CN105738423A - 块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模 - Google Patents

Abstract

本发明涉及块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，步骤为：步骤1，取风干样土三份，计算风干样土的田间最大持水量；步骤2，测量不同土壤含水率时土壤电导率，得到在30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％土壤含水率下，土壤电导率的数值；步骤3，测量块茎植物的电导率；多次测量，求取平均值，并记录数据；步骤4，用数据分析软件对步骤1、步骤2和步骤3测得的数据进行回归分析，寻找土壤含水率与土壤电导率的关系式，建立直接的数学模型。本发明，不仅能对电阻成像硬件系统的优化设计提供理论指导，而且对激励/测量电极的设计，激励/测量策略的选取，激励信号频率、大小的确定等都具有非常重要的作用。

Description

块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模

技术领域

本发明涉及块茎电阻成像技术领域，具体说是块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模。

背景技术

基于电阻成像技术的块茎生长状态信息检测系统，其研究成果将为农作物(如马铃薯、番薯、芋)和名贵中药材(如人参、天麻)等块茎植物新品种培育、科学合理种植、提高产量等提供强有力的可视化监测手段和分析工具。

对于块茎植物的精细种植而言，可通过对块茎生长状态信息的抽样监测，甚至还可通过无线传感器网络实现远程监控，做到合理有效地浇水、施肥和病虫害防治等，这对低碳经济、绿色环保与食品安全等具有重大意义。

块茎电阻成像技术的关键之一是土壤多相介质环境的电导特性的测定。实际上，块茎生长的环境因素包括水、根系、气体、土壤介质中无机盐分和有机质含量等，它们组成了一个复杂的导电性多相介质环境。

土壤多相介质环境的电导特性的测试方法与建模是块茎电阻成像的基础，它对电阻成像系统优化设计，尤其是对激励/测量电极的设计，激励/测量策略的选取，激励信号频率、大小的确定都至关重要。

以前，土壤多相介质环境的电导特性的测定，往往只考虑土壤含水率(土壤水)和土壤电导率(电导)的简单对应关系，甚至作线性化处理，其实这是不精确的。实际上，块茎生长的土壤多相介质环境的电导特性与土壤含水率是一个非线性问题，它与田间最大持水量、块茎生长的环境因素等均密切有关，而且相当复杂。所以块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，也就是块茎生长的土壤多相介质环境的电导特性的测试方法与建模是块茎成像技术的关键技术之一。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模(模型的建立)，在遵从人们习惯于土壤含水率与土壤电导率对应关系框架的基础上，运用基于回归分析的实验测定方法，综合考虑土壤环境的电导特性与田间最大持水量、块茎生长的环境因素等密切有关的情况下，通过测试数据和数学分析建模相结合的方法，建立起了对电阻成像物场电导特性测试分析至关重要的数学模型。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，取风干样土三份，计算风干样土的田间最大持水量；

步骤2，测量不同土壤含水率时土壤电导率，得到在30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％土壤含水率下，土壤电导率的数值；

步骤3，测量块茎植物的电导率；

将块茎切成小立方体，卡到电导率测量仪的电极的两个极板之间，多次测量，求取平均值，并记录数据；

步骤4，用数据分析软件对步骤1、步骤2和步骤3测得的数据进行回归分析，寻找土壤含水率与土壤电导率的关系式，建立直接的数学模型。

在上述技术方案的基础上，回归分析时采用曲线估计的方法进行分析。

在上述技术方案的基础上，步骤1中取500g风干土样，等量地分成三份。

在上述技术方案的基础上，计算风干样土的田间最大持水量的具体步骤为：

(1)将三份风干样土，分别装入一个底部打洞的塑料盒内，分别往三个塑料盒里注入纯净水，直至饱和，静置至少2h，确保排出重力水，称取最后水土总质量；

(2)根据最后水土总质量减去风干样土质量求得风干样土的田间最大持水量；

(3)根据先验知识验证所计算的风干样土的田间最大持水量是否正确。

在上述技术方案的基础上，采用曲线估计的方法进行回归分析中，主要从三个方面来分析拟合曲线是否可以采用：

(i)拟合优度R²，它表示标本对总体的吻合程度，拟合系数接近1，表示显著检验效果越好；

(ii)回归方程的显著性检验，要求sig<0.05；

(iii)回顾系数的显著性检验，要求sig<0.05。

在上述技术方案的基础上，当采用曲线估计的方法进行回归分析不可采纳时，采取分段分析。

在上述技术方案的基础上，分段分析的具体步骤为：

土壤含水率在30％FC～70％FC时，曲线主要呈指数型增长，所以采取增长型模型对数据进行回归分析；

土壤含水率在70％FC～100％FC时，电导率增长速度明显降了下来，所以选择Logistic模型来进行回归分析。

在上述技术方案的基础上，土壤含水率与土壤电导率的关系如式(1)所示，

$\mathrm{\&sigma;}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{(3.46+4w)}& 0.3\&le;w<0.7\\ \frac{1}{\frac{1}{642}+0.036\&times;{0.01}^w}& 0.7\&le;w<1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：σ土壤电导率，w为土壤水分含量百分比，取值为0.3～1。

本发明所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，在遵从人们习惯于土壤含水率与土壤电导率对应关系框架的基础上，运用基于回归分析的实验测定方法，综合考虑土壤环境的电导特性与田间最大持水量、块茎生长的环境因素等密切有关的情况下，通过测试数据和数学分析建模相结合的方法，建立起了对电阻成像物场电导特性测试分析至关重要的数学模型。

本发明所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，不仅能对电阻成像硬件系统的优化设计提供理论指导，而且对激励/测量电极的设计，激励/测量策略的选取，激励信号频率、大小的确定等都具有非常重要的作用。例如，知道土壤含水率与土壤电导率的关系，可以分析在不同土壤含水率下，边界电压的变化情况，为硬件系统的搭建提供具体设计指导。

附图说明

本发明有如下附图：

图1土壤电导率随土壤含水率变化的曲线图；

图2曲线估计拟合软件分析；

图330％FC～70％FC的土壤电导率变化拟合曲线和结果数据；

图470％FC～100％FC的土壤电导率变化拟合曲线和结果数据。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，包括如下步骤：

步骤1，取风干样土三份，计算风干样土的田间最大持水量(FC)；

所述田间最大持水量是指：降雨或灌溉后，多余的重力水已经排除，渗透水流已降至很低或基本停止时土壤所吸持的水量；

田间最大持水量是大多数植物可利用的土壤水上限；

步骤2，测量不同土壤含水率时土壤电导率，得到在30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％土壤含水率下，土壤电导率的数值；

即：土壤含水率的范围选择为田间最大持水量的30％～100％，每递增10％测量一次；

土壤电导率的测量可采用意大利HANNAinstruments公司生产的HI993310便携式土壤电导率仪；

步骤3，测量块茎植物的电导率；

将块茎植物的块茎(例如马铃薯)切成小立方体，卡到电导率测量仪的电极的两个极板之间，多次测量，求取平均值，并记录数据；

块茎植物的电导率的测量可采用美国METTLEDTOLEDO公司生产的S230电导率测量仪来测量马铃薯块茎的电导率；

步骤4，用数据分析软件(例如SPSS)对步骤1、步骤2和步骤3测得的数据进行回归分析，寻找土壤含水率与土壤电导率的关系式，建立直接的数学模型。

回归分析时采用曲线估计的方法进行分析，这是因为：在对数据进行加工处理之后，建立以土壤电导率为因变量，以土壤含水率为自变量的散点图，观察到二者之间呈现非线性的关系，如图1所示，但无法判定具体是非线性的哪个模型。

在上述技术方案的基础上，步骤1中取500g风干土样，等量地分成三份。

在上述技术方案的基础上，计算风干样土的田间最大持水量的具体步骤为：

(1)将三份风干样土，分别装入一个底部打洞的塑料盒内，分别往三个塑料盒里注入纯净水，直至饱和，静置至少2h，确保排出重力水，称取最后水土总质量；

(2)根据最后水土总质量减去风干样土质量求得风干样土的田间最大持水量；

(3)根据先验知识验证所计算的风干样土的田间最大持水量是否正确。

在上述技术方案的基础上，步骤4的具体分析过程为：

(1)首先，建立以土壤电导率为因变量，以土壤含水率为自变量的散点图，观察二者之间呈现何种关系，是线性关系、二次函数关系、还是指数关系等，如图1所示；

(2)经观察图1可以发现，土壤电导率随土壤含水率变化的曲线不是某一种很明显的关系曲线，因此采用回归分析中曲线估计方法来拟合曲线：采用线性、二次项、复合、增长、对数、立方、S、指数分布、逆模型、幂这10种模型来对曲线进行拟合，如图2所示；

(3)在步骤(2)采用曲线估计的方法进行回归分析中，主要从三个方面来分析拟合曲线是否可以采用：

(i)拟合优度R²，它表示标本对总体的吻合程度，拟合系数接近1，表示显著检验效果越好；

(ii)回归方程的显著性检验，要求sig<0.05；

(iii)回顾系数的显著性检验，要求sig<0.05；

从步骤(2)中10种模型曲线估计的拟合优度R²来看，都接近1，满足条件，但是从各个模型的回归方程和回归系数的显著性检验来看都不满足条件，因此这10种模型都不可采纳；

(4)当步骤(3)的10种模型都不可采纳时，采取分段分析，

从图1可以看出：土壤含水率在30％FC～70％FC时，曲线主要呈指数型增长，所以采取增长型模型对数据进行回归分析；

如图3所示，是回归分析的输出结果和曲线图，从结果中的3项指标来看，均满足条件，回归方程有效；

从图1可以看出：土壤含水率在70％FC～100％FC时，电导率增长速度明显降了下来，所以选择Logistic模型来进行回归分析；

图4是回归分析的输出结果和曲线图，从结果中的3项指标来看，均满足条件，回归方程有效。

(5)综上分析可知，土壤含水率与土壤电导率的关系如式(1)所示，

$\mathrm{\&sigma;}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{(3.46+4w)}& 0.3\&le;w<0.7\\ \frac{1}{\frac{1}{642}+0.036\&times;{0.01}^w}& 0.7\&le;w<1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：σ土壤电导率，w为土壤水分含量百分比，取值为0.3～1。

式(1)为土壤含水率与土壤电导率之间建立起来的一个分段函数关系式，也就是一个较为直接的数学模型。实际上影响土壤电导率特性的因素还有很多，它是一个比较复杂的综合影响结果。比如，土壤中的各种无机盐成分、有机物质含量、土壤的孔隙率都会对电导率进行影响。因此，该模型可以作为无机盐和有机质以及孔隙率一定的情况下，其土壤的平均电导率和含水率间的函数关系式，这对硬件系统设计和进一步的理论与实验的深入研究具有指导作用。

本发明将电阻层析成像(ERT)技术引入到电子农业领域，为植物块茎的生长状态监测提供了强有力的手段和工具，针对不同阶段的块茎生长状态提供灌溉施肥等方面的指导达到农业细作节约能源的目的。

在深入研究土壤多相流介质和块茎生长的物理环境下，通过电导率仪来测量土壤和马铃薯块茎的电导率，用大型数据统计分析软件SPSS软件对测量数据分析处理，得出其土壤的平均电导率和含水量之间关系的直接的数学模型，对硬件系统的设计和进一步的理论的深入研究具有指导作用。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，取风干样土三份，计算风干样土的田间最大持水量；

步骤2，测量不同土壤含水率时土壤电导率，得到在30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％土壤含水率下，土壤电导率的数值；

步骤3，测量块茎植物的电导率；

将块茎切成小立方体，卡到电导率测量仪的电极的两个极板之间，多次测量，求取平均值，并记录数据；

步骤4，用数据分析软件对步骤1、步骤2和步骤3测得的数据进行回归分析，寻找土壤含水率与土壤电导率的关系式，建立直接的数学模型。

2.如权利要求1所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：回归分析时采用曲线估计的方法进行分析。

3.如权利要求1所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：步骤1中取500g风干土样，等量地分成三份。

4.如权利要求1所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：计算风干样土的田间最大持水量的具体步骤为：

(1)将三份风干样土，分别装入一个底部打洞的塑料盒内，分别往三个塑料盒里注入纯净水，直至饱和，静置至少2h，确保排出重力水，称取最后水土总质量；

(2)根据最后水土总质量减去风干样土质量求得风干样土的田间最大持水量；

(3)根据先验知识验证所计算的风干样土的田间最大持水量是否正确。

5.如权利要求2所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：采用曲线估计的方法进行回归分析中，主要从三个方面来分析拟合曲线是否可以采用：

(i)拟合优度R²，它表示标本对总体的吻合程度，拟合系数接近1，表示显著检验效果越好；

(ii)回归方程的显著性检验，要求sig<0.05；

(iii)回顾系数的显著性检验，要求sig<0.05。

6.如权利要求1所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：当采用曲线估计的方法进行回归分析不可采纳时，采取分段分析。

7.如权利要求6所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：分段分析的具体步骤为：

土壤含水率在30％FC～70％FC时，曲线主要呈指数型增长，所以采取增长型模型对数据进行回归分析；

土壤含水率在70％FC～100％FC时，电导率增长速度明显降了下来，所以选择Logistic模型来进行回归分析。

8.如权利要求7所述的块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于：土壤含水率与土壤电导率的关系如式(1)所示，

$\mathrm{\&sigma;}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{(3.46+4w)}& 0.3\&le;w<0.7\\ \frac{1}{\frac{1}{642}+0.036\&times;{0.01}^w}& 0.7\&le;w<1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：σ土壤电导率，w为土壤水分含量百分比，取值为0.3～1。