CN102967354A - 作物生物量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及作物生长检测技术，本发明公开了一种作物生物量检测装置及检测方法，该装置包括承载容器及分别设于所述承载容器上的电源模块、株高采集模块、茎径采集模块、夹持模块和数据采集及分析模块；所述电源模块为整个装置供电，所述夹持模块用于抱紧待测样本，所述茎径采集模块和株高采集模块分别用于采集抱紧后的待测样本的茎径信息和株高信息并输送给数据采集及分析模块，所述数据采集及分析模块进行数据处理和分析后建立理论体积和生物量预测模型。其中，所述株高采集模块采用激光测距传感器，所述茎径采集模块采用位移传感器。该装置灵巧便携，针对自然生长的小麦、水稻等每个单株具有多个茎杆的作物，进行快速、无损、准确测量。

Description

作物生物量检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及作物生长检测技术，特别是涉及一种作物生物量检测装置及方法。

背景技术

在作物田间观测的农艺参数中，生物量（biomass），或对植物专称植物量（phytomass），是反映作物生长状况的重要指标，与植株的抗逆性、抗病性、最终产量相关。所谓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，通常用kg/m²或t/ha表示。作物生物量包括地上部分茎、叶、花、果实、种子和地下部分的根或茎。在作物精细育种中，单株作物的生物量值可帮助育种家了解作物的生长状况和光合作用效率，以获得优势作物类型；在作物栽培过程中，通过作物的生物量测量，可推断作物的长势，及时做出施肥、灌溉等决策。此外，对正常生长的作物群体干物质生产与产量形成的关系而言，其生物产量和经济产量呈显著正相关，即生物量越大，其经济产量越大。因此，生物量的快速无损测量对精准作业、筛选种质资源、优化品种具有重要意义。目前作物生物量测定主要有以下方法：

1、传统一般采用收割法来测定作物生物量，经挖苗、收割、去除土进行称重（干重或鲜重）来判断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，且具有破坏性，不能在育种过程中使用。

2、通过对位于平行板电容器中的被测作物样品施加扫频电场，测量作物在一定温度、湿度条件下的介电特性，并通过建立介电常数、衰减系数与作物生物量的相关模型，来完成对作物生物量的检测；该测定方法主要用于室内或田间的实验研究，对被测作物施加扫频电场，通过测量作物的介电特性来检测单株作物或小群体作物的生物量，但是该测量装置需要保证一定的测量温度与湿度条件，因此该装置及方法难以满足田间自然生长状态的作物生物量的检测需求。

3、作物活体生物量测定方法，是将待测样本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，该方法主要适用于室内科学实验研究，将待测样本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，该测定装置不能用在田间、大范围生长作物的生物量测定。

4、基于力矩的生物量活体检测方法，通过扭矩传感器，获取待测样本受到外力时的回弹特性来预测生物量，可进行连续测量，具有便携性，特别适于育种过程中对小块地的作物生物量测量；该方法采用推杆获取作物受力产生的力矩，主要用于群体作物的生物量测量，用其进行单株作物生物量测量时，容易因受力不均导致误差。

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针对小麦、水稻等由多个茎杆构成的单株（单束）作物，如何提供一种便携、活体、无损、快速的单株作物生物量检测装置及方法。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种作物生物量检测装置，包括承载容器及分别设于所述承载容器上的电源模块、株高采集模块、茎径采集模块、夹持模块和数据采集及分析模块；所述电源模块为整个装置供电，所述夹持模块用于抱紧待测样本，所述茎径采集模块和株高采集模块分别用于采集抱紧后的待测样本的茎径信息和株高信息并输送给数据采集及分析模块，所述数据采集及分析模块进行数据处理和分析后建立理论体积和生物量预测模型。

其中，所述茎径采集模块、夹持模块和株高采集模块分别设于所述承载容器的下端，所述茎径采集模块通过连接杆与所述承载容器连接，所述夹持模块设于所述茎径采集模块上。

其中，所述株高采集模块采用激光测距传感器，所述茎径采集模块采用位移传感器。

其中，所述夹持模块包括两块夹板和连接所述两块夹板的夹持机构。

其中，所述连接杆采用可伸缩式支杆。

其中，还包括定位板，所述定位板设于所述株高采集模块下方的测量地面上。

其中，所述承载容器为手持式，所述承载容器上设有把手。

本发明还提供一种上述的作物生物量检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、标定具有代表性的作物作为建模样本，并划分多个测量区域，每个测量区域内随机选择多个待测样本，将待测样本分为两组，其中一组用于理论体积和生物量预测模型的建立，另一组用于该理论体积和生物量预测模型的验证评估；

S2、将作物生物量检测装置移入所标定的测量区域内，夹持模块抱紧待测样本，茎径采集模块和株高采集模块同时采集抱紧后的待测样本的茎径信息和株高信息并发送给数据采集及分析模块；

S3、数据采集及分析模块根据所测得的茎径信息和株高信息进行数据处理和分析后建立作物理论体积关系模型，该作物理论体积关系模型为：

V_ij=πφ_j ²h_ij/4，

其中：Ф_j为抱紧后待测样本的茎径，h_ij为待测样本的株高；i为待测样本所在的组数，i=1,2；全部的测量区域内总共设有n个待测样本，j为待测样本的个数，j=1,2,3...n；

S4、割下所标定的待测样本，立即采用称重装置进行称重，所得的重量值为该待测样本的生物量真值；

S5、运用回归分析并建立理论体积和生物量预测模型；

S6、将步骤S5所建立的理论体积和生物量预测模型输入嵌入式平台系统中，在所标定的测量区域内进行理论体积和生物量预测模型的验证评估。

其中，所述步骤S5中采用线性回归分析并建立理论体积和生物量预测模型，该理论体积和生物量预测模型为：m=a+bV，其中：a为常数项，b为回归系数，m为生物量，V为理论体积。

其中，所述待测样本采用单株作物，每个单株作物具有多个茎杆。

（三）有益效果

上述技术方案提供的一种作物生物量检测装置及检测方法，采用茎径采集模块和株高采集模块采集抱紧后的待测样本的茎径信息和株高信息并输送给数据采集及分析模块，数据采集及分析模块进行数据处理和分析后建立理论体积和生物量预测模型，整个装置没有大尺寸部件，灵巧便携，没有温度与湿度的要求，针对自然生长的作物，其测量快速、无损，且测量结果准确可靠，特别适用于田间育种过程中对小麦、水稻等单株活体农作物生物量的检测。

附图说明

图1是本发明一种作物生物量检测装置的结构示意图；

图2是本发明中单株小麦理论体积和生物量预测模型的线性曲线图。

其中，1、承载容器；2、株高采集模块；3、茎径采集模块；4、夹持模块；5、数据采集及分析模块；6、待测样本；7、连接杆；8、定位板；9、把手；10、手腕带。

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，本发明一种作物生物量检测装置，包括承载容器1及分别设于该承载容器1上的电源模块、株高采集模块2、茎径采集模块3、夹持模块4和数据采集及分析模块5；电源模块为整个装置供电，夹持模块4用于抱紧待测样本6，茎径采集模块3和株高采集模块2分别用于采集抱紧后的待测样本6的茎径信息和株高信息并输送给数据采集及分析模块5，该数据采集及分析模块5进行数据处理和分析后建立理论体积和生物量预测模型。

为了方便作物的测量，茎径采集模块3、夹持模块4和株高采集模块2分别设于承载容器1的下端，茎径采集模块3通过连接杆7与承载容器1连接，夹持模块4设于茎径采集模块3上；以连接杆7的中心轴为中心，株高采集模块2与茎径采集模块3对称设置在连接杆7的两侧，以便于株高采集模块2在工作时与作物有较好的距离，防止株高采集模块2和茎径采集模块3之间发生干涉现象。出于安全考虑，电源模块设于承载容器1的内部；为了方便观察，数据采集及分析模块5设于承载容器1的上端。其中，数据采集及分析模块5设有数据显示屏。

株高采集模块2采用激光测距传感器，可根据田间作物的品种、株高、种植密度，其量程可选为0.05-200m；茎径采集模块3采用位移传感器，优选采用电阻应变式传感器，以避免传感器在室外长期作业中出现磨损潮湿等现象；进一步地，并可在茎径采集模块3和株高采集模块2的外部设置防护外壳。电源模块可采用便携式的电池或与外部直流电源连接，为了减轻装置的重量，优选采用组装电池。

连接杆7采用可伸缩式支杆，可伸缩是为了在测量茎粗的时候，同时满足株高采集模块2测量株高的需求；连接杆7设置为中空结构，以便于将连接用电线影藏在其中，延长电线的使用寿命，并使得整个装置简洁美观。该连接杆7可有两个可伸缩的圆筒体组成。

夹持模块4包括两块夹板和连接两块夹板的夹持机构，夹持机构用于驱动两块夹板的开合，该夹持机构可为手动夹持或自动夹持；进一步地，为了避免待测样本在夹持过程中挤出，夹板的板面具有一定的弧度。根据待测样本株高的实际情况，调整连接杆合适的长度，夹持机构驱动两块夹板打开以将待测样本夹持其中，然后夹持机构驱动该两块夹板闭合抱紧待测样本。

针对田间地面上出现的凹凸不平的现象，为了避免激光照射点不同所导致测量株高时存在的误差，本实施例还包括定位板8，定位板8设于株高采集模块2下方的测量地面上。株高采集模块2垂直对准定位板8，可弥补地面不平整的问题。

承载容器1为手持式，便捷轻便，承载容器1上设有把手9以方便手持，并在把手9的位置设有手腕带10，可根据操作人员的习惯进行佩戴来减轻把手的负荷并增加测量的安全性。

本发明的一种采用上述技术方案所提供的作物生物量检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、标定具有代表性的作物作为建模样本，并划分多个测量区域，每个测量区域内随机选择多个待测样本，将待测样本分为两组，其中一组用于理论体积和生物量预测模型的建立，另一组用于该理论体积和生物量预测模型的验证评估；

S2、将作物生物量检测装置移入所标定的测量区域内，夹持模块4抱紧待测样本6，茎径采集模块3和株高采集模块2同时采集到抱紧后的待测样本6的茎径信息和株高信息并发送给数据采集及分析模块5；

具体为：茎径采集模块选用输入电压为±1V~±15V、具有多个测量频率的电压信号采集系统，选定某一测量频率，对标定好的单株作物进行直径数据的采集；同时，采用株高采集模块获取待测样本的株高，其频率不低于25Hz；采集过程中茎径采集模块3和株高采集模块2同时进行；在夹板抱紧作物时，株高采集模块2可使用激光测距传感器获取作物株高，可避免因作物茎秆弯曲阻碍激光射击到地上定位板而导致的数据获取不准确；

S3、数据采集及分析模块5根据所测得的茎径信息和株高信息进行数据处理和分析后建立作物理论体积关系模型，该作物理论体积关系模型为：

V_ij＝πφ_j ²h_ij/4，

其中：Ф_j为抱紧后待测样本的茎径，h_ij为待测样本的株高；i为待测样本所在的组数，i＝1,2；全部的测量区域内总共设有n个待测样本，j为待测样本的个数，j=1,2,3...n；

具体为：数据采集及分析模块5接收到茎径采集模块和株高采集模块输送来的茎径信息和株高信息，将茎径信息和株高信息分别转化为茎径数据和株高数据，并建立起作物理论体积关系模型；

S4、割下所标定的待测样本6，立即采用称重装置进行称重，所得的重量值为该待测样本的生物量真值；

具体为：对选定区域内的待测作物，采用精度不低于0.1g的电子称或天平作为称量装置，进行生物量真值的测定；割下标定待测样本，立刻对其进行称重以获得其生物量真值，防止由于时间的流逝，作物水分的流失，而影响测量该区域内作物生物量的准确度；

S5、运用回归分析并建立理论体积和生物量预测模型；

具体为：可运用线性回归、多项式回归、指数回归等回归分析方法来建立理论体积和生物量预测模型；

S6、将步骤S5所建立的理论体积和生物量预测模型输入嵌入式平台系统中，在所标定的测量区域内进行理论体积和生物量预测模型的验证评估；

具体为：将理论体积和生物量之间的预测模型输入到嵌入式平台系统中，在划定好的区域内进行检验试验，分析预测值与试验值之间的误差，如果误差超出育种家或农业生产人员的要求，则重新采集样本进行实验，或采用其他回归方法建立预测模型，以优化模型的预测准确性，最后将满足误差允许范围的预测模型置入嵌入式平台。

上述的步骤S5中，采用线性回归分析并建立理论体积和生物量预测模型，该理论体积和生物量预测模型为：m=a+bV，其中：a为常数项，b为回归系数，m为生物量，V为理论体积。

其中，待测样本6采用单株作物，每个单株作物具有多个茎杆，该茎秆包括小麦、水稻。

以下列举一个作物生物量检测方法具体实施过程：

样本选为小麦，在小麦田地里选定16个测量区域，每个区域内选取6株单株小麦进行标定，共有96株单株小麦；将这96株单株作物划分为2组，选取16株小麦用于模型验证评估，其他80株单株小麦作为一组用于建立单株小麦生物量模型；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，涵盖较大的应用范围；

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，对标定的96株单株小麦进行测量，测量小麦单株直径时，选择在小麦第3-4节茎秆处进行测量，确保96株小麦基本统一；测量小麦株高时，采集麦穗顶端处的株高。数据处理时首先对96个数据进行分析，去除个别异常数据，再用数学方法进行分析。出现个别异常现象的原因可能有小麦品种的关系、自然生长环境造成的个别单株小麦茎秆很粗影响抱紧直径数据的准确性以及测量过程中存在的测量误差等；

数据采集及分析模块设定±12V输入电压，50msec采集频率，打开承载容器，连接电源模块，开启数据采集及分析模块的开关，根据操作人员的习惯将手腕带佩戴在手上，手持把手，按照测量需求对96株单株小麦的抱紧直径及株高进行测量，获得相应的数据；

对标定的96株单株小麦进行地上小麦鲜重的测量，将96株单株小麦的地上小麦割下，及时用精度为0.1g，30kg量程的电子称进行鲜重测量，记下对应每株单株小麦的鲜重总量m_j。

采用线性回归分析法，分析单株直径和株高得到的理论体积与生物量之间的关系模型；首先分别对96株单株小麦，测量的抱紧直径Φ及株高h并进行数据分析，换算出单株直径和株高得到的理论体积V_ij：

V_ij＝πφ_j ²h_ij/4，

其中：Ф_j为抱紧后待测样本的茎径，h_ij为待测样本的株高；i为待测样本所在的组数，i＝1,2；全部的测量区域内总共设有n个待测样本，j为待测样本的个数，j=1,2,3...96；

将单株小麦的抱紧直径Φ及株高h换算得到的理论体积V_ij作为随机变量，96株单株小麦地上鲜重m_j作为自变量，建立V_ij和m_j之间的回归方程，该理论体积和生物量预测模型为：m=a+bV，其中：a为常数项，b为回归系数，m为生物量，V为理论体积。在Excel软件中根据数据画散点图，分析变量之间的线性相关性。

图2为96株单株小麦的单株直径和株高得到的理论体积V与96株对应小麦生物量m之间的线性分析图，所得的理论体积和生物量预测模型为：m=0.00044V+53.98，a=53.98，b=0.00044，根据数据分析结果，可以得知，小麦单株直径和株高得到的理论体积与生物量之间有较好的相关性，决定系数R²可达到0.89。

上述技术方案所提供的一种作物生物量检测装置及检测方法，没有大尺寸部件，灵巧便携，没有温度与湿度的要求，针对自然生长的作物；采用手持式装置具有便携性，测量快速、无损，且测量结果准确可靠，特别适用于田间育种过程中对小麦、水稻等单株活体农作物生物量的检测；其具体有以下特点：

1、采用位移传感器获取作物在抱紧时的单株直径，在获取单株直径的同时采用激光测距传感器获取株高，可避免因作物茎秆弯曲、叶片伸展阻碍激光照射到地上定位板而导致的数据获取不准确；

2、传感器模块中伸缩式支杆根据田间作物种植的株高、行距及人体工程学确定结构尺寸，需要根据不同操作人群身高和不同种类的农作物进行优化;承载容器结构尺寸根据2种传感器测量原理、承载需求及人体工程学确定承载容器结构及尺寸；手腕带可根据操作人员的习惯进行佩戴来减轻手持把手的重量并增加测量安全；

4、将嵌入式系统采集模块安置于承载容器上端，方便操作人员实时的观测采集的数据变化，操作简便，可靠性更高，真正实现便携，适用于田间测量；

5、本发明通过传感器获取的单株作物抱紧时的直径和株高数据，建立其理论体积和生物量之间的关系模型，实现生物量的间接测量；

6、通过预先采集具有代表性的样品建立生物量预测模型，针对不同种类的作物需要建立不同的模型，模型要覆盖将来的应用范围。

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 (10)

1.一种作物生物量检测装置，其特征在于，包括承载容器及分别设于所述承载容器上的电源模块、株高采集模块、茎径采集模块、夹持模块和数据采集及分析模块；所述电源模块为整个装置供电，所述夹持模块用于抱紧待测样本，所述茎径采集模块和株高采集模块分别用于采集抱紧后的待测样本的茎径信息和株高信息并输送给数据采集及分析模块，所述数据采集及分析模块进行数据处理和分析后建立理论体积和生物量预测模型。

2.如权利要求1所述的作物生物量检测装置，其特征在于，所述茎径采集模块、夹持模块和株高采集模块分别设于所述承载容器的下端，所述茎径采集模块通过连接杆与所述承载容器连接，所述夹持模块设于所述茎径采集模块上。

3.如权利要求1所述的作物生物量检测装置，其特征在于，所述株高采集模块采用激光测距传感器，所述茎径采集模块采用位移传感器。

4.如权利要求1所述的作物生物量检测装置，其特征在于，所述夹持模块包括两块夹板和连接所述两块夹板的夹持机构。

5.如权利要求2所述的作物生物量检测装置，其特征在于，所述连接杆采用可伸缩式支杆。

6.如权利要求1所述的作物生物量检测装置，其特征在于，还包括定位板，所述定位板设于所述株高采集模块下方的测量地面上。

7.如权利要求1所述的作物生物量检测装置，其特征在于，所述承载容器为手持式，所述承载容器上设有把手。

8.一种如权利要求1~7任一项所述的作物生物量检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、标定具有代表性的作物作为建模样本，并划分多个测量区域，每个测量区域内随机选择多个待测样本，将待测样本分为两组，其中一组用于理论体积和生物量预测模型的建立，另一组用于该理论体积和生物量预测模型的验证评估；

S2、将作物生物量检测装置移入所标定的测量区域内，夹持模块抱紧待测样本，茎径采集模块和株高采集模块同时采集抱紧后的待测样本的茎径信息和株高信息并发送给数据采集及分析模块；

S3、数据采集及分析模块根据所测得的茎径信息和株高信息进行数据处理和分析后建立作物理论体积关系模型，该作物理论体积关系模型为：

V_ij＝πφ_j ²h_ij/4，

其中：Ф_j为抱紧后待测样本的茎径，h_ij为待测样本的株高；i为待测样本所在的组数，i=1,2；全部的测量区域内总共设有n个待测样本，j为待测样本的个数，j=1,2,3...n；

S4、割下所标定的待测样本，立即采用称重装置进行称重，所得的重量值为该待测样本的生物量真值；

S5、运用回归分析并建立理论体积和生物量预测模型；

S6、将步骤S5所建立的理论体积和生物量预测模型输入嵌入式平台系统中，在所标定的测量区域内进行理论体积和生物量预测模型的验证评估。

9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S5中采用线性回归分析并建立理论体积和生物量预测模型，该理论体积和生物量预测模型为：m=a+bV，其中：a为常数项，b为回归系数，m为生物量，V为理论体积。

10.如权利要求8所述检测方法，其特征在于，所述待测样本采用单株作物，每个单株作物具有多个茎杆。

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