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JP7698876B2 - Method and system for predicting water potential of stem - Google Patents
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Description

本発明は、植物の水ストレスに係る情報を得る技術に関する。 The present invention relates to a technology for obtaining information related to water stress in plants.

植物の育成では、灌水が重要である。植物が水分を必要としている状態は、水ストレスという概念で議論される。水ストレスを定量的に評価する指標として植物の幹の水ポテンシャル(Ψstem)が知られている(非特許文献1を参照)。また、水ポテンシャルを推定する技術として、非特許文献2や特許文献1が公知である。 Irrigation is important for plant growth. The state in which a plant needs water is discussed under the concept of water stress. The water potential of a plant's stem (Ψstem) is known as an index for quantitatively evaluating water stress (see Non-Patent Document 1). In addition, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 are known as techniques for estimating water potential.

PRINCIPLES OF SOIL AND PLANT WATER RELATIONS M.B. KIRKHAM Kansas State University(2005)PRINCIPLES OF SOIL AND PLANT WATER RELATIONS M.B. KIRKHAM Kansas State University(2005) ウンシュウミカンの葉の萎れ角度を指標とするかん水時期の決定(中元ら、平成10年近畿中国農業研究成果情報)Determining the timing of irrigation using the leaf wilting angle of Unshu mandarin as an indicator (Nakamoto et al., 1998 Kinki-Chugoku Agricultural Research Results Information)

特開2019-193583号公報JP 2019-193583 A

幹の水ポテンシャル(Ψstem)を把握することで、対象となる植物への潅水のタイミングを推し量ることができる。しかしながら、後述するようにΨstemの実測は面倒であり、またリアルタイムに実測データを得るのは実用的でない。 By understanding the water potential of the stem (Ψstem), it is possible to estimate the timing of watering the target plant. However, as will be described later, measuring Ψstem is tedious, and obtaining measured data in real time is not practical.

間接的にΨstemを得る手法として、非特許文献2に記載された葉の萎れ具合とΨstemの関係を利用した方法が考えられる。そこで、本発明者らは、桃を対象に葉の先端部分の変位(萎れによって生じる下降変位量)を計測し、対象となるΨstemとの関係を調べた。 One possible method to indirectly obtain the Ψstem is to use the relationship between the degree of leaf wilting and the Ψstem, as described in Non-Patent Document 2. Therefore, the inventors measured the displacement of the leaf tips (the amount of downward displacement caused by wilting) of peaches and investigated the relationship with the target Ψstem.

この結果、葉の先端部分の変位と、対象となる植物のΨstemとに相関関係が確認された。しかしながら、Ψstemの範囲によっては、葉の先端の変位からΨstemの値を予測するのは困難であった。 As a result, a correlation was confirmed between the displacement of the leaf tip and the Ψstem of the target plant. However, depending on the range of the Ψstem, it was difficult to predict the value of the Ψstem from the displacement of the leaf tip.

具体的には、本発明者らが観察の対象とした桃は、Ψstemが凡そ-25~-5(bar)の範囲であった。ここで、Ψstem=-15~-5(bar)の範囲では、横軸をΨstem、縦軸を葉の先端の変位としたグラフがほぼ水平となり、葉の先端の変位からΨstemを予測することが困難であった。 Specifically, the peaches observed by the inventors had a Ψstem in the range of approximately -25 to -5 (bar). Here, when Ψstem was in the range of -15 to -5 (bar), a graph with Ψstem on the horizontal axis and leaf tip displacement on the vertical axis became almost horizontal, making it difficult to predict Ψstem from the displacement of the leaf tip.

Ψstemが予測できれば、灌水のタイミングを予想でき、作物の育成に極めて有用となる。しかしながら、上記の傾向は他の植物でも予想され、この技術の実用化において大きな問題となっていた。 If the Ψstem could be predicted, the timing of irrigation could be predicted, which would be extremely useful for crop cultivation. However, the above tendency is also predicted for other plants, which has been a major problem in putting this technology to practical use.

このような背景において、本発明は、植物における葉の萎れ具合から高い精度で幹の水ポテンシャル(Ψstem)を予測することを目的とする。 In this context, the present invention aims to predict the stem water potential (Ψstem) of a plant with high accuracy from the degree of leaf wilting.

本発明は、葉の下降変位量の実測値に基づき、幹の水ポテンシャル(Ψstem)の予想値を得る幹の水ポテンシャルの予想方法であって、前記葉の前記下降変位量は、向きが固定されたレーザー距離計により計測され、Ψstemと前記葉の下降変位量との関係は既知であり、計測における最初の段階において、前記レーザー距離計は、前記葉の斜め上方から前記葉の長さ方向で考えて前記葉の先端から20%以内の範囲の方向に指向し、且つ、前記葉の前記下降変位が生じた際に前記葉が測定範囲に収まる向きで配置され、前記葉の前記下降変位量と前記関係に基づき、前記Ψstemの予想値を得る幹の水ポテンシャルの予想方法である。 The present invention is a method for predicting the water potential of a stem, which obtains a predicted value of the water potential of the stem (Ψstem) based on an actual measurement of the amount of downward displacement of a leaf, wherein the amount of downward displacement of the leaf is measured by a laser range finder with a fixed orientation, and the relationship between the Ψstem and the amount of downward displacement of the leaf is known, and in an initial stage of measurement, the laser range finder is directed in a direction within a range of 20% from the tip of the leaf in the length direction of the leaf from diagonally above the leaf, and is positioned in an orientation such that the leaf falls within the measurement range when the downward displacement of the leaf occurs, and a predicted value of the Ψstem is obtained based on the amount of downward displacement of the leaf and the relationship.

本発明において、前記葉における前記レーザー距離計による測距位置は、前記葉が下降するのに従って、前記葉の先端の側から根本の側に移動する態様が挙げられる。本発明において、前記レーザー距離計の計測値に基づく前記葉の変位量と前記Ψstemには、線形の関係がある態様が挙げられる。 In the present invention, the position of the leaf measured by the laser range finder may move from the tip of the leaf to the base as the leaf descends. In the present invention, the amount of displacement of the leaf based on the measurement value of the laser range finder may have a linear relationship with the Ψstem.

本発明は、向きが固定され、植物の葉の下降変位量を計測するレーザー距離計と、前記植物のΨstemと前記植物の葉の下降変位量との関係を記憶した記憶部とを備え、計測における最初の段階において、前記レーザー距離計は、前記葉の斜め上方から前記葉の長さ方向で考えて前記葉の先端から20%以内の範囲の方向に指向し、且つ、前記葉の前記下降変位が生じた際に前記葉が測定範囲に収まる向きで配置され、前記葉の下降変位量の実測値と前記関係に基づき、前記Ψstemの予想値を得る幹の水ポテンシャルの予想システムとして把握することもできる。 The present invention can also be understood as a system for predicting water potential of a stem, which includes a laser rangefinder, the orientation of which is fixed, that measures the amount of downward displacement of a leaf of a plant, and a memory unit that stores the relationship between the Ψstem of the plant and the amount of downward displacement of the leaf of the plant , and in the first stage of measurement , the laser rangefinder is directed in a direction within a range of 20% from the tip of the leaf in the length direction of the leaf from diagonally above the leaf, and is positioned in an orientation such that the leaf falls within the measurement range when the downward displacement of the leaf occurs, and a predicted value of the Ψstem is obtained based on an actual measurement of the amount of downward displacement of the leaf and the relationship.

本発明によれば、植物における葉の萎れ具合から高い精度で幹の水ポテンシャルを予測できる。 According to the present invention, the water potential of a plant's stem can be predicted with high accuracy based on the degree of leaf wilting.

実施形態の概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment. 図1に対応する図面代用写真である。2 is a photograph corresponding to FIG. 1 . 葉の変位量とΨstemの関係を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship between the amount of leaf displacement and Ψstem. 画像から得た葉先端の変位量(下降量)とΨstemの関係を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship between the amount of displacement (amount of descent) of the leaf tip obtained from an image and Ψstem. 画像から得た葉の角度とΨstemの関係を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship between leaf angle and Ψstem obtained from an image. レーザー距離計による計測値とΨstemの関係を検証するモデルを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a model for verifying the relationship between the measurement value by a laser range finder and Ψstem. 図6のモデルを基にレーザー距離計による計測値とΨstemの関係を予想したグラフである。7 is a graph predicting the relationship between the measurement value by the laser range finder and Ψstem based on the model in FIG. 6.

1.第1の実施形態
(概要)
図1は、実施形態の概念図である。図1には、計測の対象となる葉100、レーザー距離計200、データ処理装置300が示されている。図2は、図1に示す計測の状態を実際に写真撮影した図面代用写真である。
1. First embodiment (overview)
Fig. 1 is a conceptual diagram of an embodiment, showing a leaf 100 to be measured, a laser range finder 200, and a data processing device 300. Fig. 2 is a drawing substitute photograph of the measurement state shown in Fig. 1.

ここでは、対象となる植物として桃10が選択され、その葉100を計測の対象とする。ここでは、桃の例を示すが、対象となる植物の種類は特に限定されない。 Here, a peach 10 is selected as the target plant, and its leaves 100 are the target of measurement. Here, a peach is shown as an example, but the type of target plant is not particularly limited.

レーザー距離計200は、レーザー光を用いた光波測距の原理を利用した距離計である。レーザー距離計200としては、市販されている機材を用いている。レーザー距離計200は、位置と姿勢が固定された状態において、斜め上方から葉100の下方向への変位を計測する。レーザー距離計200は、雲台201に固定され、雲台201は三脚などの脚部202の上に固定されている。レーザー距離計200の位置と姿勢は調整可能である。 The laser rangefinder 200 is a rangefinder that utilizes the principle of optical distance measurement using laser light. A commercially available device is used as the laser rangefinder 200. With its position and orientation fixed, the laser rangefinder 200 measures the downward displacement of the leaf 100 from diagonally above. The laser rangefinder 200 is fixed to a pan head 201, which is fixed onto legs 202 such as a tripod. The position and orientation of the laser rangefinder 200 are adjustable.

データ処理装置300は、PC(パーソナル・コンピュータ)により構成されている。データ処理装置300は、CPU、記憶装置、入出力インターフェース、通信装置、GUI(グラフィカルユーザインターフェース)を備え、通常のPCと同様な動作および操作が可能である。データ処理装置300として、専用の演算処理装置を用意する形態、遠隔地に設置されたデータ処理サーバを利用する形態も可能である。 The data processing device 300 is composed of a PC (personal computer). The data processing device 300 is equipped with a CPU, a storage device, an input/output interface, a communication device, and a GUI (graphical user interface), and can operate and be operated in the same way as a normal PC. The data processing device 300 can also be configured to use a dedicated arithmetic processing device or to use a data processing server installed in a remote location.

データ処理装置300は、レーザー距離計200による計測値に基づき、計測の対象となる植物(この例の場合は、桃10)の幹の水ポテンシャル(Ψstem)を算出(予想)する。レーザー距離計200による計測値とΨstemの関係は予め取得され、データ処理装置300内の記憶部(例えば、ハードディス装置や半導体メモリ等)に記憶されている。 The data processing device 300 calculates (predicts) the water potential (Ψstem) of the stem of the plant being measured (in this example, peach 10) based on the measurement value obtained by the laser range finder 200. The relationship between the measurement value obtained by the laser range finder 200 and the Ψstem is obtained in advance and stored in a memory unit (e.g., a hard disk drive, a semiconductor memory, etc.) in the data processing device 300.

データ処理装置300は、レーザー距離計200による計測値に基づきΨstemを予想すするΨstem予想部301と、この予想を行う演算に際して必用なデータを記憶した記憶部302を備えていると把握できる。 The data processing device 300 can be understood to include a Ψstem prediction unit 301 that predicts the Ψstem based on the measurement value by the laser rangefinder 200, and a memory unit 302 that stores data necessary for the calculation to perform this prediction.

レーザー距離計200は、無線LANや有線通信により、データ処理装置300に接続されている。レーザー距離計200の計測値は、データ処理装置300に入力される。この入力に基づき、上記事前に取得したデータを参照して、Ψstemが算出される。 The laser range finder 200 is connected to the data processing device 300 via wireless LAN or wired communication. The measurement value of the laser range finder 200 is input to the data processing device 300. Based on this input, Ψstem is calculated by referring to the data acquired in advance.

(計測方法)
計測の開始時において、葉100は、当該葉100を有する植物(この場合は桃10)の幹の水ポテンシャル(Ψstem)が最大(飽和状態)となるよう努める。この例では、灌水を十分に行った状態から計測を開始する。
(Measuring method)
At the start of the measurement, the leaf 100 strives to maximize (saturate) the water potential (Ψstem) of the stem of the plant (in this case, the peach 10) that has the leaf 100. In this example, the measurement starts from a state where the plant is sufficiently irrigated.

計測の開始時において、葉100に対してレーザー距離計200を斜め上方の位置に配置する。図1のθは、45°~75°が適当である。θ<45°の場合、葉100の先端が下降した際に光軸が葉から外れ、距離の計測が出来なくなる可能性が増大する。θ>75°の場合、葉100の変位を正確に計測できない可能性が増大する。 When measurement begins, the laser range finder 200 is placed at an angle above the leaf 100. θ in FIG. 1 should be between 45° and 75°. If θ<45°, there is an increased possibility that the optical axis will deviate from the leaf when the tip of the leaf 100 descends, making it impossible to measure the distance. If θ>75°, there is an increased possibility that the displacement of the leaf 100 will not be measured accurately.

最初の段階において、計測点が葉100の先端の部分になるように、レーザー距離計200の姿勢を調整しておく。すなわち、レーザー距離計200の光軸を葉100の先端に一致させた状態とする。計測は、レーザー距離計200の位置と姿勢を固定した状態で行われる。 In the first stage, the attitude of the laser rangefinder 200 is adjusted so that the measurement point is at the tip of the leaf 100. In other words, the optical axis of the laser rangefinder 200 is aligned with the tip of the leaf 100. Measurements are performed with the position and attitude of the laser rangefinder 200 fixed.

桃10(葉100)が萎れ、葉100の先端が下降した際に、レーザー距離計200の測定用レーザー光が葉100から外れないようにレーザー距離計200の姿勢を決める必要がある。すなわち、萎れが進むにつれて、葉100は、その先端が下降してゆく。勿論、葉100自体も徐々に下方に移動する。この際、レーザー距離計200からの測定用レーザー光が葉100に当たり続ける必要がある。 When peach 10 (leaf 100) wilts and the tip of leaf 100 drops, it is necessary to determine the position of laser range finder 200 so that the measurement laser light of laser range finder 200 does not deviate from leaf 100. In other words, as the leaf 100 wilts, the tip of the leaf 100 drops. Of course, the leaf 100 itself also gradually moves downward. At this time, it is necessary for the measurement laser light from laser range finder 200 to continue to hit leaf 100.

このために、図1の例では、萎れが発生した際における葉100先端の想定される移動経路(通常、緩い円弧となる)とレーザー距離計200の光軸が同じ平面に含まれるように、計測開始時におけるレーザー距離計200の姿勢を調整する。簡便には、葉100の根本の部分の枝を含む鉛直面を想定し、この鉛直面とレーザー距離計200の光軸が略一致するようにする。なお、葉100とレーザー距離計200の離間距離は、15cm~50cm位が適当である。 For this reason, in the example of Figure 1, the attitude of the laser range finder 200 at the start of measurement is adjusted so that the expected path of movement of the tip of the leaf 100 when wilting occurs (usually a gentle arc) and the optical axis of the laser range finder 200 are included in the same plane. For simplicity, a vertical plane is assumed that includes the branches at the base of the leaf 100, and this vertical plane and the optical axis of the laser range finder 200 are approximately aligned. Note that a distance of approximately 15 cm to 50 cm is appropriate between the leaf 100 and the laser range finder 200.

幹の水ポテンシャル(Ψstem)が最大の状態から時間が経過すると、葉100からの水分の蒸散に伴い、Ψstemの値は低下する。これに伴い、葉100は萎れ、葉100は重力に負け、下方に変位する。この結果、葉100は、レーザー距離計100から離れる方向に移動し、その変位量(下降変位量)がレーザー測距の原理により計測される。 When time passes from when the stem's water potential (Ψstem) is at its maximum, the value of Ψstem decreases as water evaporates from the leaves 100. As a result, the leaves 100 wilt and succumb to gravity, displacing downward. As a result, the leaves 100 move away from the laser rangefinder 100, and the amount of displacement (downward displacement) is measured using the principles of laser ranging.

なお、後に詳述するが、図1の状態で葉100の変位を計測した場合、当初は葉100の先端に狙いを定めていても、葉100が下降するのに従って計測点は徐々に葉100の先端から中央(先端から見た根本方向)に移動する。よって、図1のシステムは、葉100の先端の変位を常に計測しているわけではない。 As will be described in detail later, when measuring the displacement of the leaf 100 in the state shown in FIG. 1, even if the tip of the leaf 100 is initially targeted, the measurement point gradually moves from the tip of the leaf 100 to the center (towards the base as viewed from the tip) as the leaf 100 descends. Therefore, the system shown in FIG. 1 does not constantly measure the displacement of the tip of the leaf 100.

(事前に行なうデータの取得について)
前述したように、レーザー距離計200による計測値とΨstemの関係は予め取得される。この取得について説明する。まず、サンプルとなる植物10(この場合は桃)を選択する。次に、この植物10における葉100を対象に上述した計測を行う。なお、計測の開始時において、葉100は、当該葉100を有する植物(この場合は桃10)の幹の水ポテンシャル(Ψstem)が最大(飽和状態)となるよう努める。この例では、灌水を十分に行った状態から計測を開始する。
(Regarding advance data acquisition)
As described above, the relationship between the measurement value by the laser range finder 200 and the Ψstem is acquired in advance. This acquisition will be described below. First, a sample plant 10 (in this case, a peach) is selected. Next, the above-mentioned measurement is performed on the leaf 100 of this plant 10. Note that at the start of the measurement, the leaf 100 strives to maximize (saturate) the water potential (Ψstem) of the stem of the plant (in this case, the peach 10) that owns the leaf 100. In this example, the measurement is started from a state where the plant has been sufficiently irrigated.

なお、レーザー距離計200による計測の対象とする葉は最低1枚で可能である。勿論、複数枚の葉を選択し、平均値を採用する方法も可能である。 The laser range finder 200 can measure a minimum of one leaf. Of course, it is also possible to select multiple leaves and use the average value.

他方において、対象となる同じ植物の他の葉を幹の水ポテンシャル(Ψstem)計測用のサンプル葉として選択する。サンプル葉は、複数用意する。ここで、レーザー距離計200による葉100の変位を計測するが、計測値が得られたタイミングで上記サンプル葉を用いて幹の水ポテンシャル(Ψstem)の計測を行う。 On the other hand, another leaf of the same target plant is selected as a sample leaf for measuring the stem water potential (Ψstem). Multiple sample leaves are prepared. Here, the displacement of the leaf 100 is measured by the laser rangefinder 200, and the stem water potential (Ψstem) is measured using the sample leaf at the time when the measurement value is obtained.

ここで計測されるのは、Ψstemと呼ばれる幹の水ポテンシャルである。幹の水ポテンシャルは直接計測できないので、ここでは、葉と樹において、含まれる水分が平衡状態に達した状態における葉の水ポテンシャルの値を計測し、それを幹の水ポテンシャルΨstemとして取得する。この場合、樹と葉で含まれる水分が平衡状態に達しているので葉の水ポテンシャルと幹の水ポテンシャルを同じとして評価できる。 What is measured here is the water potential of the stem, called Ψstem. Because the water potential of the stem cannot be measured directly, the value of the leaf water potential is measured when the moisture content of the leaves and tree has reached equilibrium, and this is obtained as the water potential of the stem, Ψstem. In this case, since the moisture content of the tree and leaves has reached equilibrium, the water potential of the leaves and the water potential of the stem can be evaluated as being the same.

Ψstemの計測には、多様な方法があり、専用の計測装置も市販されている。ここでは、以下の方法によりΨstemを測定した。 There are various methods for measuring the Ψstem, and dedicated measuring devices are commercially available. Here, we measured the Ψstem using the following method.

まず、複数のサンプル葉それぞれにおいて、葉をアルミ蒸着袋で密閉し、葉からの水分の蒸散を抑制した状態とする。そして、当該葉と樹との間で水分の移動がなくなった段階を見計らい当該葉がついた枝を切り取って密閉チャンバー(加圧チャンバー)に入れ、該枝の切断部分を密閉チャンバーの外部に出した状態で、密閉チャンバー内の空気圧を上げる。 First, for each of the multiple sample leaves, the leaf is sealed in an aluminum-coated bag to suppress evaporation of water from the leaf. Then, when the movement of water between the leaf and the tree has stopped, the branch with the leaf is cut off and placed in a sealed chamber (pressurized chamber), and with the cut part of the branch exposed outside the sealed chamber, the air pressure inside the sealed chamber is increased.

密閉チャンバー内の圧力を上げると、葉に空気圧がかかり、密閉チャンバー外に露出させた枝の切り口から水分が滲み出てくる。この水分が滲み出て来る状態における空気圧から、対象となる植物の幹の水ポテンシャル(Ψstem)が求まる。 When the pressure inside the sealed chamber is increased, air pressure is applied to the leaves, causing water to seep out from the cut ends of the branches exposed outside the sealed chamber. The water potential of the stem of the target plant (Ψstem) can be calculated from the air pressure at which this water seeps out.

仮に、密閉チャンバー内の圧力が小さい条件で上記枝の切断部分からの水分の滲み出しが生じたとする。この場合、葉内の水分が相対的に満ち足りていたので、少しの加圧で水分の滲み出しが生じる。この場合、Ψstemは相対的に大きな値となる。すなわち、樹内の水分含量は相対的に高いという評価となる。 Let's say that moisture seeps out from the cut part of the branch when the pressure inside the sealed chamber is low. In this case, the moisture inside the leaf is relatively sufficient, so even a small amount of pressure causes moisture to seep out. In this case, Ψstem will have a relatively large value. In other words, the moisture content inside the tree is evaluated to be relatively high.

他方において、密閉チャンバー内の圧力が大きい条件で上記枝の切断部分からの水分の滲み出しが生じたとする。この場合、葉内の水分が相対的に少ないので、圧力を高くしないと水分の滲み出しが生じない。この場合、Ψstemは相対的に小さな値となる。すなわち、樹内の水分含量は相対的に低いという評価となる。 On the other hand, suppose moisture seeps out from the cut part of the branch under conditions of high pressure inside the sealed chamber. In this case, since there is relatively little moisture in the leaves, moisture will not seep out unless the pressure is increased. In this case, Ψstem will have a relatively small value. In other words, the moisture content inside the tree is evaluated as being relatively low.

Ψstemは、対象となる植物の樹内における水分の圧力を示す指標である。Ψstemが小さい場合、当該植物は水分が足りず、水分を欲している状態であること示す。逆に、Ψstemが最大値(飽和値)である場合、当該植物は水分が足りている状態であると解釈される。 Ψstem is an index that indicates the water pressure within the tree of the target plant. When Ψstem is small, it indicates that the plant does not have enough water and needs more. Conversely, when Ψstem is at its maximum value (saturation value), it is interpreted as the plant having enough water.

すなわち、上記の密閉チャンバーの圧力の値に-を付けた値がΨstemとなり、上記の方法によりΨstemが求められる。 In other words, the Ψstem is the pressure value of the sealed chamber above plus a negative value, and the Ψstem can be calculated using the method described above.

Ψstemの最大値は、植物の種類によってほぼ決まっている。例えば、桃の場合、-3bar(-0.3MPa)程度がΨstemの最大値となる。なお、正確には、同じ植物でも品種によって多少の違いがある場合がある。 The maximum value of Ψstem is mostly determined by the type of plant. For example, in the case of peaches, the maximum value of Ψstem is about -3 bar (-0.3 MPa). To be precise, there may be some differences depending on the variety even within the same plant.

上記のサンプルとなる葉を用いたΨstemの計測を、対象となる植物(この場合は桃)の多様な状況において行う。具体的には、レーザー距離計200の計測値として異なる値が得られる複数の状態において、その状態における上述のΨstemの計測を行う。 The above-mentioned Ψstem measurement using the sample leaf is performed in various conditions of the target plant (in this case, a peach). Specifically, the above-mentioned Ψstem measurement is performed in multiple conditions in which different values are obtained as the measurement value of the laser rangefinder 200.

ここで、レーザー距離計200により計測した葉100の変位量を縦軸、この変位量が得られたタイミングにおけるΨstemの計測値を横軸にとり、Ψstemの値をプロットする。こうして図3のグラフを得る。葉100の変位量は、図1におけるレーザー距離計200の光軸211上における葉の変位量である。 Here, the displacement of the leaf 100 measured by the laser range finder 200 is plotted on the vertical axis, and the measured value of the Ψstem at the timing when this displacement was obtained is plotted on the horizontal axis, and the value of the Ψstem is plotted. In this way, the graph in Figure 3 is obtained. The displacement of the leaf 100 is the displacement of the leaf on the optical axis 211 of the laser range finder 200 in Figure 1.

図3の縦軸の変位量は、計測開始時を基準とした場合の変位量である。葉100がレーザー距離計100から離れてゆく場合、変位量は大きくなる。 The displacement amount on the vertical axis in Figure 3 is the displacement amount based on the start of measurement. If the leaf 100 moves away from the laser range finder 100, the displacement amount becomes larger.

図3のグラフでは、Ψstemとレーザー距離計200が計測した葉の変位量との間に線形の相関関係が見られる。また、図3から、計測時刻に関係なく、同様なデータが得られることが判る。 The graph in Figure 3 shows a linear correlation between Ψstem and the amount of leaf displacement measured by the laser range finder 200. Figure 3 also shows that similar data is obtained regardless of the measurement time.

アルミ蒸着袋で覆わないで直接計測した葉の水ポテンシャルは、夜明け前に樹全体において安定しているが、それ以外の時刻では大きく変動することが判っている。これは、測定する葉の樹内での位置により、光合成や葉からの水分の蒸散が異なるからである。これに対して、幹の水ポテンシャルは各々の葉の水ポテンシャルの変動に影響を受けず、日中でも安定して測定できる。図3のグラフでは、レーザー距離計200が計測した葉100の変位量と樹の水ポテンシャル(Ψstem)の関係が時刻に関係なく安定して得られている。すなわち、レーザー距離計200が計測した葉100の変位量とΨstemの関係が安定して得られる。 It has been found that leaf water potential measured directly without covering the leaves with aluminum-evaporated bags is stable over the entire tree before dawn, but varies greatly at other times. This is because photosynthesis and water transpiration from the leaves differ depending on the position of the leaf being measured within the tree. In contrast, the water potential of the trunk is not affected by fluctuations in the water potential of each leaf, and can be measured stably even during the day. In the graph of Figure 3, the relationship between the displacement of the leaf 100 measured by the laser rangefinder 200 and the tree's water potential (Ψstem) is obtained stably regardless of the time. In other words, the relationship between the displacement of the leaf 100 measured by the laser rangefinder 200 and the Ψstem is obtained stably.

なお、図3のグラフにおいて、縦軸の変位量がマイナスとなっている範囲がある。これは、計測開始後に葉100の上方への変位が見られたことを意味している。植物が十分に水を吸ったと見られた後において、温度変化、湿度変化、光合成の状態の変化といった要因により更にΨstemの上昇が観察される場合は有り得る。上記の縦軸の変位量がマイナスとなっている範囲は、この現象に関係すると考えられる。 In the graph of Figure 3, there is a range where the displacement on the vertical axis is negative. This means that an upward displacement of the leaf 100 was observed after measurement began. After the plant appears to have absorbed sufficient water, it is possible that a further increase in Ψstem may be observed due to factors such as changes in temperature, humidity, and the state of photosynthesis. The range where the displacement on the vertical axis is negative is thought to be related to this phenomenon.

(処理の一例)
図3のグラフを予め取得し、そのデータをデータ処理装置300の記憶部302に記憶しておく。そして、レーザー距離計200による葉100の下降変位量の計測を行う。下降変位量は、レーザー距離計200が計測する距離の変化量として得られる。この下降変化量を図3のグラフに当てはめ、図3の横軸のΨstemの値を予想する。この処理は、データ処理装置300の予想部301において行われる。
(Example of processing)
The graph in Fig. 3 is obtained in advance, and the data is stored in the memory unit 302 of the data processing device 300. Then, the amount of downward displacement of the leaf 100 is measured by the laser range finder 200. The amount of downward displacement is obtained as the amount of change in distance measured by the laser range finder 200. This amount of downward change is applied to the graph in Fig. 3, and the value of Ψstem on the horizontal axis of Fig. 3 is predicted. This process is performed by the prediction unit 301 of the data processing device 300.

(考察)
以下、図3に示す極めて線形性の高いデータが得られる要因について考察する。図4は、図1において、レーザー距離計200ではなく、画像から葉100先端の下方への変位量を検出し、それを縦軸としたグラフである。図4の横軸は、縦軸の値が取得されたタイミングで取得されたΨstemである。
(Consideration)
The factors that enable the extremely linear data shown in Fig. 3 to be obtained will be considered below. Fig. 4 is a graph in which the vertical axis represents the amount of downward displacement of the tip of the leaf 100 detected from an image, rather than from the laser range finder 200 in Fig. 1. The horizontal axis of Fig. 4 represents the Ψstem obtained at the timing when the value on the vertical axis was obtained.

葉100の先端は、含有水分量の低下(これは、Ψstemの低下を引き起こす)に伴い萎れ、下方に変位する。この変位量が図4の縦軸にプロットされている。この葉100先端の変位は、緩い弧を描く軌道(経路)に沿ったものとなるが、図4の場合は、直線方向における移動量を画像解析から算出している。 The tip of the leaf 100 wilts and displaces downward as the water content decreases (which causes a decrease in the Ψstem). The amount of this displacement is plotted on the vertical axis of Figure 4. The displacement of the tip of the leaf 100 follows a trajectory (path) that draws a gentle arc, but in the case of Figure 4, the amount of movement in a linear direction is calculated from image analysis.

図4から明らかなように、Ψstem=-10~-5barの範囲では、Ψstemの移動量への依存性が明確に表れていない。これは、葉100先端の移動量を画像から算出したとしても、上記の範囲ではΨstemを精度よく予測できないことを意味している。 As is clear from Figure 4, in the range of Ψstem = -10 to -5 bar, the dependence of Ψstem on the amount of movement is not clearly evident. This means that even if the amount of movement of the tip of the leaf 100 is calculated from the image, it is not possible to accurately predict Ψstem in the above range.

図5は、葉100先端の移動量ではなく、萎れによって生じる葉100の角度の変化を撮影画像から検出し、それを縦軸とした場合のグラフである。なお、横軸は、図4と同じである。図5の場合も図4と同様な傾向が読み取れる。 Figure 5 is a graph in which the change in the angle of the leaf 100 caused by wilting is detected from the captured image, rather than the amount of movement of the tip of the leaf 100, and this is plotted on the vertical axis. The horizontal axis is the same as in Figure 4. The same tendency as in Figure 4 can be seen in Figure 5.

図4および図5は、図3と整合しない。以下、この点について考察する。まず、図1のレーザー光を用いた葉100の変位の計測における最初の段階では、葉100先端にレーザー距離計200の照準を合わせてある。また、レーザー距離計200は、斜め上方から葉に100に指向させている。 Figures 4 and 5 are not consistent with Figure 3. This point will be considered below. First, in the first stage of measuring the displacement of the leaf 100 using the laser light in Figure 1, the laser range finder 200 is aimed at the tip of the leaf 100. Also, the laser range finder 200 is directed at the leaf 100 from diagonally above.

ここで、萎れに従い葉100が下方に変位すると、レーザー距離計200の計測点は、葉100の先端から徐々に葉100の根本(中央)の方向に移動する。この様子を図6のモデルを用いて説明する。図6には、萎れに従い葉100の先端が徐々に下降する様子が示されている。 When the leaf 100 is displaced downward as it wilts, the measurement point of the laser range finder 200 gradually moves from the tip of the leaf 100 toward the base (center) of the leaf 100. This will be explained using the model in Figure 6. Figure 6 shows how the tip of the leaf 100 gradually descends as it wilts.

ここで、幹⇒枝⇒葉と繋がっている構造を考えると、萎れに従う葉の下降は、全体が一様に下降するのではなく、葉の先端で相対的に大きく、葉の根元で相対的に小さい。この結果、図6に示すように、レーザー距離計200の計測点は徐々に葉の先端から中央部(葉の根本の方向)にずれてゆく。 Considering the structure connected from trunk to branches to leaves, the descent of the leaves as they wilt does not occur uniformly across the plant, but is relatively greater at the leaf tips and relatively smaller at the leaf bases. As a result, as shown in Figure 6, the measurement point of the laser rangefinder 200 gradually shifts from the leaf tips to the center (towards the leaf base).

以下、上記のモデルに従って、図4のデータから、仮に図6のモデルに従いレーザー距離計で葉の変位を計測した場合における変位量とΨstemの関係を予想する。 Below, we use the data in Figure 4 to predict the relationship between the amount of displacement and Ψstem when leaf displacement is measured using a laser range finder according to the model in Figure 6, based on the model above.

ここでは、下記のモデルを仮定する。
(1)レーザー距離計の被計測部分が、葉の先端の下降に従って、徐々に葉の中央部にずれてゆく。
(2)葉の先端は垂れて行くが、根元はそうでもない。
Here, the following model is assumed.
(1) The measured part of the laser rangefinder gradually shifts to the center of the leaf as the tip of the leaf descends.
(2) The tips of the leaves droop, but the base does not.

図6の葉の垂れ具合の曲線は、表計算ソフトにある曲線描画ツールを使い作成した。また、葉の先端は、円弧上を移動するが、垂直に下がると仮定した。また、レーザー距離計は、斜め上から測定する形態とした。 The curve showing the degree of leaf drooping in Figure 6 was created using a curve drawing tool in a spreadsheet software. The tip of the leaf moves on an arc, but is assumed to hang down vertically. The laser range finder was also set up to measure from diagonally above.

図6のモデルを仮定し、測定レーザー光の光軸方向における距離の変化を葉先端の鉛直方向における変化に対応させた。手順は以下の通りである。 Assuming the model in Figure 6, the change in distance in the optical axis direction of the measurement laser light corresponds to the change in the vertical direction of the leaf tip. The procedure is as follows.

まず、図4のグラフのプロット点の近似曲線から、Ψstemの値-7.5、-10、-12.5、-15、-17.5、-20barに対応する葉先端の変位距離の値12.3、16.9、27.8、44.9、68.2、97.7ピクセルを読みとった。なお、葉先端の変位距離が0ピクセルとなるΨstemの最小値は同グラフのプロット点から-3.45を使用した。次に、図6のモデルにおける葉先端の変位に対応するレーザー測定光の光軸方向における葉の位置の変化を図6から読み取り、その長さを図面上の見た目の長さの比から求めた。 First, from the approximation curve of the plotted points on the graph in Figure 4, the values of the displacement distance of the leaf tip, 12.3, 16.9, 27.8, 44.9, 68.2, and 97.7 pixels, corresponding to Ψstem values of -7.5, -10, -12.5, -15, -17.5, and -20 bar, were read. Note that the minimum value of Ψstem where the displacement distance of the leaf tip is 0 pixels was -3.45, which was used from the plotted points on the same graph. Next, the change in the position of the leaf in the direction of the optical axis of the laser measurement light, which corresponds to the displacement of the leaf tip in the model in Figure 6, was read from Figure 6, and the length was calculated from the ratio of the apparent length on the drawing.

この結果得られたレーザー測定光の光軸方向における葉の位置の変位量は、レーザー光で測定した変位距離となる。そして、横軸にΨstem、縦軸にレーザー光で測定した変位距離をとり、図7のグラフを作成した。 The resulting displacement of the leaf position in the direction of the optical axis of the laser measurement light is the displacement distance measured by the laser light. The graph in Figure 7 was created by plotting the Ψstem on the horizontal axis and the displacement distance measured by the laser light on the vertical axis.

図7は、上記(1)と(2)の仮定を前提に、図6のモデルに従って図4の実測データからデータを起こすことで得られた推定グラフである。図7では、図3と同様に横軸と縦軸の関係に高い線形性が得られている。 Figure 7 is an estimated graph obtained by generating data from the measured data in Figure 4 according to the model in Figure 6, based on the assumptions (1) and (2) above. In Figure 7, a high degree of linearity is obtained in the relationship between the horizontal and vertical axes, just like in Figure 3.

図4が実測値であることを考えると、図7の推定グラフは、実態を正確の反映しており、上記(1)と(2)の仮定および図6のモデルの妥当性が推認できる。 Considering that Figure 4 shows actual measurements, the estimated graph in Figure 7 accurately reflects the actual situation, and the validity of the assumptions (1) and (2) above and the model in Figure 6 can be inferred.

以上の考察から得られた知見を簡素にまとめると、以下のようになる。
「Ψstemの低下に従い、葉の先端は下降する。斜め上方から葉の先端にレーザー距離計を指向させると、上記葉の先端の下降に従い、計測部位は、葉の先端から根元の方向に徐々に移動する。この際の測定距離の変化とΨstemの変化には、線形に近い強い相関関係がある。この相関関係を用いて、葉の変位に係る計測値からΨstemを求めることができる。例えば桃の場合、葉の先端の移動量や角度変化に着目した場合にΨstemを求められないΨstem>-10barの範囲において、高い分解能で計測値からΨstemを求めることできる。」
The findings from the above investigation can be briefly summarized as follows:
"As the Ψstem drops, the tip of the leaf drops. If a laser rangefinder is pointed at the tip of the leaf from diagonally above, the measurement part will gradually move from the tip of the leaf towards the base as the tip of the leaf drops. There is a strong, almost linear correlation between the change in measurement distance and the change in Ψstem. Using this correlation, it is possible to calculate the Ψstem from the measurement values related to the displacement of the leaf. For example, in the case of peaches, the Ψstem can be calculated from the measurement values with high resolution in the range of Ψstem > -10 bar, where the Ψstem cannot be calculated when focusing on the amount of movement or angle change of the leaf tip."

2.第2の実施形態
初期におけるレーザー距離計の照準の位置は、正確に葉の先端でなくてもよい。この場合、最初の段階におけるレーザー距離計の照準は、なるべく葉の先端の近い部分とする(勿論、葉から外れないようにする)。具体的には、計測を始める段階における照準は、葉の長さ方向で考えて先端から20%以内の範囲とすることが好ましい。
2. Second embodiment The target position of the laser range finder in the initial stage does not have to be exactly at the tip of the leaf. In this case, the target of the laser range finder in the initial stage is as close to the tip of the leaf as possible (without, of course, straying from the leaf). Specifically, the target at the start of measurement is preferably within 20% of the tip of the leaf in the length direction.

葉の下降変位量を計測する機械として、測距機能を有するスマートフォンを利用することもできる。この場合、光軸の方向を固定し、葉の下降に従って測距点が先端の側から根本の側に徐々に移動する点に留意する。葉の下降状態に関係なく、葉の先端を測距点とした場合、図4に示すように計測値(横軸)とΨstem(縦軸)の関係が非線形となる。 A smartphone with a distance measurement function can also be used as a device to measure the downward displacement of the leaf. In this case, it should be noted that the direction of the optical axis is fixed, and the distance measurement point gradually moves from the tip to the base as the leaf descends. If the tip of the leaf is used as the distance measurement point, regardless of the state of leaf descent, the relationship between the measurement value (horizontal axis) and Ψstem (vertical axis) becomes nonlinear, as shown in Figure 4.

3.第3の実施形態
Ψstemを予想する処理をサーバで行う形態も可能である。この場合、異なる複数の植物のそれぞれにおいて、図3に対応するデータを予め取得し、それをサーバに記憶させておく。例えば、桃に関する図3のデータ、リンゴに関する図3のデータ、梨に関する図3のデータ、ブドウに関する図3のデータといったものを予め取得し、サーバに記憶しておく。
3. Third embodiment It is also possible to perform the process of predicting Ψstem on a server. In this case, data corresponding to FIG. 3 is acquired in advance for each of a plurality of different plants and stored in the server. For example, data on peaches in FIG. 3, data on apples in FIG. 3, data on pears in FIG. 3, and data on grapes in FIG. 3 are acquired in advance and stored in the server.

ユーザは、図1のようにして、萎れに従う葉100の移動量をレーザー距離計200で計測し、その計測値を上記サーバにインターネット経由で送る。この際、対象となる植物の種類を指定する。 As shown in Figure 1, the user measures the movement of the leaf 100 due to wilting using the laser distance meter 200, and sends the measurement value to the server via the Internet. At this time, the user specifies the type of plant to be targeted.

計測値を受け付けたサーバは、対象となる植物の図3に対応するデータを参照し、葉の変位量から当該植物のΨstemを求める。これがΨstemの予想値となる。 The server that receives the measurement value refers to the data corresponding to Figure 3 for the target plant, and calculates the Ψstem of the plant from the amount of leaf displacement. This is the predicted value for the Ψstem.

例えば、ユーザが梨を対象にΨstemを知りたいとする。この場合、梨の葉を対象に図1に示すレーザー距離計による葉の変位量の計測を行う。この計測値を対象が梨である点と共に上記のサーバにインターネット経由で送る。このデータを受け付けたサーバは、梨に係る図3に対応するデータにアクセスし、受け付けた計測値に基づき、梨のΨstemを予想する。この場合、計測値をサーバに送ることでリアルタイムにΨstemの予想値を得ることができる。 For example, suppose a user wants to know the Ψstem of a pear. In this case, the displacement of the pear's leaves is measured using a laser range finder as shown in Figure 1. This measurement value is sent to the above-mentioned server via the Internet along with the fact that the target is a pear. The server that receives this data accesses the data related to pears corresponding to Figure 3, and predicts the Ψstem of the pear based on the received measurement value. In this case, by sending the measurement value to the server, a predicted value of the Ψstem can be obtained in real time.

4.第4の実施形態
図3のグラフを利用したΨstemの予想では、縦軸の変位量の絶対値の信頼性が重要となる。すなわち、変位の起点(原点)が、図3のリファレンスデータを得た際と、実際の計測を行った際で異なっていると、予想されるΨstemの値の信頼性が低下する。
4. Fourth embodiment When predicting Ψstem using the graph in Fig. 3, the reliability of the absolute value of the displacement on the vertical axis is important. In other words, if the starting point (origin) of the displacement is different between when the reference data in Fig. 3 is obtained and when the actual measurement is performed, the reliability of the predicted Ψstem value decreases.

この問題への対応として、計測開始時の灌水の状態をなるべく同じとする方法があるが、ここでは他の手法を説明する。 One way to deal with this issue is to keep the irrigation conditions as consistent as possible when measurements begin, but here we will explain another method.

まず、図3のデータを得ておく。これは、第1の実施形態の場合と同じである。次に、実際の計測において、図3の縦軸に対応する変位量を2点以上計測する。次に、この2点以上の点にフィッティングし、図3のグラフと同様の傾きを持った直線を設定する。そして、このグラフを図3のグラフに一致させるのに必要な縦軸の値の補正値γを求める。 First, the data in Figure 3 is obtained. This is the same as in the first embodiment. Next, in the actual measurement, the displacement amount corresponding to the vertical axis in Figure 3 is measured at two or more points. Next, fitting is performed to these two or more points to set a straight line with the same slope as the graph in Figure 3. Then, a correction value γ for the vertical axis value required to make this graph coincide with the graph in Figure 3 is obtained.

この補正値γは、例えば+10mmや-5mmといった値となる。この補正値γを実際の計測時の計測値αに加え、α+γを図3の縦軸に当てはめ、横軸のΨstemの値を予想する。 This correction value γ is, for example, a value of +10 mm or -5 mm. This correction value γ is added to the measured value α during actual measurement, and α + γ is applied to the vertical axis of Figure 3 to predict the value of Ψstem on the horizontal axis.

この方法によれば、事前に得る図3のデータの取得時における灌水の状態と、実際の計測時における灌水の状態に違いがあっても、その違いを是正できる。もちろん、実際の計測時と図3の事前に得るデータの取得時において、潅水の状態を極力同じとする方が好ましいことは言うまでもない。 With this method, even if there is a difference between the irrigation conditions when the pre-obtained data in Figure 3 is acquired and the irrigation conditions at the time of actual measurement, the difference can be corrected. Of course, it goes without saying that it is preferable to make the irrigation conditions as similar as possible at the time of actual measurement and when the pre-obtained data in Figure 3 is acquired.

10…植物、100…葉、200…レーザー距離計、201…雲台、202…脚部、300…データ処理装置(PC)。

10...plant, 100...leaf, 200...laser range finder, 201...platform, 202...leg, 300...data processing device (PC).

Claims (4)

葉の下降変位量の実測値に基づき、幹の水ポテンシャル(Ψstem)の予想値を得る幹の水ポテンシャルの予想方法であって、
前記葉の前記下降変位量は、向きが固定されたレーザー距離計により計測され、
Ψstemと前記葉の下降変位量との関係は既知であり、
計測における最初の段階において、前記レーザー距離計は、前記葉の斜め上方から前記葉の長さ方向で考えて前記葉の先端から20%以内の範囲の方向に指向し、且つ、前記葉の前記下降変位が生じた際に前記葉が測定範囲に収まる向きで配置され、
前記葉の前記下降変位量と前記関係に基づき、前記Ψstemの予想値を得る幹の水ポテンシャルの予想方法。
A method for predicting stem water potential, which obtains a predicted value of stem water potential (Ψstem) based on an actual measurement of downward displacement of leaves, comprising:
the downward displacement of the leaf is measured by a laser range finder with a fixed orientation;
The relationship between Ψstem and the downward displacement of the leaf is known.
In a first step of the measurement, the laser range finder is directed in a direction within a range of 20% from a tip of the leaf in a longitudinal direction of the leaf from an obliquely upward direction of the leaf , and is disposed in such an orientation that the leaf falls within a measurement range when the downward displacement of the leaf occurs;
A method for predicting stem water potential, comprising obtaining a predicted value of the Ψstem based on the downward displacement of the leaf and the relationship.
前記葉における前記レーザー距離計による測距位置は、前記葉が下降するのに従って、前記葉の先端の側から根本の側に移動する請求項1に記載の幹の水ポテンシャルの予想方法。 The method for predicting water potential of a stem according to claim 1, wherein the distance measurement position on the leaf measured by the laser distance meter moves from the tip side of the leaf to the base side as the leaf descends. 前記レーザー距離計の計測値に基づく前記葉の変位量と前記Ψstemには、線形の関係がある請求項1または2に記載の幹の水ポテンシャルの予想方法。 The method for predicting stem water potential according to claim 1 or 2, wherein there is a linear relationship between the leaf displacement amount based on the measurement value of the laser range finder and the Ψstem. 向きが固定され、植物の葉の下降変位量を計測するレーザー距離計と、
前記植物のΨstemと前記植物の葉の下降変位量との関係を記憶した記憶部と
を備え、
計測における最初の段階において、前記レーザー距離計は、前記葉の斜め上方から前記葉の長さ方向で考えて前記葉の先端から20%以内の範囲の方向に指向し、且つ、前記葉の前記下降変位が生じた際に前記葉が測定範囲に収まる向きで配置され、
前記葉の下降変位量の実測値と前記関係に基づき、前記Ψstemの予想値を得る幹の水ポテンシャルの予想システム。
A laser range finder whose orientation is fixed and which measures the downward displacement of the leaves of a plant;
a memory unit that stores a relationship between the Ψstem of the plant and the downward displacement amount of the leaves of the plant,
In a first step of the measurement, the laser range finder is directed in a direction within a range of 20% from a tip of the leaf in a longitudinal direction of the leaf from an obliquely upward direction of the leaf , and is disposed in such an orientation that the leaf falls within a measurement range when the downward displacement of the leaf occurs;
A system for predicting stem water potential that obtains a predicted value of the Ψstem based on the actual measured value of the downward displacement of the leaves and the relationship.
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