CN104729442A - 稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置及测量方法。一种测量稻秆空间位置和稻叶方位角的装置，其主体包括测量台、圆形转盘、高度尺、直尺、角度尺；测量台上固定一个圆形转轴；圆形转盘中心有一个圆孔，圆形转盘上附有度角刻度，圆形转盘通过圆形转轴放置在测量台上，并可绕圆形转轴旋转；高度尺矩形木条，垂直固定在测量台上，其所在平面通过圆形转盘的轴心，其上固定有矩形小木条。利用本发明的装置及方法测量水稻茎秆空间位置和稻叶方位角成本低廉、测量过程简便、测量数据有效，为水稻分蘖集散的量化描述提供了硬件和方法，能为水稻株形的模拟和优化设计提供基础参数。

Description

稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种稻株形态的测量装置，尤其是一种稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置和测量方法。
背景技术
我国水稻产量曾有两次突破，一是水稻高秆改矮秆，二是矮秆水稻改杂交水稻，矮秆品种比高秆品种增产、杂交稻比矮秆品种增产，其共同本质是株型改良。株型改良进程分为两个阶段，第一阶段是矮化育种，第二阶段是理想株型育种，想株型育种的发展方向是形态与机能兼顾，理想株型与优势利用相结合。
广义的株型是指综合的生物学性状的组配形式及其整体表达，它不仅包括植株的形态特征、空间排列方式，而且包括与群体光能利用直接相关联的某些机能性状，如生育期、光合特性、库源流协调性、谷草比、休眠性、抗逆性、需肥性、分典性等等。狭义的株形系指植物体的形态特征、空间排列方式以及各性状之间的关系，如植株高矮、分蘖集散、叶片的长短、宽窄及角度、穗形、个体在群体中的排列方式及其几何结构等。株形系指植物体的形态特征、空间排列方式以及各性状之间的关系，如植株高矮、分蘖集散、叶片的长短、宽窄及角度、穗形、个体在群体中的排列方式及其几何结构等。
稻株形态模拟是对水稻株形的模拟，即水稻的形态特征、空间排列方式以及各性状之间的关系，如植株高矮、分蘖集散、叶片的长短、宽窄及角度、穗形、个体在群体中的排列方式及其几何结构的模拟。稻株形态模拟的目的在于为理想稻株形态的选择，田间管理提供理论支持。
目前稻株形态模拟使用的主要信息是水稻冠层垂直空间的叶面积分布和光分布。提取更丰富的稻株形态信息，能为理想稻株形态提供多角度的研究，有利于提高稻株形态模拟的有效性。稻秆空间位置和稻叶方位角的数据采集装置比较少。2009年郑邦友(郑邦友, 石利娟, 马韫韬,邓启云,李保国,郭焱. 水稻冠层的田间原位三维数字化及虚拟层切法研究[J]. 中国农业科学,42(4):1181- 1189,2009.)等应用三维数字化技术测量稻秆空间位置，然而郑邦友利用的3Space Fastrak 三维数字化仪从美国 Polhemus公司进口，价格高。李绪孟(李绪孟，黄璜，邹锐标，王小卉.水稻株型测量仪:中国,201420075895.0[P] . 2014- 07- 09.)设计的水稻株型测量仪测量能够测量水稻的茎秆空间位置和叶脉曲线，然而该装置的构造复杂，制造成本不低，测量过程也比较繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、测量过程简便、测量数据有效的稻秆空间位置和稻叶方位角测量装置及测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的稻秆空间位置和稻叶方位角测量装置，其主体包括测量台（1）、圆形转盘（2）、高度尺（3）、直尺（8）、角度尺（9）；所述测量台（1）为平面实木板，测量台（1）上固定一个圆形转轴（4）；圆形转轴（4）通过一个边长为20厘米的正方形木板（10）的中心，正方形木板（10）上表面光滑，固定在测量台上。所述圆形转盘（2）直径为15厘米，中心有一个圆孔（5），圆盘上附有360度角刻度（6），圆孔（5）与圆形转轴（4）的尺寸相同，圆形转盘（2）通过圆形转轴（4）放置在正方形木板（10）上，圆形转盘（2）面与测量台面平行，并可绕圆形转轴（4）旋转；所述高度尺为75厘米长的矩形木条，垂直固定在测量台（1）上，高度尺（3）的一个侧平面从下至上标有长度刻度，其上固定了7个平行于的测量台面的等距矩形小木条（7）；高度尺（3）与正方形木板（10）之间固定了一个角刻度读数辅助小木条（11），角刻度读数辅助小木条（11）的一个侧面与高度尺（3）上标有刻度的侧面在同一个平面上，该平面通过圆形转盘（2）的轴心；所述直尺（8）为一边改为斜边的透明塑料直尺；所述角度尺（9）为数显角度尺。
解决上述技术问题，本发明还提供一种利用上述装置测量稻秆空间位置的方法，其步骤如下：
1）放置测量装置：放置测量装置于水平桌面上；
2）放置稻株：放置直径15厘米左右装有带土稻株的圆盆于圆形转盘（2）中央，并使稻株主茎基部竖直；
3）记录系统数据：标记记录高度尺（3）上的N根矩形小木条用于当次测量，记录稻秆基部与测量台（1）上表面的距离；记录高度尺（3）到转动圆盘中心轴的距离，记录高度尺（3）上的各根矩形小木条与测量台（1）上表面的距离；
4）测量：贴着矩形小木条和高度尺（3）放置直尺（4）在矩形小木条上，直尺指向圆形转盘（2）的中心轴，转动转盘，移动直尺，使得直尺的一端与转动盘上的稻秆接触；
5）读数：借助角刻度读数辅助小木条（11），记录高度尺（3）标有长度刻度的侧面所对着转盘圆盘的角刻度；记录直尺与高度尺的接触点到直尺与稻秆接触点的距离；
6）重复步骤4）～5）得到与稻秆上若干点所测量数据；
7）剪下已测的茎秆，测量茎秆直径；
8）重复4）～7），于是对每个茎秆得到若干点所对应的测量数据；
9）平移：对茎秆上的测量点到测量台（1）上表面的距离，得到茎秆上的测量点到稻秆基部的距离；对直尺与记录高度尺的接触点到直尺与稻秆接触点的距离，作平移得到接触点到圆形转盘（2）的中心轴的距离；
10）调整：对接触点到圆形转盘（2）的中心轴的距离调整，得到茎秆中心轴上的点的圆柱坐标；
11）坐标转化：将茎秆中心轴上的点的圆柱坐标转化为直角坐标；
12）茎秆曲线：对直茎秆，写出直线的点斜式方程；对弯曲茎秆，写出茎秆的空间参数方程；
13）整个计算过程由matlab编程实现。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种利用上述装置测量叶方位角的方法，其步骤如下：
1）放置测量装置：放置测量装置于水平桌面上；
2）放置稻株：用直径15厘米左右并标记北方圆盆装上带土稻株，放置于圆形转盘2）上，使稻株主茎基部竖直，圆盆的北方与圆形转盘2）的零刻度度；
3）测量：贴着高度尺3）侧面，平行测量台1）放置数显角度尺，角度尺的一边指向圆形转盘2）的中心轴，转动转盘，移动直尺，使其于叶结接触，逆时针方向调整另一边与叶脉所在面平行；
5）读数：记录高度尺3）标有长度刻度的侧面所对着转盘圆盘的角刻度Theta1，记录数显角度尺的读数Theta2；
6）计算：叶方向角为Theta = Theta1 - Theta2。
本发明具有的有益效果是 ：本发明避免采用昂贵的进口专用装置测量稻秆的空间位置和叶片的方位角，装置制作成本低，已于推广普及；装置设计精妙，数据采集过程中通过转动圆盘，无需测量人频繁地变动位置，有利于提高数据采集的效率，适合较大样本的数据采集。本发明为水稻株形模拟和优化设计提供稻秆空间位置和稻叶方位角数据采集所需的装置及方法。
附图说明
图1本发明的装置构造总示意图。
图2本发明的装置底座构造示意图。
图3本发明的圆盘上所附角刻度示意图。
图4本发明的高度尺和本发明所用直尺示意图。
图5本发明的茎秆分布测量过程示意图。
图6本发明的稻叶方位角测量示意图。
图7本发明的茎秆分布测量检验数据。
图8本发明的茎秆分布测量检验效果图。
图9本发明的稻叶方位角测量检验数据。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图4所示，本发明提供的稻秆空间位置和稻叶方位角测量装置，其其主体包括测量台（1）、圆形转盘（2）、高度尺（3）、直尺（8）、角度尺（9）；所述测量台（1）为平面实木板，测量台（1）上固定一个圆形转轴（4）；圆形转轴（4）通过一个边长为20厘米的正方形木板（10）的中心，正方形木板（10）上表面光滑，固定在测量台上。所述圆形转盘（2）直径为15厘米，中心有一个圆孔（5），圆盘上附有360度角刻度（6），圆孔（5）与圆形转轴（4）的尺寸相同，圆形转盘（2）通过圆形转轴（4）放置在正方形木板（10）上，圆形转盘（2）面与测量台面平行，并可绕圆形转轴（4）旋转；所述高度尺为75厘米长的矩形木条，垂直固定在测量台（1）上，高度尺（3）的一个侧平面从下至上标有长度刻度，其上固定了7个平行于的测量台面的等距矩形小木条（7）；高度尺（3）与正方形木板（10）之间固定了一个角刻度读数辅助小木条（11），角刻度读数辅助小木条（11）的一个侧面与高度尺（3）上标有刻度的侧面在同一个平面上，该平面通过圆形转盘（2）的轴心；所述直尺（8）为一边改为斜边的透明塑料直尺；所述角度尺（9）为数显角度尺。
如图5所示，测量稻秆空间位置的方法，其步骤如下：
1）放置测量装置：放置测量装置于水平桌面上；
2）放置稻株：放置直径15厘米左右装有带土稻株的圆盆于圆形转盘（2）上，并使稻株主茎基部竖直；
3）记录系统数据：标记记录高度尺（3）上的N根矩形小木条用于当次测量为减少测量工作量，对直茎秆取N为2，对弯曲茎秆取取N为3，记录稻秆基部与测量台（1）上表面的距离Lb；，记录高度尺（3）到转动圆盘中心轴的距离R，记录高度尺（3）上的第i根矩形小木条与测量台（1）上表面的距离Hi；
4）测量：贴着矩形小木条和高度尺（3）放置直尺（4）在第i根矩形小木条上，直尺指向圆形转盘（2）的中心轴，转动转盘，移动直尺，使得直尺的一端与转动盘上的稻秆j接触；
5）读数：借助角刻度读数辅助小木条（11），记录高度尺（3）标有长度刻度的侧面所对着转盘圆盘的角刻度Thetaji；记录直尺与高度尺的接触点到直尺与稻秆j接触点的距离NRji；
6）重复步骤4）～5）得到与稻秆j上N个点所对应的N组数，Hi，Thetaji，NRji），i=1…N；
7）剪下已测的茎秆，测量茎秆直径ri；
8）重复4）～7），于是对每个茎秆得到N个点所对应的N组数（Hi，Thetaji，NRji），i=1…N，j=1…M；记与主茎上对应的一组数为（Hm，Thetam，NRm）
9）平移：Hi为茎秆上的测量点到测量台（1）上表面的距离，作平移H1i=Hi-Lb，得到茎秆上的测量点到稻秆基部的距离，为方便H1i仍记为Hi；NRji为直尺与记录高度尺的接触点到直尺与稻秆接触点的距离，作平移Rji=R-NRji，接触点到圆形转盘（2）的中心轴的距离；
10）调整：对 Rji作调整R1ji=Rji-ri，为方便R1j仍记为Rji，得到茎秆中心轴上的点对应的数组（Hi，Thetaji，Rji）；
11）坐标转化：令（xij，yij，zij）=（ Rjisin（Thetaji），Rjicos（Thetaji），Hi），将圆柱坐标转化为直角坐标；
12）茎秆曲线：利用测得的数据，写出每个稻秆的方程。对直茎秆，计算茎秆斜率，写出直线的点斜式方程；对弯曲茎秆，根据参数方程x=a1+b1·z+ c1·z2，y=a2+b2·z+ c2·z2，写出茎秆的空间参数方程；
13）整个计算过程由matlab编程实现。
 如图6所示，测量稻叶方位角的方法，其步骤如下：
1）放置测量装置：放置测量装置于水平桌面上；
2）放置稻株：用直径15厘米左右并标记北方圆盆装上带土稻株，放置于圆形转盘（2）上，使稻株主茎基部竖直，圆盆的北方与圆形转盘（2）的零刻度度；
3）测量：贴着高度尺（3）侧面，平行测量台（1）放置数显角度尺，角度尺的一边指向圆形转盘（2）的中心轴，转动转盘，移动直尺，使其于叶结接触，逆时针方向调整另一边与叶脉所在面平行；
5）读数：记录高度尺（3）标有长度刻度的侧面所对着转盘圆盘的角刻度Theta1，记录数显角度尺的读数Theta2；
6）计算：稻叶方向角为Theta = Theta1 - Theta2。
使用本发明装置和方法测量营养稻秆空间位置，每个茎秆测量四个点的位置，四个点分成两组，每组两个点。第一组两个点通过拟合稻秆中心轴的空间直线，并预测第二组两个点的空间坐标。将第二组两个点的预测值和实测值进行比较作为检验，数据见图7，结果表明X坐标和Y坐标的预测值与实测值的最大偏差为0.70毫米和0.74毫米。为直观表示检验效果， 结合茎秆长度作出稻秆空间位置图示，见图8。
使用本发明装置和方法测量营养生长期稻株叶方位角，同时使用指南盘测量。两种测量结果比较如图9，结果表明两种测量方式的最大偏差为3°。
从上述本发明的装置构造和测量方法及测量效果分析，本发明装置制作成本低，装置设计精妙，数据采集简单，效率较高，采集数据有效。因此，本发明为水稻株形模拟和优化设计提供稻秆空间位置和叶方位角数据采集的所需装置及方法。

Claims (3)

1.一种稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置，其主体包括测量台（1）、圆形转盘（2）、高度尺（3）、直尺（8）、角度尺（9）；所述测量台（1）为平面实木板，测量台（1）上固定一个圆形转轴（4）；圆形转轴（4）通过一个边长为20厘米的正方形木板（10）的中心，正方形木板（10）上表面光滑，固定在测量台上；所述圆形转盘（2）直径为15厘米，中心有一个圆孔（5），圆盘上附有360度角刻度（6），圆孔（5）与圆形转轴（4）的尺寸相同，圆形转盘（2）通过圆形转轴（4）放置在正方形木板（10）上，圆形转盘（2）面与测量台面平行，并可绕圆形转轴（4）旋转；所述高度尺为75厘米长的矩形木条，垂直固定在测量台（1）上，高度尺（3）的一个侧平面从下至上标有长度刻度，其上固定了7个平行于的测量台面的等距矩形小木条（7）；高度尺（3）与正方形木板（10）之间固定了一个角刻度读数辅助小木条（11），角刻度读数辅助小木条（11）的一个侧面与高度尺（3）上标有刻度的侧面在同一个平面上，该平面通过圆形转盘（2）的轴心；所述直尺（8）为一边改为斜边的透明塑料直尺；所述角度尺（9）为数显角度尺。
2.一种利用权利要求 1 所述稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置测量稻秆空间位置的方法，其特征在于包括以下步骤 ：
1）放置测量装置：放置测量装置于水平桌面上；
2）放置稻株：放置直径15厘米左右装有带土稻株的圆盆于圆形转盘（2）中央，并使稻株主茎基部竖直；
3）记录系统数据：标记记录高度尺（3）上的N根矩形小木条用于当次测量，记录稻秆基部与测量台（1）上表面的距离；记录高度尺（3）到转动圆盘中心轴的距离，记录高度尺（3）上的各根矩形小木条与测量台（1）上表面的距离；
4）测量：贴着矩形小木条和高度尺（3）放置直尺（4）在矩形小木条上，直尺指向圆形转盘（2）的中心轴，转动转盘，移动直尺，使得直尺的一端与转动盘上的稻秆接触；
5）读数：记录高度尺（3）标有长度刻度的侧面所对着转盘圆盘的角刻度，记录直尺与记录高度尺的接触点到直尺与稻秆接触点的距离；
6）重复步骤4）～5）得到与稻秆上若干点所测量数据；
7）剪下已测的茎秆，测量茎秆直径；
8）重复4）～7），于是对每个茎秆得到若干点所对应的测量数据；
9）平移：对茎秆上的测量点到测量台（1）上表面的距离，得到茎秆上的测量点到稻秆基部的距离；对直尺与记录高度尺的接触点到直尺与稻秆接触点的距离，作平移得到接触点到圆形转盘（2）的中心轴的距离；
10）调整：对接触点到圆形转盘（2）的中心轴的距离调整，得到茎秆中心轴上的点的圆柱坐标；
11）坐标转化：将茎秆中心轴上的点的圆柱坐标转化为直角坐标；
12）茎秆曲线：对直茎秆，写出直线的点斜式方程；对弯曲茎秆，写出茎秆的空间参数方程；
13）整个计算过程由matlab编程实现。
3.一种利用权利要求 1 所述稻秆空间位置和稻叶方位角的测量装置测量叶方位角的方法，其特征在于包括以下步骤 ：
1）放置测量装置：放置测量装置于水平桌面上；
2）放置稻株：用直径15厘米左右并标记北方圆盆装上带土稻株，放置于圆形转盘（2）上，使稻株主茎基部竖直，圆盆的北方与圆形转盘（2）的零刻度度；
3）测量：贴着高度尺（3）侧面，平行测量台（1）放置数显角度尺，角度尺的一边指向圆形转盘（2）的中心轴，转动转盘，移动直尺，使其于叶结接触，逆时针方向调整另一边与叶脉所在面平行；
5）读数：记录高度尺（3）标有长度刻度的侧面所对着转盘圆盘的角刻度Theta1，记录数显角度尺的读数Theta2；
6）计算：叶方向角为Theta = Theta1 - Theta2。
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