され易い特性を有する測定光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射する第2光源と、
    一定の測定期間において、前記観察部位において反射された前記参照光の反射光と前記観察部位において反射された前記測定光の反射光とを基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出する水分量導出部と、
    前記水分量導出部により導出された、前記測定期間における前記観察部位に含まれる水分量の時系列の推移を表示部に表示する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記参照光の照射周期と前記測定光の照射周期との間に未照射期間を設けるように前記参照光及び前記測定光の照射タイミングを制御し、
    前記水分量導出部は、
    前記観察部位において反射された前記参照光の反射光から、前記未照射期間に受光された太陽光のうち前記参照光と同じ波長成分を減算し、
    前記観察部位において反射された前記測定光の反射光から、前記未照射期間に受光された太陽光のうち前記測定光と同じ波長成分とを減算し、
    減算後の各反射光を基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出し、する、
    前記栽培制御部は、
    前記測定期間のうち一部の期間において前記水分量導出部により算出された前記水分量の時系列の推移に基づいて、所定量の水分を前記植物に灌水する、
    栽培装置。
  8. 第1光源及び第2光源を有する水分量観察装置における水分量観察方法であって、
    前記水分量観察装置は、植物の観察部位と、前記植物の観察部位の含水量を導出するための基準として用いられる少なくとも一つの試料との背面を覆う背景物に対向して配置され、
    前記第1光源が、水分に吸収され難い特性を有する参照光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射し、
    前記第2光源が、水分に吸収され易い特性を有する測定光を前記背景物に向けて順次走査しながら照射し、
    一定の測定期間において、前記観察部位及び前記試料において反射された前記参照光の各反射光と前記観察部位及び前記試料において反射された前記測定光の各反射光とを基に、前記観察部位に含まれる水分量を導出し、
    前記測定期間における前記観察部位に含まれる水分量の時系列の推移を表示部に表示する、
    水分量観察方法。
JP2018516086A 2016-05-31 2017-05-11 水分量観察装置、水分量観察方法および栽培装置 Active JP6455794B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016109562 2016-05-31
JP2016109562 2016-05-31
PCT/JP2017/017795 WO2017208765A1 (ja) 2016-05-31 2017-05-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018170014A Division JP6695071B2 (ja) 2016-05-31 2018-09-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
JP2018170013A Division JP6709973B2 (ja) 2016-05-31 2018-09-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017208765A1 JPWO2017208765A1 (ja) 2018-07-12
JP6455794B2 true JP6455794B2 (ja) 2019-01-23

Family

ID=60478105

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018516086A Active JP6455794B2 (ja) 2016-05-31 2017-05-11 水分量観察装置、水分量観察方法および栽培装置
JP2018170014A Active JP6695071B2 (ja) 2016-05-31 2018-09-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
JP2018170013A Active JP6709973B2 (ja) 2016-05-31 2018-09-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018170014A Active JP6695071B2 (ja) 2016-05-31 2018-09-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
JP2018170013A Active JP6709973B2 (ja) 2016-05-31 2018-09-11 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10598591B2 (ja)
EP (1) EP3466248B1 (ja)
JP (3) JP6455794B2 (ja)
CN (1) CN108601326B (ja)
WO (1) WO2017208765A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110208212A (zh) * 2019-07-04 2019-09-06 中南林业科技大学 一种近红外光谱全方位无损检测装置及控制方法
CN110320175A (zh) * 2019-07-04 2019-10-11 中南林业科技大学 一种近红外光谱检测装置及控制方法

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5979573B1 (ja) * 2016-02-29 2016-08-24 パナソニックIpマネジメント株式会社 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
US11475550B2 (en) * 2017-07-18 2022-10-18 Sony Group Corporation Information processing apparatus, information processing method, program, and information processing system
JP6677946B2 (ja) * 2017-12-18 2020-04-08 株式会社オーガニックnico 栽培中作物の生育状態測定装置
WO2019152578A1 (en) 2018-02-02 2019-08-08 Gemmacert Ltd. Testing quality and potency of plant material
JP6832601B2 (ja) * 2018-02-27 2021-02-24 パナソニックIpマネジメント株式会社 水分量検出装置
US11483981B1 (en) * 2018-05-14 2022-11-01 Crop One Holdings, Inc. Systems and methods for providing a low energy use farm
EP3873672A4 (en) * 2018-11-02 2022-08-10 GCP Applied Technologies Inc. CEMENT MANUFACTURE
US20230172114A1 (en) * 2021-12-03 2023-06-08 Hydrogreen, Inc. Processes and systems for increasing germination and growth in hydroponically grown cellulosic materials with light signaling
WO2023144680A1 (en) * 2022-01-25 2023-08-03 Cet Electronics Snc Method and apparatus for estimating the water stress of a plant
CN114354606B (zh) * 2022-03-21 2022-06-03 广东省农业科学院植物保护研究所 一种用于监测病毒对植物影响的系统及方法
CN115077386B (zh) * 2022-08-19 2022-12-16 南京木木西里科技有限公司 一种水溶胶表面全自动测量装置、系统及其测量方法
CN117074403B (zh) * 2023-08-17 2024-05-28 宁夏大学 一种土壤水分盐分信息自动化提取装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2942341B2 (ja) 1990-10-24 1999-08-30 日本たばこ産業株式会社 赤外線水分測定装置
JPH05236831A (ja) 1992-02-27 1993-09-17 Hochiki Corp 自動灌水装置
JPH09318766A (ja) 1996-05-27 1997-12-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 凍結検知システム
JP3297735B2 (ja) * 1999-11-15 2002-07-02 独立行政法人産業技術総合研究所 湿潤度合い判定方法、湿潤度測定方法ならびに湿潤度測定装置
JP2001272373A (ja) 2000-03-24 2001-10-05 Shikoku Natl Agricultural Experiment Station Maff 植物体の水ストレス診断方法
JP2004285265A (ja) 2003-03-24 2004-10-14 Toyota Motor Corp 短絡抑制樹脂材料およびそれを用いた電気接続部品
JP4524473B2 (ja) * 2004-03-25 2010-08-18 長崎県 植物の受ける水分ストレスの測定方法及び装置
JP5258044B2 (ja) * 2006-05-02 2013-08-07 国立大学法人山口大学 植物葉の水分ストレスを推定する方法、植物葉の水分ストレスを推定するための装置及び植物葉の水分ストレスを推定するためのプログラム
JP4820966B2 (ja) * 2006-05-18 2011-11-24 国立大学法人愛媛大学 給液制御装置
FR2918458B1 (fr) * 2007-07-06 2012-07-20 Univ Toulouse Le Mirail Dispositif de mesure non destructive de l'hydratation d'un vegetal dans son environnement naturel
JP2009197104A (ja) 2008-02-20 2009-09-03 Daicel Chem Ind Ltd オリゴ糖アルコール組成物及びそれを用いて得られた分散体及び樹脂粒子
CN102507480B (zh) * 2011-11-23 2013-07-10 浙江大学 基于12个特征波长的无损快速检测茶叶含水率的方法
WO2015098063A1 (en) * 2013-12-25 2015-07-02 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Image output apparatus, image output method, and image output system, the image output comprising the detection of a specified substance in a predetermined region
JP5979567B1 (ja) 2015-04-30 2016-08-24 パナソニックIpマネジメント株式会社 植物ストレス検出装置及び植物ストレス検出方法
US10126234B2 (en) * 2015-10-23 2018-11-13 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Water content of a part of plant evaluation method and water content of a part of plant evaluation apparatus
JP5982731B1 (ja) * 2016-02-26 2016-08-31 パナソニックIpマネジメント株式会社 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110208212A (zh) * 2019-07-04 2019-09-06 中南林业科技大学 一种近红外光谱全方位无损检测装置及控制方法
CN110320175A (zh) * 2019-07-04 2019-10-11 中南林业科技大学 一种近红外光谱检测装置及控制方法
CN110208212B (zh) * 2019-07-04 2021-06-18 中南林业科技大学 一种近红外光谱全方位无损检测装置及控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108601326A (zh) 2018-09-28
JP2019010114A (ja) 2019-01-24
JP6709973B2 (ja) 2020-06-17
JP2019010113A (ja) 2019-01-24
US20190265162A1 (en) 2019-08-29
WO2017208765A1 (ja) 2017-12-07
EP3466248B1 (en) 2021-03-31
EP3466248A4 (en) 2019-05-22
US10598591B2 (en) 2020-03-24
CN108601326B (zh) 2021-06-22
EP3466248A1 (en) 2019-04-10
JP6695071B2 (ja) 2020-05-20
JPWO2017208765A1 (ja) 2018-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6455794B2 (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法および栽培装置
JP5982731B1 (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
EP3365660B1 (en) Water content of a part of plant evaluation method and water content of a part of plant evaluation apparatus
JP5979573B1 (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
EP3410098B1 (en) Device for observing water content, method for observing water content, and cultivation device
JP5984075B1 (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
JP6653451B2 (ja) 植物水分量評価装置及び植物水分量評価方法
JP6745459B2 (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
JP5975366B1 (ja) 植物水分量評価方法及び植物水分量評価装置
JP5979572B1 (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置
JP5984072B1 (ja) 植物水分量評価装置及び植物水分量評価方法
JP2020177026A (ja) 水分量観察装置、水分量観察方法及び栽培装置

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180327

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180327

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20180327

AA64 Notification of invalidation of claim of internal priority (with term)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A241764

Effective date: 20180410

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180514

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20180531

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180717

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180911

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181113

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181207

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6455794

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151