水稲生育診断のための簡易な近赤外デジタルカメラ撮影

水稲生育診断のための簡易な近赤外デジタルカメラ撮影手法
ビジョンテック ○岡田周平
茨城県農業総合センター農業研究所
１．はじめに
２−２
水稲の生育状況を定量的に評価する測器として，
池羽正晴
使用した測器
2007 年 6 月∼9 月の 11 日間，SPAD-502 による計測
接触型の葉緑素計（SPAD−502，コニカミノルタ社製）
とADC3 による撮影を同日に行った。加えて，観測時
が普及している。しかし，水田に入っての計測は，
の日射環境を把握するため，圃場に隣接して観測さ
重労働で時間がかかる。一方で，地域全体のコメの
れている 10 分毎の日射量のデータ（kW/m2）を用い
品質を向上させてブランド化を図るなどの目的のた
た。表 1 に研究に使用したSPAD-502 とADC3 の特徴を
め，短時間で多地点の生育状況を定量的に観測でき
示す。また，図 2 にADC3 で撮影した画像サンプルを
る測器や測定法が求められている。
示す。
表 1．使用したセンサ
そこで，正規化植生指数（NDVI）を取得できる市
販の近赤外デジタルカメラ（ADC3，米国 TETRACAM 社
葉緑素計
近赤外デジタルカメラ
製）を SPAD-502 の代替として用いる観測法について
SPAD-502
ADC3
検討した。
機種
観測の省力化のためには，畦畔からの観測が望ま
しい。しかし，畦畔付近の水稲は，圃場の内と比較
して日射等の生育環境が異なり，観測結果は，圃場
代表性に乏しいと考えられる。そこで，畦畔から 1.5m
特徴
・接触型
・非接触型
・SPAD 値
・可視緑，可視赤，近赤
程度内側を観測するため，畦畔から斜め下向きに撮
外のデジタル画像
影した場合の精度に着目して研究を行った。
２．研究方法
２−１
観測対象地
観測は，茨城県農業総合センター農業研究所の水
田圃場で行った。図 1 に観測を行った圃場の配置と
施肥窒素量を示す。
追肥0.6a 区 追肥0.2b 区
基肥0.6kg/a 基肥0.6kg/a
追肥0.6kg/a 追肥0.2kg/a
図2
追肥0.4a 区 追肥0b 区
ADC3 で撮影した画像サンプル
（R：近赤外，G：可視赤，B：可視緑，
基肥0.6kg/a 基肥0.6kg/a
追肥0.4kg/a 追肥0kg/a
2007 年 9 月 18 日）
追肥0.2a 区 追肥0.6b 区
基肥0.6kg/a 基肥0.6kg/a
追肥0.2kg/a 追肥0.6kg/a
追肥0a 区 追肥0.4b 区
基肥0.6kg/a 基肥0.6kg/a
追肥0kg/a 追肥0.4kg/a
２−３
計測方法
(1)SPAD-502
SPAD-502 による計測は，圃場の平均的な生育状況
にある株のなかから 1 圃場あたり 20 株を対象とし，
1 株ごとに最上位展開葉を挟んで計測した。
図１．観測圃場の配置と施肥窒素量
(2)ADC3
の影響を評価した。
ADC3 による撮影は，撮影高度や角度を固定するこ
とが望ましい。しかし，三脚を用いようとすると，
70°
60°
50°
40°
0°
30°
畦畔の幅が狭い，凹凸があるなどの問題があり，持
ち運びや水平の確認などの作業が発生し，撮影作業
が煩雑になる。そこで ADC3 を手にもって撮影するこ
とにし，真下方向の場合は肩の高さから，斜め下方
向の場合は頭上から撮影を行った。
はじめに，晴天，曇天など日射環境の変化にとも
なう各波長帯の入射光量の変化を補正するため，硫
酸バリウムの塗料を塗布した簡易白色版（山下ら，
図 4 撮影角度の NDVI への影響評価のための
2001）を真上から撮影し，続いて圃場を真下向き，
撮影概略図
または，斜め下向きに撮影した。
ADC3 の撮影画像は，付属のソフトウェアで画像処
２−５
解析方法
理し，NDVI 画像を作成して画像全体の平均 NDVI を求
各圃場で計測した SPAD-502 の 20 回の平均値を用
めた。図 3 に ADC3 の画像から NDVI を求める処理フ
いて，ADC3 の画像から求めた NDVI との統計解析を行
ローを示す。
った。
USB接続して
画像をPCに取り込む
３．結果および考察
３−１．ADC3 による撮影角度の NDVI への影響
簡易白色板の画像を
可視緑，可視赤，近赤外
に分離
図 5 に，同一地点を斜めから撮影したときの角度
と求めた NDVI の関係を示す。
簡易白色板の画像の
可視赤，近赤外の
デジタル値を使用して
補正係数を求める
1.00
0.95
1回目
2回目
0.90
0.85
0.80
NDVI
水稲の画像を可視緑，
可視赤，近赤外に分離
0.75
0.70
補正係数を使用した
NDVIを求める
0.65
0.60
0.55
図 3．ADC3 の画像から NDVI を求める処理フロー
0.50
0
２−４ ADC3 による撮影角度の NDVI への影響
ADC3 を手持ちで撮影する場合，撮影時の角度に若
10
20
30
40
観測角 （deg.）
50
60
70
図 5．ADC3 撮影角度の NDVI への影響
（2007 年 8 月 1 日）
干の差異が生じる。そこで，図 4 に示したように，
水田内にポールとビニール紐で草丈とほぼ同じ高さ
30°，40°，50°斜め下向きで撮影したときの NDVI
（70cm）に 83cm（縦）×87cm（横）の撮影ターゲッ
は，1 回目が 0.73∼0.76，2 回目が 0.74∼0.75 とほ
トを設定し，ADC3 を三脚に設置し（約 155cm）， 0°
ぼ同じ値を示した。したがって，手持ちで撮影する
（真下），30°，40°，50°，60°，70°斜めから，
ことによる多少の角度の差異は，NDVI に大きく影響
ターゲットが中心に映るように連続して 2 回撮影し
しないと考える。
た。その画像から NDVI を求め，撮影角度の NDVI へ
３−２
真下向き撮影と斜め下向き撮影の比較
撮影者の影響を含まない 4 圃場でみると，真下向
7 月 24 日快晴日に 12 時から 16 時まで，毎正時か
きの撮影で得た NDVI は，太陽高度が高いほど NDVI
ら，真下向きと斜め下向きで対象圃場の撮影を行っ
が低くなる傾向が見られる。一方，斜め下向きの撮
た。図 6 に 7 月 24 日の日射量の推移を示す。
影で得た NDVI は，真下向きと比べて NDVI の変化が
1.0
小さく，特に，撮影者の影の影響を含まない 4 圃場
0.9
では時刻に関係なくほぼ同じ値をとっている。
2
日射量 （ｋW/m ）
0.8
なお，試験圃場は一般の圃場に比べて小さいため，
0.7
試験区外が映りこまないよう，約 30°斜め下向きで
0.6
0.5
0.4
撮影した。一般水田では，観測角度を 45°程度にす
0.3
ることで撮影者の影が映りこんでも影になるピクセ
0.2
ルの割合は少なくなるので，撮影者の影響は小さく
0.1
なり，露出時間の問題は回避できる。
0.0
0:00
4:00
8:00
12:00
16:00
20:00
0:00
時刻
図 6．対象圃場周辺の日射量（2007 年 7 月 24 日）
1.0
表 2 に 7 月 24 日の NDVI と SPAD 値の相関係数を示
0.8
す。相関係数は，いずれの時刻も真下向きの方が高
0.6
みられる。
50
40
0.5
30
0.4
0.3
真下12時
真下13時
0.2
真下14時
真下15時
0.1
真下16時
SPAD
0.0
表 2．真下向きおよび斜め下向き撮影時の NDVI と
観測圃場
共分散
データ数
図 7．真下向き撮影 NDVI の経時変化
12 時
0.86
0.17
8
（2007 年 7 月 24 日）
13 時
0.82
0.14
8
14 時
0.79
0.11
8
15 時
0.78
0.13
8
16 時
0.85
0.12
8
12 時
0.61
0.15
8
13 時
0.74
0.15
8
14 時
0.61
0.11
8
15 時
0.70
0.08
8
16 時
0.83
0.09
8
60
1.0
斜め下
影を含まない
影を含む
50
0.8
0.7
40
NDVI
0.6
30
0.5
0.4
0.3
斜め12時
斜め13時
0.2
斜め14時
斜め15時
0.1
斜め16時
SPAD
0.0
の経時変化を示す。図 7 および図 8 の右側 4 つの区
で値がばらついているのは，太陽を背にして撮影し
て画像の約 1/3 に撮影者の影が含まれたことにより，
ADC3 の露出時間の自動設定が適正に行われなかった
ことが原因である。
20
10
0
追肥0_a 追肥0.2_a 追肥0.4_a 追肥0.6a 追肥0.2_b 追肥0_b 追肥0.6b 追肥0.4_b
図 8．斜め下向き撮影 NDVI の経時変化
（2007 年 7 月 24 日）
SPAD値
0.9
観測圃場
図 7 に真下向き，図 8 に斜め下向きで求めた NDVI
10
0
相関係数
撮影時刻と方向
20
追肥0_a 追肥0.2_a 追肥0.4_a 追肥0.6a 追肥0.2_b 追肥0_b 追肥0.6b 追肥0.4_b
SPAD 値の相関関係（2007 年 7 月 24 日）
真下
影を含む
0.7
NDVI
い。一方，共分散は斜め下向きの方が小さい傾向が
60
影を含まない
SPAD値
0.9
図 9 に真下向きに撮影した ADC3 の NDVI 画像，図
SPAD 値は，食味の指標となる玄米タンパク含量と高
10 に斜め下向きに撮影した ADC3 の NDVI 画像の例を
い相関があることが知られている（たとえば岩手県
示す。
農業研究センター,2007）。
7 月 24 日の段階では，植被率が約 85％で，画像平
SPAD-502 は，1 圃場あたり 20 株計測するのに 10
均の NDVI には，水面や土壌面からの情報が多く含ま
分程度かかる。一方，ADC3 の場合，1 圃場を簡易白
れる。一方，斜め下向き撮影した画像は，見かけの
色版の撮影を含めて 1 分程度と効率的に測定できる
植被率が高くなるため（約 95％）NDVI が安定したも
ため，観測数を大幅に増やすことが可能である。
のと考える。
したがって，植被率の高い生育後期に食味推定な
どの目的で同時期多地点のデータを必要とする場合，
ADC3 による斜め下向き撮影は，SPAD-502 の代替とし
て有用である。
40
y = 74.661x - 21.629
r = 0.91
SPAD値
35
30
25
図 9．真下向きの NDVI 画像（2007 年 7 月 24 日）
20
0.60
0.65
0.70
NDVI
0.75
0.80
図 11．出穂期以降 5 日分の 13 時斜め観測 NDVI と
SPAD 値の相関関係（2007 年 8 月 8 日∼9 月 4 日）
４．おわりに
今後は，玄米タンパク含量の分析結果との相関関
係を評価するとともに，データの処理を簡便化し，
図 10．斜め下向きの NDVI 画像（2007 年 7 月 24 日）
近赤外デジタルカメラによる簡易な撮影法による玄
米タンパク含量推定の実用化に向けて研究を進める。
３−３ 出穂期以降の SPAD 値と NDVI
図 11 に，全ての圃場で出穂し，植被率が 100％近
い 8 月 8 日∼9 月 4 日の 5 日間に計測した SPAD 値と
また，植被率が低い出穂以前の栽培管理に役立て
るための観測方法，およびデータの利用方法につい
ても検討する予定である。
13 時に斜め下向き撮影した NDVI の関係を示す。なお，
使用したデータは，影の写り込みを避けるため，各
参考文献
圃場の東側から撮影している。
1)山下
恵，吉村充則，土田
聡，本多嘉明，梶原
8 月 21 日と 9 月 4 日の撮影は晴天であったが，8
康司，2001．簡易白色板作成法の検討およびその
月 8 日，8 月 14 日，8 月 29 日は晴れと曇りが交互に
性能評価・校正，写真測量とリモートセンシング，
おとずれる，一般に悪条件とされる日射環境下での
40(2)，pp.26-32．
観測であった。しかしながら，SPAD 値と斜め撮影し
た NDVI の間には高い相関がみられる（r＝0.91）。
出穂後 10 日前後から刈り取りまでの 40 日間の
2)岩手県農業研究センター，2007．ひとめぼれの玄
米タンパク質含有率を葉色から推定，研究レポー
ト，375．