CN101969755B - 筛选茎段的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及筛选具有期望特征的茎段的方法，具体地，本发明涉及筛选禾本科植物(禾本科/早熟禾科)茎段的方法，例如蔗属植物，包括甘蔗。根据本发明的具体实施方式，茎段的筛选，包括用传感器识别每个茎段至少一种特征的步骤；和凭借对所述识别的响应，将包含所述特征的茎段与不包含所述特征的茎段分离的步骤；该传感器的特征是选自压力传感器，电容传感器，超声波传感器，X射线传感器，磁敏传感器，和微波传感器。

Description

筛选茎段的方法

技术领域

本发明涉及筛选具有期望特征的茎段(stem segment)的方法，本发明尤其涉及筛选禾本科植物(禾本科/早熟禾科)茎段的方法，例如蔗属植物，包括甘蔗。

定义

下述说明书和所附权利要求中，使用如下定义：

茎：禾本科植物主茎或茎秆的杆的部分，例如植物的主干，尤其是能长出芽(bud)和嫩枝的主植物轴。

Sett(繁殖段)：具有一个或多个节(node)的茎段、切茎或插枝。

节：禾本科植物的茎上能够形成芽或胞芽的位置。

芽或胞芽：禾本科植物的胚、孢子或芽胞。

发芽/萌发：从芽中生长出新的植物。

背景技术

禾本科植物(禾本科/早熟禾科)通常由茎形成，所述的茎在长度方向上包含数个节和节间。节包含植物的芽(或胞芽)，可产生新的植物，例如农作物。

禾本科植物的例子包括竹(竹亚科，例如毛竹属和青篱竹属)、甘蔗(蔗属)、和其他草类(例如象草(紫狼尾草属))。

尤其就甘蔗而言，由于通过发酵此类植物获得的醇类可作为可再生和无公害燃料，所以其作为一种化石燃料的替代品而受到媒体的高度关注。甘蔗的种植面积在世界各地持续扩大并且对生产醇类工厂投资的增加也在增长。

甘蔗的种子是干的单籽果或是由单果皮形成的颖果、子房壁(囊果皮)连同种壳(外种皮)形成一个单位。其种子是卵形的，黄棕色且非常小，约1mm长。

然而，甘蔗种子只在特定环境特征下发芽，例如长期温暖且潮湿气候的条件。这样的气候条件并不是所有甘蔗生长的地方都具有的，因此并不总能保证甘蔗的发芽。商品农业中，不是通过播种或种植甘蔗的种子，而是通过种植茎段(或茎秆的一部分或杆或幼苗)来生长繁殖甘蔗。如上所述，甘蔗的茎、以及禾本科植物的茎包含从中能长出新植物的若干节。

因为节包含在茎内，所以甘蔗的传统种植方法涉及保留一定的作物面积用作重栽植物源。用于重栽的植物被收获并在随后被切割成约20-50cm的段以保证每个茎段(sett)至少包含2个节。需要切割茎以打破顶端优势，否则如使用全长(未切割)茎可能导致发芽不良。茎段被切割成至少具有2个芽以确保萌发，因为不是每个芽都能萌发。当前用于切割甘蔗段的机器不能识别茎的任何特征，因此切割点的确切位置是随机确定的。

切割之后，将sett彼此水平重叠放置在犁过的土壤的犁沟中，在地平面上具有通常的宽和深(40到50cm宽和30到40cm深)，随后用土壤轻轻覆盖。

虽然这种种植技术直至今日仍在使用，但整个过程相对低效，因为很多茎段必须各自具有2-4个节，以保证发芽。结果是需要大面积的农田用于重栽，并因此占用了那些本可用于种植农作物和生产醇类或糖类的面积。因此，需要提高甘蔗种植技术的效率。

发明内容

当前技术中，通常甘蔗茎被随机地切成长度为约20cm至50cm之间的茎段，此长度可确保包含2-4个节。这是因为不是所有的节都会发蕾。然而，现已发现，当种植前用特定肥料和其他化合物处理后，具有单个节的短茎段上的芽也有可能萌发。

所以，期望通过减少每个茎段上的节数来增加禾本科植物，尤其是甘蔗的种植和发芽效率。还期望通过鉴别茎的相应特征来避免种植已受损的芽或段，包括受损、病害或腐烂的茎，由此改善植物的萌发效率。

虽然可以人工将茎无损伤地切割成具有单个节的茎段，但由此会导致生产力降低和/或必须使用大量人力仅仅用于切割茎，必然增加此种植过程的费用。

因此，还期望提供一种自动且受控地选择具有期望特征的茎段的方法，特别是那些包含一个芽并且没有损伤的茎段。另外一个目的是选择包含不期望特征的茎段，例如存在病害、虫害、或腐烂的茎段，以免对此类不太可能具有可用芽的茎段进行重栽。

公开号为4-258300的日本专利申请描述了一个使用光学传感器技术根据茎的厚度将甘蔗茎进行分类的系统。然而，光学传感器要求清除茎截面全部的叶组织以使其能准确检测节或芽。清除茎截面的方法很耗时，并可能伤害由节处正发育的芽。另外，光学传感器只能检测茎外部可见的差异，因此不适于检测存在病害、腐烂或虫害侵扰的茎。

附图说明

将结合参考了附图的具体实施例描述本发明，在附图中：

图1到5是例证茎特征识别的图示；和

图6是示出了传感器装置的具体实施例的框图。

具体实施方式

为达到以上目的，尤其建议使用一种切割和选择包含至少一个特征的茎段的方法。根据本发明一个实施例的所述方法包括用传感器识别茎段至少一种特征的步骤；以及凭借对所述识别的响应，将包含所述特征的茎段与不包含所述特征的茎段分离的步骤；其特征在于，所述传感器从由压力变换器传感器、电容传感器、超声传感器、x射线传感器、磁性传感器、和微波传感器组成的组中选出。

根据本发明的方法，第一步包括用传感器识别茎段的至少一个特征。“识别每个茎段的至少一个特征”应当被解释为通过识别装置识别出茎段的一个或一个以上的特征。

此类特征中的一种是茎段内存在节或芽。也可通过传感器识别其他的特征，例如存在损伤或由如害虫引起的疾病、或腐烂的部分。侵害禾本科植物尤其是甘蔗的害虫的例子是：

-寄生蝇属，诸如小蔗杆草螟和鳞翅目。

-蚜虫，诸如玉米缢管蚜和甘蔗黄蚜。

-甲虫，诸如Migdolus fryanus；Sphenophorus levis；Diloboderus spp；Euetheola spp；Ligynus spp、Stenocrates spp、植鳃金龟属；鳃角金龟属等以及个别种类的金龟科。

-白蚁，诸如白蚁科，Cornitermes genus(例如C.cumulates)；和犀白蚁科(例如Heterotermes tenuis和H.longiceps)。

-线虫，诸如根结线虫属，helycotilenchus spp.和草地垫刃线虫属。

-毛虫，诸如Elasmopalpus lignosellus、斜纹夜蛾和Mods latipes。

-蝉，诸如Notozulia entreriana、Deois schach、Aeneolamia selecta、Deoisflavopicta、Mahanarvafimbriolata、Mahanarva posticata和Kanaina vittata。

上述的害虫可造成茎结构的改变。茎结构的这类改变可通过识别装置经验性检测。或者，茎可能腐烂，其内部结构也可能受到损害。无论如何，所述非期望的特征也可通过传感器检测。

因此，传感器可以检测至少一个特征的存在，无论是例如存在茎的节或芽的期望特征，还是存在例如损伤、病害或腐烂茎段的不希望特征，由此将那些具有期望特征的茎段与不包含所述期望特征的茎段分离。

作为替换，也可同时识别茎段上一个以上的特征。例如传感器可识别一个茎段中的期望特征，例如存在节，并且附带识别茎段中不期望的特征，例如存在病害或腐烂茎段。即使茎段包含期望特征，但不期望的特征的同时存在也会导致该茎段从那些仅包含期望特征的茎段中分离。

使用传感器作为识别装置来进行所述识别步骤。传感器从由压力变换器传感器、电容传感器、超声传感器、x射线传感器、磁性传感器、和微波传感器组成的组中选出。在一个实施方式中，传感器从由选自x射线传感器，微波传感器和电磁传感器组成的组中选出。在另一个实施方式中，传感器是x射线传感器或磁性传感器。在一个实施方式中，传感器是微波传感器。在另一个实施方式中，传感器是x射线传感器。在另一个实施方式中，传感器为磁性传感器。适宜地，磁性传感器是电磁传感器。

传感器可被经验性调节以在茎段包含可识别特征时产生响应。所述特征可以是茎上节的存在。

例如，当使用电磁传感器时，通过传感器捕获电磁场中电磁波的变化来识别茎上的节。正如本领域技术人员已知的，不同材料或元件在同一电磁场能引起不同的电磁波响应。某一材料反射的电磁波能够被转换成使该材料的特征被识别的模式。例如，这也是用于诊断人体内部组织的电磁谐振仪器的原理。

使用电磁传感器，测量两金属表面之间的磁共振频率，频率被变换器解释。具体对于甘蔗，节具有比茎的其他部分更强的硬度和更少的水份。从而由于节较低的含水量和较高的硬度(纤维含量)，其能够产生与茎的其他部分不同的电磁波响应，因此可以使用电磁场来识别节。损伤、患病或腐烂的切茎由于相对于茎的其余部分呈现不同的纤维和水含量，因此也能被检测。

使用的传感器也可以是x射线或微波传感器，这两种传感器对于沿着茎长度方向具体特征具有不同的响应。例如，x射线传感器可检测节内有机组织的不同浓度或类型。因为微波对水分子敏感，微波传感器对节内较低的水含量可具有不同的响应。

同样的原理可用来识别损伤的茎段、腐烂的茎段、或存在病害或虫害的茎段。

根据本发明的一个具体实施例，下面的描述涉及电磁传感器的使用。

为了生成数字数据输出(供PLC或CNC使用以控制仪器)，取决于传感器读数的响应，该传感器(24)与一装置相连接，该装置具有生成电磁场并且还收集和编译由该传感器产生的数据的功能。

传感器装置的例子在图6中示意性地表示。本领域技术人员容易理解，该传感器装置是实施例的一个例子，并且取决于传感器读数可以对其做出许多改变来产生数字数据。

根据该实施例，所述装置包括频率发生器(21)、变压器(22)，频率滤波器(23)、信号放大器(25)、可编程数字处理器(26)和数字输出(27)。高频发生器(21)可以是生成能够在传感器内产生电场并由此产生磁场的高频正弦电波的任何合适装置，下面将更详尽地解释。正弦波可以是交流电，优选具有相对较高的电压和较小的电流。取决于想要识别的甘蔗茎特征对电磁波的响应，本领域技术人员可经验性地确定电流和电压。

因为频率电发生器(21)通常产生相对较低的电压，所以可以可选地在频率发生器之后使用升压变压器(22)以增加电压。

已经观察到在电压为约10到2,000Vpp(峰峰伏特)，优选是在约50到1,500Vpp之间，更优选约150Vpp，适于在传感器中产生电磁场以识别茎的特征。已证明电流设置在约50到500mA(毫安)范围之间，优选在约100到250mA之间，更优选地约200mA，适于识别茎的特征。本领域技术人员同样可确定用于发生器的频率，并且根据该具体实施方式，合适的频率在约800kHz到7.2MHz之间，优选在约1MHz到3MHz之间，更优选约2MHz。

所述的范围是示例性的，并且电压、电流和频率可由本领域技术人员根据茎的种和期望识别的特征凭经验确定。

如上所述的升压变压器(22)可用来增加频率发生器产生的电压。取决于发电机的电压输出，变压器可根据需要增加电流以获得期望的电压。例如，变压器可将电压增加1倍到20倍，如果用高频发生器产生的信号具有约10Vpp，则优选约15倍。考虑到上述范围，变压器输出的放大的信号约为150Vpp。

正如本领域技术人员可以实现的，如果由发生器产生的电流和电压适于在传感器中制造可检测的电磁场，特别是在以上例示的电压、电流和频率范围内的电磁场，那么也可以不使用变压器。

来自发生器和变压器的信号注入频率滤波器(23)，如本领域技术人员所理解的，频率滤波器(23)的功能是识别由传感器产生并检测的电磁波的变化。

由于甘蔗变化的物理性质，尤其是茎长和直径的改变(甘蔗的茎很少成直线)，已证明利用上述传感器检测茎的期望特征是有效的。

适宜地，传感器包含其间通过甘蔗茎的至少两个金属表面。表面间的距离可改变以适应茎直径的变化。所述表面可采取任意形态，例如碟状、条状、块状、盘状、筒状等。可选地，所述表面可在茎通过其间时给茎施加压力，以便茎接触到两个表面。这样便于节的检测，因为茎的直径在节的位置略宽，比茎的其他部分略凸出，这就使得若使用压力传感器，当节通过两表面之间时，会检测到一个或两个表面的轻微运动。可通过任何合适的方法施加压力，例如弹簧、压缩空气、水压等等。在一个实施例中，所述表面可采用圆筒状。可选地，所述圆筒的至少一个具有截头圆锥体形以便于甘蔗茎进入传感器单元并在表面间对准。

在一个具体实施方式中，电磁传感器具有圆筒形的主体并由多个金属电极形成，所述金属电极由金属薄板制成并能够产生电磁场。电极以规则间隔沿着圆筒形主体周长在一端固定，所述圆筒形主体优选由绝缘材料(例如聚合物)制成以避免干扰电磁场，电极的另一端是允许甘蔗茎穿过的自由端。

在另一实施例中，电磁传感器由甘蔗茎(40)在其间通过的两个金属圆筒形成。当甘蔗节通过圆筒间时，电磁波响应会有小的变化，该变化可被检测并用于证实是否存在一个节。

图1公开了使用电磁传感器识别茎段期望特征的波形图，图中所述特征是甘蔗茎段上节的存在。

该图示出了当甘蔗茎通过电磁传感器时电压随着时间的变化。在t₁时，没有甘蔗茎通过传感器，并且电压V₀为高。当茎段开始通过传感器时，电压下降(t₂时V₁)，并且由于节相对于茎的平均含量包含较少水分且更坚硬，可造成电磁波的波动，这能在t₃被检测到。在节通过后，信号在t₄稳定并且在t₅茎段离开传感器时电压再次增加。

这一例示波形用于描述仅包含一个节的茎。正如本领域技术人员会理解的，对于包含一个以上节的切茎，将重复t₂到t₃的模式直至结束于t₅的切茎末端。

在图5中例示的信号被滤波器(23)分离后，波形可被放大，转换为模拟衍生信号(图4)，随后转换为数字信号以生成数字数据输出(27)(图5)。数字数据输出(27)由可编程处理器(26)生成，所述可编程处理器(26)用于解释模拟信号，将模拟信号转变成数字信号以产生表示期望识别的茎特征(例如该例中的节)的数字数据。数字数据输出(27)连接至PLC或CNC(30)以控制将期望茎段从不期望茎段中分出的过程。

该波形可用来识别包含一个例如期望用于甘蔗种植的节的茎段。

其他模式，例如分别公开于图2和图3的模式，各自例示了可指示不期望茎段的特征波形。例如，图2例证了节靠近其边缘的茎段，该节可能被切割法损害并且因为其不可能产生能活芽所以该茎段不适于种植。图3例证了不包含节的茎段，因此其也不适于种植。

因此，基于这些可以凭经验确定的模式，可以生成期望选择的茎段的响应。重要的是从不期望茎段中筛选出期望茎段，以保证仅种植很可能具有活芽的茎段，由此最大化种植效率。

传感器响应和传感器装置生成电信号(诸如数字数据输出(27))并且将该信号发送到控制装置(30)，例如PLC或CNC，所述控制装置(30)将控制分离装置对茎段的分离。所述分离装置可以是将包含期望特征的那些茎段与不包含所述特征的茎段分离的任何适合装置。这类分离装置包括但不限于根据传感器响应把茎段传送到不同的路径以将其分离的气压缸。也可使用液压缸或电驱动杆将茎段传送到不同的路径将其分离。分离装置可由本领域技术人员确定。

在另一实施例中，本发明的方法更还包括在识别茎段之前的额外步骤，即将茎段切割成预定长度。如前所述，所述茎可为禾本科植物的茎，例如竹(竹亚科，例如毛竹属和青篱竹属)，甘蔗(蔗属)，和其池草类(例如象草(紫狼尾草属))。适宜地，所述禾本科植物是甘蔗。

切割可以手动或通过自动装置用机械方法完成。切割优选用自动装置完成。甘蔗收获机，除从土壤中收获甘蔗外，通常还去除叶并将茎切割至预定长度。可对收获机进行调节以控制茎的切割长度。切割可以在收获时或在随后进行。例如，本发明可配合现有的收获技术使用，其中收获的茎段随后被切割成更短的茎段并被分类为期望的和不期望的茎段。

在一个可选实施例中，本发明的方法还包括在识别茎段之前的额外步骤，即将茎随机地切割成段，也就是说，切割步骤是不包括除了切割甘蔗茎段长度外的任何参数的定义。如果切割被随机进行，那么一些茎段将包含芽，一些将不包含，并且一些芽会被切割所损害。

茎段的长度可根据特定条件改变，例如甘蔗种类或期望茎包含的特征。更具体地，该特征是茎段上节的存在。

如上所述，当使用充足肥料和其他化合物处理茎段时，茎段上只存在单个节可有利于改善禾本科植物的萌芽和种植效率，特别是甘蔗。

因此，茎段的长度应当是允许芽在茎段上萌发的足够长度。已观察到茎段为约2到约12cm，优选是从约3到约8cm，更优选从约3.5到约4.5cm，优选约4cm，适于保证茎段上芽的萌发。精确的段长不是关键的，并且上述长度可被解释为近似值。

也已凭经验观察到当以上述范围切割茎段时，损失的茎段(由于随机切割导致不包含芽或包含被损伤芽的茎段)约为60％。这意味着损失了茎总长度的约60％，该损失部分既包括不包含至少一个芽的部分也包括包含被损伤芽的部分。剩余的40％是包含至少一个芽的茎段。

在另一实施例中，当电在本发明的方法中使用磁传感器时，在茎段通过传感器前对茎段施加水，以提高茎的电导率并由此识别茎的期望或不期望特征。例如可通过用水对其喷雾或在其感测和切割前通过水浴完成对茎的润湿。

本发明可使用任何合适装置切割茎。例如，切割装置可以包括一个或多个刀、镰刀、圆形锯、等离子弧焊枪或激光切割系统。适宜地，切割设备具有高吞吐量以允许快速切割茎。为提高切割吞吐量，可同时使用一个以上的切割设备同时切割多个茎，或同时对单茎进行多次切割。切割设备的激活可以是任何合适设备，例如伺服电动机、气压缸、液压缸等。

在另一替换实施例中，茎段可以在识别步骤之前被垂直或水平地在传送带上传送，例如使茎段一个接一个地对准。对准有助于识别带有至少一个特征的茎段的后续步骤。

正如本领域技术人员能够了解的，本发明的方法可以增加禾本科植物，特别是甘蔗的生产率和种植效率，因为其允许以自动过程识别包含一个节的茎段和/或分离包含不期望特征的茎段，例如存在病害、虫害或腐烂的茎段。

应当清楚，尽管已经结合特定实施例描述了本发明，本领域但是技术人员可以进行许多技术上和结构上的变化而不背离本发明的范围。因此，所附权利要求应被解释为覆盖了本发明范围和特征之内的全部等效方案。

Claims (14)

1.一种从植物的茎中筛选出茎段的方法，被表征为包括以下步骤：

-用传感器识别茎中的茎段的至少一个特征的步骤，其中所述特征是茎段上节的存在、茎段上的损坏、茎段上疾病的存在、茎段上害虫的存在、或者腐烂的茎段；和

-凭借对所述识别的响应，将包含所述特征的茎段与不包含所述特征的茎段分离；

其特征在于所述传感器从由压力变换器传感器、电容传感器、超声传感器、x射线传感器、磁性传感器和微波传感器组成的组中选出。

2.根据权利要求1的方法，其中所述茎段来自甘蔗茎、竹茎、或象草植物茎。

3.根据权利要求1的方法，其中多于一个的特征被同时识别。

4.根据权利要求1的方法，其中还包括在识别步骤之前将茎切割成预定长度的段的步骤。

5.根据权利要求1的方法，其中还包括：在识别步骤之前随机地将茎切割成段的步骤。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中茎段被切割为2到12cm的长度。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其中茎段被切割为3到8cm的长度。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其中茎段被切割为约4cm的长度。

9.根据权利要求1的方法，还包括在识别茎段的所述特征前润湿茎段的步骤。

10.根据权利要求1的方法，其中所述传感器是x射线传感器。

11.根据权利要求1的方法，其中所述传感器是磁性传感器。

12.根据权利要求11的方法，其中所述传感器是电磁传感器。

13.根据权利要求1-5和9-12中任一权利要求的方法，其中还包括在识别步骤之前传送和对准茎段的步骤。

14.根据权利要求1的方法，其中分离步骤根据对所述识别的响应，使用气压缸、或液压缸或驱动杆将茎段传送到不同的路径。

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