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Hybrid AI models for visualization of physio-ecological information of crop canopy on farming sites

Research Project

Project/Area Number 23K23733
Project/Area Number (Other) 22H02468 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 41040:Agricultural environmental engineering and agricultural information engineering-related
Research InstitutionKochi University

Principal Investigator

北野 雅治  高知大学, IoP共創センター, 特任教授 (30153109)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岩尾 忠重  高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 教授 (30930440)
和島 孝浩  旭川市立大学短期大学部, その他部局等, 教授 (70600196)
野村 浩一  高知大学, 教育研究部自然科学系農学部門, 准教授 (90897852)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Keywords生理生態情報 / 可視化 / Hybrid AI Model / 群落光合成 / 生理生態AIエンジン / 作物生理生態 / 施設園芸 / 光合成 / 高付加価値化 / 作物生理生態情報 / Hybrid AI モデル
Outline of Research at the Start

農業においては、作物生産を決定づける作物群落の生理生態(光合成、蒸散、栄養成長、生殖成長等)の定量的な時系列情報の見える化と使える化が、農家の営農現場で実現されていない。本研究では、営農現場での実測が容易な環境データと作物画像データのみを用いて、営農現場での実測が困難な作物群落の生理生態の時系列情報の定量的な見える化を実現する。その際、多様な理論的なプロセスモデル群と人工知能(AI)技術のHybridによる協働によって、高い学習効率、再現性、汎化性能を発揮できる新規の Hybrid AIモデル群を構築し、それらの連係によって、作物生産を決定づける作物群落の多様な生理生態の時系列情報の可視化を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、施設園芸における主要な作物群(イチゴ、トマト、パプリカ、ホウレンソウ等)を対象にして、営農現場での作物生理生態の可視化を実現するHybrid AIモデル群を構築することであり、【達成目標Ⅰ】作物群落の生理生態に関する説明性の高い情報群の創出、【達成目標Ⅱ】作物群落の光合成、蒸散、体温の時空間変動の可視化、【達成目標Ⅲ】作物群落の生殖成長、収量、高付加価値化の時系列情報の可視化、【達成目標Ⅳ】営農現場でのHybrid AIモデル群の検証と機能強化で構成されている。
2年目のR5年度においては、達成目標Ⅰに関して、説明性の高い情報の選定と抽出に有効な新たな因子分析法を確立するとともに、過去データに基づく説明性の高い履歴情報群の創出と有効活用を検討した。達成目標Ⅱに関しては、作物群落の光合成速度、蒸散速度、葉温の時系列情報出力するHybrid AIモデルを多様な営農現場で検証するとともに、作物群落のRGB画像から、群落内の受光量、光合成速度の空間分布の可視化法を開発した。達成目標Ⅲに関しては、達成目標Ⅰで確立した因子分析法で抽出する履歴情報を活用する生殖成長、高付加価値化に関するHybrid AIモデルの生理生態AIエンジンへの組み込みを検討した。達成目標Ⅳに関しては、Hybrid AIモデル群の検証のための入出力情報の営農現場(協力農家群、高知大学附属農場ハウス、旭川大学試験ハウス等)での継続的な取得を実施すると共に、構築したHybrid AIモデル群の学習を逐次実施して、機能強化を実現した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的は、施設園芸における主要な作物群(イチゴ、トマト、パプリカ、ホウレンソウ等)を対象にして、営農現場での作物生理生態の可視化を実現するHybrid AIモデル群を構築することであり、【達成目標Ⅰ】~【達成目標Ⅳ】関連した成果として、新たな因子分析法の確立と説明性の高い履歴情報群の創出、作物群落のHybrid AIモデル群の多様な営農現場(協力農家群、高知大学附属農場ハウス、旭川大学試験ハウス等)での検証、光合成等の生理生態情報の作物群落内空間分布の可視化法の開発、多様な営農現場でのHybrid AIモデル群の機能強化等を実現し、ほぼ当初の計画通りの成果を得たので、概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

本研究の目的は、施設園芸における主要な作物群(イチゴ、トマト、パプリカ、ホウレンソウ等)を対象にして、営農現場での作物生理生態の
可視化を実現するHybrid AIモデル群を構築することであり、【達成目標Ⅰ】作物群落の生理生態に関する説明性の高い情報群の創出、【達成目標Ⅱ】作物群落の光合成、蒸散、体温の時空間変動の可視化、【達成目標Ⅲ】作物群落の生殖成長、収量、高付加価値化の時系列情報の可視化、【達成目標Ⅳ】営農現場でのHybrid AIモデル群の検証と機能強化で構成されている。
最終年度のR6年度においては、R5年度までに得られた達成目標Ⅰ~Ⅲに関する成果群(説明性の高い情報群の創出法、因子分析法、作物群落生理生態Hybrid AIモデル群、作物群落内生理生態空間分布可視化法など)の営農現場(協力農家群、高知大学附属農場ハウス、旭川大学試験ハウス等)での検証と学習を継続しながら、作物群落の光合成などの生理生態の時系列情報の可視化を多様な営農現場で実現する。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (42 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (15 results) (of which Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 15 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results)

  • [Journal Article] Yield and Photosynthesis Related to Growth Forms of Two Strawberry Cultivars in a Plant Factory with Artificial Lighting2024

    • Author(s)
      Takahashi Asaya、Yasutake Daisuke、Hidaka Kota、Ono Shintaro、Kitano Masaharu、Hirota Tomoyoshi、Yokoyama Gaku、Nakamura Takeshi、Toro Minami
    • Journal Title

      HortScience

      Volume: 59 Issue: 3 Pages: 394-399

    • DOI

      10.21273/hortsci17587-23

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  • [Journal Article] Starch serves as an overflow product in the regulation of carbon allocation in strawberry leaves in response to photosynthetic activity2023

    • Author(s)
      Nakai Hiromi、Yasutake Daisuke、Hidaka Kota、Nomura Koichi、Eguchi Toshihiko、Yokoyama Gaku、Hirota Tomoyoshi
    • Journal Title

      Plant Growth Regulation

      Volume: 101 Issue: 3 Pages: 875-882

    • DOI

      10.1007/s10725-023-01042-9

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    • Author(s)
      Ono Shintaro、Yasutake Daisuke、Kimura Kensuke、Kengo I、Teruya Yoshiya、Hidaka Kota、Yokoyama Gaku、Hirota Tomoyoshi、Kitano Masaharu、Okayasu Takashi、Ozaki Yukio
    • Journal Title

      The Journal of Horticultural Science and Biotechnology

      Volume: 99 Issue: 2 Pages: 223-232

    • DOI

      10.1080/14620316.2023.2254759

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    • Author(s)
      Zhang Yue、Yasutake Daisuke、Hidaka Kota、Kimura Kensuke、Okayasu Takashi、Kitano Masaharu、Hirota Tomoyoshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 17277-17277

    • DOI

      10.1038/s41598-023-44200-9

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    • Author(s)
      NOMURA Koichi、ITO Masashi、KUSABA Yusuke、SAITO Masahiko、MORI Makito、YAMANE Shinzo、IWAO Tadashige、TADA Ikunao、YAMAZAKI Tomihiro、KITANO Masaharu
    • Journal Title

      Scientia Horticulturae

      Volume: 307 Pages: 111525-111525

    • DOI

      10.1016/j.scienta.2022.111525

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    • Author(s)
      KITANO Masaharu、NOMURA Koichi、YAMAZAKI Tomihiro、IWAO Tadashige、SAITOU Masahiko、MORI Makito、YASUTAKE Daisuke、KANEKO Takahiro、UKEDA Hiroyuki、ISHIZUKA Satoshi、FUJIWARA Taku、OKABAYASHI Toshihiro
    • Journal Title

      Environment Control in Biology

      Volume: 60 Issue: 1 Pages: 3-12

    • DOI

      10.2525/ecb.60.3

    • NAID

      130008158744

    • ISSN
      1880-554X, 1883-0986
    • Year and Date
      2022-01-01
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    • Author(s)
      ONO Shintaro、YASUTAKE Daisuke、YOKOYAMA Gaku、TERUYA Yoshiya、HIDAKA Kota、OKAYASU Takashi、NOMURA Koichi、KITANO Masaharu
    • Journal Title

      Environment Control in Biology

      Volume: 60 Issue: 1 Pages: 33-37

    • DOI

      10.2525/ecb.60.33

    • NAID

      130008158746

    • ISSN
      1880-554X, 1883-0986
    • Year and Date
      2022-01-01
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  • [Journal Article] Analyzing the Carbon Partitioning Characteristics and Their Dependence on Leaf Growth Stage in Chinese Chive Using <sup>13</sup>C Tracer Method2022

    • Author(s)
      YASUTAKE Daisuke、NOMURA Koichi、KOBAYASHI Kaito、I Kengo、MATSUMOTO Koji、IWAO Tadashige、MORI Makito、KITANO Masaharu
    • Journal Title

      Environment Control in Biology

      Volume: 60 Issue: 1 Pages: 39-42

    • DOI

      10.2525/ecb.60.39

    • NAID

      130008158768

    • ISSN
      1880-554X, 1883-0986
    • Year and Date
      2022-01-01
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      2022 Annual Research Report
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    • Author(s)
      Nakai Hiromi、Yasutake Daisuke、Kimura Kensuke、I Kengo、Hidaka Kota、Eguchi Toshihiko、Hirota Tomoyoshi、Okayasu Takashi、Ozaki Yukio、Kitano Masaharu
    • Journal Title

      Environmental and Experimental Botany

      Volume: 196 Pages: 104806-104806

    • DOI

      10.1016/j.envexpbot.2022.104806

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    • Author(s)
      Nomura Koichi、Saito Masahiko、Tada Ikunao、Iwao Tadashige、Yamazaki Tomihiro、Kira Nobuyuki、Nishimura Yasuyo、Mori Makito、Baeza Esteban、Kitano Masaharu
    • Journal Title

      HortScience

      Volume: 57 Issue: 3 Pages: 464-471

    • DOI

      10.21273/hortsci16384-21

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    • Author(s)
      Nomura Koichi、Saito Masahiko、Kitayama Mizuho、Goto Yudai、Nagao Koyo、Yamasaki Hiromi、Iwao Tadashige、Yamazaki Tomihiro、Tada Ikunao、Kitano Masaharu
    • Journal Title

      Agricultural and Forest Meteorology

      Volume: 319 Pages: 108930-108930

    • DOI

      10.1016/j.agrformet.2022.108930

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    • Author(s)
      Nomura Koichi、Wada Eriko、Saito Masahiko、Yamasaki Hiromi、Yasutake Daisuke、Iwao Tadashige、Tada Ikunao、Yamazaki Tomihiro、Kitano Masaharu
    • Journal Title

      HortScience

      Volume: 57 Issue: 7 Pages: 777-784

    • DOI

      10.21273/hortsci16569-22

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    • Author(s)
      Kaneko Takahiro、Nomura Koichi、Yasutake Daisuke、Iwao Tadashige、Okayasu Takashi、Ozaki Yukio、Mori Makito、Hirota Tomoyoshi、Kitano Masaharu
    • Journal Title

      Agricultural and Forest Meteorology

      Volume: 323 Pages: 109036-109036

    • DOI

      10.1016/j.agrformet.2022.109036

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    • Author(s)
      NOMURA K.、SAITO M.、ITO M.、YAMANE S.、IWAO T.、TADA I.、YAMAZAKI T.、ONO S.、YASUTAKE D.、KITANO M.
    • Journal Title

      Photosynthetica

      Volume: 60 Issue: 3 Pages: 457-464

    • DOI

      10.32615/ps.2022.040

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    • Author(s)
      Nomura Koichi、Kaneko Takahiro、Iwao Tadashige、Kitayama Mizuho、Goto Yudai、Kitano Masaharu
    • Journal Title

      Photosynthesis Research

      Volume: 155 Issue: 1 Pages: 77-92

    • DOI

      10.1007/s11120-022-00974-z

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  • [Presentation] ニラ個葉の異なる成長段階における光合成モデルパラメータの分布2022

    • Author(s)
      佐藤寿樹,安武大輔,横山岳,北野雅治,野村浩一,広田知良
    • Organizer
      日本生物環境工学会2022年福岡大会
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  • [Presentation] ニラの葉の成長に伴う光合成産物分配の動態2022

    • Author(s)
      佐藤寿樹,安武大輔,野村浩一,山根信三,北野雅治,横山 岳,広田知良
    • Organizer
      日本生物環境工学会九州支部2022年熊本大会
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 果菜の収量予測に関する学習データ作成装置、機械学習装置、予測装置、方法およびプログラム2023

    • Inventor(s)
      岩尾忠重,野村浩一
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人高知大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-007586
    • Filing Date
      2023
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      2023 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 植物の生理生態情報の推定装置、推定方法およびプログラム装置、機械学習装置、予測装置、方法およびプログラム2022

    • Inventor(s)
      北野雅治,野村浩一,岩尾忠重,齋藤雅彦,山崎富弘,但田育直
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人高知大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-126729
    • Filing Date
      2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 葉温に関する学習データ作成装置、機械学習装置、推定装置、方法およびプログラム2022

    • Inventor(s)
      北野雅治,野村浩一,岩尾忠重,齋藤雅彦,山崎富弘,但田育直
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人高知大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-126931
    • Filing Date
      2022
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      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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