CN103439353A

CN103439353A - 一种植物叶片含水率的测量方法

Info

Publication number: CN103439353A
Application number: CN2013103752890A
Authority: CN
Inventors: 聂鹏程; 何勇; 黄灵霞
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种植物叶片含水率的测量方法，包括以下步骤：（1）于距离植物叶片样本同一高度处，分别向植物叶片样本发射100～140MHz的高频信号，并采集反射信号，获取发射信号与反射信号的电磁波强度差值；（2）以所有植物叶片样本的电磁波强度差值为输入，以对应的植物叶片含水率为输出，建立模型；（3）于相同高度处，按照步骤（1）获取待测植物叶片的电磁波强度差值，将其代入步骤（2）中模型，获得待测植物叶片含水率；本发明方法受外界因素影响小、测量精度高、环境适应性强。

Description

一种植物叶片含水率的测量方法

技术领域

本发明属于植物营养检测领域，尤其涉及一种植物叶片含水率的测量方法。

背景技术

水分胁迫是植物遭受危害最普遍的形式之一，是许多地区发展农业生产的瓶颈。植物是一种比较特殊的检测对象，影响植物含水率的因素很多，如温度、湿度和日照时间等；检测植物含水率的参数也很多，当植物缺水时，可以通过植物根、茎、叶等各个器官反映出来。植物叶片是植物进行蒸腾作用与光合作用的主要场所，同时叶片又具有体积小和取样方便等特点，所以植物叶片的含水量已经成为检测植物含水量的一个重要参数。目前，对于植物叶片含水量的检测方法主要有烘干法、光谱检测方法、电容特性检测方法、近红外图像纹理分析检测方法等。

烘干法是一种精确、可靠的植物含水率测量方法，但测量过程繁琐，所用时间较长且不易获得连续数据，无法实现快速、实时、连续的测量。

光谱检测方法主要是利用植物叶片的水分对近红外特征波段光谱具有明显的吸收这一原理来实现的，其检测步骤一般为：首先获取植物叶片近红外光谱，其次利用近红外特征光谱信息与叶片含水量之间建立相关模型，最后根据模型来预测待测植物叶片含水率。虽然光谱检测方法可实现无损、快速、实时检测，但由于植物叶片内部的组成和结构复杂，于近红外波段产生的光谱吸收不仅仅是由水分引起的，从而导致此方法适应性不强，对植物叶片含水率的测量精度较差。

植物叶片含水率与叶片生理电特性有密切的关系，可以通过电特性来获知叶片的含水率，电容特性检测方法就是据此发展起来的一种快速检测方法。电容特性检测方法的具体原理为：对于电容器而言，当极板面积、极板间距离固定时，电容与介电常数成正比；若以叶片为电容器的介质，极板面积不变，忽略叶片个体厚度上的微小差异，叶片水分状况的变化，其介电常数必会不同，会通过电容值反映出来，从而获知植物叶片的含水量信息。但此方法测定的准确性受植物叶片的厚度以及内部组织单元结构影响较大，致使测量结果误差较大。

近红外图像纹理分析检测方法是利用近红外图像的纹理特征信息结合化学计量模型来预测植物叶片含水率的方法。此方法简便、快捷，但由于植物叶片内部的其他组分以及叶片结构对纹理特征信息的提取影响较大，从而导致此方法测量精度较差。

发明内容

本发明提供了一种植物叶片含水率的测量方法，该方法测量精度高、适应性广、受外界因素影响小。

一种植物叶片含水率的测量方法，包括以下步骤：

（1）于距离植物叶片样本同一高度处，分别向植物叶片样本发射100～140MHz的高频信号，并采集反射信号，获取发射信号与反射信号的电磁波强度差值；

（2）以所有植物叶片样本的电磁波强度差值为输入，以对应的植物叶片含水率为输出，建立模型；

（3）于相同高度处，按照步骤（1）获取待测植物叶片的电磁波强度差值，将其代入步骤（2）中模型，获得待测植物叶片含水率。

向植物叶片发射特定频率的电磁波信号后，在叶片中传播的电磁波会被叶片水分明显吸收，被叶片水分吸收的电磁波强度与植物叶片水分含量密切相关；电磁波发射信号与反射信号的电磁波强度差值可反映被叶片水分吸收的电磁波强度，通过建立电磁波强度差值与植物叶片含水率之间的相关模型，即可通过模型来计算植物叶片含水率。

所述电磁波强度差值可用电磁波有效幅差值来表示。

由于叶片中除水以外的其他物质基本不具有导电性能，故外界因素对电磁波传播过程影响小，从而使得测量精度提高。

步骤（1）中，向植物叶片样本发射高频信号时，高频信号发射点距离所有植物叶片样本的高度相同，以保证获取的不同植物叶片样本的电磁波强度差值间具有可比性和相关性。

所述高度优选为5～20cm，过高时，会降低高频信号发射强度，不利于信号的采集和分析处理；所述高度更优选为10cm，以距离植物叶片10cm的高度向其发射高频信号时，能够保证信号的发射强度，而且现有发射仪器只需使用两节3V的电池即可满足信号发射条件，应用更为方便。

高频信号发射频率对植物含水率的测定有重要影响，所述高频信号发射频率优选为100MHz。

步骤（2）中，植物叶片含水率通过烘干法获取，作为模型的输出，烘干法是目前公认的可准确测量植物叶片含水率的方法。

步骤（2）中，所述模型为y=31.041ln(△x)+59.376；

y为叶片含水率预测值，△x为发射信号与反射信号的电磁波强度差值（单位为V）。步骤（3）中，只有保证高频信号发射点距离待测植物叶片的高度与步骤（1）中高频信号发射点距离植物叶片样本的高度相同，获取的待测植物叶片的电磁波强度差值才能应用于步骤（2）中建立的模型，否则，会导致测量结果不准确。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）本发明方法利用特定频率的高频信号，通过发射信号和反射信号的电磁波强度差值来实现植物叶片含水率的测定，受叶片厚度、颜色等外界因素影响小，对植物叶片含水率的测量精度高，方法适用性强。

（2）本发明方法操作简便，可实现植物叶片含水率的快速、实时、无损测量。

具体实施方式

（1）选取100片不同水分含量的油菜叶片作为植物叶片样本，于距离植物叶片样本同一高度（10cm）处，分别向植物叶片样本发射100MHz的高频信号，并采集反射信号，获取发射信号与反射信号的电磁波强度差值；

（2）利用烘干法获取植物叶片样本的含水率（见表1），以100个植物叶片样本的电磁波强度差值为输入，以对应的植物叶片含水率为输出，建立如下模型：

y=31.041ln(△x)+59.376；

y为叶片含水率预测值，△x为发射信号与反射信号的电磁波强度差值。限于篇幅，仅将20个植物叶片样本的数据列于此。电磁波强度差值可用电磁波有效幅差值来表示。

表1模型建立部分数据库

序号	电磁波有效幅差值（V）	植物叶片样本含水率（%）
			1	1.58	75.6
2	1.45	72.4
			3	1.27	68.5
4	1.18	65.7
			5	1.12	63.4
6	1.09	62.3
			7	1.04	62.1
8	0.98	60.2
			9	0.93	58.7
10	0.89	57.9
			11	0.85	55.1
12	0.79	51.6
			13	0.71	50.1
14	0.68	42.1
			15	0.56	38.4
16	0.52	35.1
			17	0.41	26.3
18	0.32	19.4
			19	0.24	10.1
20	0.12	5.3

（3）随机抽选50片植物叶片作为待测植物叶片，于距离待测植物叶片10cm处，按照步骤（1）获取待测植物叶片的电磁波强度差值，将其代入步骤（2）中模型，获得待测植物叶片的模型预测含水率；同时，利用烘干法获取植物叶片实际含水率，以便于验证模型的准确性。限于篇幅，仅将20个待测植物叶片的数据列于此，见表2。

表2待测植物叶片的预测含水率及实际含水率

通过对试验数据分析得知：本方法建立的模型对植物叶片含水率的预测准确率为97.5%。

Claims

1.一种植物叶片含水率的测量方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的植物叶片含水率的测量方法，其特征在于，步骤（1）中，所述高度为5～20cm。

3.如权利要求2所述的植物叶片含水率的测量方法，其特征在于，步骤（1）中，所述高度为10cm。

4.如权利要求1所述的植物叶片含水率的测量方法，其特征在于，步骤（1）中，所述高频信号发射频率为100MHz。

5.如权利要求1所述的植物叶片含水率的测量方法，其特征在于，步骤（2）中，所述模型为：y=31.041ln(△x)+59.376；

其中，y为叶片含水率预测值，△x为发射信号与反射信号的电磁波强度差值。