CN102636426B - 手持式生物量测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种手持式生物量测定装置，包括：水平推杆、压力传感器、竖直连接杆、横梁、采集模块和两根悬挂背带；所述压力传感器置于水平推杆与竖直连接杆之间，用于获取作物形变时产生的回弹力的大小；所述横梁末端与竖直连接杆上端连接，用于握持该装置；所述两根悬挂背带，一根挂在脖颈，一根系在腰间，用于保持水平推杆处于水平状态；所述采集模块置于横梁上并与压力传感器连接，采集模块中内嵌作物生物量预测模型，根据所述压力传感器采集到的作物回弹力电压信号对生物量进行测定。本发明采用手持式装置具有便携性，测量快速、无损等特性，且测量结果准确可靠，特别适用于田间育种过程中对小地块中小群体农作物生物量的检测。

Description

手持式生物量测定装置及方法

技术领域

本发明涉及农作物生物量的测定，具体涉及一种手持式生物量测定装置及方法。

背景技术

在农业科学领域，农作物田间观测农艺参数中，经常需要对作物进行某种处理，生物量是反映作物生长状况的一种指标。生物量是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质重量，狭义的生物量仅指以重量表示的，可以是鲜重或干重。作物生物量包括地上部分茎叶花果实种子、地下部分的根或地下茎。生物量越大，产量越高，因此，采用快速无损生物量测量对筛选种质资源具有重要的意义。

按照常规的方法，测定作物生物量是采用挖苗、收割、去除土进行称重(干重或鲜重)来研究作物在不同生育阶段的生物量变化。这种传统的作物生物量测定方法准确可靠，但需要种植大量的作物以便满足作物在不同生育期的实验需求，且破坏性极强，不能在育种过程中使用。

近年来，也有学者展开对作物活体生物量的研究，如专利号CN200710178526.9介绍的一种测定作物活体生物量变化的装置，将待测作物种植在特制的容器中，容器置于称量设备上，可达到连续跟踪研究作物生物量动态变化的目的。该装置主要适用于室内科学实验研究，将待测作物人工种植在特定容器中作连续监测研究，且用于检测单株作物生物量的生长变化。因此，该装置不能用在田间、群体作物生物量的现场测定。

通过测定作物在外力的作用下的形变也可以预测其生物量。基于这种力学特性，国外已开发出商业化的落盘式测定仪和摆式计(Pendulun-Meter)。落盘式测定仪(见非专利文献，Jerry H.Scrivner，D.Michael Center，Milton B.Jones，A Rising Plate Meter for EstimatingProduction and Utilization，Journal of Range Management，1986，39：475-477)主要用于牧草测量，利用测定的压缩高度与草地植被自然高度及密度建立函数关系，最终换算成牧草产量。该测定仪已由新西兰WMC公司批量生产。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-lineSensor Pendulum-Meter for Determination of Plant Mass，PrecisionAgriculture，2003，4，139-148)，也称为摆式计(Pendulun-Meter)，利用测定摆杆角度变化与作物种植密度、高度等建立函数关系，最终建立摆杆角度与生物量之间的关系，即通过测定摆杆角度直接反应该生物量大小。“落盘式测定仪”适于高密度低矮生长的植物，因而目前主要用于牧草生物量的测定。该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，难以对生长较高的田间农作物连续测量。“摆式计”采用拖拉机作为挂载平台，数据采集部分由置于驾驶室内的笔记本电脑实现，并且行进速度很快，仅适合于农业生产中大田测量，难以满足育种过程中小地块生物量精细测定的要求。

国内目前只检索到申请号为201010206484.7的基于力矩的生物量活体检测装置及方法的发明专利，用于田间活体无损生物量检测。该发明基于力矩原理，采用扭矩传感器结合导轨式测量装置，该装置将触杆安装于平行导轨上，触杆在导轨上平稳运行过程中迫使作物茎秆受力，产生回弹力作用于触杆，使得支杆产生绕扭矩传感器的力矩，数据采集系统获取力矩的数据。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。该发明采用导轨式装置，虽然采用了便携式设计，但需要至少两人才能实现导轨的搬运，田间现场操作时导轨的安装、调整比较费时。为了避免踩踏、损坏作物，需将仪器抬离作物株高以上(对于小麦，至少应高于80cm)的位置搬运，增大了搬运难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是针对田间作物生物量活体检测的需求，提供一种基于生物力学特性的手持式生物量测定装置及方法，实现便携、活体、无损、快速测量，实现单人测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种手持式生物量测定装置，包括：水平推杆、压力传感器、竖直连接杆、横梁、采集模块、悬挂背带和水平准直器；

所述压力传感器置于水平推杆与竖直连接杆之间，用于获取作物形变时产生的回弹力的大小；

所述横梁末端与竖直连接杆上端连接，用于握持该装置；

所述两根悬挂背带，一根挂在脖颈，一根系在腰间，使用时与水平推杆形成一个三角形，用于保持水平推杆处于水平状态；

所述水平准直器，安装于横梁前端，用于测量过程中不断观测调整，以保持水平推杆的位置水平。

所述采集模块置于横梁上并与压力传感器连接，采集模块中内嵌作物生物量预测模型，根据所述压力传感器采集到的作物回弹力电压信号对生物量进行测定。

优选地，所述水平推杆两端设有塑料顶塞，用于避免测量过程中划伤叶片或增大摩擦导致发生卷叶现象。

优选地，所述压力传感器设置有防护外壳；防护外壳的外形尺寸及定位尺寸根据压力传感器的安装尺寸确定，通过十字槽螺钉将压力传感器及防护外壳固定在竖直连接杆上，并将水平推杆与防护外壳及压力传感器紧固。

优选地，所述横梁上设有手持部位，操作时能够增大手与横梁之间的摩擦，避免手与横梁发生相对滑动。

优选地，所述横梁为伸缩式横梁，采用按钮控制式伸缩结构，通过按压伸缩按钮达到松开和压紧，可根据操作人员的习惯调节手握位置。

优选地，所述横梁还设有容纳盒；容纳盒内包括组合电池、放大器和连接电线；容纳盒上设有进线孔，进线孔的内壁与横梁的外壁贴合并固定。

优选地，该装置还包括2根悬挂背带，与横梁连接，2根悬挂背带都可根据操作人员的需要调节背带的长短。

优选地，所述采集模块通过承载装置与横梁连接；承载装置的承载部分与支撑杆之间采用旋转部件，使承载的采集模块可根据操作人员视角的不同调节合适的倾斜角度。

本发明还提供一种手持式生物量测定方法，采用上述的手持式生物量测定装置，包括步骤：

在作物田里选定若干个测量区域，划定每个区域的面积，将区域划定为2组，选择第一组用于生物量模型建立的分析数据，第二组用于模型验证评估；

在作物的不同生育期内使用所述手持式生物量测定装置对作物进行快速无损活体生物量测量，每个区域内分别采集若干个作用点测量高度下的回弹特性数据；

对标定的各区域进行作物鲜重的测量；

采用回归分析法，分别对第一组区域、在所述作用点测量高度采集的回弹特性数据进行取平均值和区域内的极大值点取平均即波峰均值，分别将这两个数据作为自变量x₁，x₂；第一组区域作物鲜重作为因变量x；建立x1，y和x2，y之间的回归方程，分析变量之间的相关性；

根据数据分析结果，选择其中相关系数最大的一组数据作为作物回弹特性与生物量关系的最终模型，并根据第二组区域的数据进行模型验证评估。

(三)有益效果

本发明提供的基于生物力学特性研制的作物生物量快速无损活体手持式检测装置及方法，相对于落盘式测定仪，可进行连续测量。相比摆式计测定仪，没有摆动部件，没有对挂载平台匀速运动的要求。相比基于力矩的便携式生物量活体检测仪，没有导轨部件，在田间不用为仪器的搬运而担忧。本发明采用手持式装置具有便携性，可单人操作完成，测量快速、无损等特性，且测量结果准确可靠，特别适用于田间育种过程中对小地块中小群体农作物生物量的检测。

附图说明

图1为本发明手持式生物量测定装置一实施例的总装配示意图；

图2为本发明中容纳盒内部组成结构示意图；

图3为本发明中采集模块的承载装置结构示意图；

图4为本发明手持式生物量测定方法一实施例中区域内峰值均值的取法示意图；

图5为本发明一实施例中50cm处采集的弹性特性与生物量之间的线性关系示意图。

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，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的手持式生物量测定装置包括水平推杆1、压力传感器3、竖直连接杆6、横梁9、采集模块13、两个悬挂背带(14)和水平准直器(11)。所述压力传感器(3)置于水平推杆(1)与竖直连接杆(6)之间，用于获取作物形变时产生的回弹力的大小；所述横梁(9)末端与竖直连接杆(6)上端连接，用于握持该装置；所述采集模块(13)置于横梁(9)上并与压力传感器(3)连接，采集模块(13)中内嵌作物生物量预测模型，根据所述压力传感器(3)采集到的作物回弹力电压信号对生物量进行测定。

本实施例中以小麦的生物量测量为例。

所述水平推杆1两端设有塑料顶塞2，弥补管材切割过程中有毛边的缺陷，避免测量过程中划伤叶片或增大摩擦导致发生卷叶现象。水平推杆1采用Φ30长60cm的铝合金空心管材，壁厚1mm。

所述压力传感器3，根据小麦的测量区域面积及小麦茎秆的回弹特性，采用量程为1kg压力传感器，接收小麦茎秆回弹力信号。输出电压信号，通过采集模块13转化成相应的生物量数值，显示在采集模块LED屏幕上，便于实时观察检测区域内小麦生物量的变化。压力传感器3设置有专属的防护外壳5，外壳盖与壳体采用内六角螺钉固定，螺钉完全隐藏于壳体中。防护外壳5外形尺寸及定位尺寸根据压力传感器3的安装尺寸确定，通过十字槽螺钉4将压力传感器3及防护外壳5固定在竖直连接杆6上，将水平推杆1与防护外壳5及压力传感器3紧固。

所述横梁9为伸缩式横梁，其上设有容纳盒7、手持部位橡胶结构8、伸缩按钮10、水平准直器11和采集模块的承载装置12。容纳盒7内有12V的组合电池15，输出电压为0-5V的放大器16和较多的连接电线17，如图2所示。容纳盒7上有进线孔18，孔18的内壁与伸缩式横梁9伸缩端外壁贴合，采用法兰式构件将横梁9与容纳盒7固定。压力传感器3的传输信号线穿过竖直连接杆6、横梁9到达容纳盒内，与放大器16的连接电线17相连，再将连接电线17的另一端与电池15相接，信号输出端与采集模块13的数据输入线相连，完成仪器的接线部分。通过按压伸缩按钮10达到松开和压紧，可随意的调节横梁9的长度及手持部位8之间的距离。采集模块的承载装置12，承载部分19与支撑杆20之间采用摩擦较大的关节轴承作为旋转部件21，使承载的采集模块可根据操作人员视角的不同调节合适的倾斜角度，如图3所示。

所述悬挂背带14，2根背带都可根据操作人员的需要调节背带的长短，一根挂在脖颈，一根系在腰间，使用时与水平推杆形成一个三角形，用于保持水平推杆处于水平状态；。

本发明所述的手持式生物量测定方法，采用上述的手持式生物量测定装置，包括步骤：

在作物田里选定若干个测量区域，划定每个区域的面积，将区域划定为2组，选择第一组用于生物量模型建立的分析数据，第二组用于模型验证评估；

在作物的不同生育期内使用所述手持式生物量测定装置对作物进行快速无损活体生物量测量，每个区域内分别采集若干个作用点测量高度的数据；

对标定的各区域进行作物鲜重的测量；

采用线性回归分析法，分别对第一组区域、在所述作用点测量高度采集的回弹特性数据进行取平均值和区域内的极大值点取平均即波峰均值，分别将这两个数据作为自变量x₁，x₂；第一组区域作物鲜重作为因变量y；建立x1，y和x2，y之间的回归方程，分析变量之间的线性相关性；

根据数据分析结果，选择其中相关系数最大的一组数据作为作物回弹特性与生物量关系的最终模型，并根据第二组区域的数据进行模型验证评估。

本实施例中的测量方法如下：

在小麦田地里选定31个测量区域，划定每个区域面积为60*150cm²，将区域划定为2组，按区域远近依次选择26个区为一组用于小麦生物量模型建立的分析数据，后5个区为一组用于模型验证评估。所选区域尽量选取小麦长势有较明显差异的，便于建立通用模型。

在小麦抽穗期、灌浆期、乳熟期、蜡熟期4个生育期内对小麦进行快速无损活体生物量测量，标定31个区域的离地高度分别为40cm，45cm和50cm作为作用点测量高度。测量时，31个区域保持一致的测量方位，保证一致的正向或反向输出，便于数据分析。数据处理时首先要对每一个区域数据去除由于起始与收尾时造成的不稳定的数据，其次再用数学方法进行分析。

采集模块13设定±12V输入电压，50msec采集频率，打开容纳盒7，连接电源，开启采集模块13开关。根据操作人员的习惯将2根悬挂背带14一根挂在脖颈，一根系在腰间，调节背带长短，通过观测水平准直器11，使伸缩式横梁9处于水平位置，平稳的在划定区域内从区域的一端扫到区域的另一端，每个区域内分别采集3个作用点测量高度的数据。

对标定的31个区域进行地上小麦鲜重的测量，将60*150cm²区域内的地上小麦割下，及时用精度为0.1g，量程为30kg的电子秤进行鲜重测量，记下对应区域的鲜重总量。

采用线性回归分析法，分别对26个区域、3个作用点测量高度采集的回弹特性数据进行取平均值和区域内的极大值点取平均即波峰均值，分别将这两个数据作为自变量x₁，x₂；26个区域小麦地上鲜重作为因变量y；建立x1，y和x2，y之间的回归方程。在Excel中根据数据画散点图，分析两个变量之间的线性相关性。

其中，自变量x分别对40cm、45cm、50cm3个作用点测量高度采集的数据取均值，记为x₁₁，x₁₂，x₁₃；自变量x₂分别对40cm、45cm、50cm3个作用点测量高度采集的数据取波峰均值，记为x₂₁，x₂₂，x₂₃；建立y＝a×x_ij+b，i＝1，2；j＝1，2，3之间的回归关系，其中，a为回归系数，b为常数项。

图4为26个区域中某一区域提取波峰均值的方法：22为提取该区域波峰均值线。

根据6组数据分析结果，选择其中相关系数最大的一组数据作为小麦回弹特性与生物量关系的最终模型，见图5为6组数据中相关系数R最大的一组数据散点图。

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替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种手持式生物量测定装置，其特征在于，包括：水平推杆（1）、压力传感器（3）、竖直连接杆（6）、横梁（9）、采集模块（13）、两根悬挂背带（14）和水平准直器（11）；

所述压力传感器（3）置于水平推杆（1）与竖直连接杆（6）之间，用于获取作物形变时产生的回弹力的大小；

所述横梁（9）末端与竖直连接杆（6）上端连接，用于握持该装置；

所述两根悬挂背带（14），一根挂在脖颈，一根系在腰间，使用时与水平推杆（1）形成一个三角形，用于保持水平推杆（1）处于水平状态；

所述水平准直器（11），安装于横梁（9）前端，用于测量过程中不断观测调整，以保持水平推杆（1）的位置水平；

所述采集模块（13）置于横梁（9）上并与压力传感器（3）连接，采集模块（13）中内嵌作物生物量预测模型，根据所述压力传感器（3）采集到的作物回弹力电压信号对生物量进行测定。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水平推杆（1）两端设有塑料顶塞（2），用于避免测量过程中划伤叶片或增大摩擦导致发生卷叶现象。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力传感器（3）设置有防护外壳（5）；防护外壳（5）的外形尺寸及定位尺寸根据压力传感器（3）的安装尺寸确定，通过十字槽螺钉（4）将压力传感器（3）及防护外壳（5）固定在竖直连接杆（6）上，并将水平推杆（1）与防护外壳（5）及压力传感器（3）紧固。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横梁（9）上设有手持部位，操作时能够增大手与横梁（9）之间的摩擦，避免手与横梁（9）发生相对滑动。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横梁（9）为伸缩式横梁，采用按钮控制式伸缩结构，通过按压伸缩按钮（10）达到松开和压紧，可根据操作人员的习惯调节手握位置。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横梁（9）还设有容纳盒（7）；容纳盒（7）内包括组合电池（15）、放大器（16）和连接电线（17）；容纳盒（7）上设有进线孔（18），进线孔（18）的内壁与横梁（9）的外壁贴合并固定。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两根悬挂背带（14），与横梁（9）连接，两根悬挂背带（14）都可根据操作人员的需要调节背带的长短。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集模块（13）通过承载装置（12）与横梁（9）连接；承载装置（12）的承载部分（19）与支撑杆（20）之间采用旋转部件（21），使承载的采集模块（13）可根据操作人员视角的不同调节合适的倾斜角度。

9.一种手持式生物量测定方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任意一项所述的手持式生物量测定装置，包括步骤：

在作物田里选定若干个测量区域，划定每个区域的面积，将区域划定为2组，选择第一组用于生物量模型建立的分析数据，第二组用于模型验证评估；

在作物的不同生育期内使用所述手持式生物量测定装置对作物进行快速无损活体生物量测量，每个区域内分别采集若干个作用点测量高度下的回弹特性数据；

对标定的各区域进行作物鲜重的测量；

采用回归分析法，分别对第一组区域、在所述作用点测量高度采集的回弹特性数据进行取平均值和区域内的极大值点取平均即波峰均值，分别将这两个数据作为自变量x₁，x₂；第一组区域作物鲜重作为自变量y；建立x1，y和x2，y之间的回归方程，分析变量之间的相关性；

根据数据分析结果，选择其中相关系数最大的一组数据作为作物回弹特性与生物量关系的最终模型，并根据第二组区域的数据进行模型验证评估。

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