田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测装置和方法
【专利摘要】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苏氨酸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。
【专利说明】田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光谱检测作物叶片领域，尤其设及田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测 装置。
【背景技术】
[0002] 玉米果实含有大量的蛋白质、糖类、脂肪、维生素及微量元素砸、儀等多种营养元 素。所W玉米在我国非常受老百姓欢迎，每年的产量很大。玉米叶片中苏氨酸含量是玉米 生长过程中重要的生理指标，苏氨酸在医药，食品和化工等方面有着广泛的用途。特别是饲 料添加剂方面的用量增长快速，它常添加到未成年仔猪和家禽的饲料中，是猪饲料的第二 限制氨基酸和家禽饲料的第=限制氨基酸。在配合饲料中加入苏氨酸，具有如下的特点；1、 可W调整饲料的氨基酸平衡，促进禽畜生长；2、可W改善肉质；3、可W改善氨基酸消化率 低的饲料营养价值；4、可W降低饲料原料成本。因此，在欧盟国家如德国、比利时、丹麦，苏 氨酸被广泛应用于饲料行业。监控玉米生长过程中苏氨酸含量指标，分析造成苏氨酸含量 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。
[0003] 玉米叶片苏氨酸含量测定仍然主要是化学方法测定，该方法需要对作物进行破坏 性处理，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苏氨酸含量，难W满足数字农业和农业 物联网信息快速动态监测的要求，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。
[0004] 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，现有的玉米叶片苏氨酸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W影响苏氨酸含量光谱测量的准确性，对测量苏氨酸含量实时性要求高。
【发明内容】
[0005] 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 株叶片苏氨酸含量检测装置和方法。
[0006] 为达上述目的，本发明采用的技术方案为：田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测装 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。
[0007] 较佳地，所述的弯刀悬挂臂上均匀分布有15个圆孔，圆孔中屯、距离10 cm,弯刀悬 挂臂通过万向节可w实现全自由度转动，可w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W对W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。
[000引较佳地，所述的直角伸展臂长2米，直角之间焊接一块S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。
[0009] 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W对同一株玉米不同高度的叶片进行数据采集和检测，还可W对不 同生长期的玉米叶片进行数据采集和检测。
[0010] 较佳地，所述的直角伸展臂、万向节和弯刀悬挂臂材质为侣材，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W最大限度保持平衡，保证检测设备和 人员安全。
[0011] 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W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。
[0012] 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。
[0013] 较佳地，田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测的方法，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802皿、850皿、1150皿、1520皿、1610皿、1930 nm、1982 nm、2011 nm、2130 nm、2250 nm和2351 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=ll. 326X1+22. 76細2巧5. 657X3-23. 436X4巧09. 879X5-228. 965X6巧61. 324X7巧 15. 3 14X8-327. 456X9+37. 765X10-39. 976X11+0. 21，计算得到玉米植株叶片的苏氨酸含量，式中 Y为玉米植株叶片的苏氨酸含量；XI?XII分别为波长802皿、850皿、1150皿、1520皿、 1610 nm、1930 nm、1982 nm、2011 nm、2130 nm、2250 nm 和 2351 nm 所对应的玉米植株叶片 的反射率。
[0014] 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。
[0015] (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W检测叶片的正反面。
[0016] (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W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。
[0017] (4)整个装置简单实用，成本低廉，易于推广。
【专利附图】
【附图说明】
[001引图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苏氨酸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苏氨酸含量检测结果； 图中标记注明；1一弯刀悬挂臂，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】
[0019] 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苏氨酸含量检测装置，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W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W采集玉米叶片正 面光谱数据，而且可W采集玉米叶片反面光谱数据。
[0020] 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。
[0021] 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W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W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。
[0022] 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苏氨酸含量区别，既可W选 择在路边开展检测工作，也可W选择在田间开展检测工作。
[0023] 弯刀悬挂臂1上均匀分布有15个圆孔，两圆孔中屯、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W确保大角度采 集到不同形态玉米叶片光谱数据。
[0024] 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。
[0025] 操作人员可W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W最大限度保持平衡，整个检测装置上面轻， 下面重，检测装置重屯、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。
[0026] 田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测的方法，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； (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 802 nm、850 nm、1150 nm、1520 nm、1610 nm、1930 nm、1982 nm、2011 nm、2130 nm、2250 nm 和2351 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=ll. 326X1+22. 76細2巧5. 657X3-23. 436X4巧09. 879X5-228. 965X6巧61. 324X7巧 15. 3 14X8-327. 456X9+37. 765X10-39. 976X11+0. 21，计算得到玉米植株叶片的苏氨酸含量，式中 Y为玉米植株叶片的苏氨酸含量；XI?XII分别为波长802皿、850皿、1150皿、1520皿、 1610 nm、1930 nm、1982 nm、2011 nm、2130 nm、2250 nm 和 2351 nm 所对应的玉米植株叶片 的反射率。
[0027] 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0-H、N-H、C-H等，化学键的转动W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W及波数可W判断物质的组成。
[002引所用波长与玉米叶片的苏氨酸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，该些信息能够反映梨玉米叶片中苏氨酸含量的多少。例如1520 nm反映了玉米 叶片苏氨酸的甲基信息，2011 nm反映了玉米叶片苏氨酸的肿酷胺信息，802皿和850皿反 映了玉米叶片的芳姪和甲基信息，1150 nm反映了玉米叶片苏氨酸的次甲基信息，1930 nm 反映了玉米叶片苏氨酸的伯酷胺信息，1982 nm反映了玉米叶片蛋白质基团CONH2信息和伯 酷胺信息，1610皿反映了玉米叶片蛋白质的基团ArCH信息，2250皿和2351皿反映了 玉米叶片苏氨酸的基团邸3、邸2和CH信息。
[0029] 本发明所选定的特征波长仅针对玉米叶片的苏氨酸含量的快速检测，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。
[0030] 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W及现有方法测试得到的玉米叶片苏氨酸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苏氨酸含量。
[0031]表 1
【权利要求】
1. 田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测装置，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苏氨酸含量检测装置，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苏氨酸含量检测装置，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苏氨酸含量检测装置，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苏氨酸含量检测装置，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苏氨酸含量检测装置，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苏氨酸含量检测装置，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. 田间玉米植株叶片苏氨酸含量检测的方法，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802 nm、850 nm、1150 nm、1520 nm、1610 nm、1930 nm、1982 nm、2011 nm、2130 nm、2250 nm和2351 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=ll. 326X1+22. 768X2+25. 657X3-23. 436X4+209. 879X5-228. 965X6+261. 324X7+215. 3 14X8-327. 456X9+37. 765X10-39. 976X11+0. 21，计算得到玉米植株叶片的苏氨酸含量，式中 Y为玉米植株叶片的苏氨酸含量；X1~X11分别为波长802 nm、850 nm、1150 nm、1520 nm、 1610 nm、1930 nm、1982 nm、2011 nm、2130 nm、2250 nm 和 2351 nm 所对应的玉米植株叶片 的反射率。
【文档编号】G01N21/3563GK104502287SQ201510022821
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月17日 优先权日:2015年1月17日
【发明者】鲍时东, 阮学云, 仉春辉 申请人:华东交通大学, 刘雪梅