多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光譜檢測【技術領域】，尤其涉及一種用于番茄種植現(xiàn)場檢測番茄葉片脯氨酸含量的光譜裝置和方法。該裝置包括有光譜探頭、光源，還包括有全方位旋轉(zhuǎn)儀和隔光裝置，全方位旋轉(zhuǎn)儀由圓弧懸掛板、圓環(huán)軌道板、電驅(qū)滾輪、支腿組成，該方法包括：（a）設備準備；（b）光譜白板矯正；（c）葉片光譜的角度自動調(diào)整采樣；（d）葉片光譜的多點采樣；（e）理化值計算。該發(fā)明在番茄種植現(xiàn)場架設，可獲取活株番茄葉片脯氨酸含量的光譜數(shù)據(jù)；可全方位多角度地測量番茄葉片；電驅(qū)滾輪自動旋轉(zhuǎn)，同時攝像頭配合觀測監(jiān)控，檢測效率高。
【專利說明】多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜檢測【技術領域】，尤其涉及用于番茄種植現(xiàn)場檢測番茄葉片脯氨酸 含量的光譜裝置。

【背景技術】
[0002] 番茄果實含有大量的糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素及無機鹽類等多種營養(yǎng)元素。 所以番茄在我國非常受老百姓歡迎，每年的產(chǎn)量很大。在番茄植株生長過程中，葉片中的氨 基酸含量是番茄生長過程中非常重要的生理指標，脯氨酸是葉片氨基酸中的一種，在一定 程度上反映了番茄生長受環(huán)境水分和鹽度脅迫的情況，為番茄生長的逆境脅迫提供指示作 用，監(jiān)控番茄生長過程中脯氨酸含量指標，分析造成脯氨酸含量指標變化的原因，為番茄種 植決策提供依據(jù)，對番茄種植合理水肥管理提供科學依據(jù)。
[0003] 番茄葉片脯氨酸含量測定仍然主要是化學測定法測定。采用化學測定法耗時費 力，需要較多的人力成本，分析過程有較多的機械性操作，并且一般不適宜對大量樣本進行 分析；化學分析需要使用化學試劑，勢必對環(huán)境造成污染，兼顧測定數(shù)據(jù)的準確性、操作便 捷及環(huán)保無污染的特性，利用光譜學技術替代常規(guī)的化學分析方法已經(jīng)得到一定程度的應 用。
[0004] 如圖1所示，因番茄葉片生長形態(tài)各異，現(xiàn)場測量對光源投射角度和光譜探頭入 射角度要求很高，現(xiàn)有的番茄葉片脯氨酸光譜檢測的方法大多采用采摘新葉，裝袋碎冰保 鮮防止葉片變質(zhì)以影響脯氨酸光譜測量的準確性，對測量脯氨酸含量實時性要求高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供適用于現(xiàn)場檢測、測量準確的多角度原位 光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置和方法。
[0006] 為達上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸 含量裝置，包括有光譜探頭、光源，其不同之處在于，還包括有全方位旋轉(zhuǎn)儀和隔光裝置，全 方位旋轉(zhuǎn)儀由圓弧懸掛板、圓環(huán)軌道板、電驅(qū)滾輪、支腿組成，圓弧懸掛板弧形均勻設置一 排安裝孔，光源和光譜探頭根據(jù)投射角度和入射角度分別選擇其中一個安裝孔連接在圓弧 懸掛板上，圓弧懸掛板兩頭端裝配有電驅(qū)滾輪，圓環(huán)軌道板上設有開口向上的凹槽，電驅(qū)滾 輪嵌入凹槽內(nèi)沿凹槽軌跡行進，圓環(huán)軌道板底面連接有起支撐作用的支腿；檢測時番茄活 株處于圓環(huán)軌道板中心位置，隔光裝置將全方位旋轉(zhuǎn)儀連同被測番茄活株罩入其中。
[0007] 較佳地，所述隔光裝置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，頂部開有線 孔，光譜探頭和光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，線孔處設有密封塞。
[0008] 較佳地，所述圓弧懸掛板上還連接有攝像頭。
[0009] 較佳地，所述電驅(qū)滾輪由滾輪和步進電機組成，步進電機輸出軸與滾輪轉(zhuǎn)軸連接。
[0010] 較佳地，所述支腿與圓環(huán)板間設有調(diào)節(jié)圓環(huán)板離地高度的可調(diào)螺栓。
[0011] 較佳地，所述圓弧懸掛板呈半圓形，并在側壁上標有表不懸掛板圓弧角度的刻度 線。
[0012] 較佳地，所述圓弧懸掛板的安裝孔個數(shù)為18,相鄰兩孔夾角為10°。
[0013] 較佳地，所述隔光裝置還包括有電動葫蘆，隔光罩頂部設有吊環(huán)，電動葫蘆的吊鉤 與吊環(huán)配合，電動葫蘆懸掛在支架上。
[0014] 較佳地，所述支架為三腳支架。
[0015] 多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸的方法：包括如下步驟： (a) 設備準備：架設支架，起吊隔光罩，架設全方位旋轉(zhuǎn)儀并水平找平，番茄活株處于全 方位旋轉(zhuǎn)儀的圓環(huán)軌道板中心位置，將光譜探頭和光源分別通過安裝孔安裝在圓弧懸掛板 上，光譜探頭和光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，放下隔光罩； (b) 光譜白板矯正：白板與番茄活株葉片高度平齊放置，進行光譜白板矯正； (c) 葉片光譜的角度自動調(diào)整采樣：電驅(qū)滾輪啟動，驅(qū)動圓弧懸掛板連同光譜探頭和光 源轉(zhuǎn)過一定角度，并配合調(diào)節(jié)圓環(huán)軌道板高度，通過攝像頭觀測監(jiān)控以保證檢測點的光程 一致，入射角和反射角呈90° ;光源向第一個檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜探頭采集檢測點 處的波長為 694nm、858nm、997nm、1180nm、1302nm、1400nm、1508nm、1606nm、1985nm、 2000nm、2244nm和2308nm所對應番茄葉片的反射率； (d) 葉片光譜的多點采樣：采樣完成后，重復步驟（c)，完成另外兩個檢測點的采樣； (e) 理化值計算：將所得三個點反射率分別輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸 方程： Y=12. 368X1+9. 257X2+4. 259X3-14.587X4+24. 369X5-35.257X6+21.478X7+14.687X8-45. 148X9+18. 654X10-39. 423X11+31. 456X12+0. 1239,計算得到番茄葉片的脯氨酸含量，式 中Y為番茄葉片中脯氨酸含量，X1~X12分別為波長694nm、858nm、997nm、1180nm、1302 nm、1400nm、1508nm、1606nm、1985nm、2000nm、2244nm和 2308nm所對應的番茄活株葉 片的反射率，三個檢測點得到三個脯氨酸含量值，Yl，Y2和Y3,將Yl，Y2和Y3求和取平均 為番爺葉片中脯氨酸含量Y。
[0016] 本發(fā)明的有益效果有： (1)全方位旋轉(zhuǎn)儀在番茄種植現(xiàn)場架設，可獲取活株番茄葉片脯氨酸的光譜數(shù)據(jù)，避免 因離體后番茄葉片脯氨酸含量數(shù)據(jù)不準確的問題。
[0017] (2)采用圓弧懸掛板在圓環(huán)軌道板水平旋轉(zhuǎn)，并選擇不同懸掛角度，可全方位多角 度地測量番茄葉片，可根據(jù)不同番茄葉片的自然生長形態(tài)，便捷地改變光譜投射角度和入 射角度，獲取較佳的測量角度。
[0018] (3)可調(diào)螺栓調(diào)節(jié)圓環(huán)板離地高度，能根據(jù)不同的作物生長高度，保持光譜探頭與 作物距離相對恒定，以獲取較優(yōu)的光譜數(shù)據(jù)。
[0019] (4)使用隔光材料制成的隔光罩將測試儀器連同被測作物一起罩入，阻擋外界環(huán) 境對光譜數(shù)據(jù)的影響，測量更準確。
[0020] (5)在不起吊隔光裝置情況下，電驅(qū)滾輪自動驅(qū)動圓弧懸掛板在圓環(huán)軌道板水平 旋轉(zhuǎn)，同時攝像頭配合觀測監(jiān)控以保證檢測點的光程一致，解決無電驅(qū)滾輪和攝像頭必須 多次起吊隔光裝置，檢測效率低下的問題。
[0021] (6)整個裝置簡單實用，成本低廉，易于推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為番茄葉片示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例中全方位旋轉(zhuǎn)儀結構示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例中隔光裝置結構示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例中實施測量番茄葉片脯氨酸含量結果； 圖中標記注明：1一攝像頭，2 -圓弧懸掛板，3-光譜探頭，4一凹槽，5 -圓環(huán)軌道板， 6 -電驅(qū)滾輪，7-可調(diào)螺檢，8-支腿，9-光源，10-支架，11-線孔，12 -隔光罩，13-電動 葫蘆，14一光源連接座，15-攝像頭連接座，16-光譜探頭連接座，17-番茄活株。

【具體實施方式】
[0023]為了更好地理解本發(fā)明，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術方案做進一 步的說明，參見圖2、圖3和圖4 : 按本發(fā)明實施的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，主要作用是方便現(xiàn)場 架設，且能適用不同自然生長形態(tài)番茄葉片，所以采用全方位旋轉(zhuǎn)儀懸掛光譜探頭3和光 源9,以快速地改變光譜投射角度和入射角度，獲取較佳的測量角度。隔光裝置阻擋外界環(huán) 境對光譜數(shù)據(jù)的影響，測量更準確。
[0024] 全方位旋轉(zhuǎn)儀具體的結構：包括圓弧懸掛板2、圓環(huán)軌道板5、電驅(qū)滾輪6、支腿8， 圓弧懸掛板2弧形均勻設置一排安裝孔，光譜探頭3和光源9根據(jù)投射角度和入射角度分 別選擇其中一個安裝孔，分別通過光源連接座14和光譜探頭連接座16連接在圓弧懸掛板2 上。為了能快速地找到較好的測量角度，本實施例中安裝孔總數(shù)為18個，每相鄰兩孔夾角 為10°。為了記錄比對測量結果，在呈半圓形的圓弧懸掛板2側壁上標有表示懸掛板圓弧 角度的刻度線。圓弧懸掛板2兩頭端裝配有電驅(qū)滾輪6,圓環(huán)軌道板5為中空環(huán)狀結構，其 上設有開口向上的凹槽4,電驅(qū)滾輪6嵌入凹槽4內(nèi)沿其軌跡行進，推動圓弧懸掛板2連同 光譜探頭3 -同在圓環(huán)軌道板5平面轉(zhuǎn)動，同時通過圓弧懸掛板2的安裝孔調(diào)整光源9和 光譜探頭3的入射角和反射角呈90°，達到全方位多角度測量的目的。
[0025] 圓環(huán)軌道板5底面連有起支撐作用的支腿8,為了根據(jù)不同的作物生長高度，保持 光譜探頭3與作物距離相對恒定，以獲取較優(yōu)的光譜數(shù)據(jù)。本實施例中在支腿8與圓環(huán)軌 道板5間設有調(diào)節(jié)圓環(huán)軌道板5離地高度的可調(diào)螺栓7。
[0026] 隔光裝置阻擋外界環(huán)境光，檢測時番茄活株17處于圓環(huán)軌道板5中心位置，隔光 罩12將全方位旋轉(zhuǎn)儀連同被測番茄活株17罩入其中。所述隔光裝置由隔光罩12、支架10 組成，隔光罩12由隔光材料制成，頂部開有線孔11，光譜探頭3和光源9的電纜線和數(shù)據(jù)線 從線孔11穿出，線孔11處設有密封塞。隔光裝置還包括有電動葫蘆13,隔光罩12頂部設 有吊環(huán)，電動葫蘆13的吊鉤與吊環(huán)配合，電動葫蘆13懸掛在支架10上。所述支架10為三 腳支架10。隔光罩12罩上后，為了更好地實時了解內(nèi)部情況，本實施例中在圓弧懸掛板2 上通過攝像頭連接座15安裝有攝像頭1。
[0027] 本發(fā)明實施例工作時，檢測番茄葉片脯氨酸含量的方法，包括如下步驟： (a)設備準備：架設支架10,起吊隔光罩12,架設全方位旋轉(zhuǎn)儀并水平找平，番茄活株 17處于全方位旋轉(zhuǎn)儀的圓環(huán)軌道板中心位置，將光譜探頭和光源分別通過安裝孔安裝在圓 弧懸掛板上，光譜探頭和光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，放下隔光罩； (b) 光譜白板矯正：白板與番茄活株17葉片高度平齊放置，進行光譜白板矯正； (c) 葉片光譜的角度自動調(diào)整采樣：電驅(qū)滾輪6啟動，驅(qū)動圓弧懸掛板2連同光譜探頭 3和光源9轉(zhuǎn)過一定角度，并配合調(diào)節(jié)圓環(huán)軌道板5高度，通過攝像頭1觀測監(jiān)控以保證檢 測點的光程一致，入射角和反射角呈90° ;光源9向第一個檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜探 頭 3 采集檢測點處的波長為 694nm、858nm、997nm、1180nm、1302nm、1400nm、1508nm、 1606nm、1985nm、2000nm、2244nm和2308nm所對應番茄葉片的反射率； (d) 葉片光譜的多點采樣：采樣完成后，重復步驟（c)，完成另外兩個檢測點的采樣； (e) 理化值計算：將所得三個點反射率分別輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸 方程： Y=12. 368X1+9. 257X2+4. 259X3-14.587X4+24. 369X5-35.257X6+21.478X7+14.687X8-45. 148X9+18. 654X10-39. 423X11+31. 456X12+0. 1239,計算得到番茄葉片的脯氨酸含量，式 中Y為番茄葉片中脯氨酸含量，X1~X12分別為波長694nm、858nm、997nm、1180nm、1302 nm、1400nm、1508nm、1606nm、1985nm、2000nm、2244nm和 2308nm所對應的番茄活株 17葉片的反射率，三個檢測點得到三個脯氨酸含量值，Yl，Y2和Y3,將Yl，Y2和Y3求和取 平均為番茄葉片中脯氨酸含量Y。
[0028] 從微觀上說，組成番茄葉片的分子的活動狀態(tài)受到檢測光的能量激發(fā)，產(chǎn)生不同 的能級躍遷，吸收和釋放能量，形成與分子對應的的反射光譜和吸收光譜。不同的化學鍵， 如0-H、N-H、C-H等，化學鍵的轉(zhuǎn)動以及伸縮振動，在能級間的躍遷會吸收特定波長的光，并 激發(fā)產(chǎn)生特征峰，依據(jù)特征峰的強度以及波數(shù)可以判斷物質(zhì)的組成。
[0029] 所用波長與番茄葉片的脯氨酸及相關化學成分中的N-H、C-N、N-H等化學鍵的振 動信息相關，這些信息能夠反映梨番茄葉片中脯氨酸含量的強弱。例如694nm和858nm反 映了番茄葉片脯氨酸的芳烴和甲基信息，997nm反映了番茄葉片脯氨酸的胺基信息，1180 nm反映了番茄葉片脯氨酸的亞甲基信息，1302nm反映了番茄葉片脯氨酸的基團CHjf息， 1400nm和2000nm反映了番爺葉片脯氨酸的輕基信息，1508nm反映了番爺葉片脯氨酸的 基團NH2信息，1606nm反映了番茄葉片脯氨酸的基團ArCH信息，1985nm反映了番茄葉片 脯氨酸基團C0NH2信息和伯酰胺信息，2244nm和2308nm反映了番茄葉片脯氨酸基團CH2 信息。應用多元線性回歸算法對上述特征波長進行建模分析，建立番茄葉片的脯氨酸含量 與特征波長的線性方程。
[0030] 本發(fā)明所選定的特征波長僅針對番茄葉片的脯氨酸含量的快速檢測，如果需要測 量其他指標，需要重新選定特定波長，通過多元線性回歸，建立模型，計算得到相應的指標 值。
[0031] 利用本發(fā)明提供的方法建立模型的相關指標見表1，其中，建模集表示建立模型 時，利用番茄葉片的反射率以及現(xiàn)有方法測試得到的番茄葉片脯氨酸含量擬合得到模型方 程，預測集表示，預測時，即建立完模型后，依據(jù)模型方程，將番茄葉片光譜的特征波長反射 率代入模型方程計算得到的番茄葉片脯氨酸含量。
[0032]表1

【權利要求】
1. 多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，包括有光譜探頭、光源，其特征在 于，還包括有全方位旋轉(zhuǎn)儀和隔光裝置，全方位旋轉(zhuǎn)儀由圓弧懸掛板、圓環(huán)軌道板、電驅(qū)滾 輪、支腿組成，圓弧懸掛板弧形均勻設置一排安裝孔，光源和光譜探頭根據(jù)投射角度和入射 角度分別選擇其中一個安裝孔連接在圓弧懸掛板上，圓弧懸掛板兩頭端裝配有電驅(qū)滾輪， 圓環(huán)軌道板上設有開口向上的凹槽，電驅(qū)滾輪嵌入凹槽內(nèi)沿凹槽軌跡行進，圓環(huán)軌道板底 面連接有起支撐作用的支腿；檢測時番茄活株處于圓環(huán)軌道板中心位置，隔光裝置將全方 位旋轉(zhuǎn)儀連同被測番茄活株罩入其中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述隔光裝置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，頂部開有線孔，光譜探頭和 光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，線孔處設有密封塞。
3. 根據(jù)權利要求1所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述圓弧懸掛板上還連接有攝像頭。
4. 根據(jù)權利要求1所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述電驅(qū)滾輪由滾輪和步進電機組成，步進電機輸出軸與滾輪轉(zhuǎn)軸連接。
5. 根據(jù)權利要求1所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述支腿與圓環(huán)板間設有調(diào)節(jié)圓環(huán)板離地高度的可調(diào)螺栓。
6. 根據(jù)權利要求1所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述圓弧懸掛板呈半圓形，并在側壁上標有表示懸掛板圓弧角度的刻度線。
7. 根據(jù)權利要求1所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述圓弧懸掛板的安裝孔個數(shù)為18,相鄰兩孔夾角為10°。
8. 根據(jù)權利要求2所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述隔光裝置還包括有電動葫蘆，隔光罩頂部設有吊環(huán)，電動葫蘆的吊鉤與吊環(huán)配合， 電動葫蘆懸掛在支架上。
9. 根據(jù)權利要求2所述的多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量裝置，其特征在 于：所述支架為三腳支架。
10. 多角度原位光譜檢測番茄葉片脯氨酸含量的方法，其特征在于：包括如下步驟： (a) 設備準備：架設支架，起吊隔光罩，架設全方位旋轉(zhuǎn)儀并水平找平，番茄活株處于全 方位旋轉(zhuǎn)儀的圓環(huán)軌道板中心位置，將光譜探頭和光源分別通過安裝孔安裝在圓弧懸掛板 上，光譜探頭和光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，放下隔光罩； (b) 光譜白板矯正：白板與番茄活株葉片高度平齊放置，進行光譜白板矯正； (c) 葉片光譜的角度自動調(diào)整采樣：電驅(qū)滾輪啟動，驅(qū)動圓弧懸掛板連同光譜探頭和光 源轉(zhuǎn)過一定角度，并配合調(diào)節(jié)圓環(huán)軌道板高度，通過攝像頭觀測監(jiān)控以保證檢測點的光程 一致，入射角和反射角呈90° ;光源向第一個檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜探頭采集檢測點 處的波長為 694 nm、858 nm、997 nm、1180 nm、1302 nm、1400 nm、1508 nm、1606 nm、1985 nm、 2000 nm、2244 nm和2308 nm所對應番茄葉片的反射率； (d) 葉片光譜的多點采樣：采樣完成后，重復步驟（c)，完成另外兩個檢測點的采樣； (e) 理化值計算：將所得三個點反射率分別輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸 方程： Y=12. 368X1+9. 257X2+4. 259X3-14. 587X4+24. 369X5-35. 257X6+21. 478 X7+14. 687X8-45. 148X9+18. 654X10-39. 423X11+31. 456X12+0. 1239,計算得到番茄葉 片的脯氨酸含量，式中Y為番茄葉片中脯氨酸含量，X1~X12分別為波長694 nm、858 nm、997 nm、1180 nm、1302 nm、1400 nm、1508 nm、1606 nm、1985 nm、2000 nm、2244 nm和2308 nm所 對應的番茄活株葉片的反射率，三個檢測點得到三個脯氨酸含量值，Yl，Y2和Y3,將Yl，Y2 和Y3求和取平均為番茄葉片中脯氨酸含量Y。
【文檔編號】G01N21/25GK104458595SQ201410794699
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月21日 優(yōu)先權日:2014年12月21日
【發(fā)明者】劉雪梅, 章海亮 申請人:華東交通大學, 章海亮, 劉雪梅