JP4362646B2

JP4362646B2 - Soil property observation equipment

Info

Publication number: JP4362646B2
Application number: JP2002169192A
Authority: JP
Inventors: 栄澁澤; 篤大友; 進一平子
Original assignee: Kumamoto Technology and Industry Foundation; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Kumamoto Technology and Industry Foundation; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: JP2003139765A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土壌の特性を測定する土壌特性観測装置に関し、特に、ほ場内における空間的な土壌特性の分布について情報を収集する土壌特性観測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境の保全や収益性の向上といった観点から、農作物の生産に供されるほ場単位面積当たりに対し、農業資材、肥料あるいは飼料等の投入量を最小化すべく、精密農法の導入が普及するようになってきた。
【０００３】
精密農法では、比較的大規模なほ場を複数の区画に分割し、区画毎に異なる土壌特性（土壌特性のばらつき）を考慮した上で、施肥や農薬散布等に関し区画毎に最適な管理を行う。
【０００４】
このような精密農法の実施に際しては、土壌特性に関して区画毎のばらつきを正確に反映する情報を取得する必要がある。
【０００５】
例えば、米国特許第５，０４４，７５６号公報に記載された装置は、車両等に牽引され所定の深さの土壌中を略水平に移動する。そして移動中、特定波長の光を土嬢中に照射するとともにその反射光を検出し、その反射光の特性に基づいて土壌中に含まれる有機物や水分を定性的・定量的にリアルタイムで観測することができる。
【０００６】
各区画に対応する情報は、例えば過去に蓄積されたデータ情報や、地理的に異なる他のほ場についてのデータ情報と比較することにより、個々の区画の土壌特性に適合する最適な管理方法（施肥量や農薬散布量の設定等）を見出すために活用されることになる。このため、各区画に対応するデータ情報は、時間的、地理的に異なる領域から取得された土壌特性に関するデータ情報と比較可能なように標準化されたもの（規格の統一化がなされたもの）であることが望ましい。データ情報の標準化に際しては、例えば土壌の物理的・化学的な特性を反映する複数のパラメータ（変数）を採用して数式化（関数化）し、土壌の性質を評価するための指標として用いることが考えられる。ここで、例えば農業生産にとっての優位性といった観点から土壌特性を評価する場合、当該土壌特性を定義づけるための指標に不可欠なパラメータとしては、上記公報記載の装置によって観測される有機物含量や水分量（含水率）の他、粘土含量や土壌密度等が挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、粘土含量や土壌密度等といったパラメータは、土壌の物理的な特性（例えば、土壌の硬度や電気伝導度等）に反映されるところが大きく、その定量も光学的な分析手法によって行うのは困難であるため、土壌の硬度や電気伝導度検出する機能を備えたセンサを別途採用する必要が生じる。
【０００８】
ところが、検出原理の異なるセンサを採用し、リアルタイムで複数のパラメータを検出する場合、取り付け位置の制約等から、各センサは相互に離間した位置で土壌に関する各種特性を検出することになる。このため、検出される各種特性が同一試料についてのものである保証は得られなかった。
【０００９】
また、上記公報に記載の装置も含め、ほ場内の土壌特性の分布を把握するにあたり、土壌の特性を反映するパラメータを現場において直接測定（検出）するといった装置構成を適用する場合、検出素子と試料（土壌）との関係に外乱が生じ易い。例えば、検出素子を土壌に接触させて行う検出態様では検出素子及び土壌間の接触圧の変動等、一方、検出素子を土壌から離間させた状態で行う検出態様では検出素子及び土壌間の距離の変動等が生じやすく、これらの外乱が取得データの精度や再現性を低下させることとなる。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ほ場内における土壌特性の分布に関し、精度の高いデータ情報を効率的に取得し、一括管理することのできる土壌特性観測装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明による装置は、土壌の特性を観測する土壌特性観測装置であって、切削面を任意深さの土壌に接触させ、土壌を切削しつつ進行する土壌切削手段と、前記切削面に接触する土壌の電気特性を検出する第１検出手段と、前記土壌切削手段の進行方向に対して反対側に働く力を検出する第２検出手段とを備え、前記第２検出手段は、進行方向に沿って往復移動可能に配置され、その進行方向の先端部に設けられた刃先により前方の土壌を上下に切り開きながら進行するチゼル部の後側にロードセルを配置するとともに、そのロードセルの後側にバネが配置され、当該バネの弾性復元力により、前記ロードセルは前記チゼル部側に付勢されるように構成した。
【００１９】
ここにいう電気特性には、例えば電気伝導度、電気抵抗、電気容量、誘電率等が含まれる。
【００２０】
ここで、前記電気伝導度を検出する検出手段の検出素子（例えば電極素子）は、前記土壌切削手段の先端部近傍に設けられるのが好ましい。
【００２１】
同構成によれば、前記土壌切削手段の切削面上に接触する土壌の電気伝導度或いは誘電率を、直接的且つ連続的に検出することができるため、土壌の電気特性、さらに電気特性に関連する（電気特性と相関のある）各種土壌特性について、広域に亘る精密なデータ情報を効率的に取得することができるようになる。
【００２２】
また、前記検出手段は、前記切削面に露呈し、且つ、相互に絶縁された少なくとも一対の電極を有することを要旨とする。
【００２３】
また、前記検出手段は、前記一対の電極に所定周波数の交流電圧を印加する電圧印加手段を有することとしてもよい。
【００２４】
当該電極の表面において電極反応を発生させることなく、出力信号の特性に経時変化や経年変化が生じにくい。従って、土壌の電気伝導度や誘電率の検出に関し、長期に亘って信頼性の高い検出値を得ることができるようになる。
【００２５】
また、前記電圧印加手段は、前記一対の電極に所定周波数の交流電圧を印加する第１の電圧印加手段と、該第１の電圧印加手段の印加する交流電圧とは周波数の異なる電圧を印加する第２の電圧印加手段とを有することとしてもよい。
【００２６】
同構成によれば、前記第１の電圧印加手段の印加する交流電圧に基づいて所定の回路内を流れる電流の特性を測定することで、土壌切削手段の切削面に接触する土壌の電気伝導度を把握することができる他、前記第２の電圧印加手段の印加する交流電圧に基づいて他の回路内を流れる電流の特性を測定することで、土壌切削手段の切削面に接触する土壌の他の電気特性（例えば誘電率等）を把握することができるようになる。従って、一対に電極により、前記土壌切削手段の切削面に接触する土壌について、複数の異なる電気特性を把握することができるようになる。
【００２８】
同構成によれば、前記土壌切削手段の進行方向に対して反対側に働く力を通じ、前記土壌切削手段の前方に存在する土壌が前記土壌切削手段の切削面（とくに先端部）に付与する荷重、言い換えれば土圧（抵抗）を検出することができる。また、この土圧は当該土壌の硬度と高い相関性を有する。すなわち、前記土壌切削手段の進行に従い、前方に存在する土壌の硬度を逐次検出することができるようになる。
【００２９】
また、前方の土壌から受ける土圧（抵抗）を直接検出するダイアフラム式感圧素子のように、当該土圧を検出するにあたり前記土壌切削手段の切削面上、若しくは切削面（表面）付近にセンサ素子を配設する必要がない。言い換えれば、前記土壌切削手段の切削面と、当該歪み量検出手段の検出素子との間を比較的肉厚に形成し、土壌の接触による前記土壌切削手段の切削面への衝撃や、当該切削面の摩耗に対し、十分な耐久性を確保することができる。
【００４６】
この発明による土壌特性観測方法は、切削面を任意深さの土壌に接触させ、土壌を切削しつつ進行しながら、前記切削面に接触する土壌の電気特性を検出するとともに、前記切削面の進行方向に対して反対側に働く力を検出するようにし、その反対側に働く力の検出は、進行方向に沿って往復移動可能に配置され、その進行方向の先端部に設けられた刃先により前方の土壌を上下に切り開きながら進行するチゼル部の後側にロードセルを配置するとともに、そのロードセルの後側にバネが配置され、当該バネの弾性復元力により、前記ロードセルは前記チゼル部側に付勢されるようにした検出手段により求める。
【００４７】
ここにいう電気特性には、例えば電気伝導度、電気抵抗、電気容量、誘電率等が含まれる。
【００４８】
同方法によれば、前記切削面上に接触する土壌の電気伝導度或いは誘電率を、直接的且つ連続的に検出することができるため、土壌の電気特性、さらに電気特性に関連する（電気特性と相関のある）各種土壌特性について、広域に亘る精密なデータ情報を効率的に取得することができるようになる。
【００５０】
さらに、土壌を切削しつつ進行しながら、前記切削面の進行方向に対して反対側に働く力を検出するようにしたので、前記切削面の進行方向に対して反対側に働く力を通じ、土壌が切削面に付与する荷重、言い換えれば土圧（抵抗）を検出することができる。また、この土圧は当該土壌の硬度と高い相関性を有する。すなわち、前記切削面の進行に従い、前方に存在する土壌の硬度を逐次検出することができるようになる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の土壌特性観測装置を具体化した第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００５３】
〔観測システムの概要〕
図１には、本実施の形態にかかる観測システムの概略を示す。
【００５４】
同図１に示すように、観測システム１は、トラクタ等の車両２に牽引され、農作物の生産を行うべく耕地されたほ場３内を移動する土壌特性観測装置１０と、土壌特性観測装置１０の正確な位置を把握するためのＧＰＳ（Grobal Positioning System）衛星によって構成されている。土壌特性観測装置１０にはＰＳアンテナ１１が備えられており、土壌特性観測装置１０はこのＧＰＳアンテナ１１を通じＧＰＳ衛星２００からの位置情報（地表における土壌特性観測装置１０の位置に関する情報）信号を受信して自身の現在位置を認識することになる。同図１中において破線で示すように、ほ場３は仮想的に複数の区画に分割されており、土壌特性に関して取得した情報の管理や、農作物を生産するにあたって行う肥料や農薬等の投入量の決定は、区画毎に独立して行うことになる。
【００５５】
〔土壌特性観測装置の構造及び機能〕
次に、土壌特性観測装置の構造及び機能について説明する。
【００５６】
図２は、車両（トラクタ）２に牽引される土壌特性観測装置１０の構造を概略的に示す側面図である。
【００５７】
同図２に示すように、土壌特性観測装置１０は、支持フレーム１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを介してトラクタ２の後部に連結された台座１３と、台座１３上に載置された制御部（コンピュータを含む）と、台座１３後端の下部に取り付けられた土壌切削部５０とを備えて構成される。制御部３０の頭上には、ＧＰＳアンテナ１１が取り付けられている。土壌切削部５０は、台座１３の下部に支持連結されたシャンク５１と、シャンク５１の下部に固定され土壌中（地表面下）の所定の深さを略水平に進むセンシング部５２とを備える。シャンク５１の進行方向先端は土壌から受ける抵抗を低減すべくＶ字型形状をなしており、また、センサ部は、その先端に土壌を堀削するためのチゼル刃（チゼル部）５３を備えており、また土壌特性を観測するための各種センサ（図示略）を内蔵している。土壌切削部５０の外部に取り付けられたハロゲンランプ４０は、センシング部５２内に形成される観測空間（図示略）において、後述する各種センサ（図示略）の観測対象（土壌）を照明するための光源として機能する。台座１３の側部に取り付けられた支持アーム１４は、その先端部に設けられたゲージ輪１５を接地させることにより、支持フレーム１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと併せて台座１３を地表面と水平な状態に保持する。また、ゲージ輪１５及び台座１３間の距離は調整可能であり、この距離を調整することによって土壌中のセンシング部５２の位置（深さ）を調整することができる。同じく台座１３の側部であって、支持アーム１４よりも前方の所定部位１３ａにおいて、当該部位１３ａを中心に揺動自在に取り付けられた揺動アーム１６は、その先端部に設けられた深度測定用自由転輪１７を接地させる。揺動アーム１６の取り付け部位には、台座１３に対する揺動アーム１６の回転位相に応じた信号を出力するポテンショメータ（回転角度センサ）１８が取り付けられている。回転角度センサ１８の出力信号に基づいて、深度測定用自由転輪１７の接地面と台座１３との距離Ｄ１、さらにはセンシング部５２の底面（観測土壌面）と地表面Ｌ１との間の距離、言い換えれば観測土壌面Ｌ２の深さＤ２が求められる。また、台座１３の先端部に設けられたコールタ１９は、土壌切削部５０前方の地表を切断することにより、センシング部５２を地表面下に誘導するために要する力（土壌切削部５０が土壌から受ける抵抗）を軽減する。また、藁や雑草等を切断し、これらがシャンク５１に絡みつくのを防止する機能も有する。また、トラクタ２に取り付けられた表示操作部２０は、制御部３０と電気的に接続され、操作者の入力作業により、若しくは自動的に制御部３０と通信し、制御部３０が記憶するデータ情報等を適宜表示する。
【００５８】
〔センシング部の構造〕
図３（ａ）は、センシング部の内部構造を概略的に示す側断面図である。
【００５９】
同図３（ａ）に示すように、センシング部５２は、進行方向に沿って先端部に相当するチゼル部５３と、後端部に相当する（先端部の反対側に位置する）光学センサ収納部６０とに大別される。チゼル部５３は、その刃先により前方の土壌を上下に切り開きながら進行するとともに、その後方に、地表面Ｌ１と水平をなす観測土壌面Ｌ２を形成する。光学センサ収納部６０には、可視光集光ファイバー（可視光センサ）６１、近赤外線集光ファイバー（赤外光センサ）６２、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ６３、温度センサ６４および照明用光ファイバー６５Ａ，６５Ｂが収容されている。また、これら部材６１〜６５は、観測土壌面Ｌ２から離間するように設けられ、各部材６１〜６５と観測土壌面Ｌ２との間には所定の観測空間Ｓ１が形成される。また、光学センサ収容部６０の内部（観測空間Ｓ１の後部）に土壌が溜まらないように、光学センサ収容部６０の後部６０ａは開放状態となっている（観測空間Ｓ１の後方は外部に開放されている）。
【００６０】
ここで、照明用光ファイバー６５Ａ，６５Ｂは、ハロゲンランプ４０（図２参照）から供給される光のうち特定の波長領域（例えば４００ｎｍ〜２４００ｎｍ程度）の光を選択的に透過させ、この光を観測土壌面Ｌ２に照射する。可視光センサ６１は、照明用光ファイバー６５Ａ，６５Ｂによって観測土壌面Ｌ２に照射された光の反射光のうち、可視光の波長領域（例えば４００ｎｍ〜９００ｎｍ）の光を選択的に収集する。赤外光センサ６２は、同じく照明用光ファイバー６５Ａ，６５Ｂによって観測土壌面Ｌ２に照射された光の反射光のうち、近赤外光の波長領域（例えば９００ｎｍ〜１７００ｎｍ）の光を選択的に収集する。ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ６３は、観測土壌面Ｌ２を撮像する。温度センサ６４は、観測土壌面Ｌ２の温度（放射熱）を検出する。
【００６１】
また、可視光センサ６１、赤外光センサ６２、ＣＣＤカメラ６３及び照明用光ファイバー６５Ａ，６５Ａは、各々の前面（観測土壌面に臨む面）が光学窓（例えば石英ガラス）６６によって覆われている。光学窓６６には、送風管６７を通じて乾燥した空気が常時吹き付けられる。この乾燥空気の働きにより、光学窓６６の曇りが防止される。
【００６２】
また、観測空間Ｓ１の前方において、センシング部５２の底面に凸設された第１均平板６８ａ及び第２均平板６８ｂがチゼル部によって切削された土壌を均等にならし、チゼル部５３の後方に形成される土壌の切削面（センシング部５２と対峙する面）の凹凸を平滑化することにより、観測土壌面Ｌ２は平坦な表面形状を保つ。図３（ｂ）は、第１均平板６８ａ及び第２均平板６８ｂの設置部位を土壌面から上方に向かってみた拡大平面図である。同図３（ｂ）に示すように、第１均平板６８ａはＶ字形状を有し、前方の土壌を両脇方向にかき分けながら平坦にならしていく。また、第２均平板６８ｂの先端部には、複数の櫛板が並列配置されている。第２均平板６８ｂは、第１均平板６８ａによってならされた土壌の表面をより平滑な状態にならす機能を有する。
【００６３】
チゼル部５３の後部と光学センサ収納部６０の間には、土壌硬度センサ１００が設けられている。土壌硬度センサ１００は、チゼル部５３の後部に設けられたピストン１０１と、光学センサ収納部６０の前部に設けられたシリンダ１０２と、シリンダ１０２内に収容された検出素子（ロードセル）１０３とを備えて構成される構造体である。ピストン１０１には、その径方向に沿って楕円形の孔１０１ａが貫通形成されている。シリンダ１０２に固定された抜け止めピン１０２ａが孔１０１ａに差し込まれることにより、シリンダ１０２内でのピストン１０１の回転が規制され、また、シリンダ１０２からのピストン１０１の抜けが防止される。ピストン１０１の基端部１０１ｂと、シリンダ１０２の開口端１０２ｂとの間には、例えば１ｍｍ程度のギャップＧが設けられている。すなわち、ピストン１０１は、矢印Ｘの方向に沿ってギャップＧの範囲内で往復動可能な状態で、シリンダ１０２内に収容されている。シリンダ１０２の開口端１０２ｂ外周（ギャップＧの外周）には、ウレタン製のシールリング１０２ｃが周設され、ギャップＧやシリンダ１０２内への土壌の侵入を防ぐ。ロードセル１０３には、電子制御装置と電気的に接続され、ピストン１０１の押圧力に応じた検出信号を発生する歪みゲージ（図示略）が設けられている。複数の皿バネ１０２ｄは、シリンダ１０２からピストン１０１に向かってロードセル１０３を押す。このように構成された土壌硬度センサ１００では、チゼル部５３が前方から受ける土圧（土壌硬度と相関のあるパラメータ）に応じてピストン１０１がロードセル１０３を押圧し、この押圧力に応じた検出信号をロードセル１０３内の歪みゲージが発生することにより、チゼル部５３が前方の土壌から受ける土圧を逐次検出する。ここで、ピストン１０１の動作が所定範囲内に規制されていることから、ロードセル１０３に付与される押圧が所定値を上回ることはない。すなわち、シリンダ１０２の内壁やピストン１０１によって外部から隔離された状態にあるロードセル１０３は、チゼル部５３が前方の土壌から受ける土圧を、チゼル部５３の進行方向に対して反対側に働く力として、長期に亘って（十分な耐久性を確保した上で）正確に検出することができる。
【００６４】
図４は、チゼル部５３の外観を示す上視図である。図３及び図４に併せ示すように、チゼル部５３の上面には表面電極５５が埋設されている。表面電極５５の外縁には、同電極５５及びチゼル部５３間を隔離するための絶縁性部材５６が周設されている。表面電極５５は、導電性材料から構成されたチゼル部５３の上面５３ａと対電極をなし、チゼル部５３の上面５３ａ（表面電極５５を含む）に接触する土壌の電気伝導度と誘電率とを同時に検出する電気特性センサ５７を構成する。
【００６５】
なお、土壌中におけるセンシング部５２の進行速度等の諸条件が一定であれば、このチゼル部５３が土壌から受ける土圧は当該土壌の硬さ（土壌硬度）と高い相関関係を示す。
【００６６】
〔コンピュータ及びその周辺機器の電気的構成〕
図５は、制御部３０に内蔵されたコンピュータ及びその周辺機器について、その電気的構成を示すブロック図である。
【００６７】
コンピュータ１５０は、その内部に中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ３４、及びタイマーカウンタ等を備え、これら各部がバスにより接続されることにより論理演算回路を構成する。
【００６８】
このように構成されたコンピュータ１５０は、光学センサ収容部６０に設けられた可視光センサ６１や赤外光センサ６２からの検出信号を分光部を介して入力し、これら信号を処理する。分光部７０は、可視光用分光部７１及び近赤外光用分光部７２から構成される。分光部７１，７２は、フォトダイオードリニアアレイを備えたマルチチャンネル式分光器であり、可視光用分光部７１は４００ｎｍ〜９００ｎｍの波長領域で２５６チャンネルに、近赤外光用分光部７２は９００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で１２８チャンネルに対応する波長の光の強度を個別に高速検出することができる。また、コンピュータ１５０は、同じく光学センサ収容部６０に設けられた温度センサ６４からの検出信号やＣＣＤカメラ６３からの撮像データを入力し、これらのデータ情報（信号）を処理する。また、コンピュータ１５０は、チゼル部５３に設けられた電気特性センサ５７や土壌硬度センサ１００からの検出信号を入力し、これら信号を処理する。また、コンピュータ１５０は、揺動アーム１６に取り付けられた回転角度センサ１８からの検出信号を入力し、この信号を処理する。また、コンピュータ１５０は、ＧＰＳ衛星２００から送信される信号をＧＰＳアンテナ１１を通じて入力し、この信号を処理する。
【００６９】
コンピュータ１５０は、これら各部からの入力した信号（データ情報）を、表示操作部２０からの指令信号に応じ、若しくは自動的に処理するとともに、適宜同表示操作部２０の画面上にその処理状況やデータ情報等を表示する。また、表示操作部２０からの指令信号に応じ、若しくは自動的に、上記処理の結果を記録用データ情報として外部記憶装置（例えばカードメモリ等）７５に記憶させる。
【００７０】
〔電気伝導度及び誘電率の検出回路の基本構成〕
図６には、チゼル部５３の上面５３ａに接触する土壌の電気伝導度及び誘電率に比例する信号を、電気特性センサ５７の検出信号として個別にコンピュータ１５０に出力する検出回路の機能ブロック図を示す。
【００７１】
同図６に示すように、電気伝導度検出用回路５７ａには、振幅可変の発信部から周波数４ｋＨｚの交流電圧が電極５５，５３ａに印加される。各電極５５，５３ａの電圧振幅を検出しつつ、所定の振幅制御電圧を発振器に入力することにより、各電極５５，５３ａでの印加電圧振幅が一定となるように発振器出力電圧を制御する。コンピュータ１５０は、抵抗Ｒの両端の電圧実効値（土壌の電気伝導度に比例）を、所定期間平均化処理した後、これを記憶することになる。
【００７２】
ここで、直流電圧を採用して検出回路を構成した場合、化学反応（電極反応）による生成物が電極表面に堆積し、長期に亘り安定性の高い測定を行うことが困難になる。また、上記のように交流電圧を採用する場合であれ、電極反応による影響を最小とするためには、電圧振幅はできるだけ小さくする方が望ましいことが、発明者らによって確認されている。
【００７３】
また、定電流を両電極に印加する構成を採用した場合、土壌の電気伝導度の大きさに依存して、両電極に付与される電圧が変化することとなるため、電極反応の程度も変化する懸念があり、この場合も安定性の高い電気伝導度の測定を行うことが困難であることが、発明者らによって確認されている。
【００７４】
この点、誘電率検出用回路５７ｂには、電気伝導度検出用回路５７ａに印加される低周波交流電圧とは別途に、これと重畳して高周波交流電圧が印加される。同回路５７ｂでは、電極５５，５３ａをコンデンサの極板とみなし、両電極５５，５３ａに接触する土壌の誘電率が検出される。
【００７５】
しかも、各電極５５，５３ａは、土壌の切削面となるチゼル部５３の上面に配置されているため、センシング部５２が土中に設置されている限り、常時土壌と接触する。よって、正確で、且つ、安定性の高い土壌の電気特性の測定ができる。
【００７６】
なお、高周波カットフィルタは電気伝導度検出用回路５７ａへの高周波の混入を防止し、低周波カット用コンデンサは誘電率検出用回路５７ｂへの低周波の混入を防止する。
【００７７】
なお、本実施の形態では、土壌電気伝導度の検出にあたり、交流電圧を印加することとしたが、例えば方形波や三角波等、正負の電圧が繰り返し印加される波形パターンからなる電圧の印加を通じて土壌電気伝導度を検出する装置構成を適用してもよい。ただし、土壌の電気伝導度と誘電率とを同一の電極を通じて検出する実施態様、すなわち電気伝導度の検出回路と誘電率の検出回路とが同一の電極を共有する装置構成には、交流電圧を用いる方が望ましい。
【００７８】
また、土壌の電気伝導度を検出するための電極のセット（高周波交流電圧を印加する電極のセット）と、土壌の誘電率を検出するための電極のセット（低周波交流電圧を印加する電極のセット）を、チゼル部５３の上面５３ａに分離して配置する装置構成を適用しても、上記実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。高周波用電極と低周波用電極を分離して配置する装置構成は、搭載性の面で、上記実施の形態で適用した装置構成（電気伝導度の検出回路と誘電率の検出回路とが同一の電極を共有する装置構成）に劣るものの、検出回路を簡易化することができる点では優位性も認められるからである。
【００７９】
次に、上記のようなハードウエア構成を備えた土壌特性観測装置１０が、どのような制御ロジックに従いほ場３内の土壌特性に関するデータ情報を取得し、これら情報を管理するのか、その詳細を説明する。
【００８０】
〔土壌特性に関するデータ情報を取得するための基本ルーチン〕
図７は、センシング部５２に備えられた各種センサからの検出信号等に基づくデータ情報を当該データ情報が取得された位置や観測土壌面の深さと共に記録するための基本ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、コンピュータ１５０の起動後、当該コンピュータ１５０によって所定時間毎に実行される。
【００８１】
本ルーチンに処理が移行すると、コンピュタ１５０は先ずステップＳ１０１において、データ情報の取得要求があるか否かを判断する。すなわち、コンピュタ１５０は、土壌についてのデータ情報を取得すべき時刻、或いはほ場内における位置等の条件を予め記憶しておき、現時点がこのような条件に合致するタイミングであるか否かを判断する。また、操作者が、手動によって所定の指令信号（情報取得の開始信号）を表示入力操作部に入力した場合、コンピュータ１５０は、データ情報の取得要求があると判断するものであってもよい。同ステップＳ１０１における判断が否定である場合、コンピュータ１５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００８２】
一方、上記ステップＳ１０１での判断が肯定である場合、コンピュータ１５０はＧＰＳ衛星２００から送信される信号に基づいて当該土壌特性観測装置１０の位置を把握し（ステップＳ１０２）、続いて光学センサ収容部６０内の各種センサ６１，６２，６３，６４、チゼル部５３内の各種センサ５７，１００の検出信号等に基づくデータ情報を取得し、これらを演算処理（例えば、積算や平均化）する（ステップＳ１０３）。また、演算処理されたデータ情報は、前回までのルーチンを通じて既に取得したデータ情報の履歴と照合し、加工処理する（ステップＳ１０４）。
【００８３】
例えば、本ルーチンが０．０５秒間隔で実行されると仮定する。この場合、毎回３秒のインターバルを経た後、一秒間データ情報の取得を行うように制御ロジックを構成すれば、この一秒間に１００個程度のデータ情報が取得されることになる。コンピュータ１５０は、この１００個（組）のデータ情報について平均化処理を行い１個（組）のデータ情報に加工して管理する。
【００８４】
その後コンピュータ１５０は、上記ステップＳ１０４において得たデータ情報を、ＧＰＳ衛星２００からの位置情報と、観測土壌面Ｌ２の深さとに対応するデータ情報として外部記憶装置７５に記憶し（ステップＳ１０５）、本ルーチンでの処理を一旦終了する。
【００８５】
本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０は、基本的にはこのような制御ロジックに従い、ほ場３内の各区画で土壌特性に関するデータ情報を連続的に取得及び記憶していく。
【００８６】
次に、上記基本ルーチンにおける処理のうち、とくにステップＳ１０４での処理、すなわち各種センサの検出信号を演算処理して得たデータ情報の加工処理について、詳細に説明する。
【００８７】
〔各種センサの信号に基づくデータの融合〕
図８は、センシング部５２に備えられた各種センサの出力信号がどのように処理されるのかを概念的に説明する略図である。
【００８８】
同図８に示すように、コンピュータ１５０は、土壌の光学的な特性を検知する検知手段、すなわち可視光センサ６１や赤外光センサ６２を通じて得られたデータ情報を処理し、土壌有機物ＳＯＭ（Soil Organic matter）量、ｐＨ、硝酸態窒素（ＮＯ３−Ｎ）、電気伝導度ＥＣａ及び水分量（含水率）等を推定するといった第１の推定手段としての機能を有する。
【００８９】
同じくコンピュータ１５０は、土壌の電気的若しくは力学的な特性を検知する検知手段、すなわち電気特性センサ５７や土壌硬度センサ１００を通じて得られたデータ情報を処理し、電気伝導度ＥＣａ及び水分量（含水率）等を推定するといった第２の推定手段としての機能を有する。
【００９０】
ここで、例えば土壌の電気伝導度ＥＣａや水分量（含水率）は、土壌の光学的な特性を検知する検知手段を通じて得ることができる他、電気的若しくは力学的な特性を検知する検知手段を通じて得ることもできる。本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０では、異なる検知手段を通じて得られた同一の観測項目（例えば電気伝導度ＥＣａや含水率）に関するデータ情報については、それらデータ情報を相互に比較し、最も信頼度の高いデータ情報を採用するといったデータ情報の融合処理を行う。
【００９１】
〔土壌光スペクトル及び土壌電気伝導度に関する情報の融合処理〕
図９は、土壌特性に関するデータ情報の処理のうち、土壌光スペクトル及び土壌電気伝導度に関する情報の融合処理の具体的な手順（ルーチン）を示すフローチャートである。なお、当該フローチャートに従う処理手順は、土壌特性観測装置１０のコンピュータ１５０によって実行される処理の一環として、例えば先の基本ルーチン（図７）におけるステップＳ１０４に含まれる。
【００９２】
同ルーチンに処理が移行すると、コンピュータ１５０は先ずステップＳ２０１において、ほ場３内の任意の観測点における土壌について取得した最新のデータ情報を、融合処理に供するデータ情報として選択する。そして、光学センサ収納部６０に設けられた可視光センサ６１及び赤外光６２等の検出信号に基づいて各観測点における土壌の含水率を推定する一方、電気特性センサ５７（誘電率検出用回路５７ｂ）の検出信号に基づいて各観測点における土壌の含水率を別途に推定する。
【００９３】
ステップＳ２０２においては、可視光センサ６１及び赤外光６２等の検出信号に基づいて推定した含水率（以下、光学特性に基づく含水率という）ＷＰと、電気特性センサ５７の検出信号に基づいて各観測点における土壌の含水率（以下、電気特性に基づく含水率という）ＷＥとを比較し、各観測点における土壌の含水率としてより信頼性の高い含水率（以下、適用含水率という）ＷＭを演算する。
【００９４】
以下、適用含水率ＷＭの演算方法の一例を説明する。
【００９５】
すなわち、光学特性に基づく含水率ＷＰと電気特性に基づく含水率ＷＥとの偏差が所定範囲内であれば両値ＷＰ，ＷＥの平均を適用含水率ＷＭとして採用する。一方、当該偏差が所定値を上回っている場合、当該観測点と地理的に最も近接する他の観測点で得られたデータ情報（含水率ＷＰ，ＷＥ）を採用して適用含水率ＷＭを演算する。
【００９６】
続くステップＳ２０３においては、電気伝導度ＥＣａと、上記ステップＳ２０２で得られた適用含水率ＷＭとに基づいて土壌溶液電気伝導度ＥＣｗを推定する。なお、電気伝導度ＥＣａは、電気特性センサ５７（電気伝導度検出用回路５７ａ）の検出信号に基づいて演算する。
【００９７】
上記ステップＳ２０３を経た後、コンピュータ１５０は本ルーチンでの処理を一旦終了する。
【００９８】
本ルーチンでの処理を終了した後、コンピュータ１５０は、例えば先の図７におけるステップ１０５に処理を戻すことにより、今回得られた適用含水率ＷＭや土壌溶液電気伝導度ＥＣｗを、ほ場３内におけるこれらパラメータＷＭ，ＥＣｗの分布状態を示すマップを作成するためのデータ情報として、外部記憶装置７５に記憶することになる。
【００９９】
なお、上記処理ルーチン（図９）に替え、ほ場３内での観測を終了した後、例えば図１０に示す処理ルーチンに従い基本ルーチン（図７）とは独立した処理を行うこととしてもよい。
【０１００】
以下、図１０の処理ルーチンについて説明する。なお、本ルーチンは、コンピュータ１５０を通じて行うものであってもよいし、外部記憶装置７５に保管されたデータ情報を基に他の制御装置を通じて実行してもよい。また、本ルーチンの実行に先立ち、ほ場３内におけるＮ箇所の観測点のうち、ｎ（ｎ＜Ｎ）箇所の観測点から実際に土壌試料を採取しておき、これら土壌試料については、その電気伝導度及び含水率を実験室内の分析機器を用いて予め測定し、標準データ情報として例えば外部記憶装置７５に保管しておくものとする。
【０１０１】
本ルーチンにおいて、例えばコンピュータ１５０は先ずステップＳ３０１において、ほ場３内のＮ箇所で取得したデータ情報を、融合処理に供するデータ情報として選択する。
【０１０２】
ステップＳ３０２においては、光学センサ収納部６０に設けられた可視光センサ６１及び赤外光６２等の検出信号に基づいて各観測点における土壌の含水率を推定する他、電気特性センサ５７（誘電率検出用回路５７ｂ）の検出信号に基づいて各観測点における土壌の含水率を別途に推定する。
【０１０３】
ステップＳ３０３においては、融合処理に供されるＮ個のデータ群のうち、上記標準データ情報を取得した土壌試料の採取位置と、同一位置で取得したデータ群について、可視光センサ６１及び赤外光６２等の検出信号に基づいて推定した含水率（以下、光学特性に基づく含水率という）ＷＰと、電気特性センサ５７の検出信号に基づいて各観測点における土壌の含水率（以下、電気特性に基づく含水率という）ＷＥとで何れがより高い相関を示すか検定を行う。そして、光学特性に基づく含水率ＷＰ、および電気特性に基づく含水率ＷＥのうち、標準（参照）データ情報としての含水率（以下、標準含水率という）ＷＳに対し、より高い相関を示したデータ情報をほ場内における土壌の含水率（採用含水率）として採用するように決定する。
【０１０４】
ステップＳ３０４においては、ステップＳ３０３で採用することとした採用含水率（ＷＰ又はＷＥ）から正確な含水率を算出するための算出方法を、ｎ個のデータ情報について、採用含水率と標準含水率とを比較することによって確立する（例えば、両者間の関係を示す回帰式を算出式として採用すればよい）。
【０１０５】
続くステップＳ３０５においては、ステップＳ３０１において今回選択されたＮ個のデータ情報について、上記ステップＳ３０３で確立した含水率の推定方法と同様の推定方法で取得された採用含水率（ＷＰ又はＷＥ）を、各観測点における土壌の含水率（適用含水率）ＷＭとして採用する。
【０１０６】
ステップＳ３０６においては、電気伝導度ＥＣａと、適用含水率ＷＭとに基づいて土壌溶液電気伝導度ＥＣｗを推定する。なお、電気伝導度ＥＣａは、電気特性センサ５７（電気伝導度検出用回路５７ａ）の検出信号に基づいて演算する。
【０１０７】
上記ステップＳ３０６を経た後、コンピュータ１５０は本ルーチンでの処理を一旦終了する。
【０１０８】
本ルーチンでの処理を終了した後、コンピュータ１５０は、例えば先の図７におけるステップ１０５に処理を戻すことにより、今回得られた適用含水率ＷＭや土壌溶液電気伝導度ＥＣｗを、ほ場３内におけるこれらパラメータＷＭ，ＥＣｗの分布状態を示すマップを作成するためのデータ情報として外部記憶装置７５に記憶することになることは、先述の処理ルーチン（図９）と同様である。
【０１０９】
なお、土壌溶液電気伝導度に限らず、例えば有機物の含量や特定の無機塩類の含量等、土壌に含まれる他のパラメータについても、上記ルーチン（図９若しくは図１０）と同様の制御構造を適用することにより、土壌の電気的な特性と光学的な特性とから別途に推定することができる。そして、各推定結果を相互に比較すれば、圃場内における特定の土壌特性の分布に関して信頼性の高いデータ情報を取得することができるといった本実施の形態と同等、若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【０１１０】
以上説明したように、本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０によれば、トラクタ２に牽引されつつ、土壌切削部５０が効果的に土壌を切削し、その後方には観測空間をＳ１（観測土壌面Ｌ２）を形成していく。そして、土壌切削部５０の前部に設けられたチゼル部５３は、自身によって切削した土壌の切削面を通じ、土壌の電気的な特性（例えば、土壌電気伝導度や誘電率）を当該チゼル部５３の先端部に設けられた電気特性センサ５７を通じて直接的に、また力学的な特性（例えば、土圧や土壌硬度）等をチゼル部５３の先端部から所定の長さ後方に設けられた土壌硬度センサ１００を通じて効率的に検出する機能を有する。
【０１１１】
その一方、土壌切削部５０の後部に設けられたセンシング部５２は、土壌の光学的特性（例えば、近赤外光スペクトル、可視光スペクトル、撮像）や熱力学的特性（例えば、土壌表面の温度）等を検出する機能を有する。このような構成により、当該土壌特性観測装置は、ほぼ同一の土壌試料についての各種特性を、ほぼ同時に、しかも連続的に観測することができる。また、これら同一の土壌試料についての各種特性は、ＧＰＳ衛星からの情報と併せて管理することになるため、ほ場内における各種土壌特性の正確な分布を効率的に取得し、マップ等の作成に利用することができる。
【０１１２】
また、本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０では、チゼル部（第１の検出手段）５３によって得られる土壌特性（例えば、含水率ＷＰ）と、センシング部（第２の検出手段）５２によって得られる土壌特性（例えば、含水率ＷＥ）とに基づいて、土壌特性に関する単一（同一）のパラメータ（例えば、土壌溶液電気伝導度や有機物含量等）を個々に推定することとしているため、個々に得られたパラメータを相互に比較することで、当該土壌特性に関する単一のパラメータに関するデータ情報として、より信頼性の高いものを得ることができる。
【０１１３】
なお、本実施の形態において、電気特性センサ５７は、被検出体としての土壌に接触する一組の電極間に電圧を印加し、土壌の電気伝導度や誘電率を検出することとしたが、同様の原理に基づいて、例えば土壌の電気容量等他の電気特性を検出するようにしてもよい。
【０１１４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の土壌特性観測装置を具体化した第２の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１１５】
なお、当該第２の実施の形態にかかる土壌特性観測装置について、その基本的なハードウエア構成は先の第１の実施の形態と略同等である。このため、同等の構造や機能を有する構成部材については同一の名称及び符号を用いることとして、ここでの重複する説明は割愛する。
【０１１６】
本実施の形態にかかる土壌特性観測装置もまた、土壌特性に関する各種データ情報の融合処理に関し、第１の実施の形態にかかる装置の適用するものと基本的には同様の制御ロジック（図７、図９、図１０等を参照）を適用する。
【０１１７】
ただし当該第２の実施の形態にかかる土壌特性観測装置は、そのセンシング部（光学センサ収納部）に、各種センサと土壌観測面との間の距離を測定する土壌変位センサを備え、土壌特性に関するデータ情報の作成に際し、各種センサと土中観測面との間の距離を反映させる点において上記第１の実施の形態とは異なる。
【０１１８】
〔センシング部の構造〕
図１１は、本実施の形態にかかる土壌特性観測装置のセンシング部の内部構造を概略的に示す側断面図である。
【０１１９】
同図１１において、土壌特性観測装置１０'の光学センサ収納部６０内には、赤外光センサ６２及び照明用光ファイバー６５Ｂの間に土壌変位センサ（レーザ距離計）６９が配設されている。土壌変位センサ６９は、特定波長（例えば７８０ｎｍ）のレーザ光を測定対象（土壌観測面Ｌ２）に向けて照射するレーザ光照射部６９ａと、土壌観測面Ｌ２からの反射光を検出する受光部６９ｂとを備え、三角測量の原理でレーザ光照射部６９ａ及び土壌観測面Ｌ２間の距離Ｄ３を測定する機能を有する。土壌変位センサ６９は、光学センサ収納部６０内の他のセンサ部材６１〜６４と同様、制御部内のコンピュータ１５０（図５参照）と電気的に接続されており、距離Ｄ３の微少な変動、言い換えれば土壌観測面Ｌ２の変化に応じた信号を当該コンピュータ１５０に対して連続的に出力する。コンピュータ１５０は、土壌変位センサ６９の出力信号に基づき土壌観測面Ｌ２の凹凸状態を指標化し、当該信号が得られた観測点に対応するデータ情報としての信頼性を判定する。
【０１２０】
なお、本実施の形態においては土壌変位センサとしてレーザ距離計６９を採用することとしたが、これに替え、ＬＥＤを光源とする距離計や超音波距離計等、対象物との距離を計測する機能を備えた他の距離計を適用することもできる。
【０１２１】
〔土壌変位センサの信号処理部の電気的構成〕
図１２は、土壌変位センサ６９の出力信号を指標化してコンピュータ１５０へ送信する信号処理部の電気的な構成及び機能を説明する機能ブロック図である。
【０１２２】
同図１２に示すように、土壌変位センサ６９の出力信号は、ノイズカットフィルタを通じてその高周波成分（ノイズ）が除去された後、三種の指標（平均距離、凹凸指標１、凹凸指標２）として数値化されたのち、コンピュータ１５０に送信される。
【０１２３】
ここで、平均距離は、観測期間（例えば１秒間）中に検出された距離Ｄ３の平均値（平均距離）に相当する。平均距離に対応する信号を生成するためには、観測期間中、土壌変位センサ６９の出力信号（ノイズの除去されたもの）を積分し、Ａ／Ｄ変換する。
【０１２４】
また、凹凸指標１は、土壌変位センサ６９の出力信号の周波数成分が１Ｈｚ〜１０Ｈｚに対応する凹凸（比較的大きな凹凸）の数（測定対象となった土壌観測面上で検出された数）に相当する。凹凸指標１に対応する信号を生成するためには、観測期間中、土壌変位センサ６９の出力信号（ノイズの除去されたもの）のうち周波数成分が１Ｈｚ〜１０Ｈｚであるものを取り出し、これを整流した後に積分して、Ａ／Ｄ変換を行う。
【０１２５】
また、凹凸指標２は、土壌変位センサ６９の出力信号のうち、その周波数成分が１０Ｈｚ以上であるものに対応する凹凸（比較的小さな凹凸）の数（測定対象となった土壌観測面上で検出された数）に相当する。凹凸指標２に対応する信号を生成するためには、観測期間中、土壌変位センサ６９の出力信号（ノイズの除去されたもの）のうち周波数成分が１０Ｈｚ以上であるものを取り出し、これを整流した後に積分して、Ａ／Ｄ変換を行う。
【０１２６】
なお、上記ノイズの除去、特定周波数成分の取出し、整流及び積分といった一連処理を終えた後にＡ／Ｄ変換を行うといった態様に替え、土壌変位センサ６９の出力を直接Ａ／Ｄ変換し、その後コンピュータ１５０で計算処理する態様で各指標を求める構成を適用してもよい。
【０１２７】
〔土壌の変位状態に関する指標の選定、及びデータ情報の選択〕
図１３には、複数の観測点で得られた平均距離、凹凸指標１及び凹凸指標２各々のヒストグラムの一例を示す。
【０１２８】
本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０'では、これらヒストグラムの横軸（各指標の大きさ）に所定の分析領域を設定し、平均距離、凹凸指標１及び凹凸指標２が、各ヒストグラム上で分析領域内にある観測点で得られたデータ情報（可視光センサ６１や赤外光センサ６２等を通じて得られたデータ情報）のみを、土壌特性（光学特性）についてより詳細な分析（分光スペクトル解析）を行うためのデータ情報として選択し、外部記憶装置７５に記憶させることとする。
【０１２９】
ここで、平均距離についてのヒストグラム上における分析領域（Ａ１）は、例えば全データ（平均距離）の平均値を中心とする所定範囲に設定することができる。また、凹凸指標１についてのヒストグラム上における分析領域（Ｂ１）は、当該凹凸指標１の最小値を「０」として所定範囲に設定することができる。また、凹凸指標１についてのヒストグラム上における分析領域（Ｃ１）は、当該凹凸指標１の最小値を「０」よりやや大きな値として所定範囲に設定するのが好ましい。凹凸指標２が「０」である場合、土壌観測面Ｌ２が微小な凹凸すら有することなく略鏡面に近似する状態であることを意味するため、このような状態では、土壌観測面Ｌ２における照明光の反射光が拡散せず、かえって分光スペクトル解析に適さないためである。
【０１３０】
図１４は、各観測点における土壌変位状態の三種の指標（平均距離、凹凸指標１、凹凸指標２）に基づいて、分光スペクトル解析に供されるデータ情報を選択するための処理手順（ルーチン）を示すフローチャートである。
【０１３１】
本ルーチンは、所定数の観測点において土壌特性についての観測が行われた後、コンピュータ１５０によって実施される。
【０１３２】
本ルーチンに処理が移行すると、コンピュータ１５０は先ずステップＳ４０１において、処理対象となる全てのデータ情報（例えば現時点までに観測を行った全て観測点で得られたデータ情報）について、土壌観測面の平均距離、凹凸指標１、凹凸指標２を導入し、ヒストグラムを作成する。
【０１３３】
そして、図１３において説明したように、各ヒストグラムについて、分析領域を設定し（ステップＳ４０２）、土壌観測面の平均距離、凹凸指標１、凹凸指標２の全てが各ヒストグラム上で分析領域内にある観測点で得られたデータ情報（土壌の光学的な特性に関するもの）のみを、十分に信頼性の高いものであるとみなし、外部記憶装置７５に記憶させ（ステップＳ４０３）、より詳細な分析に供する。
【０１３４】
〔土壌変位状態の指標の選定に関する他の処理態様〕
なお、上記第２の実施の形態では、平均距離、凹凸指標１及び凹凸指標２といった３種の指標についてヒストグラムを作成し、各指標がヒストグラム上で所定の分析領域内にあるか否かによって、各観測点で得られたデータ情報（可視光センサ６１や赤外光センサ６２等を通じて得られたデータ情報）の信頼性を判定することとした。
【０１３５】
これに対し、他の指標についてヒストグラムを作成し、これに基づいて、各観測点で得られたデータ情報（可視光センサ６１や赤外光センサ６２等を通じて得られたデータ情報）の信頼性を判定することもできる。
【０１３６】
以下、土壌特性観測装置１０'が適用し得る他の処理態様例について説明する。
【０１３７】
当該他の処理態様例では、個々の観測点における個々の期間において得られるデータ情報であって、土壌の変位状態に関する三種の指標として、平均変位ｍ、変位の分散ｖ、及び非対称性ｓといった概念を導入する。なお、これらの指標は、例えば図１２中のデータレコーダに記録される土壌の変位の時系列信号を解析することによって得ることができる。
【０１３８】
先ずここで、距離Ｄ３の最適値と、実際の距離Ｄ３との間の差分を変位ｄと定義する。平均変位ｍとは、個々の観測点での観測期間に得られた変位の平均値を意味する。また、変位の分散ｖは、個々の観測点での観測期間に得られた変位の分散である。また、非対称性ｓは、平均変位ｍ及び変位ｄ間の差の３乗に比例する関数、すなわち「α・（ｍ−ｄ）３；但しαは定数」として表される。
【０１３９】
図１５には、複数の観測点で得られた平均変位ｍ、変位の分散ｖ、及び非対称性ｓによって作成されたヒストグラムの一例を示す。
【０１４０】
平均変位についてのヒストグラム上における分析領域（Ａ２）は、全データの平均値を中心とする所定範囲に設定する。また、変位の分散ｖについてのヒストグラム上における分析領域（Ｂ２）は、当該変位の分散ｖの最小値を「０」よりやや大きな値として所定範囲に設定するのが好ましい。変位の分散ｖが「０」である場合、土壌観測面Ｌ２が微小な凹凸すら有することなく略鏡面に近似する状態であることを意味するため、このような状態では、土壌観測面Ｌ２における照明光の反射光が拡散せず、かえって分光スペクトル解析に適さないためである。また、非対称性ｓについてのヒストグラム上における分析領域（Ｃ２）は、最適値（最小値）を「０」として所定範囲に設定する。
【０１４１】
このように、平均変位ｍ、変位の分散ｖ、非対称性ｓを土壌変位状態の指標として適用する場合も、先の図１４において説明した処理ルーチンによるものと略同様の制御ロジックに従い、各指標ｍ，ｖ，ｓの全てが各ヒストグラム上で分析領域内にある観測点で得られたデータ情報（土壌の光学的な特性に関するもの）のみを、十分に信頼性の高いものであるとみなし、外部記憶装置７５に記憶させ、より詳細な分析に供する。
【０１４２】
以上説明したように、本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０'によれば、土壌観測面の凹凸状態の変動に関わらず、土壌の光学的特性或いは熱力学的特性に関し、信頼性の高いデータ情報を安定して、しかも連続的に取得することができるようになる。
【０１４３】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の土壌特性観測装置を具体化した第３の実施の形態について、上記第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１４４】
なお、当該第３の実施の形態にかかる土壌特性観測装置について、その基本的なハードウエア構成は先の第２の実施の形態と略同等である。すなわち、当該第３の実施の形態にかかる土壌特性観測装置もまた、光学センサ収納部に、土壌変位センサを備え、当該光学センサ収納部内に設けられた各種センサと、土壌観測面との間の距離を測定することができる。また、当該第３の実施の形態にかかる土壌特性観測装置は、土壌特性に関する各種データ情報の融合処理に関しても、第１及び第２の実施の形態にかかる装置の適用するものと基本的には同様の制御ロジック（図７、図９、図１０等を参照）を適用する。
【０１４５】
ただし、当該第３の実施の形態にかかる土壌特性観測装置は、土壌変位センサの出力信号に基づき、土壌に対するセンシング部（チゼル刃）の進入角をフィードバック制御する機能を有する点で、先の第１及び第２の実施の形態とは異なる。
【０１４６】
図１６には、本実施の形態にかかる土壌特性観測装置の一部をなす土壌切削部及びその周辺部位を、コンピュータと併せて模式的に示す略図である。
【０１４７】
同図１６に示すように、当該第３の実施の形態にかかる土壌特性観測装置は、台座１３の下面に駆動装置８０を備えている。駆動装置８０は、コンピュータ１５０からの指令信号に基づいて作動し、一端をシャンク５１に支持されたバー８１を自在に往復動させることにより、台座１３に対して軸５０ａを中心に揺動可能に構成された土壌切削部５０を駆動制御し、土壌に対するセンシング部５２（チゼル刃５３）の進入角βを調整することができる。コンピュータ１５０は、光学センサ収納部６０内に設けられた土壌変位センサ（レーザ距離計）６９の出力信号に基づいて駆動装置８０を作動し、同センサ６９の受光部及び土壌観測面Ｌ２間の距離（土壌の光学特性を検出する各種センサ６１，６２等と土壌観測面Ｌ２との間の距離）Ｄ３が最適値を保持するようにフィードバック制御を行う。
【０１４８】
このように、本実施の形態にかかる土壌特性観測装置１０''によっても、土壌観測面の凹凸状態の変動に関わらず、土壌の光学的特性或いは熱力学的特性に関し、信頼性の高いデータ情報を安定して、しかも連続的に取得することができるようになる。
【０１４９】
なお、同図１６に示す装置構成では、センシング部５２の進入角βを調整することにより、距離Ｄ３の最適化を図ることとしたが、例えば台座１３と地表面Ｌ１との間の距離を可変制御することのできる駆動装置等を採用し、距離Ｄ３の最適化を図るようにしてもよい。
【０１５０】
また、駆動装置８０の駆動方式としては、油圧駆動式、モータ駆動方式等、種々の駆動方式を採用することができる。
【０１５１】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の土壌特性観測装置を具体化した第４の実施の形態について、上記第１〜３の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１５２】
なお、当該第４の実施の形態にかかる土壌特性観測装置について、その基本的なハードウエア構成は上記各実施の形態と略同等である。また、当該第３の実施の形態にかかる土壌特性観測装置は、土壌特性に関する各種データ情報の融合処理に関しても、上記各実施の形態にかかる装置の適用するものと基本的には同様の制御ロジック（図７、図９、図１０等を参照）を適用する。
【０１５３】
当該第４の実施の形態も含め、本発明の各実施の形態にかかる土壌特性観測装置は、土壌特性に関するデータ情報を取得すべく、土壌観測面に沿って異なる配置に複数のセンサ類を備え、これらのセンサが各種土壌特性に関する検出信号を個別に出力するといった装置構成を適用している。
【０１５４】
ここで、任意の時刻において各種センサが個別に出力する検出信号は、実際には、土壌観測面上の同一部位に対応するものではない。
【０１５５】
例えば、土壌観測面Ｌ２上における電気特性センサ及び赤外光センサ間の距離が６０ｃｍであり、センシング部の進行速度が３０ｃｍ／秒を維持していたとする。この場合、任意の時刻において赤外光センサが出力する検出信号に対応する土壌観測面は、電気特性センサが２秒（６０ｃｍ÷３０ｃｍ／秒）前に出力した検出信号に対応する土壌観測面であることになる。
【０１５６】
そこで本実施の形態にかかる土壌特性装置では、当該装置に設けられた各種センサの位置関係（正確には、各種センサの検出対象となる土壌の位置関係）と、センシング部の進行速度とに基づいて、同一の土壌試料について取得される各種データ情報の取得タイミングの差を演算することにより、常に同一の土壌試料についての各種情報（土壌特性に関するデータ情報）が一括して管理されるようにデータ情報のグループ化を行う。つまり、土壌観測面に存在する土壌の特性と、チゼル部５３上面５３ａの電極に接触する土壌の特性とを略同一の土壌試料について検出し、一組のデータとして管理することができる。
【０１５７】
以下、上記のようなデータ情報のグループ化処理の具体的な手順について、フローチャートを参照して説明する。
【０１５８】
図１７は、各種センサに検出信号に基づいて取得される土壌特性情報の融合処理を行うための処理手順（ルーチン）を示すフローチャートである。なお、当該フローチャートに従う処理手順は、土壌特性観測装置１０等のコンピュータ１５０によって実行される処理の一環として、例えば先の基本ルーチン（図７）のステップＳ１０４に含まれる。
【０１５９】
本ルーチンに処理が移行すると、コンピュータ１５０は先ずステップＳ５０１において、光学センサ収納部６０の各種センサの検出信号に基づくデータ情報を導入する。
【０１６０】
ステップＳ５０２においては、光学センサ収納部６０及びチゼル部５３間の位置関係と、センシング部の進行速度とに基づいて、取得データ情報のタイムラグを演算する。
【０１６１】
ステップＳ５０３においては、上記ステップＳ５０２において演算されたタイムを考量し、電気特性センサ５７及び土壌硬度センサ１００の検出信号に基づくデータ情報の履歴から、光学センサ収納部６０内の各種センサの検出信号に基づくデータ情報に対応するものを抽出する。そして、両データ情報を同一の土壌試料に関するデータ情報としてグループ化し、一括管理する。
【０１６２】
このように、センサ素子の配置、或いは実際に検出対象となる土壌面（例えば、土壌切削面及び土壌観測面Ｌ２間における相違）が異なることに起因し、任意のタイミングで検出される土壌試料（観測対象）が異なっていても、各土壌特性に関するデータ情報の集合としては、略同一の土壌試料に対応するデータを確実に取得し、一括管理することができるようになる。
【０１６３】
なお、上記ルーチンによる制御構造に替え、相対的な距離が異なる各種センサが同一の土壌試料を観測するように、各センサのデータ取得開始のタイミングを調整するような制御構造を適用してもよい。
【０１６４】
また、チゼル部５３の上面５３ａを電極として活用する上記各実施の形態にかかる電気特性センサ５７の構成に替え、図１８においてチゼル部の上視図として示すように、チゼル部５３の上面５３ａに絶縁部材を囲設した２種の電極５５ａ，５５ｂを設け、これら電極間で、土壌の電気伝導度や誘電率を検出する装置構成を適用することとしてもよい。
【０１６５】
また、同じく図１９においてチゼル部の上視図として示すように、チゼル部５３の上面５３ａに絶縁部材を囲設した４種の電極５５ｃ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆを設け、一対の電極を電圧検出端子（例えば電極５５ｃ，５５ｄ）、他の一対の電極を電流検出端子（例えば電極５５ｅ，５５ｆ）として採用することで、４端子法によって土壌の電気特性を検出することとしてもよい。
【０１６６】
また、図２０においてシャンクの部分的な側面図として示すように、シャンク５１の外縁に沿って（土壌中において異なる深度に）、絶縁部材５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄを囲設した電極５１ｅ，５１ｆ，５１ｇ，５１ｈを複数配列し、各電極を活用することにより、異なる深度における土壌の電気特性を検出する装置構成を採用してもよい。
【０１６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、土壌特性に関する検出値として任意の観測点で得られた複数のデータを、同一の土壌試料に対応する情報として正確且つ効率的に融合することができる。よって、広域に亘る土壌特性の地理的な分布を表現する上で、普遍性の高いデータマップを作成するために役立つ情報を、効率的に収集することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる観測システムの概略構成を示す略図。
【図２】同実施の形態にかかる土壌特性観測装置を概略的に示す側面図。
【図３】同実施の形態にかかる土壌特性観測装置のセンシング部について、その内部構造を概略的に示す側断面図。
【図４】同実施の形態にかかるセンシング部の一部をなすチゼル部の外観を示す上視図。
【図５】同実施の形態にかかる土壌特性観測装置の制御部の電気的構成を示すブロック図。
【図６】同実施の形態にかかる検出回路の機能ブロック図。
【図７】同実施の形態において、土壌特性に関するデータ情報を、その取得位置や観測土壌面の深さと共に記録するための基本手順を示すフローチャート。
【図８】同実施の形態にかかるセンシング部に備えられた各種センサの出力信号がどのように処理されるのかを概念的に説明する略図。
【図９】同実施の形態において、土壌光スペクトル及び土壌電気伝導度に関する情報の融合処理手順を示すフローチャート。
【図１０】同実施の形態において、土壌光スペクトル及び土壌電気伝導度に関する情報の融合処理手順を示すフローチャート。
【図１１】本発明の第２の実施の形態にかかるセンシング部の内部構造を概略的に示す側断面図。
【図１２】同実施の形態において、土壌変位センサの出力信号を指標化する信号処理部の機能ブロック図。
【図１３】同実施の形態において、複数の観測点で得られた土壌変位状態に関する三種の指標のヒストグラム。
【図１４】同実施の形態において、各観測点における土壌変位状態の三種の指標に基づいて、分光スペクトル解析に供されるデータ情報を選択するための処理手順を示すフローチャート。
【図１５】同実施の形態において、複数の観測点で得られた平均変位、変位の分散、及び非対称性によって作成されたヒストグラム。
【図１６】本発明の第３の実施の形態にかかる土壌切削部及びその周辺部位をコンピュータと併せて模式的に示す略図。
【図１７】本発明の第４の実施の形態において、各種センサの検出信号に基づくデータ情報を融合するための処理手順を示すフローチャート。
【図１８】本発明の土壌特性観測装置について、他の実施の形態を示す略図。
【図１９】本発明の土壌特性観測装置について、他の実施の形態を示す略図。
【図２０】本発明の土壌特性観測装置について、他の実施の形態を示す略図。
【符号の説明】
１観測システム
２車両（トラクタ）
３ほ場
１０土壌特性観測装置
１１アンテナ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ支持フレーム
１３台座
１３ａ所定部位
１４支持アーム
１６揺動アーム
１７深度測定用自由転輪
１８回転角度センサ
１９コールタ
２０適宜同表示操作部
２０表示操作部
３０制御部
４０ハロゲンランプ
５０土壌切削部
５１シャンク
５２センシング部
５３チゼル部
５３ａ上面（土壌切削手段の切削面）
５５表面電極
５６絶縁性部材
５７電気特性センサ（検出手段を構成）
６０光学センサ収納部
６１可視光センサ（検出手段を構成）
６２赤外光センサ（検出手段を構成）
６３ＣＣＤカメラ（検出手段を構成）
６４温度センサ（検出手段を構成）
６５Ａ，６５Ｂ照明用光ファイバー
６６光学窓
６７送風管
６８ａ第１均平板
６８ｂ第２均平板
７０分光部
７１可視光用分光部
７２近赤外光用分光部
７５外部記憶装置
１００土壌硬度センサ（検出手段を構成）
１０１ピストン
１０１ａ孔
１０１ｂピストン基端部
１０２シリンダ
１０２ａ抜け止めピン
１０２ｂシリンダ開口端
１０２ｃシールリング
１０２ｄ皿バネ
１０３ロードセル
１５０コンピュータ
２００ＧＰＳ衛星
Ｌ１地表面
Ｌ２観測土壌面（観測面）
Ｓ１観測空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a soil property observation apparatus that measures soil properties, and more particularly, to a soil property observation device that collects information about spatial distribution of soil properties in a field.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the introduction of precision farming methods has become widespread in order to minimize the input of agricultural materials, fertilizers, feeds, etc. per field area used for agricultural production from the viewpoint of environmental conservation and profitability improvement. It has become like this.
[0003]
In precision farming, a relatively large-scale field is divided into a plurality of sections, and the optimum management is performed for each section regarding fertilization and pesticide application, etc., taking into account different soil characteristics (variations in soil characteristics) for each section. .
[0004]
When implementing such precision farming, it is necessary to acquire information that accurately reflects the variation of each section regarding soil characteristics.
[0005]
For example, an apparatus described in US Pat. No. 5,044,756 is pulled by a vehicle or the like and moves substantially horizontally in soil having a predetermined depth. And while moving, irradiate the soil with light of a specific wavelength and detect the reflected light, and qualitatively and quantitatively observe the organic matter and moisture contained in the soil in real time based on the characteristics of the reflected light be able to.
[0006]
The information corresponding to each section is compared with data information accumulated in the past or data information on other geographically different fields, for example. It will be used to find out the amount and setting of the amount of pesticide application. For this reason, the data information corresponding to each section is standardized (standardized) so that it can be compared with the data information on soil characteristics obtained from temporally and geographically different areas. It is desirable to be. When standardizing data information, for example, adopting multiple parameters (variables) that reflect the physical and chemical characteristics of the soil, formulating them (functioning), and using them as indices for evaluating the properties of the soil Can be considered. Here, when evaluating soil characteristics from the viewpoint of superiority for agricultural production, for example, parameters essential to an index for defining the soil characteristics include organic matter content and water content observed by the apparatus described in the above publication. In addition to (water content), clay content, soil density and the like can be mentioned.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, parameters such as clay content and soil density are largely reflected in the physical properties of the soil (for example, soil hardness, electrical conductivity, etc.), and it is difficult to quantify them by optical analysis techniques. Therefore, it is necessary to separately employ a sensor having a function of detecting soil hardness and electrical conductivity.
[0008]
However, when sensors having different detection principles are employed and a plurality of parameters are detected in real time, each sensor detects various characteristics related to soil at positions separated from each other due to restrictions on the mounting position. For this reason, it could not be guaranteed that the various characteristics detected were for the same sample.
[0009]
In addition, in order to grasp the distribution of soil characteristics in the field, including the apparatus described in the above publication, when applying a device configuration that directly measures (detects) a parameter that reflects soil characteristics, Disturbances are likely to occur in the relationship with the sample (soil). For example, in the detection mode in which the detection element is brought into contact with the soil, the contact pressure changes between the detection element and the soil, while in the detection mode in which the detection element is separated from the soil, the distance between the detection element and the soil is Variations are likely to occur, and these disturbances reduce the accuracy and reproducibility of the acquired data.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention relates to the distribution of soil characteristics in the field, and it is possible to efficiently acquire highly accurate data information and collectively manage the soil. It is to provide a characteristic observation apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an apparatus according to the present invention is a soil property observation device for observing soil properties, wherein the cutting surface is in contact with soil of an arbitrary depth, and proceeds while cutting the soil. When, Above Detects electrical characteristics of soil in contact with the cutting surface And a second detection means for detecting a force acting on the opposite side to the traveling direction of the soil cutting means, and the second detection means is arranged to be reciprocally movable along the traveling direction. The load cell is arranged on the rear side of the chisel portion that advances while cutting the front soil up and down by the cutting edge provided at the tip portion in the traveling direction, and the spring is arranged on the rear side of the load cell. The load cell is configured to be biased toward the chisel portion by an elastic restoring force. .
[0019]
The electrical characteristics referred to here include, for example, electrical conductivity, electrical resistance, electrical capacity, dielectric constant, and the like.
[0020]
Here, it is preferable that the detection element (for example, electrode element) of the detection means for detecting the electrical conductivity is provided in the vicinity of the tip of the soil cutting means.
[0021]
According to this configuration, since the electrical conductivity or dielectric constant of the soil in contact with the cutting surface of the soil cutting means can be detected directly and continuously, it is related to the electrical characteristics of the soil and further to the electrical characteristics. With respect to various soil properties (correlated with electrical properties), it becomes possible to efficiently acquire precise data information over a wide area.
[0022]
Further, the gist of the invention is that the detecting means has at least a pair of electrodes exposed to the cutting surface and insulated from each other.
[0023]
The detection means may include voltage application means for applying an alternating voltage having a predetermined frequency to the pair of electrodes.
[0024]
It is difficult for the output signal characteristics to change over time or over time without causing an electrode reaction on the surface of the electrode. Therefore, a detection value with high reliability can be obtained over a long period of time with respect to detection of the electric conductivity and dielectric constant of the soil.
[0025]
The voltage applying means applies a voltage having a frequency different from that of the first voltage applying means for applying an alternating voltage of a predetermined frequency to the pair of electrodes, and the alternating voltage applied by the first voltage applying means. It is good also as having a 2nd voltage application means.
[0026]
According to the configuration, the electrical conductivity of the soil in contact with the cutting surface of the soil cutting means is measured by measuring the characteristics of the current flowing in the predetermined circuit based on the alternating voltage applied by the first voltage applying means. In addition to the soil in contact with the cutting surface of the soil cutting means by measuring the characteristics of the current flowing in the other circuit based on the AC voltage applied by the second voltage applying means. Thus, it becomes possible to grasp the electrical characteristics (for example, dielectric constant). Therefore, a plurality of different electrical characteristics can be grasped with respect to the soil in contact with the cutting surface of the soil cutting means by the pair of electrodes.
[0028]
According to this configuration, the load applied to the cutting surface (especially the tip) of the soil cutting means by the soil existing in front of the soil cutting means through the force acting on the opposite side to the traveling direction of the soil cutting means. In other words, the earth pressure (resistance) can be detected. This earth pressure has a high correlation with the hardness of the soil. That is, according to the progress of the soil cutting means, the hardness of the soil present ahead can be sequentially detected.
[0029]
Further, a sensor on the cutting surface of the soil cutting means or in the vicinity of the cutting surface (surface) is used to detect the earth pressure, such as a diaphragm pressure sensing element that directly detects the earth pressure (resistance) received from the soil in front. There is no need to provide an element. In other words, a relatively thick wall is formed between the cutting surface of the soil cutting means and the detection element of the strain amount detecting means, and the impact on the cutting surface of the soil cutting means due to contact with the soil or the cutting Sufficient durability can be secured against surface wear.
[0046]
According to this invention Soil In the soil property observation method, the cutting surface is brought into contact with soil of an arbitrary depth, and the electrical properties of the soil in contact with the cutting surface are detected while proceeding while cutting the soil. In addition, the force acting on the opposite side to the traveling direction of the cutting surface is detected, and the detection of the force acting on the opposite side is arranged so as to be able to reciprocate along the traveling direction. A load cell is arranged on the rear side of the chisel part that advances while cutting the front soil up and down by a blade edge provided in the part, and a spring is arranged on the rear side of the load cell, and the load cell is elastically restored by the elastic restoring force of the load cell. Is obtained by detecting means adapted to be urged toward the chisel side. .
[0047]
The electrical characteristics referred to here include, for example, electrical conductivity, electrical resistance, electrical capacity, dielectric constant, and the like.
[0048]
According to this method, since the electrical conductivity or dielectric constant of the soil in contact with the cutting surface can be detected directly and continuously, it is related to the electrical characteristics of the soil and further to the electrical characteristics (electrical characteristics With respect to various soil characteristics (correlated to the above), it becomes possible to efficiently acquire precise data information over a wide area.
[0050]
Furthermore, the force acting on the opposite side to the traveling direction of the cutting surface was detected while proceeding while cutting the soil. The load applied by the soil to the cutting surface, in other words, earth pressure (resistance), can be detected through the force acting on the opposite side to the traveling direction of the cutting surface. This earth pressure has a high correlation with the hardness of the soil. That is, according to the progress of the cutting surface, the hardness of the soil existing ahead can be sequentially detected.
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which the soil property observation apparatus of the present invention is embodied will be described with reference to the drawings.
[0053]
[Outline of observation system]
FIG. 1 shows an outline of an observation system according to the present embodiment.
[0054]
As shown in FIG. 1, an observation system 1 includes a soil property observation device 10 that is pulled by a vehicle 2 such as a tractor and moves in a field 3 cultivated to produce crops, and a soil property observation device 10. It is configured by a GPS (Grobal Positioning System) satellite for grasping an accurate position. The soil characteristic observation device 10 is provided with a PS antenna 11, and the soil characteristic observation device 10 receives a position information (information on the position of the soil property observation device 10 on the ground surface) signal from the GPS satellite 200 through the GPS antenna 11. Then, it recognizes its current position. As shown by the broken lines in FIG. 1, the field 3 is virtually divided into a plurality of sections, and management of information acquired regarding soil characteristics and input of fertilizers, pesticides and the like to be performed in producing crops are performed. The determination is made independently for each section.
[0055]
[Structure and function of soil property observation equipment]
Next, the structure and function of the soil property observation apparatus will be described.
[0056]
FIG. 2 is a side view schematically showing the structure of the soil property observation apparatus 10 pulled by the vehicle (tractor) 2.
[0057]
As shown in FIG. 2, the soil property observation apparatus 10 includes a pedestal 13 connected to the rear portion of the tractor 2 via support frames 12 a, 12 b, 12 c, and 12 d, and a control unit ( And a soil cutting unit 50 attached to the lower part of the rear end of the base 13. A GPS antenna 11 is attached above the control unit 30. The soil cutting unit 50 includes a shank 51 that is supported and connected to the lower portion of the pedestal 13, and a sensing unit 52 that is fixed to the lower portion of the shank 51 and travels a predetermined depth in the soil (under the ground surface) substantially horizontally. The tip of the shank 51 in the traveling direction has a V-shape to reduce the resistance received from the soil, and the sensor portion includes a chisel blade (chisel portion) 53 for excavating the soil at the tip. In addition, various sensors (not shown) for observing soil characteristics are incorporated. The halogen lamp 40 attached to the outside of the soil cutting unit 50 illuminates an observation target (soil) of various sensors (not shown) described later in an observation space (not shown) formed in the sensing unit 52. Functions as a light source. The support arm 14 attached to the side of the pedestal 13 grounds the pedestal 13 together with the support frames 12a, 12b, 12c, and 12d by grounding the gauge ring 15 provided at the tip thereof. Keep in state. Moreover, the distance between the gauge wheel 15 and the base 13 can be adjusted, and the position (depth) of the sensing unit 52 in the soil can be adjusted by adjusting this distance. Similarly, at a predetermined portion 13a on the side of the pedestal 13 and in front of the support arm 14, the swing arm 16 that is swingably mounted around the portion 13a is a depth measurement provided at the tip thereof. The free rolling wheel 17 is grounded. A potentiometer (rotation angle sensor) 18 that outputs a signal corresponding to the rotation phase of the swing arm 16 with respect to the pedestal 13 is attached to the mounting portion of the swing arm 16. Based on the output signal of the rotation angle sensor 18, the distance D1 between the ground contact surface of the depth measuring free wheel 17 and the pedestal 13, and the distance between the bottom surface (observed soil surface) of the sensing unit 52 and the ground surface L1. In other words, the depth D2 of the observation soil surface L2 is obtained. The coulter 19 provided at the tip of the pedestal 13 cuts the ground surface in front of the soil cutting unit 50 to thereby reduce the force required to guide the sensing unit 52 below the ground surface (the soil cutting unit 50 is removed from the soil. Reduce the resistance) It also has a function of cutting ridges, weeds and the like and preventing them from getting tangled with the shank 51. The display operation unit 20 attached to the tractor 2 is electrically connected to the control unit 30 and communicates with the control unit 30 by an operator's input work or automatically, and data information stored in the control unit 30 Etc. are displayed as appropriate.
[0058]
[Sensor structure]
FIG. 3A is a side sectional view schematically showing the internal structure of the sensing unit.
[0059]
As shown in FIG. 3A, the sensing unit 52 includes a chisel portion 53 corresponding to the front end portion along the traveling direction, and an optical sensor housing corresponding to the rear end portion (located on the opposite side of the front end portion). It is divided roughly into the part 60. The chisel portion 53 advances while cutting the front soil up and down with its blade edge, and forms an observation soil surface L2 that is parallel to the ground surface L1 behind it. The optical sensor housing 60 includes a visible light collecting optical fiber (visible light sensor) 61, a near infrared collecting optical fiber (infrared light sensor) 62, a CCD (Charge Coupled Device) camera 63, a temperature sensor 64, and illumination optical fibers 65A and 65B. Is housed. These members 61 to 65 are provided so as to be separated from the observation soil surface L2, and a predetermined observation space S1 is formed between each member 61 to 65 and the observation soil surface L2. In addition, the rear portion 60a of the optical sensor housing portion 60 is in an open state so that soil does not accumulate inside the optical sensor housing portion 60 (the rear portion of the observation space S1) (the rear of the observation space S1 is open to the outside). ing).
[0060]
Here, the illumination optical fibers 65A and 65B selectively transmit light in a specific wavelength region (for example, about 400 nm to 2400 nm) out of light supplied from the halogen lamp 40 (see FIG. 2), and observe this light. Irradiate the soil surface L2. The visible light sensor 61 selectively collects light in the visible light wavelength region (for example, 400 nm to 900 nm) out of the reflected light irradiated to the observation soil surface L2 by the illumination optical fibers 65A and 65B. The infrared light sensor 62 selectively collects light in the wavelength region of near infrared light (for example, 900 nm to 1700 nm) among the reflected light of the light irradiated on the observation soil surface L2 by the illumination optical fibers 65A and 65B. To do. A CCD (Charge Coupled Device) camera 63 images the observation soil surface L2. The temperature sensor 64 detects the temperature (radiant heat) of the observed soil surface L2.
[0061]
The visible light sensor 61, the infrared light sensor 62, the CCD camera 63, and the optical fibers for illumination 65A and 65A are each covered with an optical window (for example, quartz glass) 66 on the front surface (surface facing the observation soil surface). . Dry air is constantly blown onto the optical window 66 through the blower pipe 67. The clouding of the optical window 66 is prevented by the action of the dry air.
[0062]
In addition, in the front of the observation space S1, the first flat plate 68a and the second flat plate 68b that are projected from the bottom surface of the sensing unit 52 level the soil cut by the chisel portion, and the rear of the chisel portion 53. The observation soil surface L2 maintains a flat surface shape by smoothing the unevenness of the cut surface of the soil to be formed (the surface facing the sensing unit 52). FIG.3 (b) is the enlarged plan view which looked at the installation site | part of the 1st flat plate 68a and the 2nd flat plate 68b toward the upper direction from the soil surface. As shown in FIG. 3 (b), the first flat plate 68a has a V-shape and is leveled while scraping the front soil in both side directions. Further, a plurality of comb plates are arranged in parallel at the tip of the second flat plate 68b. The second flat plate 68b has a function of smoothing the surface of the soil smoothed by the first flat plate 68a.
[0063]
A soil hardness sensor 100 is provided between the rear portion of the chisel portion 53 and the optical sensor storage portion 60. The soil hardness sensor 100 includes a piston 101 provided at the rear portion of the chisel portion 53, a cylinder 102 provided at the front portion of the optical sensor storage portion 60, and a detection element (load cell) 103 stored in the cylinder 102. It is a structure comprised. An elliptical hole 101a is formed through the piston 101 along its radial direction. When the retaining pin 102a fixed to the cylinder 102 is inserted into the hole 101a, the rotation of the piston 101 within the cylinder 102 is restricted, and the piston 101 is prevented from coming off from the cylinder 102. A gap G of about 1 mm, for example, is provided between the base end portion 101b of the piston 101 and the opening end 102b of the cylinder 102. That is, the piston 101 is accommodated in the cylinder 102 in a state where it can reciprocate within the gap G along the direction of the arrow X. A urethane seal ring 102c is provided around the outer periphery of the open end 102b of the cylinder 102 (the outer periphery of the gap G) to prevent soil from entering the gap G and the cylinder 102. The load cell 103 is provided with a strain gauge (not shown) that is electrically connected to the electronic control unit and generates a detection signal corresponding to the pressing force of the piston 101. The plurality of disc springs 102 d push the load cell 103 from the cylinder 102 toward the piston 101. In the soil hardness sensor 100 configured as described above, the piston 101 presses the load cell 103 in accordance with the earth pressure (a parameter having a correlation with the soil hardness) that the chisel portion 53 receives from the front, and a detection signal corresponding to the pressing force. When the strain gauge in the load cell 103 is generated, the earth pressure that the chisel portion 53 receives from the soil in front is sequentially detected. Here, since the operation of the piston 101 is regulated within a predetermined range, the pressure applied to the load cell 103 does not exceed a predetermined value. In other words, the load cell 103 that is isolated from the outside by the inner wall of the cylinder 102 and the piston 101 has the earth pressure that the chisel portion 53 receives from the soil in front as a force acting on the opposite side to the traveling direction of the chisel portion 53. Thus, it can be detected accurately over a long period of time (after ensuring sufficient durability).
[0064]
FIG. 4 is a top view showing the appearance of the chisel portion 53. As shown in FIGS. 3 and 4, a surface electrode 55 is embedded in the upper surface of the chisel portion 53. An insulating member 56 is provided around the outer edge of the surface electrode 55 to isolate the electrode 55 and the chisel portion 53 from each other. The surface electrode 55 forms a counter electrode with the upper surface 53a of the chisel portion 53 made of a conductive material, and has electrical conductivity and dielectric constant of soil in contact with the upper surface 53a (including the surface electrode 55) of the chisel portion 53. An electric characteristic sensor 57 that detects the same is configured.
[0065]
In addition, if conditions, such as the advancing speed of the sensing part 52 in soil, are constant, the earth pressure which this chisel part 53 receives from soil shows a high correlation with the hardness (soil hardness) of the said soil.
[0066]
[Electric configuration of computer and its peripherals]
FIG. 5 is a block diagram showing the electrical configuration of the computer and its peripheral devices built in the control unit 30. As shown in FIG.
[0067]
The computer 150 includes a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), a backup RAM 34, a timer counter, and the like, and these units are connected by a bus to perform logical operations. Configure the circuit.
[0068]
The computer 150 configured as described above inputs detection signals from the visible light sensor 61 and the infrared light sensor 62 provided in the optical sensor housing unit 60 via the spectroscopic unit, and processes these signals. The spectroscopic unit 70 includes a visible light spectroscopic unit 71 and a near-infrared light spectroscopic unit 72. The spectroscopic units 71 and 72 are multi-channel spectrographs provided with a photodiode linear array. The visible light spectroscopic unit 71 has 256 channels in a wavelength region of 400 nm to 900 nm, and the near-infrared light spectroscopic unit 72 has a wavelength of 900 nm. The intensity of light having a wavelength corresponding to 128 channels in the wavelength region of ˜1700 nm can be individually detected at high speed. The computer 150 also receives detection signals from a temperature sensor 64 provided in the optical sensor housing 60 and imaging data from the CCD camera 63, and processes the data information (signals). Further, the computer 150 inputs detection signals from the electrical characteristic sensor 57 and the soil hardness sensor 100 provided in the chisel portion 53 and processes these signals. The computer 150 also receives a detection signal from the rotation angle sensor 18 attached to the swing arm 16 and processes this signal. Further, the computer 150 inputs a signal transmitted from the GPS satellite 200 through the GPS antenna 11 and processes this signal.
[0069]
The computer 150 processes signals (data information) input from these units in response to a command signal from the display operation unit 20 or automatically, and appropriately displays the processing status and the like on the screen of the display operation unit 20. Display data information. Further, in response to a command signal from the display operation unit 20 or automatically, the result of the above processing is stored in an external storage device (for example, a card memory) 75 as recording data information.
[0070]
[Basic configuration of electrical conductivity and dielectric constant detection circuit]
FIG. 6 is a functional block diagram of a detection circuit that individually outputs signals proportional to the electrical conductivity and dielectric constant of the soil in contact with the upper surface 53 a of the chisel portion 53 to the computer 150 as detection signals of the electrical characteristic sensor 57. Show.
[0071]
As shown in FIG. 6, in the electrical conductivity detection circuit 57a, an AC voltage having a frequency of 4 kHz is applied to the electrodes 55 and 53a from a transmission unit with variable amplitude. While detecting the voltage amplitude of each electrode 55, 53a, by inputting a predetermined amplitude control voltage to the oscillator, the oscillator output voltage is controlled so that the applied voltage amplitude at each electrode 55, 53a becomes constant. The computer 150 averages the voltage effective value (proportional to the electrical conductivity of the soil) at both ends of the resistor R, and stores this after averaging.
[0072]
Here, when a detection circuit is configured using a DC voltage, a product due to a chemical reaction (electrode reaction) accumulates on the electrode surface, and it becomes difficult to perform highly stable measurement over a long period of time. Further, even when an AC voltage is employed as described above, the inventors have confirmed that it is desirable to make the voltage amplitude as small as possible in order to minimize the influence of the electrode reaction.
[0073]
In addition, when a configuration in which a constant current is applied to both electrodes is adopted, the voltage applied to both electrodes changes depending on the soil electrical conductivity, so the degree of electrode reaction also changes. In this case, the inventors have confirmed that it is difficult to measure highly stable electrical conductivity.
[0074]
In this respect, a high-frequency AC voltage is applied to the dielectric constant detection circuit 57b so as to overlap with the low-frequency AC voltage applied to the electrical conductivity detection circuit 57a. In the circuit 57b, the electrodes 55 and 53a are regarded as capacitor plates, and the dielectric constant of the soil in contact with both the electrodes 55 and 53a is detected.
[0075]
And since each electrode 55 and 53a is arrange | positioned on the upper surface of the chisel part 53 used as the cutting surface of soil, as long as the sensing part 52 is installed in soil, it always contacts with soil. Therefore, it is possible to accurately measure the electrical characteristics of the soil with high stability.
[0076]
The high frequency cut filter prevents high frequency from entering the electrical conductivity detection circuit 57a, and the low frequency cut capacitor prevents low frequency from mixing into the dielectric constant detection circuit 57b.
[0077]
In this embodiment, the AC voltage is applied to detect the soil electrical conductivity. However, the soil is applied through the application of a voltage having a waveform pattern in which positive and negative voltages are repeatedly applied, such as a square wave and a triangular wave. A device configuration for detecting electrical conductivity may be applied. However, in the embodiment in which the electrical conductivity and dielectric constant of the soil are detected through the same electrode, that is, in the device configuration in which the electrical conductivity detection circuit and the dielectric constant detection circuit share the same electrode, an AC voltage is applied. It is preferable to use it.
[0078]
In addition, a set of electrodes for detecting the electrical conductivity of the soil (a set of electrodes for applying a high-frequency AC voltage) and a set of electrodes for detecting the dielectric constant of the soil (for an electrode for applying a low-frequency AC voltage) Even if an apparatus configuration in which the set is separated and arranged on the upper surface 53a of the chisel portion 53 is applied, the effect equivalent to the above embodiment can be obtained. The device configuration in which the high-frequency electrode and the low-frequency electrode are separated and arranged is the same as the device configuration applied in the above-described embodiment (the electrical conductivity detection circuit and the dielectric constant detection circuit are the same). This is because an advantage is recognized in that the detection circuit can be simplified, although it is inferior to the device configuration sharing the electrodes.
[0079]
Next, the soil property observation apparatus 10 having the hardware configuration as described above acquires data information related to soil properties in the field 3 according to what control logic and manages the information in detail. To do.
[0080]
[Basic routine for obtaining data information on soil characteristics]
FIG. 7 is a flowchart showing a basic routine for recording data information based on detection signals from various sensors provided in the sensing unit 52 together with the position where the data information is acquired and the depth of the observed soil surface. . This routine is executed by the computer 150 every predetermined time after the computer 150 is started.
[0081]
When the process moves to this routine, the computer 150 first determines whether or not there is a data information acquisition request in step S101. That is, the computer 150 stores in advance conditions such as the time at which data information about the soil should be acquired or the position in the field, and determines whether or not the present time is a timing that matches such conditions. . Further, when the operator manually inputs a predetermined command signal (information acquisition start signal) to the display input operation unit, the computer 150 may determine that there is a data information acquisition request. If the determination in step S101 is negative, the computer 150 exits this routine once.
[0082]
On the other hand, if the determination in step S101 is affirmative, the computer 150 grasps the position of the soil property observation device 10 based on the signal transmitted from the GPS satellite 200 (step S102), and then the optical sensor housing unit. Data information based on the detection signals of the various sensors 61, 62, 63, 64 in the 60 and the various sensors 57, 100 in the chisel portion 53 is acquired, and these are subjected to arithmetic processing (for example, integration and averaging) (step) S103). Further, the calculated data information is collated with the history of the data information already acquired through the previous routine and processed (step S104).
[0083]
For example, assume that this routine is executed at 0.05 second intervals. In this case, if the control logic is configured to acquire data information for one second after an interval of 3 seconds each time, about 100 pieces of data information are acquired in one second. The computer 150 averages the 100 pieces (sets) of data information, and processes and manages the data information into one piece (set) of data information.
[0084]
Thereafter, the computer 150 stores the data information obtained in step S104 in the external storage device 75 as data information corresponding to the position information from the GPS satellite 200 and the depth of the observed soil surface L2 (step S105). The processing in the routine is temporarily terminated.
[0085]
The soil property observation apparatus 10 according to the present embodiment basically acquires and stores data information related to soil properties in each section in the field 3 in accordance with such control logic.
[0086]
Next, among the processes in the above basic routine, the process in step S104, that is, the processing of data information obtained by calculating the detection signals of various sensors will be described in detail.
[0087]
[Fusion of data based on signals from various sensors]
FIG. 8 is a schematic diagram for conceptually explaining how output signals of various sensors provided in the sensing unit 52 are processed.
[0088]
As shown in FIG. 8, the computer 150 processes the data information obtained through the detecting means for detecting the optical characteristics of the soil, that is, the visible light sensor 61 and the infrared light sensor 62, and the soil organic matter SOM (Soil It has a function as a first estimation means for estimating the amount of organic matter), pH, nitrate nitrogen (NO3-N), electrical conductivity ECa, water content (water content), and the like.
[0089]
Similarly, the computer 150 processes the data information obtained through the detection means for detecting the electrical or mechanical characteristics of the soil, that is, the electrical characteristics sensor 57 and the soil hardness sensor 100, and the electrical conductivity ECa and the moisture content (moisture content). ) And the like as a second estimation means.
[0090]
Here, for example, the electrical conductivity ECa and the moisture content (moisture content) of the soil can be obtained through a detecting means for detecting the optical characteristics of the soil, or through a detecting means for detecting the electrical or mechanical characteristics. It can also be obtained. In the soil property observation apparatus 10 according to the present embodiment, for data information on the same observation item (for example, electrical conductivity ECa and water content) obtained through different detection means, the data information is compared with each other, and the most Perform data information fusion processing, such as adopting highly reliable data information.
[0091]
[Fusion of information on soil light spectrum and soil electrical conductivity]
FIG. 9 is a flowchart showing a specific procedure (routine) of the information fusion processing of the soil light spectrum and the soil electrical conductivity among the processing of the data information related to the soil characteristics. Note that the processing procedure according to the flowchart is included in, for example, step S104 in the previous basic routine (FIG. 7) as part of the processing executed by the computer 150 of the soil property observation apparatus 10.
[0092]
When the processing shifts to the routine, first, in step S201, the computer 150 selects the latest data information acquired for the soil at an arbitrary observation point in the field 3 as data information to be subjected to the fusion processing. The moisture content of the soil at each observation point is estimated based on detection signals such as the visible light sensor 61 and the infrared light 62 provided in the optical sensor housing 60, while the electrical characteristic sensor 57 (dielectric constant detection circuit). Based on the detection signal of 57b), the moisture content of the soil at each observation point is estimated separately.
[0093]
In step S202, the moisture content estimated based on the detection signals of the visible light sensor 61 and the infrared light 62 (hereinafter referred to as the moisture content based on the optical characteristics) WP and the detection signal of the electrical characteristic sensor 57 are used. Compare the moisture content of the soil at the observation point (hereinafter referred to as the moisture content based on electrical characteristics) WE, and obtain a more reliable moisture content (hereinafter referred to as the applicable moisture content) WM as the moisture content of the soil at each observation point. Calculate.
[0094]
Hereinafter, an example of a method for calculating the applied moisture content WM will be described.
[0095]
That is, if the deviation between the moisture content WP based on the optical characteristics and the moisture content WE based on the electrical characteristics is within a predetermined range, the average of both values WP and WE is adopted as the applied moisture content WM. On the other hand, when the deviation exceeds a predetermined value, the applied water content WM is calculated by adopting data information (water content WP, WE) obtained at other observation points that are geographically closest to the observation point. To do.
[0096]
In subsequent step S203, the soil solution electrical conductivity ECw is estimated based on the electrical conductivity ECa and the applied moisture content WM obtained in step S202. The electrical conductivity ECa is calculated based on the detection signal of the electrical characteristic sensor 57 (electric conductivity detection circuit 57a).
[0097]
After step S203, the computer 150 once ends the processing in this routine.
[0098]
After finishing the processing in this routine, the computer 150 returns the processing to, for example, step 105 in FIG. 7 to obtain the applied water content WM and soil solution electrical conductivity ECw obtained this time in the field 3. These data are stored in the external storage device 75 as data information for creating a map indicating the distribution state of the parameters WM and ECw.
[0099]
Instead of the above processing routine (FIG. 9), after the observation in the field 3 is terminated, for example, processing independent of the basic routine (FIG. 7) may be performed according to the processing routine shown in FIG.
[0100]
Hereinafter, the processing routine of FIG. 10 will be described. This routine may be executed through the computer 150 or may be executed through another control device based on data information stored in the external storage device 75. Prior to the execution of this routine, among N observation points in the field 3, soil samples are actually collected from n (n <N) observation points. It is assumed that the conductivity and moisture content are measured in advance using an analytical instrument in the laboratory and stored as standard data information in, for example, the external storage device 75.
[0101]
In this routine, for example, in step S301, the computer 150 first selects data information acquired at N locations in the field 3 as data information to be subjected to the fusion process.
[0102]
In step S302, the moisture content of the soil at each observation point is estimated based on detection signals such as the visible light sensor 61 and the infrared light 62 provided in the optical sensor housing 60, and the electrical characteristic sensor 57 (dielectric constant) Based on the detection signal of the detection circuit 57b), the moisture content of the soil at each observation point is estimated separately.
[0103]
In step S303, the visible light sensor 61 and the infrared light of the data group acquired at the same position as the soil sample collection position from which the standard data information is acquired out of the N data groups to be subjected to the fusion process. 62 based on the detection signal such as 62 (hereinafter referred to as the water content based on the optical characteristics) WP and the moisture content of the soil at each observation point (hereinafter referred to as the electrical characteristics) based on the detection signal of the electrical characteristic sensor 57. A test is performed to determine which shows a higher correlation with WE (referred to as a moisture content based on WE). And among the moisture content WP based on optical characteristics and the moisture content WE based on electrical characteristics, data showing a higher correlation with the moisture content (hereinafter referred to as standard moisture content) WS as standard (reference) data information The information is decided to be adopted as the moisture content of the soil in the field (adopted moisture content).
[0104]
In step S304, a calculation method for calculating an accurate moisture content from the adopted moisture content (WP or WE) that was adopted in step S303 is as follows. For n pieces of data information, the adopted moisture content and the standard moisture content are (For example, a regression equation indicating the relationship between the two may be adopted as a calculation equation).
[0105]
In the subsequent step S305, for the N pieces of data information selected this time in step S301, the adopted moisture content (WP or WE) acquired by the same estimation method as the moisture content estimation method established in step S303 above, Adopted as soil moisture content (applicable moisture content) WM at each observation point.
[0106]
In step S306, the soil solution electrical conductivity ECw is estimated based on the electrical conductivity ECa and the applied water content WM. The electrical conductivity ECa is calculated based on the detection signal of the electrical characteristic sensor 57 (electric conductivity detection circuit 57a).
[0107]
After step S306, the computer 150 temporarily ends the processing in this routine.
[0108]
After finishing the processing in this routine, the computer 150 returns the processing to, for example, step 105 in FIG. 7 to obtain the applied water content WM and soil solution electrical conductivity ECw obtained this time in the field 3. It is the same as the processing routine (FIG. 9) described above that data is stored in the external storage device 75 as data information for creating a map indicating the distribution state of the parameters WM and ECw.
[0109]
The same control structure as in the above routine (FIG. 9 or FIG. 10) is applied not only to the soil solution electrical conductivity but also to other parameters contained in the soil, such as the content of organic matter and the content of specific inorganic salts. By doing so, it can be estimated separately from the electrical characteristics and optical characteristics of the soil. And if each estimation result is compared with each other, there is an effect equivalent to or equivalent to the present embodiment in which highly reliable data information can be acquired regarding the distribution of specific soil characteristics in the field. Can do.
[0110]
As described above, according to the soil property observation apparatus 10 according to the present embodiment, the soil cutting unit 50 effectively cuts the soil while being pulled by the tractor 2, and the observation space is located behind the observation space S <b> 1 ( The observation soil surface L2) is formed. And the chisel part 53 provided in the front part of the soil cutting part 50 transmits the electrical characteristics (for example, soil electrical conductivity and dielectric constant) of the soil through the cutting surface of the soil cut by itself. The soil hardness provided behind the tip portion of the chisel portion 53 by a predetermined length directly or through the electrical characteristic sensor 57 provided at the tip portion of the chisel portion 53 with mechanical characteristics (for example, earth pressure and soil hardness). It has a function of efficiently detecting through the sensor 100.
[0111]
On the other hand, the sensing unit 52 provided at the rear part of the soil cutting unit 50 has optical characteristics (for example, near infrared light spectrum, visible light spectrum, imaging) and thermodynamic characteristics (for example, temperature of the soil surface) of the soil. ) And the like. With such a configuration, the soil property observation apparatus can observe various properties of substantially the same soil sample almost simultaneously and continuously. In addition, since various characteristics of these same soil samples will be managed together with information from GPS satellites, the accurate distribution of various soil characteristics in the field can be efficiently obtained for the creation of maps, etc. Can be used.
[0112]
In the soil property observation apparatus 10 according to the present embodiment, the soil property (for example, the water content WP) obtained by the chisel portion (first detection means) 53 and the sensing portion (second detection means) 52 are used. Based on the obtained soil characteristics (for example, moisture content WE), a single (same) parameter regarding soil characteristics (for example, soil solution electrical conductivity, organic matter content, etc.) is individually estimated. By comparing the obtained parameters with each other, it is possible to obtain more reliable data information on a single parameter related to the soil characteristics.
[0113]
In the present embodiment, the electrical characteristic sensor 57 applies a voltage between a pair of electrodes that are in contact with the soil as the detection target, and detects the electrical conductivity and dielectric constant of the soil. Based on the same principle, other electric characteristics such as the electric capacity of the soil may be detected.
[0114]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment in which the soil property observation apparatus of the present invention is embodied will be described focusing on differences from the first embodiment.
[0115]
Note that the basic hardware configuration of the soil property observation apparatus according to the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. For this reason, about the structural member which has an equivalent structure and function, the duplicate description here is omitted as the same name and code | symbol are used.
[0116]
The soil characteristic observation apparatus according to the present embodiment is also related to the fusion processing of various data information related to the soil characteristics, and basically has the same control logic as that applied by the apparatus according to the first embodiment (FIG. 7, (See FIGS. 9 and 10).
[0117]
However, the soil property observation apparatus according to the second embodiment includes a soil displacement sensor that measures the distance between various sensors and the soil observation surface in the sensing unit (optical sensor storage unit), and relates to soil properties. In creating the data information, it differs from the first embodiment in that the distance between various sensors and the observation surface in the soil is reflected.
[0118]
[Sensor structure]
FIG. 11 is a side sectional view schematically showing the internal structure of the sensing unit of the soil property observation apparatus according to the present embodiment.
[0119]
In FIG. 11, a soil displacement sensor (laser distance meter) 69 is disposed between the infrared light sensor 62 and the illumination optical fiber 65B in the optical sensor housing 60 of the soil property observation apparatus 10 ′. The soil displacement sensor 69 includes a laser light irradiation unit 69a that irradiates a laser beam having a specific wavelength (for example, 780 nm) toward a measurement target (soil observation surface L2), and a light receiving unit 69b that detects reflected light from the soil observation surface L2. And has a function of measuring the distance D3 between the laser beam irradiation unit 69a and the soil observation surface L2 based on the principle of triangulation. The soil displacement sensor 69 is electrically connected to the computer 150 (see FIG. 5) in the control unit, similarly to the other sensor members 61 to 64 in the optical sensor storage unit 60, and is a slight variation in the distance D3, in other words. For example, a signal corresponding to the change of the soil observation surface L2 is continuously output to the computer 150. The computer 150 indexes the uneven state of the soil observation surface L2 based on the output signal of the soil displacement sensor 69, and determines the reliability as the data information corresponding to the observation point where the signal is obtained.
[0120]
In this embodiment, the laser distance meter 69 is used as the soil displacement sensor. Instead, the distance to the object such as a distance meter using an LED as a light source or an ultrasonic distance meter is measured. Other rangefinders with functionality can also be applied.
[0121]
[Electric configuration of signal processing unit of soil displacement sensor]
FIG. 12 is a functional block diagram for explaining the electrical configuration and function of a signal processing unit that indexes the output signal of the soil displacement sensor 69 and transmits it to the computer 150.
[0122]
As shown in FIG. 12, the output signal of the soil displacement sensor 69 is a numerical value as three types of indicators (average distance, unevenness index 1 and unevenness index 2) after the high frequency component (noise) is removed through a noise cut filter. And then transmitted to the computer 150.
[0123]
Here, the average distance corresponds to the average value (average distance) of the distance D3 detected during the observation period (for example, 1 second). In order to generate a signal corresponding to the average distance, the output signal (from which noise has been removed) of the soil displacement sensor 69 is integrated and A / D converted during the observation period.
[0124]
The unevenness index 1 is the number of unevennesses (relatively large unevennesses) corresponding to the frequency component of the output signal of the soil displacement sensor 69 of 1 Hz to 10 Hz (the number detected on the soil observation surface as the measurement target). Equivalent to. In order to generate a signal corresponding to the unevenness index 1, during the observation period, out of the output signal of the soil displacement sensor 69 (with noise removed), one having a frequency component of 1 Hz to 10 Hz is taken out and rectified. Are integrated to perform A / D conversion.
[0125]
The unevenness index 2 is the number of unevenness (relatively small unevenness) corresponding to the output signal of the soil displacement sensor 69 whose frequency component is 10 Hz or more (detected on the soil observation surface as the measurement target). The number of In order to generate a signal corresponding to the unevenness index 2, during the observation period, the output signal of the soil displacement sensor 69 (with noise removed) was extracted and the frequency component was 10 Hz or more and rectified. It integrates later and performs A / D conversion.
[0126]
The output of the soil displacement sensor 69 is directly A / D-converted after the series of processing such as noise removal, specific frequency component extraction, rectification and integration is completed, and then the computer. A configuration in which each index is calculated in a manner in which the calculation processing is performed in 150 may be applied.
[0127]
[Selection of indicators related to soil displacement and selection of data information]
FIG. 13 shows an example of an average distance obtained at a plurality of observation points, and histograms of the uneven index 1 and the uneven index 2.
[0128]
In the soil characteristic observation apparatus 10 ′ according to the present embodiment, a predetermined analysis region is set on the horizontal axis (the size of each index) of these histograms, and the average distance, the uneven index 1 and the uneven index 2 are displayed on each histogram. Only the data information (data information obtained through the visible light sensor 61, the infrared light sensor 62, etc.) obtained at the observation point in the analysis region is analyzed in more detail for the soil properties (optical properties) (spectral spectrum). Analysis data) is selected as data information and stored in the external storage device 75.
[0129]
Here, the analysis area (A1) on the histogram for the average distance can be set to a predetermined range centered on the average value of all data (average distance), for example. Further, the analysis region (B1) on the histogram for the uneven index 1 can be set to a predetermined range with the minimum value of the uneven index 1 being “0”. Moreover, it is preferable that the analysis region (C1) on the histogram for the uneven index 1 is set to a predetermined range with the minimum value of the uneven index 1 being slightly larger than “0”. When the unevenness index 2 is “0”, it means that the soil observation surface L2 is in a state that approximates a mirror surface without having even minute unevenness, and in such a state, the illumination light on the soil observation surface L2 This is because the reflected light does not diffuse and is not suitable for spectral spectrum analysis.
[0130]
FIG. 14 shows a processing procedure (routine) for selecting data information to be subjected to spectral spectrum analysis based on three types of indices (average distance, uneven index 1 and uneven index 2) of the soil displacement state at each observation point. It is a flowchart which shows.
[0131]
This routine is executed by the computer 150 after observation of soil characteristics at a predetermined number of observation points.
[0132]
When the processing shifts to this routine, first, in step S401, the computer 150 averages the soil observation surface for all data information to be processed (for example, data information obtained at all observation points that have been observed so far). A distance, uneven index 1 and uneven index 2 are introduced, and a histogram is created.
[0133]
Then, as described in FIG. 13, an analysis region is set for each histogram (step S402), and the average distance of the soil observation surface, the unevenness index 1 and the unevenness index 2 are all within the analysis region on each histogram. Only the data information (related to the optical characteristics of the soil) obtained at the observation point is regarded as sufficiently reliable and stored in the external storage device 75 (step S403) for more detailed analysis. Provide.
[0134]
[Other treatment modes for selection of soil displacement index]
In the second embodiment, histograms are created for three types of indices such as average distance, uneven index 1 and uneven index 2, and whether or not each index is within a predetermined analysis region on the histogram, The reliability of the data information obtained at each observation point (data information obtained through the visible light sensor 61, the infrared light sensor 62, etc.) was determined.
[0135]
On the other hand, histograms are created for other indices, and based on this, the reliability of the data information obtained at each observation point (data information obtained through the visible light sensor 61, the infrared light sensor 62, etc.) is improved. It can also be determined.
[0136]
Hereinafter, other processing mode examples to which the soil property observation apparatus 10 ′ can be applied will be described.
[0137]
In this other processing mode example, it is data information obtained in each period at each observation point, and the three types of indicators relating to the displacement state of the soil include the concept of average displacement m, displacement variance v, and asymmetry s. Is introduced. These indices can be obtained, for example, by analyzing a time series signal of soil displacement recorded in the data recorder in FIG.
[0138]
First, here, a difference between the optimum value of the distance D3 and the actual distance D3 is defined as a displacement d. The average displacement m means the average value of the displacement obtained during the observation period at each observation point. The displacement variance v is the variance of the displacement obtained during the observation period at each observation point. The asymmetry s is expressed as a function proportional to the cube of the difference between the average displacement m and the displacement d, that is, “α · (md) 3; where α is a constant”.
[0139]
FIG. 15 shows an example of a histogram created by the average displacement m, the displacement variance v, and the asymmetry s obtained at a plurality of observation points.
[0140]
The analysis area (A2) on the histogram for the average displacement is set to a predetermined range centered on the average value of all data. In the analysis region (B2) on the histogram of the displacement variance v, the minimum value of the displacement variance v is preferably set to a predetermined range with a value slightly larger than “0”. When the variance v of the displacement is “0”, it means that the soil observation surface L2 is in a state that approximates a mirror surface without having even minute irregularities. In such a state, illumination on the soil observation surface L2 This is because the reflected light of the light does not diffuse and is not suitable for spectral spectrum analysis. The analysis region (C2) on the histogram for the asymmetry s is set to a predetermined range with the optimum value (minimum value) being “0”.
[0141]
As described above, when the average displacement m, the variance of displacement v, and the asymmetry s are applied as indices of the soil displacement state, each index m is in accordance with the control logic substantially similar to that according to the processing routine described in FIG. , V, and s are all considered to be sufficiently reliable only for data information (related to the optical properties of the soil) obtained at observation points in the analysis area on each histogram. The data is stored in the storage device 75 and used for more detailed analysis.
[0142]
As described above, according to the soil property observation apparatus 10 ′ according to the present embodiment, high reliability can be obtained with respect to the optical property or thermodynamic property of the soil regardless of the variation in the uneven state of the soil observation surface. Data information can be acquired stably and continuously.
[0143]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment that embodies the soil property observation apparatus of the present invention will be described focusing on differences from the second embodiment.
[0144]
Note that the basic hardware configuration of the soil property observation apparatus according to the third embodiment is substantially the same as that of the second embodiment. That is, the soil property observation apparatus according to the third embodiment is also provided with a soil displacement sensor in the optical sensor storage unit, and between the various sensors provided in the optical sensor storage unit and the soil observation surface. The distance can be measured. Moreover, the soil characteristic observation apparatus according to the third embodiment is basically the same as that applied by the apparatus according to the first and second embodiments with respect to the fusion processing of various data information related to soil characteristics. Similar control logic (see FIG. 7, FIG. 9, FIG. 10, etc.) is applied.
[0145]
However, the soil property observation apparatus according to the third embodiment has the function of feedback controlling the approach angle of the sensing unit (chisel blade) to the soil based on the output signal of the soil displacement sensor. This is different from the first and second embodiments.
[0146]
FIG. 16 is a schematic diagram schematically showing a soil cutting unit and a peripheral portion thereof forming a part of the soil property observation apparatus according to the present embodiment together with a computer.
[0147]
As shown in FIG. 16, the soil property observation apparatus according to the third embodiment includes a driving device 80 on the lower surface of the pedestal 13. The drive device 80 is operated based on a command signal from the computer 150, and can swing about the shaft 50a with respect to the pedestal 13 by freely reciprocating a bar 81 supported at one end by the shank 51. The configured soil cutting unit 50 is driven and controlled, and the approach angle β of the sensing unit 52 (chisel blade 53) with respect to the soil can be adjusted. The computer 150 operates the driving device 80 based on the output signal of the soil displacement sensor (laser distance meter) 69 provided in the optical sensor storage unit 60, and the distance between the light receiving unit of the sensor 69 and the soil observation surface L2. (Distance between various sensors 61, 62 for detecting the optical characteristics of the soil and the soil observation surface L2) Feedback control is performed so that D3 maintains an optimum value.
[0148]
As described above, the soil property observation apparatus 10 '' according to the present embodiment also provides highly reliable data information regarding the optical properties or thermodynamic properties of the soil regardless of the variation in the uneven state of the soil observation surface. Can be acquired stably and continuously.
[0149]
In the apparatus configuration shown in FIG. 16, the distance D3 is optimized by adjusting the approach angle β of the sensing unit 52. For example, the distance between the base 13 and the ground surface L1 is variable. A controllable drive device or the like may be employed to optimize the distance D3.
[0150]
Further, as a driving method of the driving device 80, various driving methods such as a hydraulic driving method and a motor driving method can be adopted.
[0151]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment that embodies the soil property observation apparatus of the present invention will be described focusing on differences from the first to third embodiments.
[0152]
In addition, about the soil characteristic observation apparatus concerning the said 4th Embodiment, the basic hardware constitutions are substantially equivalent to said each embodiment. In addition, the soil characteristic observation apparatus according to the third embodiment is basically the same control logic as that applied by the apparatus according to each of the above-described embodiments for the fusion processing of various data information related to the soil characteristics. (See FIGS. 7, 9, 10, etc.).
[0153]
The soil property observation apparatus according to each embodiment of the present invention including the fourth embodiment includes a plurality of sensors in different arrangements along the soil observation surface in order to obtain data information relating to soil properties. The apparatus configuration in which these sensors individually output detection signals relating to various soil characteristics is applied.
[0154]
Here, the detection signals individually output by various sensors at an arbitrary time do not actually correspond to the same part on the soil observation surface.
[0155]
For example, it is assumed that the distance between the electrical characteristic sensor and the infrared light sensor on the soil observation surface L2 is 60 cm, and the traveling speed of the sensing unit is maintained at 30 cm / second. In this case, the soil observation surface corresponding to the detection signal output by the infrared light sensor at an arbitrary time is the soil observation surface corresponding to the detection signal output by the electrical characteristic sensor 2 seconds (60 cm ÷ 30 cm / second) before. There will be.
[0156]
Therefore, in the soil characteristic device according to the present embodiment, based on the positional relationship between the various sensors provided in the device (more precisely, the positional relationship of the soil to be detected by the various sensors) and the traveling speed of the sensing unit. By calculating the difference in the acquisition timing of various data information acquired for the same soil sample, the data is always managed in a batch so that various information (data information on soil characteristics) for the same soil sample is managed collectively. Group information. In other words, the characteristics of the soil existing on the soil observation surface and the characteristics of the soil in contact with the electrode on the upper surface 53a of the chisel portion 53 can be detected for substantially the same soil sample and managed as a set of data.
[0157]
Hereinafter, a specific procedure of the data information grouping process will be described with reference to a flowchart.
[0158]
FIG. 17 is a flowchart showing a processing procedure (routine) for performing a fusion process of soil property information acquired by various sensors based on detection signals. Note that the processing procedure according to the flowchart is included in, for example, step S104 of the previous basic routine (FIG. 7) as part of the processing executed by the computer 150 such as the soil property observation apparatus 10.
[0159]
When the processing shifts to this routine, the computer 150 first introduces data information based on detection signals of various sensors in the optical sensor storage unit 60 in step S501.
[0160]
In step S502, the time lag of the acquired data information is calculated based on the positional relationship between the optical sensor storage unit 60 and the chisel unit 53 and the traveling speed of the sensing unit.
[0161]
In step S503, the time calculated in the above step S502 is taken into account, and from the history of the data information based on the detection signals of the electrical characteristic sensor 57 and the soil hardness sensor 100, the detection signals of the various sensors in the optical sensor storage unit 60 are converted. Extract the corresponding data information. Then, both pieces of data information are grouped as data information on the same soil sample and collectively managed.
[0162]
As described above, the soil sample (which is detected at an arbitrary timing) due to the difference in the arrangement of the sensor elements or the soil surface that is actually the detection target (for example, the difference between the soil cutting surface and the soil observation surface L2). Even if observation targets are different, as a set of data information related to each soil characteristic, data corresponding to substantially the same soil sample can be reliably acquired and collectively managed.
[0163]
Instead of the control structure based on the above routine, a control structure that adjusts the data acquisition start timing of each sensor may be applied so that various sensors with different relative distances observe the same soil sample. .
[0164]
Further, in place of the configuration of the electrical characteristic sensor 57 according to each of the above embodiments using the upper surface 53a of the chisel portion 53 as an electrode, as shown in a top view of the chisel portion in FIG. A device configuration in which two types of electrodes 55a and 55b surrounding an insulating member are provided and the electrical conductivity and dielectric constant of the soil are detected between these electrodes may be applied.
[0165]
Similarly, as shown in a top view of the chisel portion in FIG. 19, four types of electrodes 55c, 55d, 55e, and 55f are provided on the upper surface 53a of the chisel portion 53 so as to surround the insulating member, and voltage detection is performed on the pair of electrodes. By adopting terminals (for example, electrodes 55c and 55d) and another pair of electrodes as current detection terminals (for example, electrodes 55e and 55f), the electrical characteristics of the soil may be detected by the four-terminal method.
[0166]
In addition, as shown as a partial side view of the shank in FIG. 20, electrodes 51e, 51f surrounding the insulating members 51a, 51b, 51c, 51d along the outer edge of the shank 51 (at different depths in the soil). , 51g, 51h may be arranged, and each electrode may be used to detect an electrical property of soil at different depths.
[0167]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plurality of data obtained at arbitrary observation points as detection values related to soil characteristics can be accurately and efficiently fused as information corresponding to the same soil sample. . Therefore, it is possible to efficiently collect information useful for creating a highly universal data map in expressing the geographical distribution of soil characteristics over a wide area.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an observation system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view schematically showing the soil property observation apparatus according to the embodiment.
FIG. 3 is a side sectional view schematically showing the internal structure of the sensing unit of the soil property observation apparatus according to the embodiment;
FIG. 4 is a top view showing an appearance of a chisel portion that forms a part of the sensing portion according to the embodiment;
FIG. 5 is a block diagram showing an electrical configuration of a control unit of the soil property observation apparatus according to the embodiment;
FIG. 6 is a functional block diagram of the detection circuit according to the embodiment;
FIG. 7 is a flowchart showing a basic procedure for recording data information related to soil characteristics together with the acquisition position and the depth of the observed soil surface in the embodiment;
FIG. 8 is a schematic diagram for conceptually explaining how output signals of various sensors provided in the sensing unit according to the embodiment are processed;
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for merging information on soil light spectrum and soil electrical conductivity in the embodiment;
FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for merging information on soil light spectrum and soil electrical conductivity in the embodiment;
FIG. 11 is a side sectional view schematically showing an internal structure of a sensing unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a functional block diagram of a signal processing unit that indexes the output signal of the soil displacement sensor in the embodiment.
FIG. 13 is a histogram of three types of indices relating to soil displacement states obtained at a plurality of observation points in the same embodiment.
FIG. 14 is a flowchart showing a processing procedure for selecting data information to be subjected to spectral spectrum analysis based on three types of indicators of the soil displacement state at each observation point in the embodiment.
FIG. 15 is a histogram created by average displacement, dispersion of displacement, and asymmetry obtained at a plurality of observation points in the embodiment;
FIG. 16 is a schematic diagram schematically showing a soil cutting portion and its peripheral portion according to a third embodiment of the present invention together with a computer.
FIG. 17 is a flowchart showing a processing procedure for fusing data information based on detection signals of various sensors in the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic diagram showing another embodiment of the soil property observation apparatus of the present invention.
FIG. 19 is a schematic diagram showing another embodiment of the soil property observation apparatus of the present invention.
FIG. 20 is a schematic diagram showing another embodiment of the soil property observation apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Observation system
2 Vehicle (tractor)
3 fields
10 Soil property observation device
11 Antenna
12a, 12b, 12c, 12d Support frame
13 pedestal
13a Predetermined part
14 Support arm
16 Swing arm
17 Freewheel for depth measurement
18 Rotation angle sensor
19 Coulter
20 Appropriate display operation unit
20 Display operation section
30 Control unit
40 Halogen lamp
50 Soil cutting part
51 Shank
52 Sensing section
53 Chisel
53a Top surface (cutting surface of soil cutting means)
55 Surface electrode
56 Insulating material
57 Electrical characteristics sensor (constituting detection means)
60 Optical sensor storage
61 Visible light sensor (configures detection means)
62 Infrared light sensor (configures detection means)
63 CCD camera (configures detection means)
64 Temperature sensor (constituting detection means)
65A, 65B Optical fiber for illumination
66 Optical window
67 Air duct
68a First flat plate
68b 2nd flat plate
70 Spectrometer
71 Spectrometer for visible light
72 Spectrometer for near infrared light
75 External storage
100 soil hardness sensor (constituting detection means)
101 piston
101a hole
101b Piston base end
102 cylinders
102a Retaining pin
102b Cylinder open end
102c Seal ring
102d disc spring
103 load cell
150 computers
200 GPS satellite
L1 Ground surface
L2 Observation soil surface (observation surface)
S1 observation space

Claims

土壌の特性を観測する土壌特性観測装置であって、
切削面を任意深さの土壌に接触させ、土壌を切削しつつ進行する土壌切削手段と、
前記切削面に接触する土壌の電気特性を検出する第１検出手段と、
前記土壌切削手段の進行方向に対して反対側に働く力を検出する第２検出手段とを備え
前記第２検出手段は、進行方向に沿って往復移動可能に配置され、その進行方向の先端部に設けられた刃先により前方の土壌を上下に切り開きながら進行するチゼル部の後側にロードセルを配置するとともに、そのロードセルの後側にバネが配置され、当該バネの弾性復元力により、前記ロードセルは前記チゼル部側に付勢されるように構成したことを特徴とする土壌特性観測装置。A soil property observation device for observing soil properties,
A soil cutting means that makes the cutting surface contact with soil of an arbitrary depth and proceeds while cutting the soil;
First detecting means for detecting the electrical characteristics of the soil in contact with the cutting surface,
Second detecting means for detecting a force acting on the opposite side of the traveling direction of the soil cutting means;
The second detection means is disposed so as to be reciprocally movable along the traveling direction, and a load cell is disposed on the rear side of the chisel portion that advances while cutting the front soil up and down by a blade edge provided at a tip portion in the traveling direction. In addition, a soil characteristic observation apparatus , wherein a spring is disposed on the rear side of the load cell, and the load cell is urged toward the chisel portion side by an elastic restoring force of the spring .

請求項１記載の土壌特性観測装置において、
前記第１検出手段は、前記切削面に露呈し、且つ、相互に絶縁された少なくとも一対の電極を有することを特徴とする土壌特性観測装置。In the soil characteristic observation apparatus according to claim 1,
The soil property observation apparatus, wherein the first detection means has at least a pair of electrodes exposed to the cutting surface and insulated from each other.

請求項２記載の土壌特性観測装置において、
前記第１検出手段は、前記一対の電極に所定周波数の交流電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする土壌観測装置。In the soil characteristic observation apparatus according to claim 2,
The soil observing apparatus, wherein the first detecting means includes voltage applying means for applying an alternating voltage having a predetermined frequency to the pair of electrodes.

請求項３記載の土壌特性観測装置において、
前記電圧印加手段は、前記一対の電極に所定周波数の交流電圧を印加する第１の電圧印加手段と、同じく前記一対の電極に該第１の電圧印加手段の印加する交流電圧とは周波数の異なる交流電圧を印加する第２の電圧印加手段と、を有することを特徴とする土壌特性観測装置。In the soil characteristic observation apparatus according to claim 3,
The voltage applying means is different in frequency from the first voltage applying means for applying an alternating voltage of a predetermined frequency to the pair of electrodes, and the AC voltage applied by the first voltage applying means to the pair of electrodes. And a second voltage applying means for applying an alternating voltage.

切削面を任意深さの土壌に接触させ、土壌を切削しつつ進行しながら、前記切削面に接触する土壌の電気特性を検出するとともに、前記切削面の進行方向に対して反対側に働く力を検出するようにし、
その反対側に働く力の検出は、進行方向に沿って往復移動可能に配置され、その進行方向の先端部に設けられた刃先により前方の土壌を上下に切り開きながら進行するチゼル部の後側にロードセルを配置するとともに、そのロードセルの後側にバネが配置され、当該バネの弾性復元力により、前記ロードセルは前記チゼル部側に付勢されるようにした検出手段により求めることを特徴とする土壌特性観測方法。While the cutting surface is in contact with soil of an arbitrary depth, the electrical force of the soil that contacts the cutting surface is detected while the soil is moving, and the force acts on the opposite side to the traveling direction of the cutting surface To detect
The detection of the force acting on the opposite side is arranged so as to be able to reciprocate along the traveling direction, and on the rear side of the chisel part that advances while cutting the front soil up and down by the blade tip provided at the tip part in the traveling direction. A soil in which a load cell is disposed and a spring is disposed on the rear side of the load cell, and the load cell is obtained by a detecting means adapted to be biased toward the chisel portion by an elastic restoring force of the spring. Characteristic observation method.