JPWO2020170939A1 - 人工光型植物工場コホートフェノタイピングシステム - Google Patents
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Abstract
Description
前記統括制御部30は、前記データセット入力部2から入力して前記データ・ストレージ3に格納された画像情報2a、環境要因情報2b、遺伝子特性情報2、人為的操作情報2dに基づいて、発芽期(播種から一次育苗直前の期間)の成長過程における植物特性情報を非破壊で連続的に計測して植物特性の2次元分布を計算し、
環境制御された閉鎖空間に播種された種子の発芽期の生理性能的反応を連続的に計測すると共に、環境要因情報の2次元分布及び養液の温度、気温、飽差(飽和水蒸気量と絶対湿度の差)、養液率、pH、電気伝導度を連続的に計測する。
また、データ・ストレージ3に蓄積されたデータから種子の形態、サイズ、色、種子温度、発芽経過時刻、幼根の伸長速度、及び植物成長への影響に関する知見を深め、現実では通常80%程度の発芽率を99.9%以上に向上することが可能である。
図1は本発明に係る人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステムの1実施例を説明する機能ブロック図で、符号1は演算・制御部で、所謂クラウドコンピュータで構成される。演算・制御部1には、データバス11を介してデータセット入力部2、データ・ストレージ3、機械学習部4、画像処理部5、統計的データ解析部6、関連付け/因果関係導出計算部7、検証部8が接続されている。また、画像モニターなどの表示デバイスからなる可視化部9、あるいは通信制御装置やキーボード、プリンターなどの入出力手段などを含む周辺機器がその他10として接続される。
RGBカメラ24は2次元のカラー画像データを取得するもので、種子マット21の2次元平面の色光データと光強度データを前記演算・制御部1を中核として構成される統括制御部30に出力する。
なお、統括制御部30には、筐体20内に設けられた人工光照明モジュール(LEDパネル)27の制御部、発芽部の筺体20内の空調制御部などの植物工場として必要な要素の制御手段が設けられている。
この種子マット21は、種子23aを発芽させる培地であり、その種類、養液率、筐体内や養液の温度などの諸条件を変えて種子を育成する。その育成過程をRGBカメラ24、IRカメラ25を用いて、所定のインターバルで時系列に撮影し、画像情報2aとして図1のデータ・ストレージ3に格納する。そして、その画像情報2aは、演算・制御部1で構成された計測評価手段を装備した統括制御部30に転送され、画像処理部5で処理され、その結果もデータ・ストレージ3に格納される。
RGBカメラ24で撮影された種子マット21の撮影画像は、画像情報2aとしてデータ・ストレージ3に記録される。そして、その画像情報2aは、発芽している種子ポット23と、未発芽の種子ポット23とに解析され、図4(b)に示すように、発芽した種子ポットは「TRUE」、未発芽のポットは「FALSE」としてデータベースに記録される。
図10は、RGBカメラで撮影された種子マットに播種された種子の発芽状態のデータ取得イメージの一例である。
種子マット21に播種された種子23aの発芽状態はRGBカメラ24で撮影され、撮影されたRGB画像は、例えば図10に示すデータ取得イメージのように処理され、連続的に撮影された全種子の時系列画像として記録される。図10では、播種時から48時間後まで時系列に画像が記録されている。図10(a)は種子タイプが非コート種子、(b)はコート種子の場合の例である。そして前記時系列画像から個体ごとに生長過程を分析し発芽データを取得する。そして、分析された情報はデータベースに記録されるとともに、各画像に「未発芽(F)」「発芽(T)」「発芽済(T)」のタグが自動的に付される。
前記自動的に付されたタグは、例えば、図4(c)に示すように、種子マット21を模した表示手段(ディスプレー等)の画面上に、「未発芽」と分析された種子ポット23の位置には‘F’と表示され、「発芽」「発芽済」と分析された位置には‘T’が表示され可視化処理される。
このようにして、植物特性の2次元分布が算出され、算出された情報は、図4(a)に示す目視評価による正確な発芽判断情報との整合性評価がなされるなどして、データ・ストレージ3に記録される。
IRカメラ25で得られた画像情報2aの解析には、例えば市販の熱画像解析ソフトを利用することができる。本実施例においては、フリアーシステムズジャパン株式会社製のFLIR Toolsを利用した。
解析結果は、データ・ストレージ3に格納され、データベースに記録される。
図6(a)は、IRカメラ25で得られた画像情報2aを熱画像解析ソフトで解析した解析データを、CSVファイル形式にエクスポートしたものの一部である。
図6(b)は、データ・ストレージ3に格納された画像情報2aの解析データの情報を、表計算ソフトのワークシートに出力し、温度データとして可視化したものである。ここでは、ワークシート上に、300の種子ポット23を備えた種子マット21の種子23aの位置の温度データが表示されている。そして、数値の大きさをセルの濃淡で示し、目視により温度分布を確認できるように可視化処理が行われている。
このように、図5(a)の種子マット21の表面をRGBカメラ24で撮像した画像情報2aから、図5(b)のIRカメラ25で撮像されたアナログの赤外線画像(サーモグラフィー)に解析され、図6(a)に示したような温度データとして数値化され、数値の大きさにより図6(b)に示すような温度分布により、植物特性の2次元分布を得る。
そして、その他の要因情報から得た植物特性や環境要因の2次元分布や、生理性能的反応情報、遺伝子特性情報等との関係で、例えば、温度分布で数値が大きい、すなわち高温度であると記録された位置と、種子の各個体の発芽の状態との関連付け、因果関係を導き出すことが可能となり、発芽率の好条件やばらつきの減少などの一要因と評価することができる。
例えば、種子にはコート加工した種子と未加工の種子がある。種苗会社などの選抜・育種の過程では非コート種子を使用するが、生産者は播種の容易さからコート種子を使用することが多い。コート種子は、播種しやすいように形状、大きさが均一になるように種子の表面を無機粉体で被覆した造粒コート種子や、殺菌剤や殺虫剤などの農薬を含む樹脂で種子の表面を被覆したフィルムコート種子などがある。天然素材の粘土鉱物を主体とした粉体を用い種子を被覆し均一な球状にしたコート種子がレタスの栽培においてよく使用される。
まず、初期値設定として、データセット入力部2から環境要因情報2b、遺伝子特性情報2c、人為的操作情報2d、計測誤差情報2e等を入力してデータ・ストレージ3に格納する(ステップ1、以下「S1」のように図示する。)。
2・・・データセット入力部
2a・・・画像情報
2b・・・環境要因情報
2c・・・遺伝子特性情報
2d・・・人為的操作情報
2e・・・計算誤差情報
3・・・データ・ストレージ
4・・・機械学習部
5・・・画像処理部
6・・・統計的データ解析部
7・・・関連付け/因果関係導出計算部
8・・・検証部
9・・・可視化部
10・・・その他
20・・・発芽部の筐体
21・・・種子マット
22・・・養液を満たした播種箱
23・・・種子ポット
23a・・・種子
24・・・RGBカメラ
25・・・IRカメラ
26・・・センサー
27・・・人工光モジュール(LEDパネル)
30・・・統括制御部
Claims (7)
- 演算・制御部、データセット入力部、データ・ストレージ、機械学習部、画像処理部、統計的データ解析部、関連付け/因果関係導出計算部、及び検証部を有する統括制御部で構成される人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステムであって、
前記統括制御部は、前記データセット入力部から入力して前記データ・ストレージに格納された画像情報、環境要因情報、遺伝子特性情報、人為的操作情報に基づいて、発芽期の成長過程における植物特性情報を非破壊で連続的に計測して植物特性の2次元分布を計算し、環境制御された閉鎖空間に播種された種子の発芽期の生理性能的反応を連続的に計測すると共に、環境要因情報の2次元分布及び養液の温度、気温、飽差、養液率、pH、電気伝導度を連続的に計測することにより、植物工場での生産の自動化、及びその種苗生産における種子選抜・育成作業の自動化の労力及び作業時間を低減し、発芽率の向上と均一な苗の生産を可能とすることを特徴とする人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。 - 前記2次元分布の計算は、RGB画像情報取得手段とIR画像情報取得手段を用いて、種子の形態、サイズ、色、種子温度、発芽のタイミング、培地表面温度、幼根の伸長速度を画像情報として取り込むことを特徴とする請求項1に記載の人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。
- 前記生理性能的反応は、種子が水を含み膨潤し休眠状態にあった成長点が発育を開始する際の吸水速度、ならびに種子のサイズに対する養液の含水量、発芽に必要な酸素濃度を含むことを特徴とする請求項1に記載の人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。
- 前記環境要因情報は、気温、飽差、養液率、養液温度、pH・電気伝導度を含むことを特徴とする請求項1に記載の人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。
- 前記遺伝子特性情報は、成長した植物体から抽出したゲノムDNA及びRNAから各種遺伝子工学実験により得たゲノム情報及び既知のゲノム情報データベースとの相同性情報を含むことを特徴とする請求項1に記載の人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。
- 前記人為的操作情報は、播種者、播種の所要時間、播種箱の発芽部内の位置、計測誤差を含むことを特徴とする請求項1に記載の人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。
- 前記発芽率は99.9%以上であることを特徴とする請求項1に記載の人工光型植物工場種子コホートフェノタイピングシステム。
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