JP7807263B2

JP7807263B2 - 生育状態推定方法及び栽培装置

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Publication number: JP7807263B2
Application number: JP2022035175A
Authority: JP
Inventors: 諭田村; 二雄栄田; 武志皆見; 武士山本; 英司粟井; 大武田
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2026-01-27
Anticipated expiration: 2042-03-08
Also published as: EP4491010A4; US20250176470A1; WO2023171673A1; JP2023130726A; EP4491010A1

Description

本発明は、栽培装置内の植物の生育状態を推定するための生育状態推定方法に関する。

特許文献１及び２は、植物の生育状態を光学的に測定する装置を開示している。この装置は、植物に向けて光を照射する光源と、測定植物により反射された反射光の強度を測定する照度計と、照度計で検出した光強度を基に植物の生育状態を求める演算部とを有する。この装置によれば、非接触かつ迅速に植物の生育状態を取得することができる。

特開２００８－０７６３４６号公報特開２０１５－２２３１０１号公報

しかし、特許文献１及び２に係る装置は、現時点での植物の生育状態を取得することはできるが、将来の任意の時点における植物の生育状態を推定することはできない。将来の植物の生育状態を取得することができると、収穫時期の予測や、栽培条件の調節が可能になる。

本発明は、以上の背景を鑑み、将来の植物の生育状態を推定することができる生育状態推定方法及び栽培装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、栽培装置（１）内の植物の生育状態を推定するための生育状態推定方法であって、前記栽培装置は、ケース（２）と、前記ケース内に配置され、前記植物が定植される定植板（３）と、前記定植板に向けて光を照射する光源（４）と、前記定植板に向けて配置された照度計（５）とを有し、前記照度計が取得する照度に基づいて、定植開始から第１時点までに前記植物が吸収した光エネルギーに対応する第１状態量を取得する第１ステップ（Ｓ１）と、前記第１状態量と前記植物の質量との関係を規定する第１モデルを用いて、前記第１状態量から前記第１時点における前記植物の質量を第１質量として推定する第２ステップ（Ｓ２）と、定植開始からの経過時間と前記植物の質量との関係を規定する第２モデルを用いて、定植開始からの前記第１時点までの経過時間から前記第１時点における前記植物の質量を第２質量として推定する第３ステップ（Ｓ３）と、前記第２質量と前記第１質量との差が所定の第１閾値以下になるように、前記第２モデルのフィッティングパラメータを修正し、修正第２モデルを作成する第４ステップ（Ｓ４）と、前記修正第２モデルを用いて、前記第１時点より後の第２時点における前記植物の質量を推定する第５ステップとを有する。

この態様によれば、将来の植物の生育状態を推定することができる生育状態推定方法を提供することができる。植物の質量は、吸収した光エネルギー量と相関があるため、第１モデルを用いて第１状態量から第１時点における植物の質量を第１質量として推定することができる。また、植物の質量は、定植からの経過時間、すなわち定植からの光の積算照射時間と相関があるため、第２モデルを用いて第１時点における植物の質量を第２質量として推定することができる。第２質量と第１質量の差が第１閾値以下になるように第２モデルを修正することによって、第１時点の植物の生育状態を考慮した修正第２モデルを得ることができる。このように得られた修正第２モデルを使用することによって、将来の任意の時点における植物の質量を精度良く推定することができる。

上記の態様において、前記第１モデルは、前記栽培装置を使用した前記植物の予備栽培によって取得される、各時点における前記植物の質量及び前記植物が吸収した光エネルギーに対応する状態量に基づいて作成されるとよい。

この態様によれば、栽培装置に応じた第１モデルを得ることができる。

上記の態様において、前記植物の質量は、前記植物の可食部の質量である可食部質量であり、前記可食部質量は、前記植物の全体の質量である全質量と前記可食部質量との関係を規定する第３モデルを用いて、前記植物の前記全質量から推定されるとよい。

この態様によれば、将来の植物の可食部質量を推定することができる。

上記の態様において、前記植物は前記定植板に所定のピッチで定植され、前記第１モデルは、前記ピッチに応じて修正されるとよい。

この態様によれば、第１質量をより精度良く推定することができる。

本発明の他の態様は、植物（Ｃ）の栽培装置（１）であって、ケース（２）と、前記ケース内に配置され、前記植物が定植される定植板（３）と、前記定植板に向けて光を照射する光源（４）と、前記定植板に向けて配置された照度計（５）と、前記光源及び前記照度計に接続された制御装置（６）とを有し、前記制御装置は、前記照度計が取得する光強度に基づいて、定植開始から第１時点までに前記植物が吸収した光エネルギーに対応する第１状態量を取得し、前記第１状態量と前記植物の質量との関係を規定する第１モデルを用いて、前記第１状態量から前記第１時点における前記植物の質量を第１質量として推定し、定植開始からの経過時間と前記植物の質量との関係を規定する第２モデルを用いて、定植開始からの前記第１時点までの経過時間から前記第１時点における前記植物の質量を第２質量として推定し、前記第２質量と前記第１質量との差が所定の第１閾値以下になるように、前記第２モデルのフィッティングパラメータを修正し、修正第２モデルを作成し、前記修正第２モデルを用いて、前記第１時点より後の第２時点における前記植物の質量を推定し、前記第２時点における前記植物の質量と目標質量との差に基づいて前記光源を制御する。

この態様によれば、将来の植物の生育状態を推定し、推定した生育状態に基づいて光源を制御する栽培装置を提供することができる。

以上の態様によれば、将来の植物の生育状態を推定することができる生育状態推定方法及び栽培装置を提供することができる。

栽培装置の模式図栽培装置の定植板を上方から見た模式図栽培装置の定植板を上方から見た模式図生育状態推定処理の手順を示すフロー図フリルレタスの全質量と可食部質量との関係を示すグラフチンゲンサイ植物の全質量と可食部質量との関係を示すグラフワインドレスの全質量と可食部質量との関係を示すグラフミズナの全質量と可食部質量との関係を示すグラフ予備栽培で測定された植物の可食部質量の実測値と第１モデルに基づく近似曲線とを示すグラフ予備栽培で測定された植物の可食部質量の実測値と第２モデルに基づく近似曲線とを示すグラフ本栽培で測定された植物の可食部質量の実測値と第１モデルに基づく近似曲線（ピッチ：２００ｍｍ）とを示すグラフ本栽培で測定された植物の可食部質量の実測値と第１モデルに基づく近似曲線（ピッチ：１５０ｍｍ）とを示すグラフ本栽培の各時点で推定した定植から２０日後の可食部の推定質量と実測値とを示すグラフ（ピッチ：２００ｍｍ）本栽培の各時点で推定した定植から２０日後の可食部の推定質量と実測値とを示すグラフ（ピッチ：１５０ｍｍ）

以下、本発明に係る植物の生育状態推定方法及び植物の栽培装置の実施形態について説明する。

図１及び図２に示すように、栽培装置１は、ケース２と、ケース２内に配置され、植物Ｃが定植される定植板３と、定植板３に向けて光を照射する光源４と、定植板３に向けて配置された照度計５と、光源４及び照度計５に接続された制御装置６とを有する。

ケース２は、底部を構成する養液プール１１と、養液プール１１の上方に離れて配置された天井パネル１２と、養液プール１１と天井パネル１２との周囲に配置された複数の側壁パネル１３とを有する。養液プール１１の上部には、定植板３が載置されている。定植板３は、平板状に形成され、面が上下を向いている。養液プール１１の上部に複数の梁が架け渡され、複数の梁に定植板３が支持されてもよい。複数の側壁パネル１３は、養液プール１１と天井パネル１２との隙間を閉じるように配置されている。複数の側壁パネル１３は、養液プール１１及び天井パネル１２に対して着脱可能に取り付けられている。天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３は、栽培室１４を画定する。

天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３の栽培室１４側を向く面は反射率が高い材料によって形成されている。天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３の栽培室１４側を向く面は、白色を呈するとよい。天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３は、白色の素材から形成されるとよい。また、天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３は、白色の塗料によって塗装されてもよい。また、天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３の表面に反射板が設けられてもよい。

定植板３は、例えばポリスチレンフォームによって形成されているとよい。定植板３には、厚み方向に貫通する複数の孔１６が形成されている。各孔１６は、円形に形成されているとよい。複数の孔１６は、所定のピッチＰをおいて互いに離れて配置されている。ピッチＰは、例えば５０ｍｍ～３００ｍｍに設定されるとよい。図２に示すように、各孔１６は、上方から見て正三角形の頂点に配置されるとよい。また、図３に示すように、各孔１６は、上方から見て正方形の頂点に配置されてもよい。

各孔１６には、植物Ｃを保持するための保持材１７が装着されてもよい。保持材１７は、可撓性及び通水性を有する材料から形成されているとよい。保持材１７は、例えばウレタンフォームやロックウール等によって形成されているとよい。保持材１７は、植物Ｃが通過するための貫通孔を有する。植物Ｃは保持材１７を介して孔１６に保持されるとよい。

光源４は、天井パネル１２の下面に設けられている。光源４は、ＬＥＤであるとよい。ＬＥＤは、遠赤～青の波長領域を含むとよい。ＬＥＤは、赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを含むとよい。また、光源４は、ＬＤ（レーザダイオード）、ＣＣＦＬ（冷陰極蛍光管）、蛍光灯等の他の人工光源であってもよい。光源４は、下方、すなわち定植板３側に向けて光を照射する。

照度計５は、栽培室１４内の光強度（光量子束密度）[μmol/m²/s]を測定する光量子センサであるとよい。また、照度計５は、光量子センサとの相関関係が確認された、例えばルクス計等の一般的な照度計でもよい。照度計５は、天井パネル１２の下面に設けられた複数の第１照度計５Ａと、天井パネル１２及び側壁パネル１３の少なくとも一方に設けられた複数の第２照度計５Ｂとを有する。各第１照度計５Ａは、鉛直下方を向くように配置されている。各第２照度計５Ｂは、鉛直下方に対して５～８５度の角度を向くように配置されている。照度計５は、光源４から照射され、定植板３、側壁パネル１３、天井パネル１２、及び定植板３に定植された植物Ｃにおいて反射された反射光を測定する。

養液プール１１は、養液タンク２１と循環路２２を介して接続されている。養液タンク２１には、養液が貯留されている。養液は、植物Ｃの成長に必要な栄養を含む溶液である。循環路２２には、養液を輸送するポンプ２３と、養液を調整するための養液調整装置２４とが設けられている。養液調整装置２４は、養液のＥＣ（電気伝導率）値、ｐＨ値を調節する。

栽培装置１は、更に、ＣＯ_２供給装置２６と、空調装置２７とを有する。ＣＯ_２供給装置２６は、ケース２に接続され、栽培室１４に二酸化炭素を供給する。空調装置２７は、ケース２に接続され、栽培室１４の温度、湿度、及び風量（風速）を調節する。また、栽培装置１は、栽培室１４内を撮影するカメラ２８を有してもよい。カメラ２８は、例えば天井パネル１２に設けられ、定植板３上の植物Ｃを撮影するとよい。

制御装置６は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、不揮発性メモリ、揮発性メモリ、及びインターフェースを有する演算装置である。制御装置６は、不揮発性メモリに記憶されたプログラムをマイクロプロセッサが実行することによって各種のアプリケーションを実現する。制御装置６は、光源４への電力供給を制御し、光源４の光強度を制御する。制御装置６は、照度計５からの信号に基づいて反射光の光強度を取得する。また、制御装置６は、ポンプ２３、養液調整装置２４、ＣＯ_２供給装置２６、及び空調装置２７を制御する。制御装置６は、インターネット等のネットワークを介して光源４、照度計５、ポンプ２３、養液調整装置２４、ＣＯ_２供給装置２６、空調装置２７、及びカメラ２８に接続されてもよい。制御装置６は、カメラ２８が撮影した画像を取得し、画像に基づいて各装置を制御してもよい。

栽培装置１で栽培される植物Ｃは、葉を有し、かつ水耕栽培が可能な植物であればよく、例えば葉菜類等の作物であるとよい。葉菜類は、葉の部分を食用とする野菜である。植物Ｃは、一例として、レタス、ホウレンソウ、コマツナ、チンゲンサイ、ノザワナ、及びミズナを含む。植物Ｃは、フリルレタス、サニーレタス、ワインドレス、及びグリーンリーフ等のリーフレタスであるとよい。また、植物Ｃは、ハーブ等の香草類、薬草類、タバコ類、ワサビ類及び麻類であってもよい。更に葉と根の成長における相関を把握することで、オタネニンジン等の根菜系の生薬類への適用も可能である。

植物Ｃは、播種工程、緑化工程、及び育苗工程によって苗に成長した状態で、定植板３の各孔１６に定植される。茎及び葉が栽培室１４内に位置し、根が定植板３の下方に位置するように、各植物Ｃは各孔１６に保持される。各植物Ｃの根は、プール内の養液内に延びている。

植物Ｃは、プール内の養液から養分を吸収し、光源４から照射される光を吸収して成長する。植物Ｃは、成長することによって、栽培室１４内において葉が伸長し、質量が増加する。

制御装置６は、光源４、ポンプ２３、養液調整装置２４、ＣＯ_２供給装置２６、及び空調装置２７を制御して、光強度と、栽培室１４の温度、湿度、風速、風量、及びＣＯ_２濃度と、養液のＥＣ値及びｐＨ値と、養液循環流量とを所定の栽培条件に維持する。植物Ｃは、定植から所定の期間後に収穫されるとよい。

栽培装置１の各条件は、例えば以下の表のとおりである。

制御装置６は、植物Ｃの生育状態推定処理を実行することによって、植物Ｃの将来の任意の時点の質量を推定する。植物Ｃの生育状態推定処理は、植物Ｃの生育状態推定方法に基づいている。

図４に示すように、植物Ｃの育成状態推定処理は、照度計５が取得する光強度に基づいて、定植開始から第１時点までに植物Ｃが吸収した光エネルギーに対応する第１状態量を取得する第１ステップ（Ｓ１）と、第１状態量と植物Ｃの質量との関係を規定する第１モデルを用いて、第１状態量から第１時点における植物Ｃの質量を第１質量として推定する第２ステップ（Ｓ２）と、定植開始からの経過時間と植物Ｃの質量との関係を規定する第２モデルを用いて、定植開始からの第１時点までの経過時間から第１時点における植物Ｃの質量を第２質量として推定する第３ステップ（Ｓ３）と、第２質量と第１質量との差が所定の第１閾値以下になるように、第２モデルのフィッティングパラメータを修正し、修正第２モデルを作成する第４ステップ（Ｓ４）と、修正第２モデルを用いて、第１時点より後の第２時点における植物Ｃの質量を推定する第５ステップ（Ｓ５）とを有する。

第１ステップ（Ｓ１）では、制御装置６は、第１照度計５Ａ及び第２照度計５Ｂによって取得される光強度に基づいて、定植開始（t=0）から第１時点t1までに植物Ｃが吸収した光エネルギーに対応する第１状態量S_h1, S_y1を取得する。第１状態量S_h1は第１照度計５Ａに基づいて算出される第１状態量であり、第１状態量S_y1は第２照度計５Ｂに基づいて算出される第１状態量である。他の実施形態では、第１状態量はS_h1及びS_y1の一方のみが使用されてもよい。

制御装置６は、定植後、第１照度計５Ａ及び第２照度計５Ｂが計測した光強度を所定の時間間隔で受け取る。時間間隔は例えば１時間、１２時間、２４時間等であるとよい。定植後の任意の時点tにおける第１状態量S_htは、時点tにおいて第１照度計５Ａによって取得された光強度P_h[μmol/m²/sec]を用いて、以下の式（１）のように表すことができる。
ここで、P_h0[μmol/m²/sec]は、植物Ｃが定植板３に定植されていないブランク状態において、第１照度計５Ａによって取得された光強度である。

同様に、第１状態量は、定植後の任意の時点tにおいて第２照度計５Ｂによって取得された光強度P_y[μmol/m²/sec]を用いて、以下の式（２）のように表すことができる。
ここで、P_y0[μmol/m²/sec]は、植物Ｃが定植板３に定植されていないブランク状態において、第２照度計５Ｂによって取得された光強度である。

制御装置６は、数１及び数２の時間ｔに時点t₁を代入することによって、定植開始から第１時点t₁までに植物Ｃが吸収した光エネルギーに対応する第１状態量S_h1, S_y1を取得する。

上記の数（１）及び数（２）は、以下の考え方に基づいて作成されている。植物Ｃは、栽培室１４を画定する天井パネル１２、側壁パネル１３、及び定植板３よりも光反射率が低い。そのため、植物Ｃが定植板３に定植されると、照度計５が測定する光強度は低下する。また、植物Ｃが成長すると、植物Ｃが定植板３を覆う面積が増加するため、照度計５が測定する光強度が更に低下する。そのため、植物Ｃが定植板３に定植されていないブランク状態における光強度と植物Ｃが定植板３に定植された後のある時点での光強度との差は、植物Ｃが吸収した光エネルギー量に対応すると考えられる。この差を定植時から第１時点までの期間で積分した値は、植物Ｃが定植時から第１時点までの期間に吸収した光エネルギー量に対応する値であると考えられる。

制御装置６は、第２ステップ（Ｓ２）において、第１状態量と植物Ｃの質量との関係を規定する第１モデルを用いて、第１状態量から第１時点における植物Ｃの質量を第１質量として推定する。第１モデルは、本実施形態では以下の数（３）で表される。第１モデルは、過去の栽培結果に基づく経験式である。
ここで、wは時点tにおける１株当たりの植物Ｃの質量[g]、w₀は定植時（t=0）における１株当たりの植物Ｃの質量[g]、W₀は定植時（t=0）における１株当たりの植物Ｃの標準質量[g]、pitchは孔１６間のピッチ[mm]、φ、μ、β、β₁、β₂は所定のパラメータである。パラメータφ、μ、β、β₁、β₂は、植物Ｃの種類及び品種、栽培装置１のジオメトリ、栽培条件によって変化する。Pitch0は、基準となるピッチであり、例えば２００ｍｍや１５０ｍｍである。Pitch0は、数３の各パラメータを決定するための予備試験（予備栽培）におけるピッチであるとよい。

数（３）の式は、時点tにおける１株当たりの植物Ｃの質量Wが、定植時の植物Ｃの１株当たりの質量と、ピッチPと、時点tまでに植物Ｃが吸収した光エネルギー量に対応した第１状態とに影響を受けることを表している。

植物Ｃの質量Wは、植物Ｃの全体の質量である全質量W_T又は植物Ｃの可食部の質量である可食部質量W_Eであってよい。可食部質量W_Eと全質量W_Tとは、次の数（４）（第３モデル）の関係を有する。
ここで、αは植物Ｃの種類及び品種によって定まる係数である。植物Ｃの全質量W_Tは、根、茎、及び葉を含む植物全体の質量である。植物Ｃの可食部質量W_Eは食用の目的に使用する部分の質量である。

数（３）及び数（４）の各係数φ、μ、α、β、β₁、β₂は、栽培装置１を使用して同じ種類の植物Ｃを栽培した予備栽培の結果に基づいて設定されるとよい。各係数は、過去の栽培結果を集約したデータベースから各制御装置６に提供されてもよい。

制御装置６は、第２ステップ（Ｓ２）の処理を実行することによって、植物Ｃを直接に計量することなく、第１時点t₁における植物Ｃの１株当たりの可食部の質量W_Eを取得することができる。数（４）の関係に基づいて制御装置６は、第１時点t₁における植物Ｃの１株当たりの可食部の質量W_Eに代えて、第１時点t₁における植物Ｃの１株当たりの全質量W_Tを取得してもよい。

制御装置６は、第３ステップ（Ｓ３）において、定植開始からの経過時間と植物Ｃの質量との関係を規定する第２モデルを用いて、定植開始からの第１時点までの経過時間から第１時点における植物Ｃの質量を第２質量として推定する。第２モデルは、本実施形態では以下の数（５）～数（１３）で表される。第２モデルは、過去の栽培結果に基づく経験式であり、ルンゲクッタ法を使用して作成されている。
ここで、Wnはn番目（ｎ日目）の植物Ｃの質量[g]、α₁、α₂はフィッティングパラメータ、g、n、α_γ、Dx_pitch0、は所定のパラメータである。第２モデルの各パラメータは、植物Ｃの種類及び品種、栽培装置１のジオメトリ、栽培条件によって変化する。各パラメータは予備栽培の結果に基づいて設定される。各パラメータは、予備栽培の結果を集約したデータベースから提供されてもよい。Dxは、平面飽和時間といい、植物Ｃの葉が定植板３の上面を覆い尽くし、照度計５の測定値が一定になるまでに要する時間を意味する。Dx_pitch0は、各パラメータを決定するための予備試験（予備栽培）を基準ピッチ（例えば２００ｍｍや１５０ｍｍ）で行った場合に取得された平面飽和時間である。

制御装置６は、第４ステップ（Ｓ４）において、第２質量と第１質量との差が所定の第１閾値以下になるように、第２モデルのフィッティングパラメータを修正し、修正第２モデルを作成する。修正第２モデルは、数（５）のフィッティングパラメータα₁、α₂を修正することによって作成される。修正第２モデルによって算出される第２質量と第１質量との差が最小になるように、フィッティングパラメータα₁、α₂が設定されるとよい。修正前の第２モデルにより算出された第２質量と第１質量との差が所定の第１閾値以下である場合、フィッティングパラメータα₁、α₂の変更は省略してもよい。

制御装置６は、第５ステップ（Ｓ５）において、修正第２モデルを用いて、第１時点より後の第２時点における植物Ｃの質量を推定する。例えば、定植期間が２０日である場合、制御装置６は１日毎に生育状態推定処理を実行し、実行した日より後の各日の植物Ｃの質量、又は２０日目の植物Ｃの質量を推定するとよい。第５ステップで推定される質量は、植物Ｃの全質量W_T又は可食部質量W_Eであるとよい。

制御装置６は、定植期間の最終日、すなわち目標収穫日の植物Ｃの質量を推定し、目標収穫日の推定質量に基づいて光源４を制御するとよい。例えば、目標収穫日の植物Ｃの質量が目標質量以下である場合に、制御装置６は以後の光源４の光強度を増加させたり、照射時間を長くしたりするとよい。目標収穫日の植物Ｃの質量が目標質量より重い場合に、制御装置６は目標収穫日を早めてもよい。制御装置６は、将来の植物Ｃの質量の推定値や目標収穫日をディスプレイに表示してもよい。

上記した実施形態によれば、将来の植物Ｃの生育状態を推定することができる生育状態推定方法を提供することができる。植物Ｃの質量は、吸収した光エネルギー量と相関があるため、第１モデルを用いて第１状態量から第１時点における植物Ｃの質量を第１質量として推定することができる。また、植物Ｃの質量は、定植からの経過時間と相関があるため、第２モデルを用いて第１時点における植物Ｃの質量を第２質量として推定することができる。第２質量と第１質量の差が第１閾値以下になるように第２モデルを修正することによって、第１時点の植物Ｃの生育状態を考慮した修正第２モデルを得ることができる。このように得られた修正第２モデルを使用することによって、将来の任意の時点における植物Ｃの質量を精度良く推定することができる。

（実施例）
以下に、第１モデル、第２モデル、第３モデルの各係数及び各フィッティングパラメータの設定例について説明する。

（予備栽培）
栽培装置１を使用して、フリルレタスの栽培を行った。フリルレタスの種（市販品：中原採種場株式会社製型番L-121）を使用して、播種工程、緑化工程、及び育苗工程を行った。育苗工程が完了した後に、苗をそのまま使用して栽培装置１において定植工程を行った。播種工程は２日間、緑化工程は6日間、育苗工程は8日間、定植工程は２０日間とした。栽培装置１の光源４はＬＥＤとした。光源４は、１日の内１８時間連続で照射し、残りの６時間を停止した。その他の条件は以下の表のようにした。

（植物の全質量と可食部質量との関係について）
孔１６のピッチが２００ｍｍの定植板３を使用して、フリルレタスの定植工程における栽培をそれぞれ３度行った。また、図２に示す孔１６のピッチが１５０ｍｍの定植板３を使用して、フリルレタスの定植工程における栽培を１度行った。定植工程の間、１日毎にランダムに抽出したフリルレタスの全質量W_T及び可食部質量W_Eを重量計によって測定した。その結果を図５に示す。図５から、フリルレタスでは、定植工程の間、全質量と可食部質量との間に１次の相関があることが確認された。また、ピッチが１５０ｍｍである場合と、ピッチが２００ｍｍである場合とで、全質量と可食部質量との関係に変化は確認されなかった。定植工程の間、全質量に対する可食部質量の割合は約０．８６であった。各栽培結果において、全質量と可食部質量との回帰分析における決定係数（R²）は、０．９８以上であった。また、４回の栽培結果を統合した場合において、全質量と可食部質量との回帰分析における決定係数は、０．９９以上であった。

上記と同様の実験を、フリルレタスに代えて、チンゲンサイ、ワインドレス（レタス）、ミズナについて実施し、それぞれの全質量W_T及び可食部質量W_Eを測定した。その結果を図６～図８に示す。図６～図８から、チンゲンサイ、ワインドレス、及びミズナでは、フリルレタスと同様に、定植工程の間、全質量と可食部質量との間に１次の相関があることが確認された。定植工程の間、全質量に対する可食部質量の割合は、チンゲンサイで約０．７３、ワインドレスで約０．８２、ミズナで約０．８１であった。チンゲンサイ、ワインドレス、及びミズナの各栽培結果において、全質量と可食部質量との回帰分析における決定係数（R²）は、０．９８以上であった。

定植工程における全質量と可食部質量との間の１次の相関は、フリルレタス、チンゲンサイ、ワインドレス、及びミズナにおいて確認された。フリルレタス、チンゲンサイ、ワインドレス、及びミズナの結果から、葉の形状が異なる他の植物や、葉の色が異なる他の植物においても、定植工程における全質量と可食部質量との間に１次の相関があると考えられる。以上より、定植工程における全質量と可食部質量との間の１次の相関は、サニーレタス及びグリーンリーフ等のリーフレタスや、リーフレタス以外の葉菜類にも適用可能である。

（第１モデルのパラメータの決定）
孔１６のピッチが２００ｍｍの定植板３を使用して、フリルレタスの定植工程における予備栽培を行った。予備栽培では、１日毎に第１照度計５Ａ及び第２照度計５Ｂが検出する光強度を取得した。また、重量計を使用して１日毎にランダムに抽出したフリルレタスの可食部質量W_Eを測定した。

結果を、図９に示す。図９は、定植開始からの経過時間に対するフリルレタスの可食部質量W_Eを示す。図４の実測値を、第１モデル（数３）によって近似し、数３のφ、μ、β、β₁、β₂を決定した。このとき、ピッチPは２００ｍｍとし、定植時（t=0）における１株当たり植物の可食部の標準質量W_E0は、定植時（t=0）における１株当たり植物の可食部の質量w_E0とした（W_E0=w_E0）。このとき、数３中のφ、μ、β、β₁、β₂の値は、実データと数３による近似曲線との差異が最小になるように、最小二乗法により設定した。第１モデル（数３）に基づく近似曲線を図９に表示する。図４から、数３に基づく近似曲線は実データと概ね一致することが確認された。

（第２モデルのパラメータの決定）
図９の実データを、第２モデル（数５～数１３）によって近似し、各パラメータα₁、α₂、g、n、α_γ、Dx_Pitch0を決定した。このとき、ピッチPは２００ｍｍとし、定植時（t=0）における１株当たり植物の可食部の標準質量W_E0は、定植時（t=0）における１株当たり植物の可食部の質量w_E0とした（W_E0=w_E0）。また、γ=１とした。第２モデルに基づく近似曲線を図１０に表示する。図１０から、第２モデルに基づく近似曲線は実データと概ね一致することが確認された。

（本栽培）
以下に、栽培装置１を使用してフリルレタスの本栽培を行い、第１モデル、第２モデル、修正第２モデルの有効性について確認した。本栽培では、ピッチを２００ｍｍ又は１５０ｍｍとし、他の条件は上記の予備栽培と同様にした。また、鉛直下方に対する第２照度計５Ｂの角度は５度に設定した。

（第１モデルの検証）
定植開始から１日毎に複数の株をランダムに抽出して重量計により可食部質量w_Eを取得した。また、１日毎に第１照度計５Ａ及び第２照度計５Ｂを使用して反射光の光強度を取得した。結果を図１１及び図１２に示す。図１１は、ピッチが２００ｍｍの場合の可食部質量の推定曲線と、可食部質量の実測値である。図１２は、ピッチが１５０ｍｍの場合の可食部質量の推定曲線と、可食部質量の実測値である。図１１及び図１２の結果から、第１モデルから得られる可食部質量の推定値は、実測値と高い一致値を示すことが確認された。また、ピッチが変化しても、精度良く可食部質量の推定値を得ることができることが確認された。

（修正第２モデルの検証）
本栽培で得られた結果に基づいて生育状態推定処理を行い、１日毎に修正第２モデルを作成して定植開始から２０日後におけるフリルレタスの可食部質量W_Eを取得した。図１３はピッチが２００ｍｍの場合の推定値であり、図１４はピッチが１５０ｍｍの場合の推定値である。図１３及び図１４から、修正第２モデルに基づく推定値が実測値と概ね一致することが確認される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、任意の時点で生育状態推定処理により取得した定植開始から所定の時間経過後の予想質量Ｗ_ｎと、前回に取得した予想質量Ｗ_ｎ－１との差ΔＷを算出し、算出した差ΔＷが所定の判定値以上である場合に今回の予想質量にＷ_ｎを採用し、算出した差ΔＷが所定の判定値未満である場合に今回の予想質量にＷ_ｎ－１を採用してもよい。

１：栽培装置
２：ケース
３：定植板
４：光源
５：照度計
５Ａ：第１照度計
５Ｂ：第２照度計
６：制御装置
１１：養液プール
１２：天井パネル
１３：側壁パネル
１４：栽培室
１６：孔
１７：保持材
２１：養液タンク
２２：循環路
２３：ポンプ
２４：養液調整装置
２６：ＣＯ２供給装置
２７：空調装置

Claims

栽培装置内の植物の生育状態を推定するための生育状態推定方法であって、
前記栽培装置は、ケースと、前記ケース内に配置され、前記植物が定植される定植板と、前記定植板に向けて光を照射する光源と、前記定植板に向けて配置された照度計とを有し、
前記照度計が取得する光強度に基づいて、定植開始から第１時点までに前記植物が吸収した光エネルギーに対応する第１状態量を取得する第１ステップと、
前記第１状態量と前記植物の質量との関係を規定する第１モデルを用いて、前記第１状態量から前記第１時点における前記植物の質量を第１質量として推定する第２ステップと、
定植開始からの経過時間と前記植物の質量との関係を規定する第２モデルを用いて、定植開始からの前記第１時点までの経過時間から前記第１時点における前記植物の質量を第２質量として推定する第３ステップと、
前記第２質量と前記第１質量との差が所定の第１閾値以下になるように、前記第２モデルのフィッティングパラメータを修正し、修正第２モデルを作成する第４ステップと、
前記修正第２モデルを用いて、前記第１時点より後の第２時点における前記植物の質量を推定する第５ステップとを有する生育状態推定方法。
前記第１モデルは、前記栽培装置を使用した前記植物の予備栽培によって取得される、各時点における前記植物の質量及び前記植物が吸収した光エネルギーに対応する状態量に基づいて作成される請求項１に記載の生育状態推定方法。
前記植物の質量は、前記植物の可食部の質量である可食部質量であり、
前記可食部質量は、前記植物の全体の質量である全質量と前記可食部質量との関係を規定する第３モデルを用いて、前記植物の前記全質量から推定される請求項１又は２に記載の生育状態推定方法。
前記植物は前記定植板に所定のピッチで定植され、
前記第１モデルは、前記ピッチに応じて修正される請求項１～３のいずれか１つの項に記載の生育状態推定方法。
植物の栽培装置であって、
ケースと、
前記ケース内に配置され、前記植物が定植される定植板と、
前記定植板に向けて光を照射する光源と、
前記定植板に向けて配置された照度計と、
前記光源及び前記照度計に接続された制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記照度計が取得する光強度に基づいて、定植開始から第１時点までに前記植物が吸収した光エネルギーに対応する第１状態量を取得し、
前記第１状態量と前記植物の質量との関係を規定する第１モデルを用いて、前記第１状態量から前記第１時点における前記植物の質量を第１質量として推定し、
定植開始からの経過時間と前記植物の質量との関係を規定する第２モデルを用いて、定植開始からの前記第１時点までの経過時間から前記第１時点における前記植物の質量を第２質量として推定し、
前記第２質量と前記第１質量との差が所定の第１閾値以下になるように、前記第２モデルのフィッティングパラメータを修正し、修正第２モデルを作成し、
前記修正第２モデルを用いて、前記第１時点より後の第２時点における前記植物の質量を推定し、
前記第２時点における前記植物の質量と目標質量との差に基づいて前記光源を制御する栽培装置。
前記制御装置は、前記栽培装置を使用した前記植物の予備栽培によって取得される、各時点における前記植物の質量及び前記植物が吸収した光エネルギーに対応する状態量に基づいて前記第１モデル及び前記第２モデルを作成する請求項５に記載の栽培装置。
前記植物の質量は、前記植物の可食部の質量である可食部質量であり、
前記制御装置は、前記植物の全体の質量である全質量と前記可食部質量との関係を規定する第３モデルを用いて、前記植物の前記全質量から前記可食部質量を推定する請求項５又は６に記載の栽培装置。
前記植物は前記定植板に所定のピッチで定植され、
前記制御装置は、前記ピッチに応じて前記第１モデルを修正する請求項５～７のいずれか１つの項に記載の栽培装置。