手持式生物量測定裝置及方法

2023-10-28 00:55:52 5

專利名稱：手持式生物量測定裝置及方法
技術領域：
本發明涉及農作物生物量的測定，具體涉及一種手持式生物量測定裝置及方法。
背景技術：
在農業科學領域，農作物田間觀測農藝參數中，經常需要對作物進行某種處理，生物量是反映作物生長狀況的一種指標。生物量是指某一時刻單位面積內實存生活的有機物質重量，狹義的生物量僅指以重量表示的，可以是鮮重或乾重。作物生物量包括地上部分莖葉花果實種子、地下部分的根或地下莖。生物量越大，產量越高，因此，採用快速無損生物量測量對篩選種質資源具有重要的意義。按照常規的方法，測定作物生物量是採用挖苗、收割、去除土進行稱重(乾重或鮮重)來研究作物在不同生育階段的生物量變化。這種傳統的作物生物量測定方法準確可 靠，但需要種植大量的作物以便滿足作物在不同生育期的實驗需求，且破壞性極強，不能在育種過程中使用。近年來，也有學者展開對作物活體生物量的研究，如專利號CN200710178526. 9介紹的一種測定作物活體生物量變化的裝置，將待測作物種植在特製的容器中，容器置於稱量設備上，可達到連續跟蹤研究作物生物量動態變化的目的。該裝置主要適用於室內科學實驗研究，將待測作物人工種植在特定容器中作連續監測研究，且用於檢測單株作物生物量的生長變化。因此，該裝置不能用在田間、群體作物生物量的現場測定。通過測定作物在外力的作用下的形變也可以預測其生物量。基於這種力學特性，國外已開發出商業化的落盤式測定儀和擺式計(Pendulun-Meter)。落盤式測定儀(見非專利文獻，Jerry H. Scrivner, D. Michael Center, Milton B. Jones, A Rising Plate Meterfor Estimating Production and Utilization,Journal of Range Management，1986，39 :475-477)主要用於牧草測量，利用測定的壓縮高度與草地植被自然高度及密度建立函數關係，最終換算成牧草產量。該測定儀已由紐西蘭WMC公司批量生產。德國農業工程研究所設計的一種擺式生物量檢測儀(見非專利文獻，D. Ehlert, V. Hammen, R. Adamek, On-lineSensor Pendulum-Meter for Determination of Plant Mass, Precision Agriculture,2003，4，139-148)，也稱為擺式計(Pendulun-Meter)，利用測定擺杆角度變化與作物種植密度、高度等建立函數關係，最終建立擺杆角度與生物量之間的關係，即通過測定擺杆角度直接反應該生物量大小。「落盤式測定儀」適於高密度低矮生長的植物，因而目前主要用於牧草生物量的測定。該測定儀只能單點測量，對於植物不均勻的地塊，只能通過多點測量取均值的方法儘量減小誤差，難以對生長較高的田間農作物連續測量。「擺式計」採用拖拉機作為掛載平臺，數據採集部分由置於駕駛室內的筆記本電腦實現，並且行進速度很快，僅適合於農業生產中大田測量，難以滿足育種過程中小地塊生物量精細測定的要求。國內目前只檢索到申請號為201010206484. 7的基於力矩的生物量活體檢測裝置及方法的發明專利，用于田間活體無損生物量檢測。該發明基於力矩原理，採用扭矩傳感器結合導軌式測量裝置，該裝置將觸杆安裝於平行導軌上，觸杆在導軌上平穩運行過程中迫使作物莖杆受力，產生回彈力作用於觸杆，使得支杆產生繞扭矩傳感器的力矩，數據採集系統獲取力矩的數據。利用化學計量學方法建立力矩大小與作物生物量之間的數學模型。該發明採用導軌式裝置，雖然採用了可攜式設計，但需要至少兩人才能實現導軌的搬運，田間現場操作時導軌的安裝、調整比較費時。為了避免踩踏、損壞作物，需將儀器抬離作物株高以上(對於小麥，至少應高於80cm)的位置搬運，增大了搬運難度。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明的目的是針對田間作物生物量活體檢測的需求，提供一種基於生物力學特性的手持式生物量測定裝置及方法，實現便攜、活體、無損、快速測量，實現單人測量。( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種手持式生物量測定裝置，包括水平推桿、壓力傳感器、豎直連接杆、橫梁、採集模塊、懸掛背帶和水平準直器；所述壓力傳感器置於水平推桿與豎直連接杆之間，用於獲取作物形變時產生的回彈力的大小；所述橫梁末端與豎直連接杆上端連接，用於握持該裝置；所述兩根懸掛背帶，一根掛在脖頸，一根系在腰間，使用時與水平推桿形成一個三角形，用於保持水平推桿處於水平狀態；所述水平準直器，安裝於橫梁前端，用於測量過程中不斷觀測調整，以保持水平推桿的位置水平。所述採集模塊置於橫梁上並與壓力傳感器連接，採集模塊中內嵌作物生物量預測模型，根據所述壓力傳感器採集到的作物回彈力電壓信號對生物量進行測定。優選地，所述水平推桿兩端設有塑料頂塞，用於避免測量過程中劃傷葉片或增大摩擦導致發生卷葉現象。優選地，所述壓力傳感器設置有防護外殼；防護外殼的外形尺寸及定位尺寸根據壓力傳感器的安裝尺寸確定，通過十字槽螺釘將壓力傳感器及防護外殼固定在豎直連接杆上，並將水平推桿與防護外殼及壓力傳感器緊固。優選地，所述橫梁上設有手持部位，操作時能夠增大手與橫梁之間的摩擦，避免手與橫梁發生相對滑動。優選地，所述橫梁為伸縮式橫梁，採用按鈕控制式伸縮結構，通過按壓伸縮按鈕達到鬆開和壓緊，可根據操作人員的習慣調節手握位置。優選地，所述橫梁還設有容納盒；容納盒內包括組合電池、放大器和連接電線；容納盒上設有進線孔，進線孔的內壁與橫梁的外壁貼合併固定。優選地，該裝置還包括2根懸掛背帶，與橫梁連接，2根懸掛背帶都可根據操作人員的需要調節背帶的長短。優選地，所述採集模塊通過承載裝置與橫梁連接；承載裝置的承載部分與支撐杆之間採用旋轉部件，使承載的採集模塊可根據操作人員視角的不同調節合適的傾斜角度。 本發明還提供一種手持式生物量測定方法，採用上述的手持式生物量測定裝置，包括步驟
在作物田裡選定若干個測量區域，劃定每個區域的面積，將區域劃定為2組，選擇第一組用於生物量模型建立的分析數據，第二組用於模型驗證評估；在作物的不同生育期內使用所述手持式生物量測定裝置對作物進行快速無損活體生物量測量，每個區域內分別採集若干個作用點測量高度下的回彈特性數據；對標定的各區域進行作物鮮重的測量；採用回歸分析法，分別對第一組區域、在所述作用點測量高度採集的回彈特性數據進行取平均值和區域內的極大值點取平均即波峰均值，分別將這兩個數據作為自變量X1^X2 ;第一組區域作物鮮重作為因變量X ;建立xl，y和x2，y之間的回歸方程，分析變量之間的相關性；根據數據分析結果，選擇其中相關係數最大的一組數據作為作物回彈特性與生物量關係的最終模型，並根據第二組區域的數據進行模型驗證評估。(三)有益效果本發明提供的基於生物力學特性研製的作物生物量快速無損活體手持式檢測裝置及方法，相對於落盤式測定儀，可進行連續測量。相比擺式計測定儀，沒有擺動部件，沒有對掛載平臺勻速運動的要求。相比基於力矩的可攜式生物量活體檢測儀，沒有導軌部件，在田間不用為儀器的搬運而擔憂。本發明採用手持式裝置具有便攜性，可單人操作完成，測量快速、無損等特性，且測量結果準確可靠，特別適用于田間育種過程中對小地塊中小群體農作物生物量的檢測。


圖I為本發明手持式生物量測定裝置一實施例的總裝配示意圖；圖2為本發明中容納盒內部組成結構示意圖；圖3為本發明中採集模塊的承載裝置結構示意圖；圖4為本發明手持式生物量測定方法一實施例中區域內峰值均值的取法示意圖；圖5為本發明一實施例中50cm處採集的彈性特性與生物量之間的線性關係示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不是限制本發明的範圍。如圖I所示，本發明所述的手持式生物量測定裝置包括水平推桿I、壓力傳感器3、豎直連接杆6、橫梁9、採集模塊13、兩個懸掛背帶(14)和水平準直器(11)。所述壓力傳感器(3)置於水平推桿(I)與豎直連接杆(6)之間，用於獲取作物形變時產生的回彈力的大小；所述橫梁(9)末端與豎直連接杆(6)上端連接，用於握持該裝置；所述採集模塊(13)置於橫梁(9)上並與壓力傳感器(3)連接，採集模塊(13)中內嵌作物生物量預測模型，根據所述壓力傳感器(3)採集到的作物回彈力電壓信號對生物量進行測定。本實施例中以小麥的生物量測量為例。所述水平推桿I兩端設有塑料頂塞2，彌補管材切割過程中有毛邊的缺陷，避免測量過程中劃傷葉片或增大摩擦導致發生卷葉現象。水平推桿I採用Φ30長60cm的鋁合金空心管材，壁厚1mm。所述壓力傳感器3，根據小麥的測量區域面積及小麥莖杆的回彈特性，採用量程為Ikg壓力傳感器，接收小麥莖杆回彈力信號。輸出電壓信號，通過採集模塊13轉化成相應的生物量數值，顯示在採集模塊LED屏幕上，便於實時觀察檢測區域內小麥生物量的變化。壓力傳感器3設置有專屬的防護外殼5，外殼蓋與殼體採用內六角螺釘固定，螺釘完全隱藏於殼體中。防護外殼5外形尺寸及定位尺寸根據壓力傳感器3的安裝尺寸確定，通過十字槽螺釘4將壓力傳感器3及防護外殼5固定在豎直連接杆6上,將水平推桿I與防護外殼5及壓力傳感器3緊固。所述橫梁9為伸縮式橫梁，其上設有容納盒7、手持部位橡膠結構8、伸縮按鈕10、水平準直器11和採集模塊的承載裝置12。容納盒7內有12V的組合電池15，輸出電壓為0-5V的放大器16和較多的連接電線17，如圖2所示。容納盒7上有進線孔18，孔18的內壁與伸縮式橫梁9伸縮端外壁貼合，採用法蘭式構件將橫梁9與容納盒7固定。壓力傳感 器3的傳輸信號線穿過豎直連接杆6、橫梁9到達容納盒內，與放大器16的連接電線17相連，再將連接電線17的另一端與電池15相接，信號輸出端與採集模塊13的數據輸入線相連，完成儀器的接線部分。通過按壓伸縮按鈕10達到鬆開和壓緊，可隨意的調節橫梁9的長度及手持部位8之間的距離。採集模塊的承載裝置12，承載部分19與支撐杆20之間採用摩擦較大的關節軸承作為旋轉部件21，使承載的採集模塊可根據操作人員視角的不同調節合適的傾斜角度，如圖3所示。所述懸掛背帶14，2根背帶都可根據操作人員的需要調節背帶的長短，一根掛在脖頸，一根系在腰間，使用時與水平推桿形成一個三角形，用於保持水平推桿處於水平狀
O本發明所述的手持式生物量測定方法，採用上述的手持式生物量測定裝置，包括步驟在作物田裡選定若干個測量區域，劃定每個區域的面積，將區域劃定為2組，選擇第一組用於生物量模型建立的分析數據，第二組用於模型驗證評估；在作物的不同生育期內使用所述手持式生物量測定裝置對作物進行快速無損活體生物量測量，每個區域內分別採集若干個作用點測量高度的數據；對標定的各區域進行作物鮮重的測量；採用線性回歸分析法，分別對第一組區域、在所述作用點測量高度採集的回彈特性數據進行取平均值和區域內的極大值點取平均即波峰均值，分別將這兩個數據作為自變量Xl，X2 ;第一組區域作物鮮重作為因變量y ;建立xl，y和x2，y之間的回歸方程，分析變量之間的線性相關性；根據數據分析結果，選擇其中相關係數最大的一組數據作為作物回彈特性與生物量關係的最終模型，並根據第二組區域的數據進行模型驗證評估。本實施例中的測量方法如下在小麥田地裡選定31個測量區域，劃定每個區域面積為60*150cm2，將區域劃定為2組，按區域遠近依次選擇26個區為一組用於小麥生物量模型建立的分析數據，後5個區為一組用於模型驗證評估。所選區域儘量選取小麥長勢有較明顯差異的，便於建立通用模型。在小麥抽穗期、灌漿期、乳熟期、蠟熟期4個生育期內對小麥進行快速無損活體生物量測量，標定31個區域的離地高度分別為40cm，45cm和50cm作為作用點測量高度。測量時，31個區域保持一致的測量方位，保證一致的正向或反向輸出，便於數據分析。數據處理時首先要對每一個區域數據去除由於起始與收尾時造成的不穩定的數據，其次再用數學方法進行分析。採集模塊13設定±12V輸入電壓，50msec採集頻率，打開容納盒7，連接電源，開啟採集模塊13開關。根據操作人員的習慣將2根懸掛背帶14 一根掛在脖頸，一根系在腰間，調節背帶長短，通過觀測水平準直器11，使伸縮式橫梁9處於水平位置，平穩的在劃定區域內從區域的一端掃到區域的另一端，每個區域內分別採集3個作用點測量高度的數據。 對標定的31個區域進行地上小麥鮮重的測量，將60*150cm2區域內的地上小麥割下，及時用精度為O. lg，量程為30kg的電子秤進行鮮重測量，記下對應區域的鮮重總量。採用線性回歸分析法，分別對26個區域、3個作用點測量高度採集的回彈特性數據進行取平均值和區域內的極大值點取平均即波峰均值，分別將這兩個數據作為自變量X1, X2 ;26個區域小麥地上鮮重作為因變量y ;建立xl，y和x2，y之間的回歸方程。在Excel中根據數據畫散點圖，分析兩個變量之間的線性相關性。其中，自變量X分別對40Cm、45Cm、50Cm3個作用點測量高度採集的數據取均值，記為xn，X12, X13 ；自變量X2分別對40Cm、45Cm、50Cm3個作用點測量高度採集的數據取波峰均值，記為X21 ,X22 ,X23 ;建立Y = aXXij+b, i = 1, 2 ； j = 1,2,3之間的回歸關係,其中，a為回歸係數，b為常數項。圖4為26個區域中某一區域提取波峰均值的方法22為提取該區域波峰均值線。根據6組數據分析結果，選擇其中相關係數最大的一組數據作為小麥回彈特性與生物量關係的最終模型，見圖5為6組數據中相關係數R最大的一組數據散點圖。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種手持式生物量測定裝置，其特徵在於，包括水平推桿(I)、壓力傳感器(3)、豎直連接杆￠)、橫梁(9)、採集模塊(13)、兩根懸掛背帶(14)和水平準直器(11)； 所述壓力傳感器(3)置於水平推桿(I)與豎直連接杆(6)之間，用於獲取作物形變時產生的回彈力的大小； 所述橫梁(9)末端與豎直連接杆(6)上端連接，用於握持該裝置； 所述兩根懸掛背帶(14)，一根掛在脖頸，一根系在腰間，使用時與水平推桿(I)形成一個三角形，用於保持水平推桿(I)處於水平狀態； 所述水平準直器(11)，安裝於橫梁(9)前端，用於測量過程中不斷觀測調整，以保持水平推桿(I)的位置水平。
所述採集模塊(13)置於橫梁(9)上並與壓力傳感器(3)連接，採集模塊(13)中內嵌作物生物量預測模型，根據所述壓力傳感器(3)採集到的作物回彈力電壓信號對生物量進行測定。
2.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述水平推桿(I)兩端設有塑料頂塞(2)，用於避免測量過程中劃傷葉片或增大摩擦導致發生卷葉現象。
3.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述壓力傳感器(3)設置有防護外殼(5)；防護外殼(5)的外形尺寸及定位尺寸根據壓力傳感器(3)的安裝尺寸確定，通過十字槽螺釘(4)將壓力傳感器(3)及防護外殼(5)固定在豎直連接杆(6)上，並將水平推桿(I)與防護外殼(5)及壓力傳感器(3)緊固。
4.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述橫梁(9)上設有手持部位，操作時能夠增大手與橫梁(9)之間的摩擦，避免手與橫梁(9)發生相對滑動。
5.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述橫梁(9)為伸縮式橫梁，採用按鈕控制式伸縮結構，通過按壓伸縮按鈕(10)達到鬆開和壓緊，可根據操作人員的習慣調節手握位置。
6.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述橫梁(9)還設有容納盒(7);容納盒(7)內包括組合電池(15)、放大器(16)和連接電線(17);容納盒(7)上設有進線孔(18)，進線孔(18)的內壁與橫梁(9)的外壁貼合併固定。
7.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，還包括2根懸掛背帶(14)，與橫梁(9)連接，2根懸掛背帶(14)都可根據操作人員的需要調節背帶的長短。
8.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述採集模塊(13)通過承載裝置(12)與橫梁(9)連接；承載裝置(12)的承載部分(19)與支撐杆(20)之間採用旋轉部件(21)，使承載的採集模塊(13)可根據操作人員視角的不同調節合適的傾斜角度。
9.一種手持式生物量測定方法，其特徵在於，採用如權利要求1-9中任意一項所述的手持式生物量測定裝置，包括步驟 在作物田裡選定若干個測量區域，劃定每個區域的面積，將區域劃定為2組，選擇第一組用於生物量模型建立的分析數據，第二組用於模型驗證評估； 在作物的不同生育期內使用所述手持式生物量測定裝置對作物進行快速無損活體生物量測量，每個區域內分別採集若干個作用點測量高度下的回彈特性數據； 對標定的各區域進行作物鮮重的測量； 採用回歸分析法，分別對第一組區域、在所述作用點測量高度採集的回彈特性數據進行取平均值和區域內的極大值點取平均即波峰均值，分別將這兩個數據作為自變量X1, X2;第一組區域作物鮮重作為自變量I ;建立xl，y和x2，y之間的回歸方程，分析變量之間的相關性； 根據數據分析結果，選擇其中相關係數最大的ー組數據作為作物回彈特性與生物量關 系的最終模型，並根據第二組區域的數據進行模型驗證評估。
全文摘要
本發明是一種手持式生物量測定裝置，包括水平推桿、壓力傳感器、豎直連接杆、橫梁、採集模塊和兩根懸掛背帶；所述壓力傳感器置於水平推桿與豎直連接杆之間，用於獲取作物形變時產生的回彈力的大小；所述橫梁末端與豎直連接杆上端連接，用於握持該裝置；所述兩根懸掛背帶，一根掛在脖頸，一根系在腰間，用於保持水平推桿處於水平狀態；所述採集模塊置於橫梁上並與壓力傳感器連接，採集模塊中內嵌作物生物量預測模型，根據所述壓力傳感器採集到的作物回彈力電壓信號對生物量進行測定。本發明採用手持式裝置具有便攜性，測量快速、無損等特性，且測量結果準確可靠，特別適用于田間育種過程中對小地塊中小群體農作物生物量的檢測。
文檔編號G01N19/00GK102636426SQ201210078528
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者於春花, 姜富斌, 朱大洲, 潘大宇, 王成, 趙春江 申請人:北京農業智能裝備技術研究中心