CN101881720B - 基于力矩的生物量活体检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于力矩的生物量活体检测装置，其包括：传感器模块，包括力矩传感器，用于获取待测作物受到外力时的回弹特性；支撑模块，所述传感器模块位于其上，用于支撑所述传感器模块；数据采集分析模块，与所述传感器模块连接，用于根据传感器模块获取的回弹特性获得待测作物的生物量。本发明提供的基于力矩的农作物生物量活体检测装置，相比于落盘式测定仪，可进行连续测量，相比于摆式生物量测定仪，没有摆动部件，没有对挂载平台匀速移动的要求，具有便携性，测量结果精确、可靠，特别适于育种过程中对小块地的农作物生物量测量。
Description
技术领域
本发明涉及农作物生物量测量技术领域，特别是涉及一种基于力矩的生物量活体检测装置及方法。
背景技术
在农作物田间观测的农艺参数中，生物量是反映作物生长状况的重要指标。生物量(biomass)是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质总量，狭义的生物量仅指以重量表示的，可以是鲜重或干重。生物量是反映作物生长状况的重要指标，与植株的抗逆性、抗病性相关。一般情况下，生物量越大，产量越大。因此，在农作物育种过程中快速检测生物量对于筛选种质资源、优化品种具有重要意义。
传统农作物生物量测定方法是将收割后的植株在室内烘干后测定其干重。这种方法准确可靠，但具有破坏性，不利于在育种过程中使用。农作物的生物量与其种植密度、株高、茎粗、叶片分布等相关。
通过测定作物在外力的作用下的形变可以预测其生物量。在外力的作用下，其形变与重量有一定关系。目前基于此原理的生物量检测仪有两种，即：落盘式测定仪和摆式计。
落盘式测定仪(见非专利文献，Jerry H.Scrivner，D.MichaelCenter，Milton B.Jones，A Rising Plate Meter for Estimating Productionand Utilization，Journal of Range Management，1986，39：475-477)主要用于牧草测量，它的基本原理是：当具有一定面积和质量的圆盘由上而下落到草地上时，由于牧草的支撑而使圆盘停留在距离地面的一定高度上。圆盘所停留的高度是牧草受重力压迫后的高度(简称压缩高度)，这一高度既与牧草生长高度有关，也与牧草的密度有关，即压缩高度是草地植被自然高度和密度的函数，可同时反映高度和密度2项指标。如果在测定牧草压缩高度的同时也测定相应的牧草产量，就可以建立二者的回归关系。通过此回归关系，即可将在相同草地测得的压缩高度换算成牧草产量。目前落盘式测定仪已由新西兰WMC公司大量生产。
德国农业工程研究所设计的一种摆式生物量检测仪(见非专利文献，D.Ehlert，V.Hammen，R.Adamek，On-line Sensor Pendulum-Meterfor Determination of Plant Mass，Precision Agriculture，2003，4，139-148)，也称为摆式计(Pendulun-Meter)。它是从侧面对植物施加一定外力，使之发生形变，形变与重量也有关联。打个比方，轻的物体容易推动，而重的物体难以推动。该仪器在拖拉机前端悬挂一个摆杆，拖拉机在匀速前进过程中摆杆接触农作物，压迫作物使之发生一定的形变，由于作物回弹力的作用，摆杆的角度发生变化，角度变化与作物种植密度、高度、粗壮程度等密切相关，而这些因素与生物量之间也有关联，通过角度传感器实时测定角度的变化，建立角度与生物量之间的模型，即可实时测定生物量的大小，相关系数达0.89，系统的测量速度在0.5-3.5m/s，该生物量测定仪已经进入商业化生产。
落盘式测定仪适于高密度低矮生长的植物，因而主要适于牧草生物量的测定，目前也主要用于人工割草地和人工放牧地的产量测定。落盘式测定仪只能单点测量，对于植物不均匀的地块，只能通过多点测量取均值的方法尽量减小误差，难以对田间农作物进行连续测量。
德国的基于角度测量原理的生物量测定仪由于采用拖拉机作为平台，数据采集部分由置于驾驶室内的电脑实现，并且行进速度很快，仅适合于大田测量，比如作为精准施肥中的作物长势传感器使用，难以满足育种过程中小群体生物量测定的要求。摆式生物量测定仪采用摆杆这一摆动部件，由于地面的不平整导致的拖拉机发生起伏，易使摆杆发生震动，从而造成测量噪声，影响测量结果的准确度。另外，摆式生物量测定仪要求拖拉机作匀速运动，速度的不均性对测量结果的影响很大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种基于力矩的生物量活体检测装置和方法，实现育种过程中小块区域内的农作物生物量活体无损测量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，提供一种依照本发明实施方式的基于力矩的生物量活体检测装置，其包括：
传感器模块，包括力矩传感器，用于获取待测作物受到外力时的回弹特性，所述回弹特性包括待测作物所受作用力相对于所述力矩传感器的力矩；
支撑模块，所述传感器模块位于其上，用于支撑所述传感器模块；
数据采集分析模块，与所述传感器模块连接，用于根据传感器模块获取的回弹特性数据获得待测作物的生物量。
优选地，所述传感器模块还包括触杆和竖直的支杆，所述力矩传感器与所述触杆通过所述支杆连接，所述触杆和支杆通过套筒或螺钉固定。
优选地，所述支撑模块包括两块固定在地面上并具有间隔的固定底板、分别垂直设置于所述固定底板上的支架，以及垂直设置于所述支架上的水平导轨，所述力矩传感器可滑动地位于所述水平导轨上。
优选地，所述支架和水平导轨之间设置有斜筋。
优选地，在所述支杆上设置有若干安装孔以调节所述触杆与农作物接触的相对位置关系。
优选地，所述力矩传感器为静态扭矩传感器。
优选地，所述数据采集分析模块包括分析单元、存储单元和显示单元，分别用于回弹特性数据的分析、存储和显示。
本发明还提供了一种基于力矩的生物量活体检测方法，其包括步骤：
S1，在测量区域内，当触杆扫过待测作物时，利用力矩传感器获取触杆和待测作物之间的作用力相对于所述力矩传感器的力矩；
S2，数据采集分析模块根据所述力矩传感器采集到的力矩及生物量预测模型获得该测量区域内的作物的生物量数据，显示并存储所述生物量数据值；
S3，计算测量区域所在地块的生物量平均值及变化曲线。
优选地，所述步骤S2包括生物量预测模型开发：
S2-1，选择有代表性的作物样品，包括不同地块、不同品种、不同生育期的作物样品；
S2-2，利用生物量活体检测装置测定包括力矩的参数；
S2-3，利用烘干法测定作物的生物量；
S2-4，根据步骤S2-2和S2-3中获得的数据，利用化学计量学方法建立力矩大小与作物生物量之间的数学模型。
优选地，所述步骤S2还包括：
S2-5，校正作物品种、生育期、土壤含水以及紧实度对所述数学模型的影响。
(三)有益效果
本发明提供的基于力矩的农作物生物量活体检测装置，相比于落盘式测定仪，可进行连续测量，相比于摆式生物量测定仪，没有摆动部件，没有对挂载平台匀速移动的要求，具有便携性，测量结果精确、可靠，特别适于育种过程中对小块地的农作物生物量测量。本发明也具有较强的适用性，本发明提供的检测装置，也可将传感器模块及数据采集系统挂载在拖拉机上，实现大范围测量，广泛用于精准农业中灌溉、施肥、喷药中的作物长势信息获取。
附图说明
图1是依照本发明实施例的基于力矩的生物量活体检测装置的结构示意图；
图2是依照本发明实施例的基于力矩的生物量活体检测方法原理示意图。
其中，1：支架；2：导轨；3：力矩传感器；4：支杆；5：触杆；6：小麦；7：固定底板；8：斜筋；9：数据线；10：数据采集分析模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示为依照本发明实施例的基于力矩的生物量活体检测装置的结构示意图，该装置包括传感器模块、支撑模块和数据采集分析模块，传感器模块包括力矩传感器3、触杆5和支杆4，所述力矩传感器3与所述触杆5通过所述支杆4连接，在所述支杆4上设置有若干安装孔以调节所述触杆5与小麦6的相对位置关系，所述触杆5和支杆4通过套筒或螺钉固定；支撑模块包括两块固定底板7，分别垂直设置于所述固定底板7上的支架1，垂直设置于所述支架1上的水平导轨2，所述力矩传感器3可滑动位于所述水平导轨2上，所述支架1和水平导轨2之间设置有斜筋8；所述数据采集分析模块包含生物量预测模型，模型开发通过实验及数据挖掘方法获取，用于回弹特性数据的分析、存储和显示，还包括具有模拟信号调理、A/D转换功能的嵌入式平台10及数据线9，数据线9用于连接所述传感器模块和所述数据采集分析模块。
所述力矩传感器3，根据育种实验圃的地块大小及测量尺寸要求，采用电阻应变式静态扭矩传感器，其测量范围为0-20N。
所述支架1上设置有一系列安装孔，可改变导轨2的安装高度，支杆4上也有一系列安装孔，可改变触杆5在力矩传感器3上的安装位置，从而改变触杆5与小麦茎杆的接触位置。触杆5的长度根据实验地的尺寸及每次测量的行数要求确定，可配置的长度为60cm、80cm、100cm、120cm、150cm。触杆5与支杆4之间采用套筒及螺钉固定，方便更换长度。各部件的尺寸组成很多个组合，通过实验选择最佳组合用于实际农作物生物量的测量。针对灌浆期的小麦，优选后的尺寸组合为：水平导轨2距离地面高度120cm，支杆4的安装长度70cm，触杆5长度100cm。
所述嵌入式软硬件平台采用MTK模块，该模块拥有丰富的扩展端口，比如无线数据采集、控制等。该模块自带锂电池不仅可为自身提供电源，还可通过扩展端口为扭矩传感器3供电。模块支持TF卡扩展，拥有大量的数据存储空间，并且带远程无线通讯和USB有线数据传输功能，方便数据的传输。软件平台采用该模块自带的Nucleus实时嵌入式操作系统，该操作系统支持C语言和Java(J2ME)开发环境。在MTK平台中内置小麦生物量预测模型，在测量过程中实时显示并存储数据。
如图2所示为依照本发明实施例的基于力矩的生物量活体检测方法原理示意图。当触杆匀速或慢慢扫过农作物时，农作物侧面受力发生形变，产生反作用力F，F产生沿支杆的分力F’和垂直于支杆的分力，后者产生绕传感器的扭矩M。不同生物量的农作物，其高度、茎粗、种植密度不同，因而会产生不同的反作用力F，从而产生不同的分力F’和力矩M，通过力矩传感器测量M，并用标准的收割法测定生物量，即可建立生物量与M之间的函数关系，从而实现生物量的无损测定。
在实际测量时，所述生物量测量方法包括步骤：S1，在测量区域内，当触杆扫过待测作物时，利用力矩传感器获取触杆和待测作物之间的作用力相对于所述力矩传感器的力矩；S2，数据采集分析模块根据所述力矩传感器采集到的力矩及生物量预测模型获得该测量区域内的作物的生物量数据，显示并存储所述生物量数据值；S3，计算测量区域所在地块的生物量平均值及变化曲线。
所述的小麦生物量预测模型开发的步骤为：预先选择有代表性的小麦样品，包括不同品种小麦、不同生育期的小麦，利用基于力矩的便携式小麦生物量活体检测装置测定力矩等参数，再用国标规定的烘干法准确测定小麦生物量，利用获取的实验数据，采用化学计量学方法建立力矩大小与农作物生物量之间的数学模型，所述化学计量学方法包括线性回归、指数回归、对数回归、多项式回归等，并校正不同品种小麦、不同生育期、不同土壤含水及紧实度量等因素造成的影响，从而建立起包含这些影响因素的统计学模型，并覆盖将来的应用范围。将建立的数学模型输入到嵌入式平台中，从而完成配套模型的完善，形成最终的仪器。
由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的基于力矩的农作物生物量活体检测装置，相比于落盘式测定仪，可进行连续测量，相比于摆式生物量测定仪，没有摆动部件，没有对挂载平台匀速移动的要求，具有便携性，测量结果精确、可靠，特别适于育种过程中对小块地的农作物生物量测量。本发明也具有较强的适用性，本发明提供的检测装置，也可将传感器模块及数据采集系统挂载在拖拉机上，实现大范围测量，广泛用于精准农业中灌溉、施肥、喷药中的作物长势信息获取。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：
传感器模块，包括力矩传感器(3)，用于获取待测作物受到外力时的回弹特性，所述回弹特性包括待测作物所受作用力相对于所述力矩传感器(3)的力矩；
支撑模块，所述传感器模块位于其上，用于支撑所述传感器模块；
数据采集分析模块，与所述传感器模块连接，用于根据传感器模块获取的回弹特性数据获得待测作物的生物量。
2.如权利要求1所述的基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，所述传感器模块还包括触杆(5)和竖直的支杆(4)，所述力矩传感器(3)与所述触杆(5)通过所述支杆(4)连接，所述触杆(5)和支杆(4)通过套筒或螺钉固定。
3.如权利要求2所述的基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，所述支撑模块包括两块固定在地面并具有间隔的固定底板(7)、分别垂直设置于所述固定底板(7)上的支架(1)，以及垂直设置于所述支架(1)上的水平导轨(2)，所述力矩传感器(3)可滑动地位于所述水平导轨(2)上。
4.如权利要求3所述的基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，所述支架(1)和水平导轨(2)之间设置有斜筋(8)。
5.如权利要求4所述的基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，在所述支杆(4)上设置有若干安装孔以调节所述触杆(5)与所述力矩传感器(3)的相对位置关系。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，所述力矩传感器(3)为静态扭矩传感器。
7.如权利要求1所述的基于力矩的生物量活体检测装置，其特征在于，所述数据采集分析模块包括分析单元、存储单元和显示单元，分别用于回弹特性数据的分析、存储和显示。
8.一种基于力矩的生物量活体检测方法，其特征在于，所述检测方法包括步骤：
S1，在测量区域内，当触杆(5)匀速扫过待测作物时，利用力矩传感器(3)获取触杆(5)和待测作物之间的作用力相对于所述力矩传感器(3)的力矩；
S2，数据采集分析模块根据所述力矩传感器(3)采集到的力矩及生物量预测模型获得该测量区域内的作物的生物量数据，显示并存储所述生物量数据值；
S3，计算测量区域所在地块的生物量平均值及变化曲线。
9.如权利要求8所述的基于力矩的生物量活体检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括生物量预测模型开发，具体为：
S2-1，选择有代表性的作物样品，包括不同地块、不同品种、不同生育期的作物样品；
S2-2，利用如权利要求1-5、7任一项所述的生物量活体检测装置测定包括力矩的参数；
S2-3，利用烘干法测定作物的生物量；
S2-4，根据步骤S2-2和S2-3中获得的数据，利用化学计量方法建立力矩大小与作物生物量之间的数学模型。
10.如权利要求9所述的基于力矩的生物量活体检测方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
S2-5，校正作物品种、生育期、土壤含水以及紧实度对所述数学模型的影响。
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