JP4243014B2

JP4243014B2 - 植物の生育度測定装置

Info

Publication number: JP4243014B2
Application number: JP2000367375A
Authority: JP
Inventors: 秀樹田中; 勝弘飯塚; 陽平奥西; 隆志後藤
Original assignee: Ebara Corp; National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: Ebara Corp; National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: JP2002168771A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物の生育度測定装置に関し、特に植物からの反射太陽光を測定して植物の生育度を光学的に測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より農家等において、農作物の生育に合わせて施肥が行われている。その際、施肥の時期や量の決定が重要になるが、従来では、（１）植物の草丈、（２）茎数、（３）葉色を示すSPAD値（以下、「葉色（ SPAD 値）」とも表記）、（４）乾物重等を基に植物の生育度を求め、その生育度に合わせて施肥時期や施肥量を決定している。
【０００３】
上記（１）植物の草丈とは株の根元から葉の先端までの長さであり、人が田畑に入り、適当な１株の葉を手で揃え、物差で株の根元から葉の先端までの長さを測定している。また、上記（２）茎数とは一株当たりの茎の数であり、これも人が田畑に入り、適当な株を選び、手でより分けながらその茎数を数えている。また、上記（３）葉色（SPAD値）の測定では、通常、ハンディータイプの葉色計で葉を挟み込み、光の透過率からSPAD値を計測したり、葉色板（色見本）を対照して目視により判定している。また、上記（４）乾物重の測定では、適当量の植物を採取して乾燥し、重量を測定して乾物重を求めている。
【０００４】
しかしながら、上記の各測定項目はそれぞれ問題点を抱えており、（１）植物の草丈、（２）茎数及び（３）葉色（SPAD値）の測定は、何れも人が田畑に入り、煩雑な作業をしなければならず、多大な労力を要する。また、１株毎、あるいは１葉毎の測定しかできないため、代表値を得ることが困難であり、１圃場内の生育度を把握しようとすると膨大な数のサンプリングが必要となる。しかし、実際には十数株程度のサンプリングにとどまっており、生育度を正確に把握できているとは言えない状況にある。また（４）乾物重の測定では、乾燥までに１週間以上を要することもあり、迅速な対処ができないという問題がある。
【０００５】
一方で、測定作業の労力軽減や測定時間の短縮等を目的として、植物の生育度を光学的に測定する試みもなされている。例えば、特開昭６２−２８２２４３号や特開昭６２−２８２２４４号公報では、所定面積に生育している植物群落からの反射太陽光を受光し、その受光強度から測定植物群落全体としてのクロロフィル濃度を測定し、これをもとに生育度を求める生育度測定装置を提案している。この生育度測定装置では、従来のように１株毎の測定ではなく、また物差を当てたり、より分る必要もなく、しかも瞬時に測定結果が得られるため、測定作業の労力軽減及び測定時間の短縮が図られる。更に、一度の測定により植物群落をサンプリングできることから、測定精度の上でも有利となる。また、この測定装置では、直接入射する太陽光を同時に測定し、反射太陽光との受光強度比から補正を行い、より正確な測定を行う構成としてある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、生育度を測定して的確な施肥時期や施肥量を決定して科学的、計画的に収穫を行う所謂「精密農業」の実現に向けた研究が，近年押し進められている。その前提となるのは、農作物の生育度をより正確に、瞬時に把握することにあるが、上記のクロロフィル濃度の測定だけでは不十分であり、新たな指標が求められている。例えば、従来と同様に草丈や茎数、乾物重との関係も同時に求めることができれば、より多様な分析が可能となり、より的確な生育計画を立てることも可能になる。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、測定作業の労力軽減や測定時間の短縮を維持しつつ、従来以上に正確に生育度を把握できる植物の生育度測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、植物の生育度を光学的に測定する装置であって、植物と対向する第１面に、植物により反射された太陽光を入射させて分光し、２種以上の特定波長の光の反射強度を測定する第１の受光部を設けるとともに、前記第１面とは反対側の面に、太陽光を直接入射させて前記第１の受光部と同一波長の光に分光し、参照光としてその受光強度を測定する第２の受光部を設けてなる基板と、前記第１の受光部で検出した特定波長の反射強度を前記第２の受光部で検出した参照光の受光強度を基に補正し、補正された反射強度を基に、測定植物の SPAD値、草丈、乾物重、（草丈×茎数）値、（草丈× SPAD値）値及び（草丈×茎数× SPAD値）値の少なくとも１つを求める演算部と、を備えることを特徴とする植物の生育度測定装置を提供する。
【０００９】
本発明は、光学的に植物の生育度を測定する方式において、反射率と、測定植物の葉色（SPAD値）、草丈、乾物重、（草丈×茎数）、｛草丈×葉色（SPAD値）｝及び｛草丈×茎数×葉色（SPAD値）｝との間に高い相関があることを見出し、この知見に基づき完成されたものである。以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る生育度測定装置の一実施形態を示す概略斜視図であり、図２は図１に示した受光部の拡大断面図である。
【００１１】
図示されるように、生育度測定装置１は、受光部１０と、受光部１０を支持するための支持部２０、及び受光部１０に接続する演算部（図示せず）とを備える。
【００１２】
支持部２０は、例えば４本の脚２１を受光部１０の四隅から斜め外方に突出させ、脚２１の先端同士、更に必要に応じて中間の複数箇所にて水平方向に延びる連結棒２２ａ，２２ｂで連結して構成されている。脚２１の長さやその突出角度、脚２１の先端部の間隔は測定対象となる植物（例えば「水稲」；以下、この水稲を基にして説明する）の一般的な草丈、植付け間隔等に応じて適宜設定することができ、水稲の生育度を測定する場合には、水稲の上端から受光部１０までの高さが５０ｃｍ程度、脚２１の先端部の間隔が６０ｃｍ程度となるように設計することができる。また、脚２１や連結棒２２ａ，２２ｂを伸縮自在な可変式とすることもできる。そして、この支持部２０は、測定に際して、上方から水稲を覆うようにして水田の測定個所に設置される。その際、この支持部２０により、測定エリアの確認を行うことができる。また、この支持部２０には、設置や運搬に便利なように、脚２１の適所に適応な把手（図示せず）を付設してもよい。
【００１３】
受光部１０は、基板１１に、水稲と対向する第１の受光部１２と、太陽と対向する第2の受光部１３とをそれぞれ固定して構成される。また、第１の受光部１２は測定波長の数に応じて複数の受光素子１２ａ，１２ｂ・・で構成され、それに対応して第２の受光部１３も同数の受光素子１３ａ，１３ｂで構成されており、更に第１の受光部１２を構成する各受光素子１２ａ，１２ｂ・・と、第２の受光部１３を構成する各受光素子１３ａ，１３ｂ・・とで測定波長毎に対をなすように構成される。ここでは、測定波長を最大４波長とする構成を示しており、それに対応して第１の測定波長について第１の受光部１２の受光素子１２ａと第２の受光部１３の受光素子１３ａとが対をなし、第２の測定波長について第１の受光部１２の受光素子１２ｂと第２の受光部１３の受光素子１３ｂとが対をなし、第３の測定波長について第１の受光部１２の受光素子１２ｃと第２の受光部１３の受光素子１３ｃとが対をなし、第４の測定波長について第１の受光部１２の受光素子１２ｄと第２の受光部１３の受光素子１３ｄとが対をなすように構成されている。そしてこれら４対の受光素子は、平面略正方形の基板１１の四隅に一対ずつ配置される。
【００１４】
各受光素子は公知のもので構わず、例えばＳｉフォトダイオードとすることができる。また、入射光を測定波長に分光するために、図示されない分光フィルタが各受光素子の受光面に付設される。尚、測定波長は以下のように選択することができる。
【００１５】
即ち、図３に植物（水稲）の波長−反射率特性図を示すが、波長５５０ｎｍ（緑色）付近に反射率最大のピーク、波長６７０ｎｍ（赤）付近に反射率最小のピークが現れ、更に波長８５０ｎｍ（近赤外）から１０００ｎｍ（近赤外）付近の範囲において反射率が一定となることがわかる。そこで、本発明においては、反射率の変化に特徴があるこれら４波長の中から２種以上を選択して測定波長とすることが好ましい。特に、後述する実施例に示すように、５５０ｎｍを含んだ組み合わせが好ましく、これら４波長全てを選択することが最も好ましい。
【００１６】
また、例えば日中と夕暮時、あるいは季節により太陽光の入射角度が異なるため、第２の受光部１３の上方に白色拡散板３０を載置し、入射する太陽光の安定化を図ることが好ましい。更に、測定個所以外からの不要光の入射を防ぐために、第１の受光部１２及び第２の受光部１３を構成する各受光素子の視野角を６０°程度にすることが好ましい。
【００１７】
生育度測定装置１は上記の如く構成され、測定に際して支持部２０を水稲の上方から、この水稲を覆うようにして水田の測定個所に設置される。それにより、第１の受光部１２が水稲側を向き、第２の受光部１３が太陽（天空）を向いて測定個所に設置される。
【００１８】
測定は、上記した生育度測定装置１において、第２の受光部１３により直接入射する太陽光の入射強度を測定する。このとき、太陽光は、選択した各測定波長（ここでは上記４波長を想定）に応じて、強度Ｉ₁（λ₁＝５５０ｎｍ）、Ｉ₂（λ₂＝６７０ｎｍ）、Ｉ₃（λ₃＝８５０ｎｍ）及びＩ₄（λ₄＝１０００ｎｍ）の各波長成分を含んでおり、第２の受光部１３では各受光素子１３ａ〜１３ｄにより、それぞれの分光フィルタを透過する光を受光し、その受光強度Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄を図示されない演算部に出力する。
【００１９】
一方で水稲により反射された太陽光の反射強度を、第１の受光部１２により測定する。ここで、上記λ₁の波長成分に対する水稲の反射率をＲ₁とすると、反射太陽光におけるλ₁の波長成分の強度はＲ₁×Ｉ₁となり、順次、各波長成分に対する反射太陽光の強度は、Ｒ₂×Ｉ₂、Ｒ₃×Ｉ₃及びＲ₄×Ｉ₄となる。第１の受光部１２では各受光素子１２ａ〜１２ｄにより、それぞれの分光フィルタを透過する光を受光し、その受光強度Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄を演算部に出力する。
【００２０】
演算部では、第２の受光部１３からの受光信号を基に、第１の受光部１２からの受光信号を補正して、各測定波長毎に反射率の補正を行う。即ち、第１の受光部１２による受光強度Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄は、第２の受光部１３による受光強度Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄に、それぞれの波長における反射率を乗じた値となる。従って、第２の受光部１３による受光強度で、第１の受光部１２による受光強度を除すことにより、各測定波長の反射率が求められる。式で示せば、それぞれ測定波長に対して、
Ｒ₁（λ₁＝５５０ｎｍ）＝Ｂ₁／Ａ₁
Ｒ₂（λ₂＝６７０ｎｍ）＝Ｂ₂／Ａ₂
Ｒ₃（λ₃＝８５０ｎｍ）＝Ｂ₃／Ａ₃
Ｒ₄（λ₄＝１０００ｎｍ）＝Ｂ₄／Ａ₄
である。
【００２１】
尚、実際には各受光素子毎に特性差があるため、ダーク値（バックグランド）を測定しておき、更に白色校正係数Ｗｓによる補正を加えることが望ましい。即ち、式で示せば下記の通りとなる。尚、Ｂ₁₀〜Ｂ₄₀及びＡ₁₀〜Ａ₄₀は、対応する受光素子のダーク値である。
Ｒ₁（λ₁＝５５０ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₁―Ｂ₁₀）／（Ａ₁―Ａ₁₀）
Ｒ₂（λ₂＝６７０ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₂―Ｂ₂₀）／（Ａ₂―Ａ₂₀）
Ｒ₃（λ₃＝８５０ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₃―Ｂ₃₀）／（Ａ₃―Ａ₃₀）
Ｒ₄（λ₄＝１０００ｎｍ）＝Ｗｓ・（Ｂ₄―Ｂ₄₀）／（Ａ₄―Ａ₄₀）
【００２２】
そして、上記の補正反射率を基にして、水稲の▲１▼葉色（SPAD値）、▲２▼草丈、▲３▼乾物重、▲４▼草丈×茎数、▲５▼草丈×葉色（SPAD値）、▲６▼草丈×茎数×葉色（SPAD値）の何れか一つの値を求める。これらの値は、何れも水稲の生育度の指標として従来より採用されている指標である。例えば図４は、測定波長１０００ｎｍにおける反射率と、実際に人手により各値を測定して得た「草丈×茎数×SPAD値」の値との相関を示すグラフであるが、両者の間に高い相関が認められる。また、その他の測定波長についてもほぼ同様の相関が得られ、測定波長の種類が増すほど相関が高くなる。従って、上記に従い反射率を測定することにより、▲６▼草丈×茎数×葉色（SPAD値）が得られ、これを基に生育状況を推定することができる。
【００２３】
また、後述される実施例にも示すように、他の指標である▲１▼葉色（SPAD値）、▲２▼草丈、▲３▼乾物重、▲４▼草丈×茎数、▲５▼草丈×葉色（SPAD値）についても反射率との間に高い相関が得られる。従って、反射率を測定するだけで、従来より採用されているこれらの指標を高い精度をもって得られることは、測定作業の軽減に大きく寄与する。また、測定結果も瞬時に得られ、測定時間の短縮にもなる。
【００２４】
また、本発明の生育度測定装置において、上記の反射率を基にした生育度データに、測定位置情報を付加してマップ化することもできる。更に、測定時期や気候データ（天候、気温等）等を付加してもよい。そして、これらの情報を年次データとして蓄積し、生育計画に反映させる。
【００２５】
上記した生育度測定装置では、第１の受光部１２及び第２の受光部１３は、測定波長の種類に応じて複数個の受光素子（フォトダイオード）を備えているが、第１の受光部１２及び第２の受光部１３のそれぞれに、上記した５５０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲を連続して測光可能なスペクトロメータを配置してもよい。そして、得られたスペクトルパターンの全体を使用、あるいは相関がより高くなるように測定波長を選択して上記と同様の演算を行うことにより、生育度のより精密な推定が可能になる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１に示した生育度測定装置を水田に設置し、測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択し、測定波長の組み合わせを変えて水田の反射率を測定した。尚、受光素子として、浜松ホトニクス（株）製Ｓｉフォトダイオード「Ｓ１３３６−５ＢＱ」を用い、白色拡散板としてオパール型拡散板を用い、測定範囲は一辺約６０ｃｍ（約８株）とした。また、同一測定個所に生育する水稲を、従来と同様にして人手により草丈、茎数及び葉色（SPAD値）を測定し、これらの積を実測値とした。
【００２８】
測定波長の種類毎に、反射率から求めた「草丈×茎数×SPAD値」の値(予測値)と前記実測値との相関を図５（１０００ｎｍ）、図６（５５０ｎｍ、１０００ｎｍの２波長）、図７（５５０ｎｍ、６７０ｎｍ、１０００ｎｍの３波長）に示すが、測定波長の種類が増すほど相関も高くなることがわかる。このことから、本発明においては、２波長以上、特に５５０ｎｍを含む２波長以上を測定波長とすることが好ましいことが確認された。
【００２９】
（実施例２）
測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。そして、反射率から求めたSPAD値（予測値）と、実施例１で実測して得たSPAD値（実測値）との相関を求めた。図８に示すように、両者の間に高い相関が認められた。
【００３０】
（実施例３）
測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）及び８５０ｎｍ（ＩＲ１）を選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。そして、反射率から求めた草丈（予測値）と、実施例１で実測して得た草丈（実測値）との相関を求めた。図９に示すように、両者の間に高い相関が認められた。
【００３１】
（実施例４）
測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。そして、反射率から求めた「草丈×茎数」（予測値）と、実施例１で実測して得た「草丈×茎数」（実測値）との相関を求めた。図１０に示すように、両者の間に高い相関が認められた。
【００３２】
（実施例５）
測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）、８５０ｎｍ（ＩＲ１）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。そして、反射率から求めた「草丈×SPAD値」（予測値）と、実施例１で実測して得た「草丈×SPAD値」（実測値）との相関を求めた。図１１に示すように、両者の間に高い相関が認められた。
【００３３】
（実施例６）
測定波長として５５０ｎｍ（Ｇ）、６７０ｎｍ（Ｒ）、８５０ｎｍ（ＩＲ１）及び１０００ｎｍ（ＩＲ２）を選択して実施例１と同様に水田の反射率を測定した。
また、同一測定個所に生育する水稲を、人手により採取し、その乾物重を測定して実測値とした。そして、反射率から求めた「乾物重」（予測値）と実測値との相関を求めた。図１２に示すように、両者の間に高い相関が認められた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反射率を基にして従来より採用されている、測定植物の▲１▼葉色（SPAD値）、▲２▼草丈、▲３▼乾物重、▲４▼草丈×茎数、▲５▼草丈×葉色（SPAD値）、▲６▼草丈×茎数×葉色（SPAD値）の何れか一つの値を求めることができ、測定作業の軽減や測定時間の短縮を維持しつつ、従来以上に正確に生育度を把握できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る生育度測定装置の一実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す受光部の拡大断面図である。
【図３】植物（水稲）の波長−反射率特性図である。
【図４】測定波長１０００ｎｍにおける反射率と、「草丈×茎数×SPAD値」実測値との相関を示すグラフである。
【図５】実施例１において、測定波長を単一波長（５５０ｎｍ）としたときの反射率から求めた「草丈×茎数×SPAD値」の予測値と、実測値との相関を示すグラフである。
【図６】実施例１において、測定波長を２波長（５５０ｎｍ、１０００ｎｍ）としたときの反射率から求めた「草丈×茎数×SPAD値」の予測値と、実測値との相関を示すグラフである。
【図７】実施例１において、測定波長を３波長（５５０ｎｍ、６７０ｎｍ、１０００ｎｍ）としたときの反射率から求めた「草丈×茎数×SPAD値」の予測値と、実測値との相関を示すグラフである。
【図８】実施例２で得られた、SPAD値の予測値と実測値との相関を示すグラフである。
【図９】実施例３で得られた、草丈の予測値と実測値との相関を示すグラフである。
【図１０】実施例４で得られた、「草丈×茎数」の予測値と実測値との相関を示すグラフである。
【図１１】実施例５で得られた、「草丈×SPAD値」の予測値と実測値との相関を示すグラフである。
【図１２】実施例６で得られた、「乾物量」の予測値と実測値との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１生育度測定装置
１０受光部
１１基板
１２第１の受光部
１３第２の受光部
２０支持部
２１脚
３０白色拡散板

Claims

植物の生育度を光学的に測定する装置であって、
植物と対向する第１面に、植物により反射された太陽光を入射させて分光し、２種以上の特定波長の光の反射強度を測定する第１の受光部を設けるとともに、前記第１面とは反対側の面に、太陽光を直接入射させて前記第１の受光部と同一波長の光に分光し、参照光としてその受光強度を測定する第２の受光部を設けてなる基板と、
前記第１の受光部で検出した特定波長の反射強度を前記第２の受光部で検出した参照光の受光強度を基に補正し、補正された反射強度を基に、測定植物の SPAD値、草丈、乾物重、（草丈×茎数）値、（草丈× SPAD値）値及び（草丈×茎数× SPAD値）値の少なくとも１つを求める演算部と、
を備えることを特徴とする植物の生育度測定装置。
更に、前記基板を地面から一定の距離離間させて測定場所に配置するための脚部を備えることを特徴とする請求項１記載の植物の生育度測定装置。
更に、測定位置情報を基に生育度をマップ化する手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の植物の生育度測定装置。
第１の受光部及び第２の受光部のそれぞれが、２種以上の特定波長を含む波長範囲を連続して測光可能なスペクトロメータで構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の生育度測定装置。