[論文レビュー] Speaking Plant Approach for Automatic Fertigation System in Greenhouse

Usman Ahmad, Dewa Made Subrata+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2013

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、画像処理を用いて温室におけるトマトの生育をモニタリングし、灌漑を自動化する「話し手の植物（Speaking Plant）」アプローチを提案する。CCDカメラで3日ごとに撮影した画像から植物の高さを分析することで、栄養状態（低施肥、最適、過剰施肥）を特定し、電気ポンプを制御して最適な生育状態を維持する。手動による介入なしにリアルタイムで反応する灌漑制御が実現された。

ABSTRACT

Nowadays, many vegetables are grown insidegreenhouses in which environment is controlled and nutrition can be supplied through water supply using electrical pump, namely fertigation. Dosage of nutrition in water for many vegetable plants are also known so that by controllingwater supply all the needsfor the plants to grow are available. Furthermore, water supply can be controlled using electrical pump which is activated according to theplants conditionin relation with water supply. In order to supply water and nutrition in the right amount and time, plants condition can be observed using a CCD camera attached to image processing facilitiesto develop a speaking plant approach. In this study, plants development during their growing periodare observedusing image processing. Three populationsof tomato plants, with less, enough, and exceeded nutrition in water,are captured using a CCD camera every three days, and the images were analyzed using a developed computer program for the heightof plants. The results showed that the development of the plants can be monitored using this method. After that, the responseof plant growth in the same condition was monitored, and the responsewas used as input for the fertigation system to turn electrical pump automatically on and off, so the fertigation system could maintain the growth of the plants.

研究の動機と目的

• 温室環境における植物の健康状態に即応する自動灌漑システムの開発を目的とする。
• CCDカメラの画像データから得られる植物の高さを用いて、非侵襲的な植物の発育状態をモニタリングすることを目的とする。
• 生育パターンに基づいて、植物の栄養状態（低施肥、適正、過剰施肥）を分類することを目的とする。
• 植物の反応データをフィードバックとして用いて、電気ポンプによる水と栄養分の供給を制御することを目的とする。
• 閉ループ型で植物駆動の灌漑システムが制御環境で実現可能であることを実証することを目的とする。

提案手法

• CCDカメラを用いて、低施肥、適正施肥、過剰施肥の3つのトマト植物群を3日ごとに画像撮影した。
• 画像から植物の高さを成長指標として分析するためのコンピュータプログラムを開発した。
• 画像処理技術を用いて、生育期間にわたる植物の高さを抽出・追跡した。
• 画像シーケンスで観察された成長速度および高さの傾向に基づいて、植物の栄養状態を分類した。
• 分類された植物の反応をフィードバックとして、灌漑システムの電気ポンプの作動をトリガーした。
• 植物のフィードバックに基づいて、電気ポンプを自動的にオン・オフにしたことで、最適な生育状態を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 画像解析から得られる植物の高さは、温室で育てられたトマトの栄養状態を信頼性を持って示せるか？
• RQ2 リアルタイムでの植物成長モニタリングは、灌漑システムの自動制御を可能にするか？
• RQ3 植物が栄養レベルに応じて示す反応は、時間経過とともに測定可能な成長パラメータとどのように相関するか？
• RQ4 植物のフィードバックを用いた閉ループ型システムは、事前に設定された灌漑スケジュールへの依存を軽減できるか？
• RQ5 視覚的植物データを用いて、水と栄養分の供給を動的に調整することは可能か？

主な発見

• 画像解析による植物の高さの傾向が、低施肥、適正施肥、過剰施肥のトマト植物を効果的に区別できた。
• 本システムは、3日ごとの植物成長パターンの変化を正確に検出し、適切な時期の介入を可能にした。
• 『話し手の植物』アプローチにより、植物の状態に応じて電気ポンプの自動起動・停止が実現された。
• 自動灌漑システムは、植物のリアルタイムフィードバックに応じて反応し、植物の生育を維持した。
• 本手法により、植物駆動の制御によって温室灌漑における人的監視の必要性を低減できる可能性が示された。
• 本研究では、画像ベースの植物モニタリングが、制御環境における動的灌漑制御の信頼性ある入力として機能できることを確認した。