專利名稱：一種植物水脅迫狀況的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，尤其涉及一種應(yīng)用激光斜射高度傳感器
測(cè)量研究植物水脅迫狀況的方法。
背景技術(shù)：
水分脅迫是指由于植物水分散失超過(guò)水分吸收，導(dǎo)致植物組織含水量下降，膨壓 降低，正常生理功能受到干擾。我國(guó)是人均水資源非常匱乏的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物遭受水分脅 迫的現(xiàn)象普遍存在，據(jù)統(tǒng)計(jì)由它所引起的植物生長(zhǎng)受阻和作物產(chǎn)量的減少超過(guò)了其它所有 脅迫的總和。為了合理有效利用有限的水資源，大力發(fā)展節(jié)水灌溉，按需灌溉成為當(dāng)前農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要突破口 。但是如何確定植物水分脅迫狀況，獲取植 物需水信息，使灌溉充分又能不浪費(fèi)水資源是制約節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸之一。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于作物水分脅迫檢測(cè)的相關(guān)研究已經(jīng)取得了不少的成果，主要研究 方法有植物生理特征和形態(tài)特征診斷法，但大多數(shù)生理特征診斷法破壞植物組織，不利于 植物健康生長(zhǎng)。傳統(tǒng)檢測(cè)植物形態(tài)特征的做法有機(jī)器視覺(jué)法，利用彩色攝像頭對(duì)植物形態(tài) 進(jìn)行圖像取樣，并采用有限元法提取圖像特征，而后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)植物含水量與圖像有 限元特性間的非線性關(guān)系進(jìn)行識(shí)別和鑒定，從而預(yù)測(cè)萎蔫植物的水分脅迫狀況。該方法過(guò) 程復(fù)雜，操作難度系數(shù)大，且并非直接提取植物形態(tài)特征，而是以圖像特征識(shí)別預(yù)測(cè)植物含 水量，增大了系統(tǒng)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問(wèn)題 基于現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于作物水分脅迫檢測(cè)方法的缺陷，本發(fā)明需要提供一種新的方
法來(lái)測(cè)量植物水脅迫狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)不破壞植物組織，直接測(cè)量植物形態(tài)特征，并且操作過(guò) 程簡(jiǎn)單，操作難度系數(shù)低，測(cè)量誤差小的效果。
( 二 )技術(shù)方案 由于葉片高度，葉片傾斜角和葉面積等為植物的主要形態(tài)特征，與植物體內(nèi)的水 分代謝情況密切相關(guān)，因此可通過(guò)檢測(cè)比較植物的上述形態(tài)特征的變化來(lái)反映植物水脅迫 狀況。 為解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案利用高精度的激光傳感器測(cè) 量出植物葉面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，計(jì)算植物葉片的平均高度，傾斜角度和葉面積等形態(tài)特 征，比較植物形態(tài)特征的變化，確定植物水分脅迫狀況。 本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法 包括以下步驟 Sl :確定待測(cè)植物的掃描范圍和采樣點(diǎn)，對(duì)所確定掃描范圍構(gòu)建xy平面直角坐標(biāo) 系； S2 :通過(guò)掃描獲取所述掃描范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的高度值d ;
S3 :設(shè)定高度閾值D，結(jié)合采樣點(diǎn)的高度值dxy，從所述采樣點(diǎn)中提取出位于待測(cè)植 物葉片上的采樣點(diǎn)； S4 :結(jié)合步驟S1中所構(gòu)建的xy坐標(biāo)系及步驟S3中所提取的位于植物葉片上的采 樣點(diǎn)的高度值，重構(gòu)植物葉片三維空間形態(tài)，并計(jì)算出葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及 葉面積s。； S5 :根據(jù)葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。三個(gè)參數(shù)以及待測(cè)植物種 類，判斷當(dāng)前植物虧水情況。 其中，所述xy平面直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)的位置任意設(shè)置。 其中，所述步驟SI中所確定的掃描范圍包括所構(gòu)建xy平面直角坐標(biāo)系x和y坐 標(biāo)軸的最大值X和Y。 其中，所述步驟S3中提取出位于待測(cè)植物葉片上的采樣點(diǎn)的判斷方法為當(dāng) dxy《D時(shí)，確定該采樣點(diǎn)位于植物葉片上；當(dāng)dxy > D時(shí)，確定該采樣點(diǎn)不位于植物葉片上。
其中，所述步驟S3中葉片平均高度h。，葉片傾斜角a。及葉面積s。的計(jì)算方法為 其中，dxy表示葉片上第x行第y列采樣點(diǎn)的高度值，1表示掃描間距，(xMX， ymax， dmax)和(xmin， ymin， dmin)分別表示葉片上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，、表示葉片在xy 平面坐標(biāo)系上的投影面積。 其中，所述葉片在xy平面坐標(biāo)系上的投影面積sxy的計(jì)算方法為
~=(P + "|)XU 其中，p表示葉面上所有采樣點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格中最小正方形單元的個(gè)數(shù)，q表示網(wǎng)格 中最小三角形單元的個(gè)數(shù)，Sunit = 12，其表示網(wǎng)格中最小正方形單元的面積。
(三)有益效果 本發(fā)明通過(guò)使用激光斜射高度傳感器作為測(cè)量植物形態(tài)特征的主要工具，實(shí)現(xiàn)植 物水脅迫狀況的測(cè)量，從而達(dá)到了不破壞植物組織，直接測(cè)量植物形態(tài)特征，并且操作過(guò)程 簡(jiǎn)單，操作難度系數(shù)低，測(cè)量誤差小的效果。


圖1是本發(fā)明測(cè)量植物水脅迫狀況的方法流程圖； 圖2是本發(fā)明測(cè)量植物水脅迫狀況的實(shí)施例中所使用的激光高度測(cè)量?jī)x；
圖3是本發(fā)明測(cè)量植物水脅迫狀況的方法中植物葉片形態(tài)特征計(jì)算方法示意圖。
其中，1 :激光高度傳感器；2 :X軸直流電機(jī)；3 :y軸直流電機(jī)；4 :X軸導(dǎo)軌；5 :y軸
4導(dǎo)軌；6 :上位機(jī)；7 :投影；8 :葉片傾斜角；9 :頁(yè)面最低采樣點(diǎn)；10 :頁(yè)面最高采樣點(diǎn)；11 :葉 片上的采樣點(diǎn)；12 :最小正方形單元；13 :最小三角形單元。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明所使用的測(cè)量裝置為申請(qǐng)?zhí)枮?00810119231. 9、發(fā)明名稱為"一種測(cè)量土 壤孔隙率的方法"的專利申請(qǐng)中的激光掃描儀，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，包括以下步驟
1 :移動(dòng)并調(diào)節(jié)激光掃描儀，使得X、 y軸平面保持水平； 2 :在待測(cè)植物上方根據(jù)其具體位置確定掃描范圍，構(gòu)建xy平面直角坐標(biāo)系，應(yīng)用
激光斜射高度傳感器掃描獲取該范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的高度值dxy ; 3 :設(shè)定高度閾值D，從所有采樣點(diǎn)中提取位于植物葉片上的采樣點(diǎn)； 4 :結(jié)合步驟2中所構(gòu)建xy坐標(biāo)系及步驟3中提取植物葉片各點(diǎn)高度值，重構(gòu)葉片
三維空間形態(tài)，并計(jì)算出葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。； 5 :根據(jù)已經(jīng)建立好的專家知識(shí)庫(kù)，以葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。 三個(gè)參數(shù)為系統(tǒng)自動(dòng)輸入量，并以植物種類為手動(dòng)輸入量，應(yīng)用專家系統(tǒng)判斷當(dāng)前植物虧 水情況。 6 :在植物生長(zhǎng)不同時(shí)期內(nèi)，重復(fù)上述步驟l 4，獲取當(dāng)前植物形態(tài)特征值hi， a ,， Si，并根據(jù)步驟5進(jìn)行判斷。 其中，在所述步驟"2 :在待測(cè)植物上方根據(jù)其具體位置確定掃描范圍，構(gòu)建xy坐 標(biāo)系，應(yīng)用激光斜射高度傳感器掃描獲取該范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的高度值《y"包括設(shè)計(jì)掃描范圍 兩個(gè)坐標(biāo)軸的最大值X和Y，并設(shè)定掃描間距1。然后將在這個(gè)范圍內(nèi)所測(cè)得的所有高度值 按xy坐標(biāo)系保存為dxy。 其中，在所述步驟"3:設(shè)定高度閾值D，從所有采樣點(diǎn)中提取僅在植物葉片上的 點(diǎn)"中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量情況設(shè)定高度閾值D，當(dāng)dxy < D時(shí)，保留該值為植物葉片上的采樣值， 當(dāng)dxy > D時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)為非葉面上的點(diǎn)，可設(shè)dxy = 0 其中，在所述步驟"4 :結(jié)合步驟2中所構(gòu)建xy坐標(biāo)系及步驟3所提取植物葉片各 點(diǎn)高度值，重構(gòu)葉片三維空間形態(tài)，并計(jì)算出葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。" 中，h。， a 。及s。的計(jì)算方法如下
SIX
=0產(chǎn)o
—+ 1 |x| —+ 1
ao = arc cot
義
(1)
5 — 、/ w L*。 其中，dxy表示葉片上第x行第y列采樣點(diǎn)的高度值，(xmax， ymax， dmax)和(xmin， ymin， dmin)分別表示葉片上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，s,y表示葉片在xy平面坐標(biāo)系上的投
5影面積。 如圖3所示，可將s。劃分為由采樣點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格狀最小正方形單元和最小三角形 單元。因采樣間隔1設(shè)定，因此正方形網(wǎng)格單元面積smit = 12，進(jìn)而有投影面積計(jì)算公式 =0 + i)x、,， (2) 其中，p表示網(wǎng)格中最小正方形單元的個(gè)數(shù)，q表示最小三角形單元的個(gè)數(shù)。
其中，在所述步驟"5 :根據(jù)已經(jīng)建立好的專家知識(shí)庫(kù)，以葉片平均高度h。，葉片傾 斜角a 。及葉面積s。三個(gè)參數(shù)為系統(tǒng)自動(dòng)輸入量，并以植物種類和植物生長(zhǎng)期為兩個(gè)手動(dòng) 輸入量，應(yīng)用專家系統(tǒng)判斷當(dāng)前植物虧水情況。"中，專家知識(shí)庫(kù)包括常用植物(例如黃瓜， 西紅柿等)的水分脅迫狀態(tài)與葉片平均高度h。，葉片傾斜角a。及葉面積s。之間的關(guān)系，專 家系統(tǒng)指的是根據(jù)這些關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)判斷的智能系統(tǒng)。詳見(jiàn)具體實(shí)施方式
。
其中，在所述步驟"6 :在植物生長(zhǎng)不同時(shí)期內(nèi)，重復(fù)1 4，獲取當(dāng)前植物形態(tài)特征 值hi， a i， Si并根據(jù)步驟5進(jìn)行判斷。"中，再次測(cè)量植物形態(tài)特征時(shí)，應(yīng)確保激光高度傳感 器各參數(shù)(如掃描范圍和采樣間隔1等)與上次測(cè)量保持一致，各參數(shù)計(jì)算方法與步驟4 完全一致。 在本實(shí)施例中，選取溫室內(nèi)生長(zhǎng)期為15天的西紅柿植株，作為水分脅迫狀況檢測(cè) 對(duì)象，將激光高度傳感器置于其上方，按照?qǐng)D1所示測(cè)量方法，測(cè)量過(guò)程如下
1)根據(jù)所要掃描葉片，設(shè)定激光高度掃描儀的掃描范圍X = 200mm， Y = 200mm和 采樣間隔1 = 2mm ; 2)啟動(dòng)掃描儀進(jìn)行測(cè)量。如圖2所示，激光高度傳感器在x軸和y軸直流電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)下平行于x軸和y軸導(dǎo)軌來(lái)回掃描測(cè)量，獲取設(shè)定范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的原始高度值dxy ;
3)設(shè)定高度閾值D = 300mm，根據(jù)該閾值從所有采樣點(diǎn)中提取僅在植物葉片上的 采樣點(diǎn)，通過(guò)這些采樣點(diǎn)，近似還原顯示葉片形狀； 4)按照公式(1)和(2)計(jì)算植物形態(tài)特征，經(jīng)計(jì)算，葉片平均高度h。 = 154. 8mm，
葉片傾斜角a 。 = 73. 9°及葉面積s。 = 865. 6mm2 ; 5)根據(jù)專家系統(tǒng)進(jìn)行水分脅迫判斷 ①當(dāng)測(cè)量次數(shù)《1時(shí)，則只進(jìn)行葉片傾斜角判斷； ②當(dāng)植物為西紅柿，且a 。 > 60°時(shí)，則確定植物不虧水以及可信度=0. 7 ;
③專家意見(jiàn)無(wú)需灌溉。 6)2天后，重復(fù)步驟1) 4)，計(jì)算得到植物形態(tài)特征葉片平均高度^ = 159. 7mm，葉片傾斜角a : = 54. 4°及葉面積s: = 843. 6mm2 ;
7)根據(jù)專家系統(tǒng)進(jìn)行水分脅迫判斷 ①黨測(cè)量次數(shù)〉1，則進(jìn)行葉片傾斜角判斷并與相鄰前一次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較；
②當(dāng)植物為西紅柿，且60。 > a工> 45°時(shí)，則確定植物輕微虧水；
③當(dāng)比< h?；蛘逽l < s。時(shí)，則可信度=0. 85 ;
專家意見(jiàn)需適度灌溉。 8)5天后，重復(fù)步驟1) 4)，計(jì)算得到植物形態(tài)特征葉片平均高度112 = 150. 7mm，葉片傾斜角a 2 = 39. 4°及葉面積s2 = 786. 6mm2 ;
9)根據(jù)專家系統(tǒng)進(jìn)行水分脅迫判斷
①當(dāng)測(cè)量次數(shù)〉1，則進(jìn)行葉片傾斜角判斷并與相鄰前一次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較；
②當(dāng)植物為西紅柿，且a 2《45° ，則確定植物重度虧水；
③當(dāng)h2 < ^且s2 < Sl，則可信度=0. 9 ;
專家意見(jiàn)急需灌溉 10)依次重復(fù)以上步驟，可以及時(shí)監(jiān)測(cè)植物虧水狀況并及給出灌溉意見(jiàn)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人
員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換
也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟S1確定待測(cè)植物的掃描范圍和采樣點(diǎn)，對(duì)所確定掃描范圍構(gòu)建xy平面直角坐標(biāo)系；S2通過(guò)掃描獲取所述掃描范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的高度值dxy；S3設(shè)定高度閾值D，結(jié)合采樣點(diǎn)的高度值dxy，從所述采樣點(diǎn)中提取出位于待測(cè)植物葉片上的采樣點(diǎn)；S4結(jié)合步驟S1中所構(gòu)建的xy坐標(biāo)系及步驟S3中所提取的位于植物葉片上的采樣點(diǎn)的高度值，重構(gòu)植物葉片三維空間形態(tài)，并計(jì)算出葉片平均高度h0，葉片傾斜角α0及葉面積s0；S5根據(jù)葉片平均高度h0，葉片傾斜角α0及葉面積s0三個(gè)參數(shù)以及待測(cè)植物種類，判斷當(dāng)前植物虧水情況。
2. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述xy平面直角坐 標(biāo)系的原點(diǎn)的位置任意設(shè)置。
3. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟SI中所確 定的掃描范圍包括所構(gòu)建xy平面直角坐標(biāo)系x和y坐標(biāo)軸的最大值X和Y。
4. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3中提取 出位于待測(cè)植物葉片上的采樣點(diǎn)的判斷方法為當(dāng)dxy《D時(shí)，確定該采樣點(diǎn)位于植物葉片 上；當(dāng)dxy > D時(shí)，確定該采樣點(diǎn)不位于植物葉片上。
5. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3中葉片 平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。的計(jì)算方法為5 =~/sina。其中，dxy表示葉片上第x行第y列采樣點(diǎn)的高度值，1表示掃描間距，(xmax， ymax， dmax) 和(xmin， ymin， dmin)分別表示葉片上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，s,y表示葉片在xy平面 坐標(biāo)系上的投影面積。
6.如權(quán)利要求5所述的植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其特征在于，所述葉片在xy平面 坐標(biāo)系上的投影面積sxy的計(jì)算方法為其中，p表示葉面上所有采樣點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格中最小正方形單元的個(gè)數(shù)，q表示網(wǎng)格中最 小三角形單元的個(gè)數(shù)，Sunit = 12，其表示網(wǎng)格中最小正方形單元的面積。^tn。v — ^，
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種植物水脅迫狀況的測(cè)量方法，其包括以下步驟S1確定待測(cè)植物的掃描范圍和采樣點(diǎn)，對(duì)所確定掃描范圍構(gòu)建xy平面直角坐標(biāo)系；S2通過(guò)掃描獲取掃描范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的高度值dxy；S3設(shè)定高度閾值D，結(jié)合采樣點(diǎn)的高度值dxy，從采樣點(diǎn)中提取出位于待測(cè)植物葉片上的采樣點(diǎn)；S4結(jié)合步驟S1中構(gòu)建的xy坐標(biāo)系及步驟S3中提取的位于植物葉片上的采樣點(diǎn)的高度值，重構(gòu)植物葉片三維空間形態(tài)，并計(jì)算出葉片平均高度h0，葉片傾斜角α0及葉面積s0；S5根據(jù)葉片平均高度h0，葉片傾斜角α0及葉面積s0三個(gè)參數(shù)以及待測(cè)植物種類，判斷當(dāng)前植物虧水情況。本發(fā)明能夠不破壞植物組織，直接測(cè)量植物形態(tài)特征，并且操作過(guò)程簡(jiǎn)單，操作難度系數(shù)低，測(cè)量誤差小的效果。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101782503SQ20101012284
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者孫宇瑞, 孟繁佳, 張慧娟, 林劍輝, 王聰穎, 蔡祥 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)