CN104483274A

CN104483274A - 田间玉米植株叶片氮素含量检测装置和方法

Info

Publication number: CN104483274A
Application number: CN201510022895.3A
Authority: CN
Inventors: 刘雪梅; 王宇航; 王晓明
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2015-01-17
Filing date: 2015-01-17
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种用于田间玉米植株叶片氮素含量检测装置和方法。该装置包括有悬挂装置、电驱小车和数据处理模块，悬挂装置由直角伸展臂、万向节和弯刀悬挂臂组成；电驱小车由车架、电源装置、车轮和微型直流电机组成；数据处理模块安装在车架前部一根立杆上；悬挂装置和电驱小车通过连接杆连接。该检测方法包括：（a）设备准备；（b）光谱白板矫正；（c）光谱采集角度调整；（d）理化值计算。本发明现场检测，不需在实验室检测，检测效率高，可全方位地测量玉米叶片，可根据不同玉米叶片的自然生长形态，获取较佳的测量角度，采集叶片正反面光谱数据，整个装置简单实用，成本低廉，易于推广。

Description

田间玉米植株叶片氮素含量检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光谱检测作物叶片领域，尤其涉及田间玉米植株叶片氮素含量检测装置。

背景技术

玉米果实含有大量的蛋白质、糖类、脂肪、维生素及微量元素硒、镁等多种营养元素。所以玉米在我国非常受老百姓欢迎，每年的产量很大。在玉米植株生长过程中，叶片氮素是合成蛋白质重要的物质基础，氮素缺乏进而影响玉米产量。监控玉米生长过程中氮素含量指标，分析造成氮素含量指标变化的原因，为玉米种植决策提供依据，对玉米种植合理水肥管理提供科学依据。

玉米叶片氮素含量测定仍然主要是化学方法测定。采用化学方法耗时费力，需要较多的人力成本，分析过程有较多的机械性操作，并且一般不适宜对大量样本进行分析，更不适合活体检测玉米叶片氮素含量，兼顾测定数据的准确性、操作便捷及环保无污染的特性，利用光谱学技术已经得到一定程度的应用。

因玉米叶片生长形态各异，现场测量对光源投射角度和光谱探头入射角度要求很高，现有的玉米叶片氮素含量光谱检测的方法大多采用采摘新叶，装袋碎冰保鲜防止叶片变质以影响氮素含量光谱测量的准确性，对测量氮素含量实时性要求高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供适用于现场检测、测量准确的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置和方法。

为达上述目的，本发明采用的技术方案为：田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，包括有光谱探头和可见近红外光源，其不同之处在于，还包括有悬挂装置、电驱小车和数据处理模块，悬挂装置由直角伸展臂、万向节和弯刀悬挂臂组成，万向节固定端和直角伸展臂水平外延端连接，万向节活动端和弯刀悬挂臂顶端连接，弯刀悬挂臂弧形均匀设置一排安装孔，光源和光谱探头根据投射角度和入射角度分别选择其中一个安装孔连接在弯刀悬挂臂上，螺栓固定；电驱小车由车架、电源装置、车轮和微型直流电机组成，车架前端和后端分别安装有1个前轮和2个后轮，微型直流电机安装在前轮内部，电源装置安装在车架上面靠近前轮位置；数据处理模块安装在车架前部一根立杆上；悬挂装置和电驱小车通过连接杆连接。

较佳地，所述的弯刀悬挂臂上均匀分布有15个圆孔，圆孔中心距离10 cm，弯刀悬挂臂通过万向节可以实现全自由度转动，可以实现对自然形态叶片正反两面光谱采集，在小车保持不动的情况下，可以对以万向节为圆点，弯刀悬挂臂直线距离为半径的区域叶片进行数据采集和检测。

较佳地，所述的直角伸展臂长2米，直角之间焊接一块三角板，直角外围焊接一根加强筋，增加直角伸展臂的抗拉抗弯强度，使之经久耐用。

较佳地，所述的连接杆两端分别与驱动小车的车架中部立杆、悬挂装置的直角伸展臂垂直端螺纹连接，通过转动连接杆实现悬挂装置高度调节，保证不同生长高度的玉米叶片都能被检测到，可以对同一株玉米不同高度的叶片进行数据采集和检测，还可以对不同生长期的玉米叶片进行数据采集和检测。

较佳地，所述的直角伸展臂、万向节和弯刀悬挂臂材质为铝材，连接杆和车架材质为铸铁材料，小车在田间行进和开展检测工作时可以最大限度保持平衡，保证检测设备和人员安全。

较佳地，所述的数据处理模块，液晶显示，安装高度为1.2米，与水平夹角为120度，方便工作人员通过液晶显示查看检测结果，电源装置有3组蓄电池组成，安装位置靠近前轮，除了给微型直流电机、光源和数据处理模块供电，还可以起到配重平衡的作用，微型直流电机驱动前轮向前或向后行进，后轮控制行进方向。

较佳地，所述的电驱小车的车架中部立杆两侧分别安装有一根加强筋，车架中部立杆和车架前部立杆之间焊接有倒T字形连杆，倒T字形连杆顶端和车架中部立杆之间焊接有一根短连接杆，增加驱动小车的结构强度，使之经久耐用。

较佳地，田间玉米植株叶片氮素含量检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（a）设备准备：将装置牵引或自行至待展开检测工作的位置，启动电源开关，开启光源，预热15分钟，使光源稳定，对装置水平找平，保持稳定；

（b）光谱白板矫正：白板与玉米植株叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正；

（c）光谱采集角度调整：调节直角伸展臂的高度，使玉米植株叶片处于直角伸展臂下方，将光谱探头和光源通过安装孔分别安装在弯刀悬挂臂上，光谱探头和光源的数据线和光纤线分别与数据处理模块和电源装置连接，转动弯刀悬挂臂，获取较佳的检测角度，使光源投射角与叶片检测点平面呈45度，光谱探头接收反射光，反射角与叶片检测点平面呈45度，利用光谱探头采集检测点处的波长为616nm、682nm、810nm、956nm、1026nm、1220nm、1450nm、1518nm、1860nm、1930nm 、2012nm和2228 nm所对应玉米植株叶片的反射率；

（d）理化值计算：将所得反射率输入检测装置，检测装置依据多元线性回归方程：

Y=12.172X1+16.263X2-21.328X3+24.625X4+318.342X5-410.208X6+218.104X7+228.042X8-369.682X9+282.453X10-282.216X11+61.165X12+2.1，计算得到玉米植株叶片的氮素含量，式中Y为玉米植株叶片的氮素含量；X1~X12分别为波长616nm、682nm、810nm、956nm、1026nm、1220nm、1450nm、1518nm、1860nm、1930nm 、2012nm和2228 nm所对应的玉米植株叶片的反射率。

本发明的有益效果有：

（1）检测装置在玉米田间种植现场展开检测工作，可获取活体玉米叶片的光谱数据，不需在实验室检测，检测效率高。

（2）弯刀悬挂臂和万向节配合转动，获取较佳的检测角度，可全方位全自由度地测量玉米叶片，可根据不同玉米叶片的自然生长形态，便捷地改变光谱投射角度和入射角度，获取较佳的测量角度，可以检测叶片的正反面。

（3）相对与直角伸展臂，转动连接杆，调节直角伸展臂的高度，有利于采集不同生长期玉米叶片光谱数据，可以做到玉米全生命周期玉米叶片活体光谱数据采集，采集的光谱数据建立的模型适用性更好。

（4）整个装置简单实用，成本低廉，易于推广。

附图说明

图1 为玉米植株示意图；

图2 为本发明实施例中田间玉米植株叶片氮素含量检测装置结构示意图；

图3为本发明实施例中田间玉米植株叶片氮素含量检测结果；

图中标记注明：1—弯刀悬挂臂，2—光谱探头，3—可见近红外光源，4—万向节，5—直角伸展臂，6—连接杆，7—数据处理模块，8—车架，9—电源装置，10—前轮，11—微型直流电机。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，参见图1、图2和图3：

按本发明实施的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，主要作用是方便现场检测，通过万向节4调试弯刀悬挂臂1可以使之相对于直角伸展臂5作全自由度转动，查看转动是否正常，工作正常有利于采集不同形态玉米叶片的光谱数据，不但可以采集玉米叶片正面光谱数据，而且可以采集玉米叶片反面光谱数据。

有阳光照射的情况下，在直角伸展臂5上方或旁边打开遮阳伞，确保阳光不会照射到玉米植株叶片上面，阻挡外界环境太阳光线对采集光谱数据的影响，使得测量结果更准确，在无阳光或者阴天的情况下，无需在直角伸展臂5上方或旁边打开遮阳伞。

检查电源装置9是否供电正常，如电量不足，应该充电或更换蓄电池，由于电源装置9有3组蓄电池组成，可以保证12小时连续为安装在前轮10上的微型直流电机11、可见近红外光源3和数据处理模块7供电，将电源装置9的安装位置尽量靠近前轮10，可以起到平衡整个检测装置的作用，前轮10和微型直流电机11一体化安装，微型直流电机11驱动前轮10向前或向后行进，后轮人工控制行进方向，无需耗费人力成本搬运，既简单又方便。

由于直角伸展臂5长2米，可确保检测装置采集较大范围玉米叶片光谱数据，根据采集玉米叶片光谱数据需要，如需要比较田间和田边玉米叶片氮素含量区别，既可以选择在路边开展检测工作，也可以选择在田间开展检测工作。

弯刀悬挂臂1上均匀分布有15个圆孔，两圆孔中心距离为10cm，方便可见近红外光源3和光谱探头2根据检测需要进行安装位置组合，可见近红外光源3和光谱探头2根据检测角度需要分别选择相应的圆孔与弯刀悬挂装置连接，螺栓固定，可以确保大角度采集到不同形态玉米叶片光谱数据。

如需要采集不同生长期的玉米叶片或者同一株玉米不同高度叶片光谱数据，通过转动连接杆6实现直角伸展臂5高度调节，采集到玉米叶片活体不同高度的光谱数据。

操作人员可以选择站在车架8上展开工作，由于连接杆6和车架8材质为铸铁材料，检测装置在田间行进和开展检测工作时可以最大限度保持平衡，整个检测装置上面轻，下面重，检测装置重心尽量下移，有利于检测装置在不平坦的田间正常行进，适合在较大区域展开检测工作。

田间玉米植株叶片氮素含量检测的方法，包括如下步骤：

（a）设备准备：将装置牵引或自行至待展开检测工作的位置，启动电源开关，开启可见近红外光源3，预热15分钟，使可见近红外光源稳定，对装置水平找平，保持稳定；

（c）光谱采集角度调整：调节直角伸展臂5的高度，使玉米植株叶片处于直角伸展臂5下方，将光谱探头2和可见近红外光源3通过安装孔分别安装在弯刀悬挂臂1上，光谱探头3和可见近红外光源3的数据线和光纤线分别与数据处理模块7和电源装置9连接，转动弯刀悬挂臂1，获取较佳的检测角度，使光源投射角与叶片检测点平面呈45度，光谱探头2接收反射光，反射角与叶片检测点平面呈45度，利用光谱探头2采集检测点处的波长为616nm、682nm、810nm、956nm、1026nm、1220nm、1450nm、1518nm、1860nm、1930nm 、2012nm和2228 nm所对应玉米植株叶片的反射率；

从微观上说，组成玉米叶片的分子的活动状态受到检测光的能量激发，产生不同的能级跃迁，吸收和释放能量，形成与分子对应的的反射光谱和吸收光谱。不同的化学键，如O-H、N-H、C-H等，化学键的转动以及伸缩振动，在能级间的跃迁会吸收特定波长的光，并激发产生特征峰，依据特征峰的强度以及波数可以判断物质的组成。

所用波长与玉米叶片的氮素及相关化学成分中的N-H、C-N、N-H等化学键的振动信息相关，这些信息能够反映梨玉米叶片中氮素含量的多少。例如682 nm反映了玉米叶片的芳烃和甲基信息，810nm和956nm反映了玉米叶片氮素的 NH₂一级伸缩振动平面弯曲振动，1450 nm和 1930 nm反映了玉米叶片氮素的伯酰胺信息，1518 nm反映了玉米叶片基团NH₂信息，2012nm反映了玉米叶片氮素的仲酰胺信息，2228nm反映了玉米叶片基团CH₂信息。应用多元线性回归算法对上述特征波长进行建模分析，建立玉米叶片的氮素含量与特征波长的线性方程。

本发明所选定的特征波长仅针对玉米叶片的氮素含量的快速检测，如果需要测量其他指标，需要重新选定特定波长，通过多元线性回归，建立模型，计算得到相应的指标值。

利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表示建立模型时，利用玉米叶片的反射率以及现有方法测试得到的玉米叶片氮素含量拟合得到模型方程，预测集表示，预测时，即建立完模型后，依据模型方程，将玉米叶片光谱的特征波长反射率代入模型方程计算得到的玉米叶片氮素含量。

表1

数据集	样本个数	决定系数	均方根误差	斜率
					建模集	90	0.8613	0.2286	0.8578
预测集	30	0.8532	0.2167	0.8325

实施例1~10

利用本发明提供的装置和方法对玉米叶片氮素含量进行测试，测试结果见表2。

表2

由表2数据，可以看出，利用本发明方法测得的玉米叶片的氮素含量与现有方法测试得到的数据接近，利用本发明可以快速测定玉米叶片的氮素含量，结果可靠。

Claims

1.田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，包括有可见近红外光源和光谱探头，其特征在于，还包括有悬挂装置、电驱小车和数据处理模块，悬挂装置由直角伸展臂、万向节和弯刀悬挂臂组成，万向节固定端和直角伸展臂水平外延端连接，万向节活动端和弯刀悬挂臂顶端连接，弯刀悬挂臂弧形均匀设置一排安装孔，光源和光谱探头根据投射角度和入射角度分别选择其中一个安装孔连接在弯刀悬挂臂上，螺栓固定；电驱小车由车架、电源装置、车轮和微型直流电机组成，车架前端和后端分别安装有1个前轮和2个后轮，微型直流电机安装在前轮内部，电源装置安装在车架上面靠近前轮位置；数据处理模块安装在车架前部一根立杆上；悬挂装置和电驱小车通过连接杆连接。

2.根据权利要求1所述的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，其特征在于，所述的弯刀悬挂臂上均匀分布有15个圆孔，圆孔中心距离10 cm，弯刀悬挂臂通过万向节可以实现全自由度转动，可以实现对自然形态叶片正反两面光谱采集。

3.根据权利要求1所述的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，其特征在于，所述的直角伸展臂长2米，直角之间焊接一块三角板，直角外围焊接一根加强筋，增加直角伸展臂的抗拉抗弯强度。

4.根据权利要求1所述的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，其特征在于，所述的连接杆两端分别与驱动小车的车架中部立杆、悬挂装置的直角伸展臂垂直端螺纹连接，通过转动连接杆实现悬挂装置高度调节，保证不同生长高度的玉米叶片都能被检测到。

5.根据权利要求1所述的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，其特征在于，所述的直角伸展臂、万向节和弯刀悬挂臂材质为铝材，连接杆和车架材质为铸铁材料，小车在田间行进和开展检测工作时可以最大限度保持平衡。

6.根据权利要求1所述的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，其特征在于，所述的数据处理模块，液晶显示，安装高度为1.2米，与水平夹角为120度，电源装置有3组蓄电池组成，安装位置靠近前轮，给微型直流电机、光源和数据处理模块供电，微型直流电机驱动前轮向前或向后行进，后轮控制行进方向。

7.根据权利要求1所述的田间玉米植株叶片氮素含量检测装置，其特征在于，所述的电驱小车的车架中部立杆两侧分别安装有一根加强筋，车架中部立杆和车架前部立杆之间焊接有倒T字形连杆，倒T字形连杆顶端和车架中部立杆之间焊接有一根短连接杆，增加驱动小车的结构强度。

8.田间玉米植株叶片氮素含量检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

Y=12.172X1+16.263X2-21.328X3+24.625X4+318.342X5-410.208X6+218.104X7+228.042X8-369.682X9+282.453X10-282.216X11+61.165X12+2.1，计算得到玉米植株叶片的氮素含量，式中Y为玉米植株叶片的氮素含量；X1~X12分别为波长616nm、682nm、810nm、956nm、1026nm、1220nm、1450nm、1518nm、1860nm、1930nm、2012nm和2228 nm所对应的玉米植株叶片的反射率。