(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、
前記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と、
前記ケーシング体と接続され、該ケーシング体の幅よりも狭い幅でもって土壌を切り開き、かつ後方へ僅かに傾斜して立設されたシャンクと、
先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなる土壌掘削部であって、正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
測定対象となる前記土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と、
前記土壌の光反射スペクトルを測定する光反射スペクトル測定手段であり、前記位置データと対にして土壌の光反射スペクトルを得る光反射スペクトル測定手段とで構成されたことを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記測定対象となる土壌の深度データを検出する深度データ検出手段を有し、位置データおよび深度データと対にして土壌の光反射スペクトルを得ることを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記土壌を撮像する撮像手段を有し、位置データと対にして土壌の光反射スペクトルおよび撮像データを得ることを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記測定対象となる土壌の深度データを検出する深度データ検出手段と、
前記土壌を撮像する撮像手段を有し、位置データと対にして土壌の光反射スペクトルおよび撮像データを得ることを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項５】
請求項１記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記測定対象となる土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と、
前記土壌のセンシングを行なうセンシング手段と、
前記センシング手段でセンシングされたセンシングデータの分光を行う分光手段と、
前記分光手段で分光された分光データに基づいて土壌の光学特性を測定する光学特性測定手段と、
を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の土壌の光学特性測定装置であって、センシング手段は、
可視光および近赤外光領域の波長を有する光を投射する光投射手段と、
前記光投射手段で投射された光の可視光領域の波長を有する光を受光する第一の可視光受光手段と、
前記光投射手段で投射された光の近赤外光領域の波長を有する光を受光する第二の近赤外光受光手段と、
前記土壌を撮像する撮像手段と、
を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項７】
請求項６記載の土壌の光学特性測定装置であって、前記分光手段は、
前記可視光受光手段で受光された可視光領域の波長を有する光を分光する第一の可視光分光手段と、
前記近赤外光受光手段で受光された近赤外光領域の波長を有する光を分光する第二の近赤外光分光手段と、
を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項８】
請求項６記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記土壌の温度を検出する温度検出手段を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項９】
任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、
前記任意深さの土中にあって、地表面と平行な方向に土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記観測空間の少なくとも上面を覆い、前記土壌掘削部の後ろに接続されたケーシング体と、
前記土壌のセンシングを行なうセンシング手段と、
前記ケーシング体と接続され、該ケーシング体の幅よりも狭い幅でもって土壌を切り開き、かつ後方へ僅かに傾斜して立設されたシャンクと、
前記シャンクによって切り開かれることにより地表に盛り上がった土壌を、シャンクによって切り開かれて形成された溝方向に誘導する一対の誘導板と、
を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項１０】
請求項９記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記土壌掘削部の先端部にあって、断面が略円筒形の穴をあける土中貫入部と、
前記センシング部の前面側に取り付けられて前記土中貫入部によってあけられた穴の底部に、平滑な土壌測定面を形成する均平板と、
を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項１１】
請求項９記載の土壌の光学特性測定装置であって、さらに、
前記センシング部の後部には開口が設けられ、センシング部内部に侵入した土壌を後方に逃がすことを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項１２】
請求項９記載の土壌の光学特性測定装置であって、前記シャンクは、前記土壌掘削部の上部に装置の進行方向とは反対側にわずかに傾斜して地上面側に突出するよう取り付けられ、土中を掘削する先端部は鋭角に構成されていることを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【請求項１３】
土壌中をほぼ水平に移動しつつ土壌を観測する精密農業用の土壌観測装置であって、
土壌観測用のセンサと、
前記センサが土壌を観測するための空間である土壌観測空間の少なくとも上側と両側部を覆ってなるセンサ用ケーシング体と、
前記センサ用ケーシング体の前部分に配置されて、土壌観測装置の土壌中の移動に伴って土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記センサ用ケーシング体の上部に接続されて前記センサ用ケーシング体を保持すると共に後方へ僅かに傾斜して立設され、かつほぼ水平に移側する際に土壌を切り開くためのＶ型の楔状部分を土壌との接触面の少なくとも一部に有するシャンクとを備え、前記シャンクの幅が前記センサ用ケーシング体の幅よりも狭いことを特徴とする土壌観測装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の土壌観測装置であって、
前記センサは前記センサ用ケーシング体内で下方に検出方向を向けて保持されていると共に、
センサ用ケーシング体の後側とセンサの下側には連結して開放された部分があり、
前記ケーシング体の後側の開放部分は、前記土壌掘削部によって切り開かれた土壌が詰まることなく侵入するのに十分な大きさを有し、
前記センサによる観測範囲に前記後側の開放部分から侵入する土壌が入ることのない程度に十分に前記後側の開放部分から遠い位置に前記センサが保持されていることを特徴とする土壌観測装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の土壌観測装置であって、さらに、
前記下側の開放部分のセンサによる観測範囲よりも前方には、前記センサ用ケーシング体の前部で切り開かれた土壌表面を平坦化するための均平板が、下方に土壌との接触面を向けてセンサー用ケーシング体に保持されていることを特徴とする土壌観測装置。
【請求項１６】
請求項１４記載の土壌観測装置であって、
前記土壌掘削部は、ほぼ円形の断面を有していて、土壌中にほぼ円形の貫通穴を開けると共に、前記均平板は貫通穴の壁面の一部を崩して、貫通穴の底面をほぼ平坦に埋めるものであることを特徴とする土壌観測装置。
【請求項１７】
土壌中をほぼ水平に移動しつつ土壌を観測する精密農業用の土壌観測装置であって、
土壌観測用の照明装置と、
前記照明装置による照明光を用いて土壌を観測するための２次元撮像装置と、
前記２次元撮像装置の撮像対象領域となっている土壌部分を観測して、観測した土壌の成分に応じた信号を出力する土壌観測用のセンサと、
前記２次元撮像装置によって撮像された土壌表面の画像を処理して土壌表面の凹凸状態を表す特徴量を生成する特徴量生成手段と、
前記特徴量生成手段によって生成された特徴量に基づいて、前記センサが出力する信号の信頼度を算出して出力する信頼度算出手段と、
前記センサと前記２次元撮像装置とが土壌を観測するための空間である土壌観測空間の少なくとも上側と両側部を覆ってなるセンサ用ケーシング体と、
前記センサ用ケーシング体の前部分に配置されて、土壌観測装置の土壌中の移動に伴って土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記センサ用ケーシング体の上部に接続されてセンサ用ケーシング体を保持すると共に後方へ僅かに傾斜して立設され、かつほぼ水平に移動する際に土壌を切り開くための楔状部分を土壌接触面の少なくともー部に有するシャンクと、
前記シャンクによって切り開かれることにより地表に盛り上がった土壌を、シャンクによって切り開かれて形成された溝方向に誘導する一対の誘導板と、
を備えたことを特徴とする土壌観測装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の土壌観測装置であって、
前記信頼度を算出する信頼度算出手段は、土壌表面へ、スリット照明することを特徴とする土壌観測装置。
【請求項１９】
土壌中をほぼ水平に移動しつつ土壌を観測する精密農業用の土壌観測装置であって、
土壌観測用の照明装置と、
前記照明装置による照明光を用いて土壌を観測するための２次元撮像装置と、
前記２次元撮像装置の撮像対象領域となっている土壌部分を観測して、観測した土壌の成分に応じた信号を出力する土壌観測用のセンサと、
前記２次元撮像装置によって撮像された土壌表面の画像を処理して土壌表面の凹凸状態を表す特徴量を生成する特徴量生成手段と、
前記センサと前記２次元撮像装置とが土壌を観測するための空間である土壌観測空間の少なくとも上側と両側部を覆ってなるセンサ用ケーシング体と、
前記センサ用ケーシング体の前部分に配置されて、土壌観測装置の土壌中の移動に伴って土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記センサ用ケーシング体の上部に接続されてセンサ用ケーシング体を保持すると共に後方へ僅かに傾斜して立設され、かつほぼ水平に移動する際に土壌を切り開くための楔状部分を土壌接触面の少なくともー部に有するシャンクと、
前記シャンクによって切り開かれることにより地表に盛り上がった土壌を、シャンクによって切り開かれて形成された溝方向に誘導する一対の誘導板と、
を備えたことを特徴とする土壌観測装置。
【請求項２０】
土壌を観測する精密農業用の土壌観測システムであり、該システムは、土壌中をほぼ水平に移動しつつ土壌を観測する精密農業用の土壌観測装置を有し、この土壌観測装置が、
土壌観測用のセンサと、
前記センサが土壌を観測するための空間である土壌観測空間の少なくとも上側と両側部を覆ってなるセンサ用ケーシング体と、
前記センサ用ケーシング体の前部分に配置されて、土壌観測装置の土壌中の移動に伴って土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記センサ用ケーシング体の上部に接続されて前記センサ用ケーシング体を保持すると共に後方へ僅かに傾斜して立設され、かつほぼ水平に移側する際に土壌を切り開くためのＶ型の楔状部分を土壌との接触面の少なくとも一部に有するシャンクであり、前記シャンクの幅が前記センサ用ケーシング体の幅よりも狭いシャンク、とを有する土壌観測装置であり、さらに前記土壌観測システムは、
現在位置の情報を取得する現在位置情報取得装置と、
前記土壌観測装置の出力する情報と前記現在位置情報取得装置の出力する情報を対応づけて記録する記録手段と、
を備えることを特徴とする土壌観測システム。
【請求項２１】
請求項２０記載の土壌観測システムにおいて、さらに前記記録手段からのデータを送信する送信手段を備えることを特徴とする土壌観測システム。
【請求項２２】
土壌観測システムを搭載して地表を移動可能な移動型土壌観測車両であって、該システムは、土壌中をほぼ水平に移動しつつ土壌を観測する精密農業用の土壌観測装置を有し、この土壌観測装置が、
土壌観測用のセンサと、
前記センサが土壌を観測するための空間である土壌観測空間の少なくとも上側と両側部を覆ってなるセンサ用ケーシング体と、
前記センサ用ケーシング体の前部分に配置されて、土壌観測装置の土壌中の移動に伴って土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記センサ用ケーシング体の上部に接続されて前記センサ用ケーシング体を保持すると共に後方へ僅かに傾斜して立設され、かつほぼ水平に移側する際に土壌を切り開くためのＶ型の楔状部分を土壌との接触面の少なくとも一部に有するシャンクであり、前記シャンクの幅が前記センサ用ケーシング体の幅よりも狭いシャンク、とを有する土壌観測装置であり、さらに前記土壌観測システムは、
現在位置の情報を取得する現在位置情報取得装置と、
前記土壌観測装置の出力する情報と前記現在位置情報取得装置の出力する情報を対応づけて記録する記録手段とを有したシステムを備えていることを特徴とする移動型土壌観測車両。
【請求項２３】
精密農業用の地表を移動可能な移動型土壌観測車両であって、該移動型土壌観測車両は、土壌中をほぼ水平に移動しつつ土壌を観測する精密農業用の土壌観測するために用いられる土壌観測装置で構成され、該土壌観測装置が、
土壌観測用のセンサと、
前記センサが土壌を観測するための空間である土壌観測空間の少なくとも上側と両側部を覆ってなるセンサ用ケーシング体と、
前記センサ用ケーシング体の前部分に配置されて、土壌観測装置の土壌中の移動に伴って土壌を掘削する土壌掘削部であって、先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなり、該土壌掘削部は正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
前記センサ用ケーシング体の上部に接続されて前記センサ用ケーシング体を保持すると共に後方へ僅かに傾斜して立設され、かつほぼ水平に移側する際に土壌を切り開くためのＶ型の楔状部分を土壌との接触面の少なくとも一部に有するシャンクであり、前記シャンクの幅が前記センサ用ケーシング体の幅よりも狭いシャンク、とを有する土壌観測装置であり、さらに前記土壌観測車両は、
現在位置の情報を取得する現在位置情報取得装置と、
測定対象となる土壌の深度データを検出する深度データ検出手段と、
前記土壌観測装置の出力する情報と前記現在位置情報取得装置の出力する情報を対応づけて記録する記録手段とを有することを特徴とする土壌観測車両。
【請求項２４】
請求項２３記載の土壌観測車両において、前記深度データ検出手段は該車両に取り付けられた前記シャンクの車両側根元に回動可能に取り付けられ、先端の自由転輪が地表に接触して回転可能なアームを備え、前記深度データ検出手段は、前記アームの設置角度の計測結果に基づいて観測対象の土壌面の深さを算出することを特徴とする土壌観測車両。
【請求項２５】
任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、
前記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と、
前記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅でもって土壌を切り開き、かつ後方へ僅かに傾斜して立設されたシャンクと、
先端部が鋭角に構成された略円錐形状で断面が円形状の第１の土中貫入部と、該第１の土中貫入部からさらに後方へ向かうに従い直径が大きくなる断面が円形状の第２の土中貫入部とからなる土壌掘削部であって、正確な土中観測のために土中表面と第２の土中貫入部間に、第１の土中貫入部が通過した後に生ずる土中圧を解放する土圧解放空間を形成するように構成され、さらに前記ケーシング体の前部に設けられ、かつ水平方向に取付けられた土壌掘削部と、
測定対象となる前記土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と、
前記土壌のセンシングを行なうセンシング手段と、
前記センシング手段でセンシングされたセンシングデータの分光を行う分光手段と、
前記分光手段で分光された分光データに基づいて土壌の光学特性を測定する光学特性測定手段と、
を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
この発明は、土壌の光学特性を測定する土壌の光学特性測定装置、土壌観測装置、土壌観測システムならびに移動型土壌観測車両に関し、特に任意深さの土壌中に観測空間を形成し、連続的かつリアルタイムに土壌の光学特性を測定できる土壌の光学特性測定装置、土壌観測装置、土壌観測システムならびに移動型土壌観測車両に関する。
【０００２】
本発明は精密農業に関し、これは比較的新しい精密圃場管理というコンセプトに用いられる。
【０００３】
（背景技術）
近年、環境保全と収益性の確保を前提として、農業資材、肥料、その他の飼料の投入を最大限に低減することを目的として精密圃場管理のコンセプトが普及している。精密圃場管理において最も大切なことは圃場内の土壌状態の正確な把握である。土壌は農業生産の最も重要な要素であるからである。
【０００４】
ところで、土壌に光が照射されると光の吸収が起きるが、この場合土壌成分の種類や量によって吸収される光の波長や強度が異なる。従って、その反射波は土壌の成分に応じた特有の光スペクトル（吸収スペクトル）を示す。
【０００５】
そこで、従来では、土壌の光スペクトルの測定と解析を行うことで土壌成分の解析を行っていた。
【０００６】
ここで、上記圃場の土壌状態を調べる土壌の光学特性測定装置としては、第１９図乃至第２１図に示した米国特許第５,０４４,７５６号に記載のものがある。
【０００７】
第１９図は車両に装着されて土中表面を移動することで土壌の堀作およびセンシングを行う部分の断面図であるが、土壌の掘削およびセンシング部２０は車両の進行にともなって土壌を掬いながら進行するケーシング２１より構成され、その進行方向Ａの先端部には土壌２２を掬う土壌切削刃先２３が設けられ、土壌切削刃先２３で掬われた土壌面下部はケーシング２１により加圧されて、平坦な土壌面２４とされている。
【０００８】
また、ケーシング２０内の土壌面２４と対向する部分には開口２６を有して土壌面２４を測定するセンシング室２５が設けられ、センシング室２５の天井部分には土壌面２４に対して光を照射する赤色発光ダイオード２８と、土壌面２４からの反射光を受光するフォトダイオード２９が設けられている。なおケーブル２７は配線ケーブルである。
【０００９】
このような構成において、ケーシング２１の先端部に設けられた土壌切削刃先２３によって土壌２２を掬って平坦な土壌面２４を形成しつつ、この土壌面２４を測定することによって土壌の測定を行っていた。
【００１０】
ケーシング２０の進行に伴ってセンシング室５には土壌面２４から土壌が進入する。進入した土壌はセンシング室２５をふさぐ。すると、土壌面２４の測定が出来ない。
【００１１】
そこで米国特許第５，０４４，７５６に記載のものでは、センシング室２５の後方にセンシング室２５に侵入した土壌をセンシング室２５の後方に逃がしていた。
【００１２】
そこで、ケーシング２１は地表面の近くを進入しているので、地上からの外乱光が入りやすい。従って、土壌逃し用開口部３２はわずかな間隙部分で構成されていた。
【００１３】
第２０図は第１９図の底面図であるが、土壌切削刃先２３の先端部２３ａは鋭角に構成され、土壌を掬い易くなっている。
【００１４】
第２１図は装置が作動中の斜視図である。
【００１５】
上記のごとく、上記米国特許第５,０４４,７５６号に記載された土壌の光学特性測定装置では、ケーシング２１の先端部に設けられた土壌切削刃先２３によって土壌２２を掬って平坦な土壌面２４を形成しつつ、この土壌面２４を測定対象土壌として土壌の測定を行っていた。
【００１６】
しかしながら、上記従来の土壌の光学特性測定装置では、以下の問題点があった。
【００１７】
（１）第２０図に示すごとく、ケーシング２１の先端部に設けられた土壌切削刃先２３はその先端部２３ａが鋭角に尖り、土壌２２を掬いやすくなっている。しかし、第１９図に示すごとく、土壌切削刃先２３は地表面３０から土壌面２４までの全ての高さの土壌、すなわち第１９図においてＨの深さ土壌を掬いながら進行し、しかも第２０図に示すごとく、ケーシング２１の幅Ｔは大きい。従って、土壌切削刃先２３は、幅Ｔで深さＨの部分の土壌を排除して溝を形成しつつ、周囲の土壌から大きな抵抗を受けながら進行する。
【００１８】
（２）また、ケーシング２１は地表面近くを進行しているのでセンシング室２５には外乱光が入りやすい。従って、外乱光奉仕のため土壌逃がし用開口部３２はわずかな間隙部分より構成されているが、わずかな間隙部分より構成されているので周囲の土壌が付着して開口部が塞がれ易い。開口部が塞がれるとセンシング室２５に侵入した土壌が蓄積され、土壌の測定ができないという問題点があった。
【００１９】
そこで、この発明は、土壌からあまり大きな抵抗を受けることなく土壌成分を測定できること、および／又は、外乱光の影響を受けないで精度よく土壌の光学的特性ができるようにした土壌の光学特性測定装置、土壌観測装置、土壌観測システムならびに移動型土壌観測車両を提供することを目的とする。
【００２０】
土壌の特性（光学特性や電気的特性を含む）を計測する場合、どの深さの土壌の特性であるかを把握して特性を計測する必要がある。従って、計測対象の深さを特定して土壌特性を計測する場合、その深さの土壌面のみが観測対象となる観測面を形成するように土壌を掘削すれば良い。そうすると、土壌観測用のセンサが動作するたまの観測空間は上記の観測面の近傍にのみ最小限だけ形成すればよい。そうすると、観測空間よりも上部の土壌はあまり掘削しなくてもよくなり、掘削に伴って発生する土壌からの抵抗も小さくなるし、掘削にともなって地表面にまで達する溝も小規模になり、太陽光などの外乱光が溝を通じて上記の観測空間にまで到達して土壌特性の光学測定に及ぼす悪影響も小さくできる。
【００２１】
しかし、土壌中に観測空間を設けるための構造体を、地表を移動する車両で駆動するためには、どうしても車両と上記構造体を結合する必要がある。そのために、土壌表面にある地度の溝ができることは避けられない。従って、土壌観測用のセンサに対する外乱光を低減するためには、外乱光の進入経路となりえる溝を土壌で埋め戻すことも必要である。すなわち、本発明の基本的な技術思想は、「観測空間よりも上部の土壌はあまり掘削しないような構造を実現する。掘削して溝ができたとしても、溝を即座に埋め戻して外乱光の悪影響を最小にする」というものである。
【００２２】
（発明を実施するための最良の形態）
以下本発明に係る土壌の光学特性測定装置、土壌観測装置、土壌観測システムならびに移動型土壌観測車両が適用された土壌観測システムの一実施の形態を添付図面を参照にして詳細に説明する。
【００２３】
第１図は、本発明が適用された移動型土壌観測車両を使用して土壌特性の測定を行う場合の概略構成図で、圃場１０内の各地域の土壌特性の測定を行うものである。
【００２４】
第１図のトラックター５０には、土壌の特性を測定するセンサを装着して測定に用いる。センサの種類としては、土壌の電気的特性を計測するもの、マイクロ波による吸収や反射の特性を計測するもの、化学的特性を検出するものなどがあり得る。ここでは、トラックター５０に光学特性測定装置を装着して、土壌特性を計測する方式を中心に説明する。
【００２５】
圃場１０内の土壌特性の測定を行うには、トラックター５０の後部に土中を進行する鋤状の光学特性測定装置４０を取り付け、圃場１０内を矢印１３のようにじぐざぐ状に進行しながら圃場１０内を全ての領域の土壌状態を調べる。
【００２６】
圃場１０内でのトラックター５０の現在位置はＤＧＰＳ(Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星１４との通信によって獲得し、土壌の光学特性測定装置４０の測定結果とＤＧＰＳ衛星１４から得た現在位置情報に基づいて圃場１０内の各地域における土壌状態を調べる。
【００２７】
第２図は、第１図に示した土壌の光学特性測定装置のー実施の形態の概略構成を示すもので、土壌の光学特性測定装置４０はトラクタ５０の後部に取り付けられて土壌２２の測定を行うものである。
【００２８】
すなわち、土壌の光学特性測定装置４０は全体が鋤状に構成されて先端部が土壌２２を掘削する装置本体部４１と、トラクタ５０と装置本体部４１とを接続するセンサ本体支持フレーム４２上に載置された分光部４３と、装置本体部４１と支持アーム４４を介して接続されたトリガー用転輪４５と、トラクタ５０上に載置された計測制御部４６より構成され、トラクタ５０の前部には発電機４７が搭載されている。
【００２９】
ここで、装置本体部４１は、土壌２２中にあって土壌２２の掘削を行う土壌掘削部４８と、土壌掘削部４８の後段にあって土壌２２のセンシングを行うセンシング部４９を有している。
【００３０】
また、分光部４３はセンシング部４９でセンシングされた所定波長の光の分光を行う。
【００３１】
深度測定用転輪４５は、地表面３０上を自由転動するとともに、支持アーム４４との接続部にはロータリエンコーダ等回転角度検出装置（図示せず）が取り付けるれている。
【００３２】
計測制御部４６はパソコン等より構成され、分光部４３で分光された分光データの収録等を行う。
【００３３】
発電機４７は、ＡＣ１００Ｖを発生する交流発電機である。
【００３４】
第３図は、装置本体部４１の下部に形成された土壌掘削部４８及びセンシング部４９の部分の側面図であり、第４図は第３図のＩ−Ｉ線断面図である。
【００３５】
土壌掘削部４８は、トラクタ５０の走行に伴って土中を掘削するとともに、センシング部４９で土壌のセンシングがしやすいように平坦な土壌面を作るもので、地表面３０に平行に進む。
【００３６】
土壌掘削部４８は、先端が尖った略円錐形状の第１の土中貫入部５５と、第１の土中貫入部５５に連接して設けられて円形の断面が序々に大きくなる第２の土中貫入部５６と、第２の土中貫入部５６と接続部材５７を介して設けられ上部には後述するシャンク５８が取り付けられた第３の土中貫入部５９と、第３の土中貫入部５９とセンシング部４９を接続するとともに下面には後述する均平板６０が取り付けられた第４の土中貫入部６１とを具備して構成される。
【００３７】
また、センシング部４９は、測定対象となる土壌面６５側が開口したセンシング室６６と、複数のセンサが格納されたセンサ格納部６７より構成され、センサ格納部６７には、中央に測定対象となる土壌面６５を撮像するＣＣＤカメラ６８が設けられ、ＣＣＤカメラ６８の両端には可視光の反射光を収集する可視光集光ファイバ６９と近赤外光の反射光を収集する近赤外光集光ファイバ７０が設けられている。また、可視光集光ファイバ６９の進行方向側には観測面の温度を計測する赤外線放射温度計（赤外線熱電対）７１が設けられ、センサ格納部６７の両側にはさらに照明用光ファイバ７２、７３が設けられている。
【００３８】
また、センシング部４９の上部には進行方向Ａと反対方向にわずかに傾斜して地上に突出する光ファイバー等コード類保護ケース６３が立設され、光ファイバー等コード類保護ケース６３とシャンク５８との間にはセンサ本体支持部６２が設けられている。
【００３９】
このような構成において、土壌掘削部４８の先端に位置する第１の土中貫入部５５は略円錐形状で断面は円形状であり、第１の土中貫入部５５に連設して設けられた第２の土中貫入部５６の断面も円形状である。従って、土域掘削部４８は断面が円形の穴を掘削しつつ土中を進むことになるが、断面が円形なので周囲の土壌から受ける抵抗が小さく、これによって土中での進行を円滑にし、かつ測定対象となる土壌の性状を損なわない。すなわち土中上部と第２の土中貫入部５６の間（第2の土中貫入部５６の下でかつ第１の土中貫入部５５の後部）に、土圧解放空間が形成され、第1の土中貫入部が土中を掘削することにより生じた土中圧がこの土圧解放空間で緩衝されるため、より一層正確な土中データを得ることが出来る。換言すれば土中上部の表面は、この土壌掘削部の後部に設けられたセンサーで土中表面が正確に検知できるように、より自然なスムーズに準備される。
【００４０】
また、第１の土中貫入部５５によって掘削された穴は上記のごとく円形であり、その円形の下部（最深部側）は円弧を描いており、平坦ではない。ー方、第３図に示すごとく、第２の土中貫入部５６、第３の土中貰入部５９、第４の土中貫入部６１はいずれも第１の土中貫入部５５の底面とセンシング部４９の底面を結ぶ直線４７より上に位置している。従って、センシング部４９の前にくるまで掘削された穴の底部（最深部側）の形状に変化はなく円弧を描いている。
【００４１】
しかし、このように円弧を描いている土壌を測定対象としては精度のよい土壌測定はできない。
【００４２】
そこで、続く第４の土中貫入部６１の下面には均平板６０か取り付けられ、それまで円弧を描いていた穴の底部を平坦にするようにしている。
【００４３】
第５図はセンシング部４９と均平板６０の部分の構成図であり、第５図（Ａ）はその概略斜視図、第５図（Ｂ）は第５図（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であるが、センシング部４９は、略角錐台形状のケーシング体６６ａで周囲を覆われ、内部はセンシング室６６とされているとともに内部の天井部分にはセンサー格納部６７が設けられている。
【００４４】
そして、均平板６０は、その下部６０ａがセンシング部４９の底面位置、すなわち測定対象土壌面６５の深さ位置に配置され、かつ進行方向Ａの方向に傾斜して取り付けられている。
【００４５】
ここで、第６図を参照しながら均平板６０の作用を説明すると、同図（Ａ）に示すごとく、第１の土中貫入部５５で形成された穴の底部の円弧を７６とすると、均平板６０によって円弧近傍の７４、７４部分の土壌が削られる。そして、削られた土壌が円弧７６の底の扇型部分７５を埋める。これによって、同図（Ｂ）に示すごとく、測定対象となる底面側は平坦な土壌面６５となる。
【００４６】
センシング部４９はこの平坦な土壌面６５を測定対象とすることによって精度の良い土壌測定ができることになる。
【００４７】
なお、第５図に示すごとく、センシング部４９の下部の進行方向Ａの反対側には開口６４が設けられ、センシング室４９に入り込んだ土壌を逃がすようにしているが、この開口６４の作用については後に詳述する。
【００４８】
こうして、装置本体部４１の下部に形成された土壌掘削部４８及びセンシング部４９の部分は土中を進むことになるが、第２図に示すごとく、土壌掘削部４８及びセンシング部４９の上部に形成されたシャンク５８、センサ本体支持部６２、鋤部６３の地表面３０以下の部分も土中を進行している。
【００４９】
しかしながら、第４図に示すごとく、シャンク５８、センサ本体支持部６２、光ファイバー等コード類保護ケース６３の断面は細長型で、土中を進行する際、最小限の抵抗を周囲の土壌から受けるようになっている。
【００５０】
そして、特に、進行方向の先端に位置して土壌を掘削するシャンク５８は、第３図に示すごとく、進行方向Ａの反対側にわずかに傾斜して設けられて進行に伴って周囲の土壌から受ける抵抗を小さくするよう形成されているとともに、第４図に示すごとく、進行方向の断面形状は長細く、かつ先端部５８ａは例えば３０°の鋭角に形成されている。従って、最小限の抵抗を受けつつ土中を進行でき、深度の深い部分の土壌の測定ができるよう構成されている。
【００５１】
なお、本実施形態では、測定対象となる土壌面６５の深さは地下１５ｃｍ〜３５ｃｍの範囲とすることができる。測定深度の変更は、センサ本体支持フレーム４２の左右両側に取り付けた荷重支持車輪（図示せず）の位置を上下に変更することにより行なう。測定深さは、トリガー用転輪支持アーム４４の角度（第２図でθ）を測ることにより知ることができる。角度θは深度測定用転輪４５の支持アーム４４との接続部に取り付けられたロータリエンコーダ等の回転角度検出装置で行う。
【００５２】
ところで、本実施形態は、シャンク５８で土壌を切り開きながら土壌の光学特性を測定するものであるが、シャンク５８で土壌を切り開くと周囲の土は盛り上がり、かつ細長い溝ができる。
【００５３】
しかしながら、この溝は外乱光入射の原因となり、すぐ埋め戻さなければならない。深度の深い部分を計測している場合はこの溝は両側の土壌によって自然に埋められるから比較的問題にならないが、深度の浅い部分を計測している場合は必要性が高い。
【００５４】
そこで、本実施形態では、外乱光の侵入を防止するために、溝の埋め戻し機構を設けている。
【００５５】
第７図はこの場合の埋め戻し機構を示すもので、第７図（Ａ）は埋め戻し機構１４０の平面図、第７図（Ｂ）は側面図、第７図（Ｃ）は第７図（Ｂ）のＣ方向側面図である。
【００５６】
第７図（Ａ）に示すごとく、シャンク５８で地表面３０を切り開きながらＡ方向に進行するとき、シャンク５８の通過跡には溝１４１ができる。
【００５７】
そこで埋め戻し機構１４０は、シャンク５８に一対の支持アーム１４２、１４２を介して取り付けられた一対の円盤プラウー１４３、１４３と、シャンク５８に取り付けられたスクレーバ１４４より構成されている。
【００５８】
一対の円板プラウー１４３、１４３はほぼ地表面３０と同じ高さ上を回転可能に取り付けられ、第７図（Ａ）に示すごとく、進行方向Ａ側が広く開き、しだいに狭くなるよう取り付けられている。
【００５９】
ここで、第７図（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、シャンク５８が進行すると、シャンク５８の進行に伴って地表面３０には盛り上がり土壌３０ａが形成される。そこで、シャンク５８の進行に伴って、一対の円板プラウー１４３、１４３は矢印Ｂ方向に回転し、これに伴って盛り上がり土壌３０ａは一対の円板プラウー１４３、１４３間で次第にせり上がり、せり上がった土壌はスクレーバ１４４で下方に落とされるようになっている。これによって、シャンク５８で形成された溝１４１は埋め戻され、外乱光の入射が防止されることになる。
【００６０】
第８図は他の埋め戻し機構を示すもので、第８図（Ａ）は埋め戻し機構１５０の平面図、第８図（Ｂ）は側面図、第８図（Ｃ）は第８図（Ｂ）のＣ方向側面図である。
【００６１】
第８図（Ｂ）に示すごとく、埋め戻し機構１５０はシャンク５８の後部にＬ事情に屈曲して取り付けられた平板より構成され、また、第８図（Ａ）に示すごとく、進行方向Ａに対して斜め方向に傾斜して取り付けられている。
【００６２】
ここで、シャンク５８が進行すると、その最下位面で盛り上がり土壌３０ａを削り取り、シャンク５８で形成された溝１４１を埋め戻し、外乱光の入射が防止される。
【００６３】
なお、第８図（Ａ）に示すごとく、埋め戻し機構１５０は進行方向Ａに対して斜め方向に傾斜して取り付けられ、土壌からの抵抗を小さくするよう構成されている。
【００６４】
第９図は埋め戻し機構ではないが、他の外乱光遮断手段である遮光シートを示すもので、第９図（Ａ）は遮光シート１６０の全体構成図、第９図（Ｂ）は側面図である。
【００６５】
同図に示すごとく、遮光シート１６０は、シャンク５８の周囲を覆うようにシャンク５８に取り付けられている。
【００６６】
すなわち、遮光シート１６０は、シャンク５８の地表面３０よりわずかに高い位置に取り付けられたプラスチック等より構成される棒状の支持部１６１と、この棒状の支持部に取り付けられたゴム板等より構成される遮光シート１６２より構成される。
【００６７】
ここで遮光シート１６０は、遮光シート１６２で溝（第７図、第８図の溝１４１）部分を覆いながら進行する。このため、簡単な構成で外乱光の侵入を防止することができる。
【００６８】
ところで、土壌の光学特性測定装置４０は、センシング部４９で収集されたセンシングデータを分光部４８と計測制御部４６で分析加工して土壌の光学特性を測定するものであるが、機器の測定環境等によってセンシングデータは微妙に変化する。
【００６９】
そこで、本実施形態では、測定開始にあたっては、地上で、第１０図に示すごとく、センシング部４９の下部の土壌のセンシング位置（土壌面６５の位置）に図示しない取り付け金具等を用いて反射板８０を取り付け、そのときの明状態の反射強度（Ｒ）と暗状態の反射強度（Ｄ）を記憶する。反射板８０はその後取り外すが、以後の土中での反射強度の測定は、このとき記憶した反射強度に基づいて行う。なお、この場合の処理方法は後述する。
【００７０】
次に、第１１図を参照しながら、本実施形態の電気的な構成を説明する。
【００７１】
同図において、土壌の光学特性測定装置４０は、光源７７からの光を受けて土壌のセンシングを行うセンシング部４９と、センシング部４９でセンシングされたデータのうち可視及び近赤外の反射光の分光を行う分光部４３と、データスキャンのトリガーパルスを発生するトリガー用転輪４５と、装置全体を統括制御する計測制御部４６を具備している。
【００７２】
ここで、光源７７はハロゲンランプ等より構成され、センシング部４  ９の照明用光ファイバ７２、７３に光を供給するものである。
【００７３】
なお、光源７７の前面にはシャッタ７８が設けられているが、このシャツタ７８は、すでに述べたように、測定開始にあたっては、地上で、第６図に示すごとく、センシング部４９の下部の土壌のセンシング位置に反射板８０を取り付け、そのときの明状態の反射強度（Ｒ）と暗状態の反射強度（Ｄ）を記憶するようにしているので、そのときの明状態と暗状態を作るために使用される。
【００７４】
具体的には、センシング部４９の下部の反射板８０の取り付け位置周囲を黒い布等で覆って土中と同じ環境を作り、この状態で、シャツタ７８を開いた明状態とシャツタ７８を閉じた暗状態を作り、それぞれの状態の反射強度を調べる。
【００７５】
センシング部４９には、測定対象となる土壌面６５を撮像するＣＣＤカメラ６８、可視光の反射光を収集する可視光集光ファイバ６９、近赤外の反射光を収集する近赤外光集光ファイバ７０、観測面の温度を計測する赤外線放射温度計(赤外線熱電対)７１、照明用光ファイバ７２、７３が設けられている。
【００７６】
ここで、照明用光ファイバ７２、７３は光源７７から送出された光のうち、可視光の波長域である４００ｎｍ−９００ｎｍの波長域の光と近赤外光の波長域である９００ｎｍ−１７００ｎｍの波長域の光を含む４００ｎｍ−２４００ｎｍの波長域の光のみを透過させる。
【００７７】
そして、可視光集光ファイバ６９は照明用光ファイバ７２、７３から照射した光の反射光うち、可視光の波長域である４００ｎｍ−９００ｎｍの波長域の光のみを収集する。
【００７８】
また、近赤外光集光ファイバ７０は近赤外光の波長帯域である９００ｎｍ−１７００ｎｍの波長域の光のみを収集する。
【００７９】
分光部４３は可視光用分光器８１と、近赤外光用分光器８２より構成され、可視光集光ファイバ６９で収集された土壌面からの反射光が可視光用分光器８１に送出され、近赤外光集光ファイバ７０で収集された土壌面からの反射光が近赤外光用分光器８２に送出され、各波長域における受信強度が測定されるように構成されている。
【００８０】
なお、各分光器８１、８２は、フォトダイオードリニアアレイによるマルチチャンネル式分光器で、可視領域では４００ｎｍ−９００ｎｍの波長域で２５６チャンネル、近赤外領域では９００ｎｍ−１７００ｎｍの波長域で１２８チャンネルが同時に高速検出可能である。
【００８１】
計測制御部４６はパソコン等より構成され、温度検出部８３、画像処理部８４、位置センサ８６、データ処理部８７、データ記憶部８８、データ表示部８９を具備している。
【００８２】
ここで、温度検出部８３は赤外線放射温度計（赤外線熱電対）７１からの出力を受けて土壌面６５の温度を検出するものである。
【００８３】
画像処理部８４は、土壌面６５を撮像するＣＣＤカメラ６８からの出力を受けて撮像データの加工処理および撮像データの信頼性を判定するものである。
【００８４】
第１２図は画像処理部８４の横成を示すブロック図であるが、画像処理部６４はＣＣＤカメラ６８から送出されたビデオ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部９１と、Ａ／Ｄ変換されたビデオ信号を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の画像データごとに記憶するＲ画像メモリ９２−１、Ｇ画像メモリ９２−２、Ｂ画像メモリ９２−３と、装置全体を統括制御するＣＰＵ９３と、ＣＰＵ９３の制御バス９４に接続されたＲＯＭ９５、ＲＡＭ９６とを具備して構成される。
【００８５】
第１３図は、ＣＰＵ９３で行われる撮像データの加工処理および撮像データの信頼性の判定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【００８６】
この処理では、まず各画像メモリ９２−１、９２−２、９２−３に記憶されたＲ、Ｇ、Ｂの各画像データについてヒストグラムを作成して平均値をとる（ステップ１００）。なお、以下の処理では上記のごとく加工処理された撮像データのうちＲ画像についてのみ使用するが、ステップ１００で得られた撮像データは、後にデータ処理部８７で行われる土壌の測定処理の際使用される。
【００８７】
ここで、画像データのエッジ強度が大きいということは、撮像した土壌面の凹凸が激しいということであり、土壌測定には不適当な土壌といえる。
【００８８】
そこで、平均値が閾値ＴＨより大か否か調べ、（ステップ１０８）、平均値が閾置ＴＨより大の場台は、（ステップ１０８でＹＥＳ）、画像データの信頼性は小と設定し（ステップ１１０）、平均値が閾値ＴＨ以下の場合は、（ステップ１０８でＮＯ）、画像データの信頼性は大と設定する（ステップ１１０）。この設定結果は後にデータ処理部８７での土壌の測定処理に使用される。
【００８９】
データの信頼性については他の方法でも検知することができる。切削土壌面の凹凸が大きい場合や、土中貫入部５５が進行方向から傾いた場合は、例えば土中貫入部が均平板６０より下の位置となった時は、土中貫入部で切削された土壌面とセンサ間の距離が設定した距離より大きくなり、土壌の正確な光学特性の測定が不可能となる。
【００９０】
そこで第２２図に示すように、例えば半導体レーザで斜め方向から、センサ移動方向に垂直に土壌切削面にスリット照明し、ＴＶカメラで土壌のスリット照明部分を観察する。土壌面に凹凸が生じたり、また土壌面が設定した位置から上下した場合は、スリット照明の位置が、画像の中心からずれるので、そのずれから、凹凸の状態を知ることができる（これは光切断法とも呼ばれる）。
【００９１】
第２３図で、土壌面の凹凸を検知する原理について説明する。レーザでスリット照明された部分の輝度は強いので、第２４図（ａ）に示すように、画像処理で汎用されている手法でスリット画像が得られる。第２４図（ａ）で、移動方向をＸ軸方向とすると、スリット照明部分の画像を、Ｘ軸に投影処理した投影画像第２４図（ｂ）を作成し、その重心座標Ｗと分散Ｖを求める。Ｗは観測する土壌面の凹凸の深さの平均値に関係した量を、Ｖは土壌面の平坦さに関係した量の座標となる。Ｗ，Ｖが土壌表面の凹凸状態の特徴量となる。ＷならびにＶが設定した閾値を超えた部分の土壌光スペクトルを無効とすることにより、データの信頼性を向上できる。スリット照明画像を解析し、土壌の凹凸状態や亀裂形状から土壌の粘弾性などの情報を取得することができる。また凹凸状態から土壌光スペクトルを補正し、分析することもできる。第２５図は上記の土壌の凹凸を検知するフローチャートを示す。
【００９２】
ここで、再び第１１図の説明に戻ると、位置センサ８６は、ＤＧＰＳ衛星との通信によって測定装置４０の現在位置情報を獲得する。
【００９３】
データ処理部８７は、可視光用分光器８１、近赤外光用分光器８２、温度検出器８３、画像処理部８４、パルス発生部８５、位直センサ８６からの情報に基づき土壌の測定を行なう。
【００９４】
データ記憶部８８はＰＣカード等より構成され、データ処理部８７で測定された測定データを記憶する。
【００９５】
データ表示部８９は液晶表示装置等より構成され、データ処理部８７で測定された測定データを表示する。
【００９６】
なお異常の説明では、シャッタ７８は、測定開始にあったって、明状態と暗状態を作るために使用されると説明したが、その他、シャッタ７８の代わりに穴のあいた回転円板を設置し、被測定土壌面を明暗断続照射して土壌からの明状態の反射強度スペクトルと、暗状態の反射強度スペクトルを計測して、その差をデータ処理部８７で求めるように構成することもできる。このように構成すると、外乱光の影響を補正できる。
【００９７】
次に第１４図を参照しながらデータ処理部８７で実行される土壌の測定処理について説明する。第１４図の処理は、車両が所定の経路で移動しつつ実行されることを前提とする。
【００９８】
この処理では、まず初期処理を行ない、第１０図で説明した反射板８０の明状態および暗状態での反射強度の取得、パルス発生部８５で発生するパルスのカウント数（測定間隔の調節）、露光臨間、スキャン回数等の設定が行なわれる(ステップ１２０)。
【００９９】
次に、画像データの信頼性は大か否かが調べられる（ステップ１２２）。これは、第１３図のステップ１１０、１１２で設定された内容によって判別され、信頼性が大でなければ（ステップ１２２でＮＯ）、当処理を終える。これは、土壌が荒れていて凹凸の激しい場所の土壌を測定しても精度の良い土壌測定はできないからである。
【０１００】
次に、画像データの信頼性が大きいか否かが調べられ（ステップ１２２）、画像データの信頼性が大きければ（ステップ１２２でＹＥＳ）、分光器４３の可視光用分光器８１、および近赤外線用分光器８２で分光データ、画像処理部８４で、画像データ、温度検出部８３で温度データ、深度測定用転輪４５で深度データ、位置センサ８６で位置データを測定する（ステップ１２３）。
【０１０１】
そして、これらの測定データに基づいて、反射ベクトルを算出する（ステップ１２４）。
【０１０２】
例えば、可視領域では４００ｎｍ−９００ｎｍの波長域で測定するが、シャツタ７８が閉でセンシング室６７が暗状態の受信強度をＤ、シャツタ７８が開でセンシング室６７が明状態の受信強度をＲ、サンプル値の受信強度をＳとすると、反射率（受信強度）Ｔは次式で求める。
Ｔ＝（Ｓ−Ｄ）／（Ｒ−Ｄ）
【０１０３】
近赤外領域では、９００ｎｍ−１７００ｎｍの波長域で測定するが、測定方法は可視領域の場合と同様である。
【０１０４】
そして、ステップ１２５では、以上の処理で取得したデータを記憶する。すなわち反射ベクトルデータ、土壌構造データまたはスペクトル信頼度（ステップ１２１の処理で得られた信頼性）、温度、深度、位置情報、土壌画像データを記憶する。
【０１０５】
次に、測定を継続するか否かが調べられ（ステップ１２６）、測定続行の場合は（ステップ１２６でＹＥＳ）、ステップ１２１の処理に戻るとともに、終了の場合は（ステップ１２６でＮＯ）、当処理を終了する。
【０１０６】
測定を継続するかどうかは、車両が所定の経路をたどり終えたかどうか、または測定ポイント数が所定値に達したか否かなどのような予め定められた測定計画データによって決定される。また、測定計画を完遂したら終了するし、システムの異常により測定不能になっても終了する。
【０１０７】
なおステップ１２５の処理で記憶されたデータは、データ記憶部８８に記憶され、例えばスペクトラム拡散等の通信方式でホストコンピュータで、ホストコンピュータに送信される。
【０１０８】
第１７図にはステップ１２８の処理で獲得した可視光の反射率スペクトルが示され、第１８図には近赤外光の反射率スペクトルが示されている。いずれにおいても、Ｘ軸に波長、Ｙ軸に反射率、Ｚ軸に進行方向距離をとっている。
【０１０９】
ところで、本実施形態では第５図に示すごとく、センシング部４９の進行方向Ａの反対側下部には開口６４を設けた。これは、第１５図に示すごとく、装置４０が土中をＡ方向に進行すると、装置４０の周囲の土壌に失印方向の抵抗が発生する。
【０１１０】
そして、進行方向の後部では、矢印１３０で示す方向の抵抗が装置４０に作用する。従って、もし開口６４を設けないとすると、後部の壁面１３１に土壌１３２が付着し、壁面１３１に付着した土壌１３２は装置の下部からセンシング室６６に入り込み、センシング室６６を周囲の土壌で埋めてしまう。
【０１１１】
そこで、本実施形態では、第１６図に示すごと<、装置４０の後部のセンシング部４９の下部には開口６４を設けた。つまり、センシング室６６に侵入した土壌を装置の進行に伴ってこの開口６４から後方に逃す。  これによって、センシング室６６が土壌で埋まることを防止できる。
【０１１２】
なお、本発明者らの実験によると、装置４０の幅Ｃが３ｃｍ以下では後方からの土壌の入り込みはないが、本実施形態では幅Ｃを６ｃｍ程度としたので、このような開口６４を設ける必要があった。
【０１１３】
以上のように、本実施形態では、土壌掘削部４８の先端に位置する第１の土中貫入部５５は略円錐形状で断面は円形状であり、第１の土中貫入部５５に連設して設けられた第２の土中貫入部５６の断面も円形状である。従って、土壌掘削部４８は断面が円形の穴を掘削しつつ土中を進むことができ、断固が円形なので周囲の土壌から受ける抵抗が小さく、これによって土中での進行を円滑にし、かつ測定対象となる土壌の性状を損なわない。
【０１１４】
また、第１の土中貫入部５５によって掘削された穴は上記のごとく円形であり、その円形の下部（最深部側）は円弧を描いており、平坦ではない。そこで、センシング部４９の前に設けられた第４の土中貫入部６１の下面には均平板６０が取り付けられ、それまで円弧を描いていた穴の底部を平坦にするようにしている。従って、センシング部４９はこの平坦な土壌面６５を測定対象とすことによって精度の良い土壌測定ができることになる。
【０１１５】
また、進行方向の先端に位置して土壌を掘削するシャンク５８は、進行方向Ａの反対側にわずかに傾斜して設けられて進行に伴って周囲の土壌から受ける抵抗を小さくするよう形成されているとともに、進行方向の断面形状は細長く、かつ先端部５８ａは例えば３０°の鋭角に形成されている。従って、最小限の抵抗を受けつつ土中を進行でき、深度の深い部分の土壌の測定ができる。
【０１１６】
また、センシング部４９は土中にあり、シャンク５８による土壌の垂直切断で形成される土壌破壊間隙は３ｃｍ以下のため、土壌圧力により容易に閉ざされるので、地上からの外乱光の進入を完全に防止でき、精度のよい土壌の光学測定ができる。
【０１１７】
また、測定深度の変更は、センサ本体支持フレーム４２の左右両側に取り付けた荷重支持車輪（図示せず）の位置を上下に変更することにより容易に行なうことができる。
【０１１８】
また、測定開始にあたっては、センシング部４９の下部の土壌のセンシング位置（土壌面６５の位置）に反射板８０を取り付け、そのときの明状態の反射強度（Ｒ）と暗状想の反射強度（Ｄ）を記憶し、土中での反射強度の測定は、このとき記憶した反射強度に基づいて行うようにしたので、機器の測定環境等に左右されず精度の良い土壌測定ができる。
【０１１９】
また、装置４０の後部のセンシング部４９の下部には開口６４を設け、センシング室６６に侵入した土壌を装置の進行に伴ってこの開口６４から後方に逃すようにしたので、センシンク室６６が土塊で埋まることを防止できる。
【０１２０】
また、シャンク５８で土壌を切り開くと周囲の土は盛り上がり、かつ細長い溝ができるが、外乱光の侵入を防止するために、溝の埋め戻し機構を設けたので、外乱光の入射が防止される。
【０１２１】
また、土壌データとして、土壌の反射総スペクトルのほか、ＣＣＤカメラ６８で撮像したモニタ画像、赤外線放射温度計（赤外線熱電対）７１で計測した観測土壌面の温度等を出力するようにしたので、温度変化に対する土壌反射光スペクトルの変化を補正することが可能となり、気象等に関わりなく精度の良い精密圃場管理に資することができる。
【０１２２】
以上説明したように、本発明に係わる土壌の光学特性測定装置、土壌観測装置、土壌観測システム、ならびに移動型土壌観測車両では以下の効果を奏する。
さらにここでは発明をよりよく理解するために、用語の定義を説明する。ただし発明の範囲をこれらの用語の定義に限定する趣旨ではない。
【０１２３】
光学特性測定装置では、任意の深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光反射スペクトルを測定する土壌の光学的特性測定装置であって、上記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と、上記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅をもって土壌を切り開くシャンクとを具備するようにしたので、農作物の生育にとって一番大切な任意深さの土壌成分を測定でき、しかも土中に観測空間を形成するので外部からの外乱光の侵入を防止できて精度よく土壌の光学特性が観測でき、しかもリアルタイムに測定結果を得ることができる。
【０１２４】
「観測空間」とは、土壌の所定深さの観測対象となる土壌面（観測面）の土壌特性をセンサーを用いて観測するために必要とされる空間である。センサが光学測定装置の場合には、観測空間において観測面とセンサとの間に光を遮る物質があると、観測できなくなるので、そのような遮光性物質（土壌や石など）を観測面とセンサとの間から排除した空間として観測空間を形成しなければならない。センサが例えば観測面でのマイクロ波の反射、吸収特性を計測する場合、上記遮光性物質を排除する必要はなく、マイクロ波の送波器と受波器を観測面に対して所定の位置に配置するための土壌中の空間が観測空間となる。
【０１２５】
「ケーシング体」とは、土中に観測空間を作りつつ進行し、内部にセンサを保持するとともに観測面と形成する。「シャンク」とは、ケーシング体を土壌中に保持する機能と土壌を切り開く機能を有する部分である。従って、実施の態様でのシャンク５８はもちろんこれに該当するし、土壌中にケーシング体を保持するための支柱の前面部分に別体に土壌を切り開くための部分が設けられていても、その支柱の部分と土壌を切り開くための部分からなる総体は、シャンクに相当することになる。
【０１２６】
「光学特性測定装置」とは、測定対象となる土壌を光学的に観察して土壌の特性を測定するもので、例えば土壌をカメラで撮像して得た画像データ、土壌から反射波等から土壌の特性を測定する装置などがこれに含まれる。
【０１２７】
次の定義がこの発明の実施態様で適用される。「観測空間」は、センシング室６６の内側の土壌面の上方の空間である。「ケーシング体」、ケーシング体６６ａである。「シャンク」は、シャンク５８である。「光学特性測定装置」は、土壌の光学特性測定装置４０である。
【０１２８】
別の実施例では、任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、上記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と；上記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅ともって土壌を切り開くシャンクと；さらに、上記測定対象となる土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と；上記土壌の光反射スペクトルを測定する光反射スペクトル測定手段と；位置データと対にして土壌の光反射スペクトルを得るように構成したので位置データと対にして土壌の光反射スペクトルを得ることができ、さらに精密な圃場管理ができる。
【０１２９】
「位置データ」とは、測定対象となる土壌の少なくとも水平面上の２次元位置情報をいう。位置データ検出手段としては、ＤＧＰＳ衛星やＤＧＰＳ衛星を利用した測位、方位センサと距離センサを組み合わせた積算式測定等がある。
【０１３０】
「光反射スペクトル」とは、測定対象となる土壌に光を照射した場合の反射光の強度のスペクトルをいう。土壌はその粒度、湿度、化学的性質、色彩等の性生によって反射強度が異なる。従って、測定対象となる土壌に光を照射した場合の反射強度をスペクトルとして測定することによって土壌の性状を調べる。
【０１３１】
「位置データ検出手段」はＤＧＰＳ衛星１４から測定情報を獲得して位置データを算出する位置センサ８６である。「光反射スペクトル測定手段」は、可視光の反射光を収集する可視光集光ファイバー６９、近赤外の反射光を収集する近赤外線集光ファイバ７０、分光器４３およびデータ処理部８７より構成されている。
【０１３２】
別の実施例では、任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、上記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と；上記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅ともって土壌を切り開くシャンクと；さらに、上記測定対象となる土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と；さらに、上記測定対象となる土壌の深度データを検出する深度データ検出手段と；位置データおよび深度データと対にして土壌の光反射スペクトルを得る土壌の光反射スペクトルを測定する光反射スペクトル測定手段とを有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置に関する。このように位置、深さ、反射光のスペクトルの複数のデータを得ることによりより正確な精密農業が可能となる。
【０１３３】
「深度データ」とは、測定対象となる土壌の地表面からの深さを示す情報をいう。「深度データ検出手段」は、深度測定用転輪４５であり、より正確には支持アーム４４との接続部に取り付けられたロータリエンコーダである（図示せず）。アーム４４はシャンク５８と深度測定用転輪４５を接続するものであるが、深度測定用転輪４５は地表に接触して回転していて高さは固定されている。従って、シャンク５８の深度位置によって、シャンク５８に対するアーム４４の回転角度が変わる。従って、アーム４４の回転角度を深度測定用転輪４５に取り付けられたロータリエンコーダで計則し、該測定結果に基づいて観測対象の土壌面の深さを算出する。
【０１３４】
さらに別の実施例では、任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、上記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と；上記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅ともって土壌を切り開くシャンクと；さらに、上記測定対象となる土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と；さらに、上記測定対象となる土壌の深度データを検出する深度データ検出手段と；位置データおよび深度データと対にして土壌の光反射スペクトルを得る土壌の光反射スペクトルを測定する光反射スペクトル測定手段；さらに、上記土壌を撮像する撮像手段を有し、位置データと対にして土壌の光反射スペクトルおよび撮像データを得るようにしたので、土壌の撮像データをも得ることができ、この撮像データを基にさらに精密な圃場管理ができる。
【０１３５】
「撮像データ」とは、観測対象となる土壌の２次元的画像情報をいう。「撮像手段」は測定対象となる土壌面６５をカラーで撮影するＣＣＤカメラ６８である。
【０１３６】
別の実施例では、任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、上記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と；上記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅ともって土壌を切り開くシャンクと；さらに、上記測定対象となる土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と；上記土壌の光反射スペクトルを測定する光反射スペクトル測定手段と；位置データと対にして土壌の光反射スペクトルを得ることを特徴し；さらに、上記測定対象となる土壌の深度データを検出する深度データ検出手段と；上記土壌を撮像する撮像手段を有し、位置データと対にして土壌の光反射スペクトルおよび撮像データを得ることを特徴とする土壌の光学特性測定装置にしたので、位置データ及び深度データをもとにさらに精密な圃場管理ができる。
【０１３７】
任意深さの土中に観測空間を形成し、連続的かつ実時間で土壌の光学特性を測定する精密農業のための土壌の光学特性測定装置であって、上記観測空間の少なくとも上面を覆うケーシング体と；上記ケーシング体と接続され、ケーシング体の幅よりも狭い幅ともって土壌を切り開くシャンクと；さらに、上記測定対象となる土壌の位置データを検出する位置データ検出手段と、上記土壌のセンシングを行なうセンシング手段と、上記センシング手段でセンシングされたセンシングデータの分光を行う分光手段と、上記分光手段で分光された分光データに基づいて土壌の光学特性を測定する光学特性測定手段と、を有することを特徴とする土壌の光学特性測定装置にしたので、地上から外乱光の侵入を完全に防止した状態で精度の良いセンシングデータを得ることができ、しかもこの精度の良いセンシングデータに基づきセンシングデータの分光を行い、さらに分光データに基づいて土壌の光学特性を測定するので精度の良い土壌の光学特性を測定できる。
【０１３８】
「分光」とは特定波長の反射波を選択的に取り出すことをいう。土壌はその性状によって、特定波長の反射波について特有の反射強度を示す。そこで特定波長の反射波を選択的に取り出し、その反射強度を調べる。「分光手段」は、分光部４３である。
【０１３９】
別の実施例では、センシング手段が、可視光および近赤外光領域の波長を有する光を投射する光投射手段と；上記光投射手段で投射された光の可視光領域の波長を有する光を受光する第一の可視光受光手段と；上記光投射手段で投射された光の近赤外光領域の波長を有する光を受光する第二の近赤外光受光手段と；上記土壌を撮像する撮像手段で構成したので、土壌の測定に一番適した反射光成分と土壌の撮影データの組み合わせに基づいて土壌の光学測定ができ、精度の良い土壌の光学特性を測定できる。
【０１４０】
他の実施例では、上記分光手段は、上記可視光受光手段で受光きれた可視光領域の波長を有する光を分光する第一の可視光分光手段と；上記近赤外光受光手段で受光された近赤外光領域の波長を有する光を分光する第二の近赤外光分光手段とを有するように構成したので、可視光および近赤外光の分光を多チャンネルにわたって迅速に行うことができ、精度の良い土壌の光学特性が測定できる。
【０１４１】
他の実施例では、上記撮像手段で撮像された撮像データを受信する撮像データ受信手段と；上記撮像データ受信手段で受信された受信データの信頼度を算出する信頼度算出手段とを有し、上記光学特性測定手段は上記信頼度算出手段で検出された信頼度が低い場合は土壌の光学特性の測定をしないように構成したので、無駄な光学測定を省いて精度の良い効率的な土壌測定ができる。
【０１４２】
「信頼度」とは、土壌観測用センサの出力信号が土壌特性を表現する確からしさをいう。例えば、土壌表面に石が散在していて、土壌観測用のセンサが土壌の特性信号としては信頼度が低いことになる。信頼度は、「高い」、「低い」、あるいは数値で表現される。
【０１４３】
「信頼度」は、第１３図のステップ１０６の処理で得られる平均値である。
【０１４４】
「土壌掘削部」とは、地表に形成された盛り上がり土壌を溝方向に誘導するものをいう。土壌はシャンクによって切り開かれると地表に盛り上がり土壌が形成され、かつシャンクの進行方向に溝が形成される。しかし、この溝は外乱光侵入の原因となって正確な土壌測定ができない。そこで、誘導板を設け、地表に盛り上がった土壌を溝方向に誘導して溝を埋める。
【０１４５】
「土壌掘削部」は、土壌掘削部４８である。
【０１４６】
「誘導板」は、円板プラウー１４３、埋め戻し機構１５０である。
【０１４７】
「土中貫入部」とは、土壌掘削部の先端部にあって土壌を掘削するものをいう。
【０１４８】
「略円形」とは、円形や楕円形などの滑らかに凸な輪郭を有する曲線をいう。
【０１４９】
「均平板」とは、土中貫入部によってあけられた穴の底部を平らにするものをいう。穴の底部に、平滑な土壌面を形成する板であれば、フラットな形状のものや曲線を有するものでもよい。
【０１５０】
「土中貫入部」は、第1の土中貫入部５５と第２の土中貫入部５６である。
【０１５１】
「均平板」は、均平板６０である。
【０１５２】
「土壌測定面」とは、ケーシング体内の土壌面をいい、ケーシング体内の天井部分に配置されたセンサの観測対象面となるものである。この土壌面が平坦でないと正確な土壌測定はできない。
【０１５３】
「開口」とは、ケーシング体の後部に設けられた土壌逃し用の開放部分である。本発明では装置は土中を進行する。従って、土中進行中、シャンクで切り開かれた土壌はケーシング体の後部の壁面に付着しようとする。そして、壁面に付着した土壌はケーシング体内に入り込み、ケーシング体内を土壌で埋めてしまう。従って、後部に広い壁面は設けず、かつケーシング体内に入った土壌は後方ににがすようケーシング体の後部に土壌逃し用の開放部を設けたものである。
【０１５４】
「開口」は、開口６４である。
【０１５５】
「土壌観測空間」とは、請求の範囲第１項の「観測空間」と同義である。
【０１５６】
「ほぼ円形」とは、請求の範囲第１３項の「略円形」と同義である。
【０１５７】
「凹凸状態」とは、土壌表面のでこぼこな様をいう。例えば、土壌表面に粒径の大きい土塊があると土壌表面はでこぼこになる。土壌表面がでこぼこであると、土壌そのものの特性信号得にくい。
【０１５８】
「凹凸状態」は、第１３図の処理、特に、ステップ１００−１０６の処理で計測される。
【０１５９】
「構造情報」とは、土壌の特質をいい、例えば、種類、化学的特質、粘度、粒度等をいう。
【０１６０】
「構造情報」は、第１４図のステップ１２４の処理で得られる土壌構造データである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る土壌の光学特性測定装置、土壌観測装置、土壌観測システムならびに移動型土壌観測車両が適用された土壌観測システムの一実施の形態の概略構成を示す図である。
【図２】  本発明が適用された土壌の光学特性測定装置の一実施の形態の概略構成を示す図である。
【図３】  第２図に示した装置本体部の下部に形成された土壌掘削部及びセンシング部の部分の側面図である。
【図４】  第３図のＩ−Ｉ縦断面図である。
【図５】  センシング部と均平板の位置関係を示す図である。
【図６】  第５図に示した均平板の作用を説明する図である。
【図７】  外乱光の浸入を防止するための溝の埋め戻し気候の構成図である。
【図８】  同じく外乱光の浸入を防止するための溝の埋め戻し機構の構成図である。
【図９】  外乱光遮光手段である遮光シートの構成図である。
【図１０】  測定開始にあたってセンシング部の下部の土壌のセンシング位置に反射板を取り付け、そのときの明状態の反射強度（Ｒ）と暗状態の反射強度（Ｄ）を記憶する場合の説明図である。
【図１１】  第２図に示した装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図１２】  第１１図に示した画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図１３】  第１２図に示した画像処理部で行われる撮像データの加工処理および撮像データの信頼性の判定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】  第１１図に示したデータ処理部で実行される土壌の測定処理の一例を示すフローチャートである。
【図１５】  装置の進行方向の後部に間口を設けないとすると、後部の壁面に土壌が付着し、壁面に付着した土壌は装置の下部からセンシング室に入り込み、センシング室を周囲の土壌で埋めてしまう場合の作用説明図である。
【図１６】  装置の後部のセンシング部の下部に開口を設け、センシング室に侵入した土壌を装置の進行に伴ってこの開口から後方に逃す場合の作用説明図である。
【図１７】  第１４図のステップ１２６の処理で獲得した可視光の反射率スペクトルの説明図である。
【図１８】  第１４図のステップ１２６の処理で獲得した近赤外光の反射率スペクトルの説明図である。
【図１９】  従来の光学特性測定装置の土壌の掘削およびセンシングをする部分の断面図である。
【図２０】  第１９図に示した光学特性測定装置の底面図である。
【図２１】  第１９図に示した光学特性測定装置を使用して土壌を測定する場合の説明図である。
【図２２】  土壌表面の凹凸を検知するための概略図である。
【図２３】  土壌表面の窪み部辺りのスリット照明図である。
【図２４】  画像処理後のスリット照明図をＸ軸と画素数軸でグラフ化した図である。
【図２５】  土壌表面の凹凸を検知するフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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