JP7498955B2 - 作物モニタリング装置及び作物モニタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、作物の生育予測に使用するための撮像手段によって撮影された植物体の生育予測画像を収集する作物モニタリング装置及び作物モニタリング方法に関する。

近年増加する大規模な生産法人において、安定した経営を行うためには、収穫時期と収量をコントロールして出荷計画を立てることが重要である。これを実現するためには、作物の生育予測情報をできる限り広範囲、かつ、細密にモニタリングして既存の生育予測式に適用し、栽培管理を施して生育状態をコントロールすることが必要である。生育予測画像を収集するためのモニタリングには、非接触で作物を損傷することなく広範囲の情報を省力的に得ることができる画像計測が有効であり、ＲＧＢカメラやＲＧＢ－Ｄｅｐｔｈカメラを用いた草高や葉面積などの観測技術が開発されている。しかし、作物個々体の内側は画像計測の死角となり、画像情報を取得できる技術が確立されていない。この観測できない死角部分は、通常人間が作物の異変に気づきにくい部分でもあり、その部分をモニタリングする技術が求められている。作物の生育の状態は刻一刻と変化し、同一ほ場内においてもその状態にばらつきが存在するため、時間や場所ごとに高頻度にモニタリングすることが重要であり、省力的にモニタリングする技術が求められている。
ところで、特許文献１では、送風によって収穫対象果実を隠す他物（障害物）を移動させ、対象果実の位置を検出する装置が提案されている。

特開平８－１０３１３９号公報 国際公開第２０１８／１６８５６５号

特許文献１では、主な対象作物であるトマトやキュウリの収穫範囲付近に横から風を加えて障害物を移動させ、死角の果実位置を検出する技術である。
特許文献２では、カメラ付きのドローンなどの無人飛行体により植物体上方のある一定角度から植物の株元部分の状況を撮影し生育状況をモニタリングする技術である。どちらの技術も、加えられる風圧により植物に損傷が出る可能性がある。植物体の損傷は、物質生産を行うことが可能な葉の面積を減少させ、結果として収量の低下に繋がるため、植物体生育の過程をモニタリングする計測技術としては適切でない。

本発明は、植物体に損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる作物モニタリング装置及び作物モニタリング方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の作物モニタリング装置１は、植物体Ａを撮影する撮像手段２と、前記植物体Ａに風圧を加える気流発生手段３と、前記植物体Ａに当てる前記風圧を決定する風圧決定手段１１とを有し、前記撮像手段２によって撮影された前記植物体Ａの生育予測画像を収集する作物モニタリング装置１であって、前記風圧決定手段１１では、前記植物体Ａの生体情報を基に前記植物体Ａに当てる前記風圧を決定し、前記風圧決定手段１１で決定された前記風圧を、前記気流発生手段３によって前記植物体Ａに上方から加えた状態で、前記風圧を加えている前記植物体Ａを前記撮像手段２によって上方から撮影し、前記気流発生手段３と前記撮像手段２とが、前記植物体Ａの列に沿って移動可能な走行体７に支持されていることを特徴とする。
請求項２記載の本発明の作物モニタリング装置１は、植物体Ａを撮影する撮像手段２と、前記植物体Ａに風圧を加える気流発生手段３と、前記植物体Ａに当てる前記風圧を決定する風圧決定手段１１とを有し、前記撮像手段２によって撮影された前記植物体Ａの生育予測画像を収集する作物モニタリング装置１であって、前記風圧決定手段１１では、前記植物体Ａの生体情報を基に前記植物体Ａに当てる前記風圧を決定し、前記風圧決定手段１１で決定された前記風圧を、前記気流発生手段３によって前記植物体Ａに上方から加えた状態で、前記風圧を加えている前記植物体Ａを前記撮像手段２によって上方から撮影し、前記気流発生手段３と前記撮像手段２との下方で、前記植物体Ａが移動可能な植物体移動手段９に支持されていることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の作物モニタリング装置１において、前記風圧の上限を、前記風圧により前記植物体Ａの葉柄３１が損傷する風圧未満としたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１、請求項２又は請求項３に記載の作物モニタリング装置１において、前記風圧の下限を、前記風圧により前記植物体Ａの葉３２が動き出す風圧としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１、請求項２又は請求項３に記載の作物モニタリング装置１において、前記風圧の下限を、前記風圧により前記植物体Ａの中心部が撮影できる風圧としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の作物モニタリング装置１において、前記撮像手段２及び前記気流発生手段３と、前記植物体Ａとが相対的に移動することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の作物モニタリング装置１において、前記撮像手段２と前記気流発生手段３とを、前記気流発生手段３が生じさせる気流によって前記植物体Ａの上方で停止又は移動可能としたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の作物モニタリング装置１において、前記植物体Ａは株元から多数の葉柄３１が立葉状に生育する植物体Ａであることを特徴とする。
請求項９記載の本発明の作物モニタリング方法は、前記植物体Ａの生体情報を基に前記植物体が損傷しないように当てる風圧を決定する工程と、決定された前記風圧を前記植物体に上方から加えた状態で、前記風圧を加えている前記植物体Ａを上方から撮影する工程と、前記工程により撮影して得られた植物体Ａの生育予測画像を収集する工程とを有し、前記風圧を前記植物体Ａに加える気流発生手段３と、前記植物体Ａを上方から撮影する撮像手段２とを、走行体７に支持された状態で前記植物体Ａの列に沿って移動させることを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項９記載の作物モニタリング方法において、前記生体情報として、草高、葉面積、葉柄長、葉柄径及び葉柄角度の少なくとも１つを用いることを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項９又は請求項１０に記載の作物モニタリング方法において、前記植物体Ａの前記生育予測画像が、新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫及び病徴の少なくとも１つを撮影したものであることを特徴とする。

本発明によれば、植物体の生体情報を基に植物体に損傷が生じる風圧を決めるため、植物体に損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる。

本発明の一実施例による作物モニタリング装置の概略構成図 本発明の他の実施例による作物モニタリング装置の概略構成図 本発明の更に他の実施例による作物モニタリング装置の概略構成図 植物体の状態を示す写真 植物体の株元の断面写真 本実施例による作物モニタリング装置の動作を示すフローチャート 風圧の上限を決定するための説明図 植物体に加わる風圧と葉が受ける荷重の関係の計測方法を示す概念図

本発明の第１の実施の形態による作物モニタリング装置は、風圧決定手段では、植物体の生体情報を基に植物体に当てる風圧を決定し、風圧決定手段で決定された風圧を、気流発生手段によって植物体に上方から加えた状態で、風圧を加えている植物体を撮像手段によって上方から撮影し、気流発生手段と撮像手段とが、植物体の列に沿って移動可能な走行体に支持されているものである。
本実施の形態によれば、植物体に損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる。また、気流発生手段と撮像手段とが走行体に支持されて移動することで安定した撮影を行える。

本発明の第２の実施の形態による作物モニタリング装置は、風圧決定手段では、植物体の生体情報を基に植物体に当てる風圧を決定し、風圧決定手段で決定された風圧を、気流発生手段によって植物体に上方から加えた状態で、風圧を加えている植物体を撮像手段によって上方から撮影し、気流発生手段と撮像手段との下方で、植物体が移動可能な植物体移動手段に支持されているものである。
本実施の形態によれば、植物体に損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる。また、気流発生手段と撮像手段とを固定し、その下方を植物体が移動することでも安定した撮影を行える。また、既存の植物体Ａや植物体Ａ群を移動させる装置に後付けで撮像手段と気流発生手段を設置することができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態による作物モニタリング装置において、風圧の上限を、風圧により植物体の葉柄が損傷する風圧未満としたものである。
葉柄が損傷するとは、植物体の葉柄の株元付け根部分が裂ける、剥がれる又は折れることにより風圧を加えるのを止めた場合でも元の状態に復元しないことを言い、本実施の形態によれば、風圧の上限をあらかじめ決定することで、植物体に損傷を与えることなく、新葉、花芽、わき芽、ランナー（走出枝）、果実、つぼみ、花、害虫、病徴の少なくともいずれか又は全部の生育予測画像を得ることができる。
葉柄の損傷には、折れと生え際（株元）の裂けや剥離があり、葉柄径（断面積）が小さいほど損傷を生じる荷重は小さい。損傷が生じる荷重と葉柄径の関係はあらかじめ調査しておく、又は、調査された関係式を使って計算する。植物体Ａに上方から加わる風圧は、葉に荷重を加える。荷重は、葉面積、例えば投影葉面積が大きくなるにしたがって大きくなる。風圧と荷重の関係は、一般的な風速と物体に加わる荷重の関係式から計算で求めてもよいが、葉の形状や作目に応じてあらかじめ実験的に求めることが好ましい。

本発明の第４の実施の形態は、第１、第２又は第３の実施の形態による作物モニタリング装置において、風圧の下限を、風圧により植物体の葉が動き出す風圧としたものである。
本実施の形態によれば、葉を動かすことで、葉に隠れた新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫、病徴の存在を確認でき生育予測画像として取得できる。なお、植物体の葉が動き出す風圧は、例えば目視にて決定することもできる。

本発明の第５の実施の形態は、第１、第２又は第３の実施の形態による作物モニタリング装置において、風圧の下限を、風圧により植物体の中心部が撮影できる風圧としたものである。
本実施の形態によれば、植物体の新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫、病徴を露出させることができる。中心部から発生する新葉及び花芽の生育予測画像を取得することにより、正確な草勢、収穫時期が予測できることから環境制御や栽培管理方法の判断、収穫時期や収量の予測等に有効となる。特に植物体の中心部を撮影することが、新葉、花芽の観察には適している。

本発明の第６の実施形態は、第１から第５のいずれかの実施の形態による作物モニタリング装置において、撮像手段及び気流発生手段と、植物体とが相対的に移動するものである。
本実施の形態によれば、移動しながら多数の株を連続的にモニタリングすることによって省力的（時間的な）に生育予測画像を収集することができる。そして、本実施の形態によれば、撮像手段及び気流発生手段、又は植物体Ａのどちらかが移動すれば良いので設計上の自由度が生まれる。既存の植物体Ａや植物体Ａ群を移動させる装置に撮像手段２と気流発生手段３を設置することができる。

本発明の第７の実施の形態は、第１から第６のいずれかの実施の形態による作物モニタリング装置において、撮像手段と気流発生手段とを、気流発生手段が生じさせる気流によって植物体の上方で停止又は移動可能としたものである。
本実施の形態によれば、気流発生手段で発生させる気流を撮像手段と気流発生手段との移動に用いることができる。

本発明の第８の実施の形態は、第１から第７のいずれかの実施の形態による作物モニタリング装置において、植物体は株元から多数の葉柄が立葉状に生育する植物体であるものである。
本実施の形態によれば、生育予測画像を取得しやすい。なお、株元から多数の葉柄が立葉状に生育する植物体としては、イチゴ、又はコマツナ、ホウレンソウ、若しくはチンゲンサイ等の葉菜類があり、イチゴが最も適している。

本発明の第９の実施の形態による作物モニタリング方法は、植物体の生体情報を基に植物体が損傷しないように当てる風圧を決定する工程と、決定された風圧を植物体に上方から加えた状態で、風圧を加えている植物体を上方から撮影する工程と、この工程により撮影して得られた植物体の生育予測画像を収集する工程とを有し、風圧を植物体に加える気流発生手段と、植物体を上方から撮影する撮像手段とを、走行体に支持された状態で植物体の列に沿って移動させるものである。
本実施の形態によれば、気流発生手段と撮像手段とが走行体に支持されて移動することで安定した撮影を行える。また、事前にモニタリング対象の植物体の少なくとも１つ、又は２つ以上の生体情報を基に植物体に損傷が生じる風圧を決めるため、植物体に損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる。

本発明の第１０の実施形態は、第９の実施の形態による作物モニタリング方法において、生体情報として、葉高、葉面積、葉柄長、葉柄径及び葉柄角度の少なくとも１つを用いるものである。
本実施の形態によれば、事前にモニタリング対象の植物体の草高、葉面積、葉柄長、葉柄径、葉柄角度の少なくとも１つを生体情報として用いて植物体に損傷が生じる風圧を決めるため、植物体に損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる。
風圧を決定するための生体情報には、草高、葉面積、葉柄長、葉柄径、及び、葉柄角度があり、全ての生体情報を用いて風圧の上限を決定することで正確性が高まり、より植物体を損傷させるリスクが低くなるが、作目によっては、これらの生体情報の間に相関関係が認められることが多く、草高、葉面積、葉柄長、葉柄径、葉柄角度の少なくとも１つの生体情報から他の生体情報を推測してもよい。このことにより、植物体に加える風圧の上限を決定するための生体情報の計測を省力化することができる。
このように計算された、植物体に加わる風圧と葉柄の株元が受ける荷重の関係において、あらかじめ実験で調べられた損傷を生じる荷重が葉柄の株元付け根部分に加わるときの風圧未満を、植物体に加えることができる風圧の上限とする。
決定された風圧は、決定された風圧の上下限の範囲内にて一定でもよいし、変動させてもよい。より小さな風圧で生育予測画像を取得することが、植物体を損傷しないために重要であり、上下限の範囲内において、個々の植物体に対して目的とする生育予測画像が撮影可能な状態に露出するまで徐々に風圧を上昇させることで植物体を損傷させるリスクを低くすることができる。他方植物体群から連続的に生育予測画像を取得する場合、決定された風圧は一定とすることが好ましい。

本発明の第１１の実施形態は、第９又は第１０の実施の形態による作物モニタリング方法において、植物体の生育予測画像が、新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫及び病徴の少なくとも１つを撮影したものである。
本実施の形態によれば、葉に隠れた新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫、病徴等を生育予測画像として取得することで生育を正確に予測することができる。

以下本発明の一実施例による作物モニタリング装置について説明する。
図１は本実施例による作物モニタリング装置の概略構成図であり、図１（ａ）は同作物モニタリング装置の概略側面構成図、図１（ｂ）は同作物モニタリング装置の概略上面構成図である。

本実施例による作物モニタリング装置１は、植物体Ａを撮影する撮像手段２と、植物体Ａに風圧を加える気流発生手段３と、撮影時の照明を行う照明手段４と、撮像手段２、気流発生手段３、及び照明手段４を移動させる走行体７と、撮像手段２、気流発生手段３、照明手段４、及び走行体７を制御する制御手段１０とを有し、撮像手段２によって撮影された植物体Ａの生育予測画像を収集し撮影制御手段１２、撮像手段２（カメラのメモリ）等に保存する。撮像手段２、気流発生手段３、及び照明手段４は、植物体Ａの列に沿って移動可能な走行体７に支持されている。収集された生育予測画像は、植物体Ａの生育予測を行うために用いられる。生育予測画像は、新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫、病徴の少なくともいずれかを含むものである。ここで、新葉とは、最も新しい葉であり、次に発生する新葉が視認できるまでの期間の葉である。

撮像手段２は、例えばＲＧＢカメラやＲＧＢ－Ｄｅｐｔｈカメラやマルチスペクトルカメラを用いることができる。
ＲＧＢカメラではＲＧＢ画像を取得でき、ＲＧＢ－ＤｅｐｔｈカメラではＲＧＢ画像とＤｅｐｔｈ画像を取得できる。Ｄｅｐｔｈ画像により撮影対象物までの距離情報を取得することができる。また、距離情報を計測可能な光学センサを用いることができる。その他取得したい生育予測情報を画像処理等によって識別しやすくするために、特定波長の感度が高いカメラを用いることができる。
気流発生手段３は、プロペラ及びこのプロペラを駆動するモータとからなる。気流発生手段３には、ドローンや無人ヘリコプターのような無人飛行体で下方向に気流を発生可能な物を用いることができる。
照明手段４は、夜間モニタリング時に必要であり、ＬＥＤを用いることができる。その他取得したい生育予測画像を画像処理等によって識別しやすくするために、特定波長のLEDを使用できる。より詳細な、あるいは、鮮明な生育予測画像を取得するため照明の波長や点滅周波数を変化させても良い。

走行体７は台車５と基台６とから構成される。
台車５は、本実施例では、ガイド（レール）８上を走行する車輪５ｂと、車輪５ｂを移動させるモータ５ｃと、モータ５ｃの電源となるバッテリー５ｄとから構成している。台車５は、基台６によって撮像手段２、気流発生手段３、及び照明手段４を保持しており、台車５の移動によって撮像手段２、気流発生手段３、及び照明手段４を移動する。撮像手段２、気流発生手段３、及び照明手段４が走行体７によって支持されて移動することで安定した撮影を行える。
なお、このような走行体７を設けることなく、撮像手段２、気流発生手段３、及び照明手段４を気流発生手段３が生じさせる気流によって植物体Ａの上方を移動可能にすることもできる。このように、気流発生手段３で発生させる風圧を気流発生手段３の移動に用いることができる。気流発生手段３で発生させる風圧によって気流発生手段３が移動できるものとして、無人で遠隔操作や自動制御によって飛行できる航空機がある。このような無人航空機の飛行に用いるプロペラを気流発生手段３として用いることができる。

基台６は、撮像手段２及び気流発生手段３の高さを変更でき、基台６の高さ変更によって、植物体Ａから撮像手段２までの距離、及び植物体Ａから気流発生手段３までの距離を変更することができる。基台６は手動で高さを調整できる構成であってもよく、モータ等の動力によって入力された移動量を自動で制御できる構成でもよい。
気流発生手段３及び撮像手段２は、植物体Ａの最大高さよりも高く、撮像手段２の画角が少なくとも１株の植物体Ａの一部、好ましくは全体を撮像可能な高さであり、植物体Ａに加わる風圧が決定された風圧の上下限内となるように気流発生手段３が発する風量を調節可能な高さである必要がある。気流発生手段３が発する風量は、気流発生手段３が発する気流が垂直方向及び水平方向に及ぼす風圧の分布を調べておき、植物体Ａに達する時の風圧から逆算して計算することができる。又は、単純な構成の気流発生手段３であれば、気流発生源からの距離に応じて風圧が減衰することを示す一般的な関係式から逆算してもよい。
気流発生手段３と植物体Ａの間には、発する気流の障害となる物体が無いこと望ましい。これにより、植物体Ａに加わる風圧を均一にでき、気流発生手段３が発する気流の風量を計算によって求めることが容易となる。撮像手段２と植物体Ａの間には、植物体Ａ以外の物体が無いことが望ましく、これにより、生体情報や生育予測画像を広範囲かつ鮮明に取得できる。
気流発生手段３を移動の動力として用いる場合、気流が進行方向より後ろ側下方向に強く分布するため、撮像手段２は気流発生手段３の後ろ側に設置する構成が望ましい。例えば撮影する植物体Ａの直上でもよい。これにより、風圧によって露出される植物体Ａの死角部分を移動しながら長区間で撮像でき、生育予測画像を取得できる可能性が高まる。

制御手段１０は、気流発生手段３で発生させる風圧を決定する風圧決定手段１１、撮像手段２に撮影指示を行う撮影制御手段１２、気流発生手段３及び基台６に動作指示を行う気流制御手段１３、照明手段４に照明指示を行う照明制御手段１４、及び走行体７に移動指示を行う移動制御手段１５を有している。
風圧決定手段１１では、植物体Ａの生体情報を基に植物体Ａに当てる風圧を決定する。決定される風圧は、植物体Ａに当たる風圧であり、植物体Ａ直上における風圧である。
気流制御手段１３は、決定された風圧が植物体Ａに加わるように気流発生手段３の発する風量（プロペラ回転数）、あるいは、植物体Ａと気流発生手段３の距離（基台６の高さ）、あるいは、気流発生手段３の発する風量と気流発生手段３と植物体Ａの距離を複合的に制御する。植物体Ａの生体情報は、植物体Ａの草高、葉面積、葉柄径、葉柄長及び葉柄角度の少なくともいずれかを含むものである。このように、草高、葉面積、葉柄径、葉柄長及び葉柄角度の少なくともいずれかの生体情報と、気流発生手段３から撮像手段２で撮影する植物体Ａまでの距離情報とプロペラ回転数（風量）によって少なくとも植物体Ａが損傷してしまう風圧を決定（測定、算出）し、この風圧未満の風圧を決定することができ、決定された風圧を植物体Ａに加えることで、植物体Ａに損傷を与えることなく、新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、害虫、病徴及び花の少なくともいずれかの生育予測画像を得ることができる。気流発生手段３から撮像手段２で撮影する植物体Ａまでの距離情報は、本実施例では基台６の高さ情報を用いることができるが、撮像手段２としてＲＧＢ－Ｄｅｐｔｈカメラを用いる場合には、Ｄｅｐｔｈ画像により得られる距離情報を用いることができ、その他として、距離センサを用いることができる。また、気流を加えずに多点で撮影したＲＧＢ画像から距離情報を推定することができる。

草高、葉面積、葉柄径、葉柄長及び葉柄角度の少なくともいずれかの生体情報は、撮像手段２によって取得する。草高は、気流発生手段３による風圧を加えない状態で、複数位置から撮像手段２で撮影した画像から植物体Ａの３次元情報を計算するか、距離情報を取得可能なカメラ又はセンサを持つ撮像手段２によって植物体Ａまでの距離情報と培地の高さの差分等から計算する。例えば、草高は、上方からカメラを移動させながら撮影し、多点から撮影した画像から３次元的な高さを推定でき、又はカメラと距離センサ、又はカメラと距離カメラ（ＲＧＢ－Ｄｅｐｔｈカメラ）で撮影して推定できる。葉面積は、気流発生手段３によって風圧を加えない状態で、又は、損傷を与えない決定された風圧を加えた状態で、撮像手段２によって取得した画像内における葉の面積等によって計算する。例えば、葉面積は、上方からカメラで撮影して推定でき、カメラと距離センサで葉までの距離と画像中の葉の面積から推定でき、上方からカメラを移動させながら撮影し、多点から撮影した画像から３次元的な面積を推定でき、カメラと距離カメラ（ＲＧＢ－Ｄｅｐｔｈカメラ）で撮影して３次元的な面積を推定できる。葉柄長及び葉柄径は、植物体Ａの側面から植物体Ａを撮影した画像内に撮像した葉柄の投影長や投影径から、又は、気流発生手段３によって損傷を与えない風圧を加えた状態で露出した葉柄の投影長及び投影径等から計算する。例えば、葉柄長及び葉柄径は、植物体Ａを側方からカメラで撮影して推定でき、気流を加えて倒れた状態で画像に写った葉柄の投影径を計算でき、距離センサ、Ｄｅｐｔｈカメラ、カメラの多点画像から距離を推定することで更に精度を向上できる。葉柄角度は、植物体Ａの側面から植物体Ａを撮影した画像内に撮像した葉柄の培地面に対する角度から、または、別途推定した草高と葉柄長の関係から推定する等によって計算することができる。例えば、葉柄角度は、草高と葉柄長から推定できる。例えば、季節ごと、あるいは、作目ごとの生体情報の代表的な値を用いて風圧を決定することができる。

植物体Ａに風圧を加えながら風圧の加わっていない範囲の植物体Ａを撮影して生体情報を取得する場合は、少なくとも風圧が加わる範囲以外の範囲の植物体Ａを１株以上撮像可能な撮影範囲が必要である。風圧を加えずに生体情報のみを取得する場合は、対象とする植物体Ａの１株以上が画像内に収まる以上の面積が撮影できることが望ましい。そして、撮像手段２によって取得した植物体Ａの生体情報を用いて風圧を決定し、決定した風圧を植物体Ａに加えることで、撮像手段２によって生育予測画像を取得することができる。従って、植物体Ａに損傷を与えない風圧で、生育予測画像を取得することができる。生体情報は、人がカメラ、スキャナ、直尺、ノギス、メジャ、角度計などの計測器を用いて撮影対象の植物体Ａのサンプリング調査を行い、計測した値（数値）を風圧決定手段１１に入力することで上限を決定してもよい。

本実施例による作物モニタリング装置１は、風圧決定手段１１で決定された風圧を、気流発生手段３によって植物体Ａに上方から加えた状態で、風圧を加えている植物体Ａを撮像手段２によって上方から撮影することで生育予測画像を取得する。
このように、本実施例による作物モニタリング装置１によれば、植物体Ａの生体情報を基に決定した風圧を気流発生手段３によって植物体Ａに加えるため、植物体Ａに損傷を与えずに生育予測画像を取得することができる。

図２は本発明の他の実施例による作物モニタリング装置の概略構成図である。
なお、図１に示す実施例と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
図示のように、植物体Ａを撮影する撮像手段２と、植物体Ａに風圧を加える気流発生手段３と、撮像手段２及び気流発生手段３を移動させる走行体７と、撮像手段２、気流発生手段３、及び走行体７を制御する制御手段１０と、植物体Ａの列に沿って上部に設置されたガイド８とを有し、撮像手段２によって撮影された植物体Ａの生育予測画像を収集する。撮像手段２及び気流発生手段３は、植物体Ａの列に沿ってガイド８を移動可能な走行体７に支持されている。走行体７の動力源は気流発生手段３であり、気流発生手段３は植物体Ａに加える風圧源及び移動のための動力源を兼ねる。このため、本実施例では移動のために走行体７はモータ５ｃやバッテリー５ｄ等の動力源を要さず、装置を小型化することができる。また、走行体７を、固定されたガイド８に沿って移動するため、ドローンのような飛行体と比べて安定した撮影を行え、精度よく植物体Ａの直上でモニタリングすることができる。さらに、ガイド８に支持されることにより、ドローンのような飛行体に比べ重量の影響を考慮しなくてよいので精度の高い撮像手段２や計算能力の高い制御手段１０を積載することができる。なお、走行体７の動力源が気流発生手段３の場合、制御手段１０は複数のプロペラの回転数に差を設けた制御することで移動速度や移動方向を制御し、気流発生手段３の風量は、例えば、移動時及び停止時の気流発生手段３の下方に作用する風圧の垂直分布及び水平分布を調べておき、気流制御手段１３はその分布情報から決定された風圧が植物体Ａに加わるように基台６の高さを制御することで植物体Ａに加える風圧を調節することができる。
本実施例では、走行体７には、例えば滑車を用いることができ、ガイド８には、例えばワイヤを用いることができる。
収集された生育予測画像は、植物体Ａの生育予測を行うために用いられる。生育予測画像は、新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫、病徴の少なくともいずれかを含む画像である。ここで、新葉とは、最も新しい葉であり、次に発生する新葉が視認できるまでの期間の葉である。わき芽とは生産者が成長させずに摘除すると判断する葉である。ランナーとは収穫を伴う栽培期間中は摘除する部位である。害虫とは、アブラムシ、アザミウマ、ダニ類等である。病徴とは、病斑や萎凋等である。病徴や害虫は特に葉裏や葉の陰にあって植物体Ａを動かさないと見えない部分にある場合である。

なお、本実施例では、気流発生手段３が移動のための動力源を兼ねたものとして説明したが、気流発生手段３は植物体Ａに加える風圧源としてだけに用いることもできる。
すなわち、走行体７は、植物体Ａ上部に設置されたモータ等を動力源とする可動式の台車５がガイド８に沿って気流発生手段３と撮像手段２が保持された構成で、植物体Ａ列に沿って移動してもよい。このとき基台６は、ガイド８を保持する部分であって高さを調整できるものであってもよいし、走行体７（台車５）と気流発生手段３及び撮像手段２を接続する保持手段ａで高さが調整されてもよい。また、走行体７は、植物体Ａ上部に設置された固定式のガイド８に沿って移動可能なモータ等の動力源を有する気流発生手段３及び撮像手段２であり、植物体Ａ列に沿って移動するものであってもよい。このとき、基台６は、固定式のガイド８を保持するものであってもよい。
基台６で高さを調整する場合には、ガイド８が上下に移動し、保持手段ａで高さを調整する場合には、気流発生手段３及び撮像手段２が上下に移動する。
なお、ガイド８として、エンドレス状に回転する例えばコンベアを用いることで、走行体７（台車５）が駆動手段を持たなくても、気流発生手段３及び撮像手段２を移動させることができる。

図３は本発明の更に他の実施例による作物モニタリング装置の概略構成図である。
なお、図１及び図２に示す実施例と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
図示のように、植物体移動手段９は、植物体Ａを積載して移動させるコンベアであってもよく、複数の植物体Ａが列状に植わった栽培槽Ｂを列方向に、又は、単体の植物体Ａを植えたポットを植物体Ａよりも上部に固定された気流発生手段３及び撮像手段２の下方を通過させる構成であってもよい。このとき、植物体Ａと気流発生手段３及び撮像手段２の高さは、気流発生手段３及び撮像手段２を固定する基台６ａ、又は、植物体Ａを移動させるコンベアを支持する基台６ｂによって調整されてもよい。
図２及び図３を用いて説明した実施例においても図１に示す実施例と同様に照明手段４を備えていることが好ましい。

図４及び図５は植物体の状態を示す写真である。
図４（ａ）、（ｃ）は、気流発生手段３による風圧を加えない状態にある植物体Ａを示しており、この状態で、撮像手段２によって植物体Ａを撮影することで、草高、葉面積、葉柄径、葉柄長及び葉柄角度の少なくともいずれかの生体情報を得ることができる。
図４（ｂ）、（ｄ）は、気流発生手段３によって植物体Ａに上方から加えた状態を示しており、風圧を加えている植物体Ａでは、その中心部を露出させることにより新葉、花芽、わき芽、つぼみ、花、果実、病徴、害虫及びランナーを露出させることができており、この状態で、撮像手段２によって植物体Ａを撮影することで、新葉、花芽、わき芽、つぼみ、花、果実、病徴、害虫及びランナーの少なくともいずれかの生育予測画像を得ることができる。

図５は、植物体Ａの株元の断面写真であり、風圧によって損傷を受けやすく、特に裂けたり、ちぎれやすい葉柄の株元付け根部分、葉柄が折れやすい部分を白破線矢印で示している。
図５に示すように、新葉や花芽が発生する部分を植物体Ａの中心部としている。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図５は植物体Ａがイチゴであり、図４（ｃ）、及び図４（ｄ）は植物体Ａがコマツナである。
植物体Ａに損傷を与えない風圧とは、風圧除去後に葉柄が元の状態に戻ることができる風圧であり、葉柄が折れること、又は葉柄が着生する株元から剥離すること（裂けること）を損傷としている。
あらかじめ決定する風圧の上限は、風圧により植物体Ａの葉柄が損傷する風圧未満とし、植物体Ａにはこの上限未満の風圧を加える。
風圧の下限は、風圧により植物体Ａの葉が動き出す風圧とする。植物体Ａの葉が少しでも動くことで葉に隠れた新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫、病徴が見える可能性がある。
より好ましくは、風圧の下限は、風圧により植物体Ａの中心部が撮影できる風圧とする。図４（ｂ）、及び図４（ｄ）の点線枠で示す位置に、中心部が見えている。このように、植物体Ａの中心部が見える状態にすることで、イチゴの場合には、特に新葉、花芽、ランナーを撮影することができ、コマツナの場合には、特に新葉を撮影することができる。

図６は本実施例による作物モニタリング装置の動作を示すフローチャートであり、図６（ａ）は計測フロー、図６（ｂ）は撮像手段による風圧決定フロー、図６（ｃ）は撮像手段によらない風圧決定フローを示している。
図６（ａ）を用いて計測フローについて説明する。
本実施例による作物モニタリング装置１は、例えば１日１回、定刻に動作させる。
制御手段１０では、モニタリング開始時間になると（Ｓ１でＹｅｓ）、風圧を決定する（Ｓ２）。
Ｓ２において風圧が決定されると、気流制御手段１３は、気流発生手段３と植物体Ａの距離情報から、決定された風圧が植物体Ａに加わるように気流発生手段３の発する気流の風量を決定し、気流発生手段３は決定された風量の気流を発生させる（Ｓ３）。あるいは、気流制御手段１３は、決定された風圧と気流発生手段３が発する風量との関係から基台６の高さを決定し、基台６の高さを制御する。照明手段４で照明をＯＮとし（Ｓ４）、撮像手段２での撮影を開始する（Ｓ５）。なお、Ｓ３からＳ５は同時に開始してもよい。
気流発生手段３で気流を発生させた状態で、走行体７を生体情報を取得した植物体Ａに沿って移動し（Ｓ６）、撮像手段２での撮影を行い、列方向に配列されているすべての植物体Ａについての撮影が終了すると、走行体７を停止し（Ｓ７）、照明手段４、撮像手段２による撮影をＯＦＦし（Ｓ８、Ｓ９）、気流発生手段３での気流発生を停止する（Ｓ１０）。
撮影された生育予測画像は、以後の生育予測として使用されるデータとして記憶手段（図示せず）に記憶され（Ｓ１１）、待機状態となる。

Ｓ２における風圧決定は、図６（ｂ）又は図６（ｃ）に示すフローで行われる。
まず、図６（ｂ）を用いて撮像手段による風圧決定フローについて説明する。
撮像手段２による風圧決定フローでは、気流発生手段３は動作させていない。走行体７の動作を開始し（Ｓ２１）、照明手段４で照明をＯＮとし（Ｓ２２）、撮像手段２での撮影を開始する（Ｓ２３）。列方向に配列されているすべての植物体Ａについての撮影が終了すると走行体７を停止し（Ｓ２４）、撮像手段２での撮影をＯＦＦする（Ｓ２５）。撮影が終了すると照明手段４をＯＦＦする（Ｓ２６）。
撮影された生体画像は記憶手段に記憶される（Ｓ２７）。記憶された生体画像から、植物体Ａの草高、葉面積、葉柄長、葉柄径及び葉柄角度の少なくともいずれかの生体情報を画像処理等によって推定し（Ｓ２８）、推定した生体情報を風圧決定手段１１に入力し（Ｓ２９）、入力された生体情報から植物体Ａに加える風圧を決定する（Ｓ３０）。あらかじめ決定する風圧の上限は、風圧により植物体Ａの葉柄が損傷する風圧未満とし、植物体Ａにはこの上限未満の風圧を加える。風圧の下限は、風圧により植物体Ａの葉が動き出す風圧とする。
例えば、植物体Ａ列の側方を撮像できる位置に撮像手段２を設置して、側方から取得した画像から、植物体Ａの草高、葉面積、葉柄長、葉柄径及び葉柄角度の少なくともいずれかの生体情報に関する画像を取得することもできる。また、植物体Ａに加える風圧の上限が決定されている場合は、例えば、図６（a）のフローのように気流発生手段３を動作させて生育予測画像を撮像手段２によって取得しながら生体情報を含む画像を取得することができる。

次に、図６（ｃ）を用いて撮像手段によらない風圧決定フローについて説明する。
撮像手段２によらない風圧決定フローでは、モニタリングする範囲において、人がカメラ、スキャナ、直尺、メジャ、ノギス、角度計、等の各種計測機器を用いて、生体情報のサンプリング調査を行い（Ｓ３１）、風圧決定手段１１に生体情報を入力し（Ｓ３２）、気流発生手段３が植物体Ａに加える風圧範囲、特に上限が決定される（Ｓ３３）。風圧の下限は、風圧により植物体Ａの葉が動き出す風圧とする。
さらに、毎日あるいはそれに準じる高頻度なモニタリングをすることにより、生育予測画像を取得するときに、生体情報をあわせて取得することによって事前の生体情報収集を省略することができる。

風圧決定に利用される生体情報は、撮像手段２によって取得する場合には、モニタリング対象となる全ての植物体Ａの情報を用いることが望ましい。その際、風圧決定に利用される生体情報は植物体Ａの位置情報と組合わせて保存し、位置ごとに加える風圧を制御してもよいし、植物体Ａの生体情報を基に計算された最弱あるいは最弱の風圧を基準にした安全に近い風圧値を一定値として用いてもよい。
下方に植物体Ａが無い植物体Ａ列間を移動してモニタリング対象の植物体Ａ列を撮影することにより、あらかじめ生体情報を取得して植物体Ａに加える風圧の上限を決定することができる。

図７は風圧の上限を決定するための条件としての、葉に加えた時に損傷を生じ始める荷重Ｐl_damageを計算するための説明図である。
上方からの気流によって葉に加わった荷重Ｐは、葉柄角度θに応じて葉柄を圧縮する方向と葉柄を押し倒す方向に加わる。葉柄は圧縮に対しては座屈しさらには折れ、押し倒しに対しては株元のちぎれ・剥離、折れが生じる。圧縮及び押し倒しによって損傷する荷重Pb_damageと葉柄径Ｄの関係はあらかじめ調べておく必要があり、葉に加わった荷重Ｐが作用する部位である葉の付け根部位（図８の３１B）から、損傷部位である株元までの長さである葉柄長L、及び葉柄径Ｄによって、損傷部位にかかる荷重が損傷荷重Pb_damageとなるときの葉にかかる荷重Pl_ｄamageを計算し、座屈、折れ、株元のちぎれ・剥離を引き起こす各損傷荷重Pl_ｄamageのうち最も小さい荷重を、風圧の上限未満を決定する、葉に加えたときに損傷を生じはじめる荷重Ｐl_damageとすることができる。

図８は植物体に加わる風圧と葉が受ける荷重Ｐの関係の計測方法を示す概念図である。図８に示すように、風洞２１内に葉柄３１付きの葉３２を設置した。風洞２１の一方にはモータ２２及びファン２３を設置している。葉柄３１は固定し、葉柄３１の葉側端部３１Ｂにはワイヤ２４を取り付け、ワイヤ２４は滑車２５を経由してフォースゲージ２６に取り付けている。葉柄３１は、葉柄３１全体が固定されている。
そして、一定の風量を加えた時の荷重をフォースゲージ２６で測定した。風量を段階的に変更するとともに、葉面積の異なる葉３２を用いて計測する。風洞内の風量及び葉面積から葉に加わる風圧を計算し、計測された荷重Ｐとの関係から、植物体Ａに加わる風圧と植物体Ａの葉が受ける荷重Ｐの関係式を求めることができる。風圧決定手段１１は、あらかじめ求めた植物体Ａに加わる風圧と植物体Ａの葉が受ける荷重の関係式によって、植物体Ａの生体情報を基に植物体Ａに加える風圧を決定することができ、気流発生手段３は決定された風圧を植物体Ａに加えるため、植物体Ａを損傷させることなく生育予測画像を取得できる。

なお、他の実施例として、気流発生手段３と、気流発生手段３によって植物体Ａに加える風圧を決定する風圧決定手段１１と、気流発生手段３の発する風量、または、気流発生手段３と植物体Ａの距離を決定する気流制御手段１３とを有し、気流発生手段３で発生させる気流によって少なくとも気流発生手段３が移動可能であり、風圧決定手段１１では、植物体Ａの生体情報によって植物体Ａに加える風圧を決定し、気流制御手段１３では、気流発生手段３から植物体Ａまでの距離情報によって気流発生手段３が発する気流の風量を決定する、あるいは、気流発生手段３と植物体Ａの距離を決定する作物モニタリング装置１であってもよく、このような作物モニタリング装置１によれば気流発生手段３と植物体Ａの距離情報を考慮し、気流発生手段３が植物体Ａの生体情報を基に決定された上限未満の風圧を植物体Ａに加える風量を発するため、風圧によって植物体Ａに損傷を与えることがない。

本発明によれば、作物を損傷させることなく植物体Ａの死角画像（成葉（成熟した葉）等により隠れた画像）を取得できる。このため、例えば、植物体Ａの密生により死角が多い、株元から多数の葉柄３１が立葉状に生育する植物体Ａ、好ましくはイチゴ、ホウレンソウ、コマツナ等の葉菜類への利用に有効である。イチゴでは、成葉の下側の死角に休眠の状態評価と草勢予測に重要な新葉や収穫時期予測に重要な花芽が発生する。このため、イチゴの新葉や花芽のモニタリングに適している。また、初期に葉裏や株元に発生する病虫害・生理障害株の検出、株元やその周囲から発生するわき芽のモニタリングに適している。病虫害に対する環境制御や防除作業の判断、わき芽やランナーの摘除作業等の栽培管理実績評価への利用も可能である。葉菜類の中で、例えばホウレンソウやコマツナでは、イチゴと同様に成葉の下側（内側）の株元から新葉が発生し、葉そのものが収量となることから本発明の利用が可能である。また、近年では、露地栽培だけでなく、ハウス栽培の作物に対して、無人飛行体による作物の監視や観察が行われ始めているが、このような無人飛行体によるモニタリングでは、無人飛行体の飛行に用いるプロペラによる風圧の植物体Ａへの影響が懸念されるが、本発明のように、植物体Ａの生体情報を基に決定された風圧が植物体Ａに加わるように無人飛行体の植物体Ａに対する高度を制御することによって、植物体Ａに損傷を与えることなく作物をモニタリングすることが可能となる。

本発明による作物モニタリング装置によれば、例えば、新葉及び発生直後等で植物体の外観の撮影では取得できないランナーの情報を取得することによって休眠や草勢の変化を早期に予測でき、予測した休眠や草勢の情報は、生産者が希望する草勢に調節するための環境制御や栽培管理作業の判断根拠として利用できる。また、草勢を予測することによって早期の収穫時期や収量を予測することができる。特に葉の発生枚数と花芽の発生時期は関連性が強いため、新葉が発生する時期（頻度）の情報は花芽の発生時期の予測情報として利用でき、結果として収穫時期の早期予測に利用可能である。植物体の外観の撮影では検出ができない発生直後の花芽の検出によって、早期の収穫時期の予測に利用することができる。植物体の外観の撮影では情報が取得できない場所にあるつぼみ・着花・着果の計測によって、より正確な収量と収穫時期を予測することに利用できる。わき芽及びランナーを検出することによって、摘除作業の作業計画や作業者による摘除作業の実績評価に利用することができる。植物体の外観の撮影では情報が取得できない場所にある病虫害の情報を取得することは、早期の、あるいは、より正確な病虫害の発見につながり、早期の防除作業や環境制御等の病虫害対策によって効果的な病虫害対策を可能とし、結果として使用農薬量を減らし、収量減を防ぐことができる。移動計測によって省力的に生育予測画像を取得できるため、ほ場内を位置的、経時的高頻度にモニタリングすることができ、休眠、草勢、収穫時期、収量、作業計画、出荷計画等を人手でのサンプリング調査や定点に設置したモニタリング装置による情報収集手段と比べて正確に予測することができる。

１ 作物モニタリング装置
２ 撮像手段
３ 気流発生手段
４ 照明手段
５ 台車
５ｂ 車輪
５ｃ モータ
５ｄ バッテリー
６、６ａ、６ｂ 基台
７ 走行体
８ ガイド（レール）
９ 植物体移動手段
１０ 制御手段
１１ 風圧決定手段
１２ 撮影制御手段
１３ 気流制御手段
１４ 照明制御手段
１５ 移動制御手段
２１ 風洞
２２ モータ
２３ ファン
２４ ワイヤ
２５ 滑車
２６ フォースゲージ
３１ 葉柄
３１Ｂ 葉側端部
３２ 葉
ａ 保持手段
Ａ 植物体
Ｂ 栽培槽

Claims (11)

1. 植物体を撮影する撮像手段と、
   前記植物体に風圧を加える気流発生手段と、
   前記植物体に当てる前記風圧を決定する風圧決定手段とを有し、
   前記撮像手段によって撮影された前記植物体の生育予測画像を収集する作物モニタリング装置であって、
   前記風圧決定手段では、前記植物体の生体情報を基に前記植物体に当てる前記風圧を決定し、
   前記風圧決定手段で決定された前記風圧を、前記気流発生手段によって前記植物体に上方から加えた状態で、前記風圧を加えている前記植物体を前記撮像手段によって上方から撮影し、
   前記気流発生手段と前記撮像手段とが、前記植物体の列に沿って移動可能な走行体に支持されている
   ことを特徴とする作物モニタリング装置。
2. 植物体を撮影する撮像手段と、
   前記植物体に風圧を加える気流発生手段と、
   前記植物体に当てる前記風圧を決定する風圧決定手段とを有し、
   前記撮像手段によって撮影された前記植物体の生育予測画像を収集する作物モニタリング装置であって、
   前記風圧決定手段では、前記植物体の生体情報を基に前記植物体に当てる前記風圧を決定し、
   前記風圧決定手段で決定された前記風圧を、前記気流発生手段によって前記植物体に上方から加えた状態で、前記風圧を加えている前記植物体を前記撮像手段によって上方から撮影し、
   前記気流発生手段と前記撮像手段との下方で、前記植物体が移動可能な植物体移動手段に支持されている
   ことを特徴とする作物モニタリング装置。
3. 前記風圧の上限を、前記風圧により前記植物体の葉柄が損傷する風圧未満とした
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の作物モニタリング装置。
4. 前記風圧の下限を、前記風圧により前記植物体の葉が動き出す風圧とした
   ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の作物モニタリング装置。
5. 前記風圧の下限を、前記風圧により前記植物体の中心部が撮影できる風圧とした
   ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の作物モニタリング装置。
6. 前記撮像手段及び前記気流発生手段と、前記植物体とが相対的に移動することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の作物モニタリング装置。
7. 前記撮像手段と前記気流発生手段とを、前記気流発生手段が生じさせる気流によって前記植物体の上方で停止又は移動可能としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の作物モニタリング装置。
8. 前記植物体は株元から多数の葉柄が立葉状に生育する植物体であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の作物モニタリング装置。
9. 植物体の生体情報を基に前記植物体が損傷しないように当てる風圧を決定する工程と、
   決定された前記風圧を前記植物体に上方から加えた状態で、前記風圧を加えている前記植物体を上方から撮影する工程と、
   前記工程により撮影して得られた前記植物体の生育予測画像を収集する工程と
   を有し、
   前記風圧を前記植物体に加える気流発生手段と、前記植物体を上方から撮影する撮像手段とを、走行体に支持された状態で前記植物体の列に沿って移動させる
   ことを特徴とする作物モニタリング方法。
10. 前記生体情報として、草高、葉面積、葉柄長、葉柄径及び葉柄角度の少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項９に記載の作物モニタリング方法。
11. 前記植物体の前記生育予測画像が、新葉、花芽、わき芽、ランナー、果実、つぼみ、花、害虫及び病徴の少なくとも１つを撮影したものである
    ことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の作物モニタリング方法。