專利名稱：一種植物水脅迫狀況的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植物水脅迫狀況的測量方法，尤其涉及一種應用激光斜射高度傳感器
測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水分吸收，導致植物組織含水量下降，膨壓 降低，正常生理功能受到干擾。我國是人均水資源非常匱乏的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物遭受水分脅 迫的現(xiàn)象普遍存在，據(jù)統(tǒng)計由它所引起的植物生長受阻和作物產(chǎn)量的減少超過了其它所有 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，按需灌溉成為當前農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)乃至整個國民經(jīng)濟發(fā)展的一個重要突破口 。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。
目前國內(nèi)外關(guān)于作物水分脅迫檢測的相關(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。傳統(tǒng)檢測植物形態(tài)特征的做法有機器視覺法，利用彩色攝像頭對植物形態(tài) 進行圖像取樣，并采用有限元法提取圖像特征，而后應用神經(jīng)網(wǎng)絡對植物含水量與圖像有 限元特性間的非線性關(guān)系進行識別和鑒定，從而預測萎蔫植物的水分脅迫狀況。該方法過 程復雜，操作難度系數(shù)大，且并非直接提取植物形態(tài)特征，而是以圖像特征識別預測植物含 水量，增大了系統(tǒng)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問題 基于現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于作物水分脅迫檢測方法的缺陷，本發(fā)明需要提供一種新的方
法來測量植物水脅迫狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)不破壞植物組織，直接測量植物形態(tài)特征，并且操作過 程簡單，操作難度系數(shù)低，測量誤差小的效果。
( 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)，因此可通過檢測比較植物的上述形態(tài)特征的變化來反映植物水脅迫 狀況。 為解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案利用高精度的激光傳感器測 量出植物葉面各點的空間坐標值，計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量方法，其特征在于，所述方法 包括以下步驟 Sl :確定待測植物的掃描范圍和采樣點，對所確定掃描范圍構(gòu)建xy平面直角坐標 系； S2 :通過掃描獲取所述掃描范圍內(nèi)采樣點的高度值d ;
S3 :設定高度閾值D，結(jié)合采樣點的高度值dxy，從所述采樣點中提取出位于待測植 物葉片上的采樣點； S4 :結(jié)合步驟S1中所構(gòu)建的xy坐標系及步驟S3中所提取的位于植物葉片上的采 樣點的高度值，重構(gòu)植物葉片三維空間形態(tài)，并計算出葉片平均高度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。三個參數(shù)以及待測植物種 類，判斷當前植物虧水情況。 其中，所述xy平面直角坐標系的原點的位置任意設置。 其中，所述步驟SI中所確定的掃描范圍包括所構(gòu)建xy平面直角坐標系x和y坐 標軸的最大值X和Y。 其中，所述步驟S3中提取出位于待測植物葉片上的采樣點的判斷方法為當 dxy《D時，確定該采樣點位于植物葉片上；當dxy > D時，確定該采樣點不位于植物葉片上。
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。的計算方法為 其中，dxy表示葉片上第x行第y列采樣點的高度值，1表示掃描間距，(xMX， ymax， dmax)和(xmin， ymin， dmin)分別表示葉片上最高點和最低點的空間坐標值，、表示葉片在xy 平面坐標系上的投影面積。 其中，所述葉片在xy平面坐標系上的投影面積sxy的計算方法為
~=(P + "|)XU 其中，p表示葉面上所有采樣點構(gòu)成的網(wǎng)格中最小正方形單元的個數(shù)，q表示網(wǎng)格 中最小三角形單元的個數(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)明通過使用激光斜射高度傳感器作為測量植物形態(tài)特征的主要工具，實現(xiàn)植 物水脅迫狀況的測量，從而達到了不破壞植物組織，直接測量植物形態(tài)特征，并且操作過程 簡單，操作難度系數(shù)低，測量誤差小的效果。


圖1是本發(fā)明測量植物水脅迫狀況的方法流程圖； 圖2是本發(fā)明測量植物水脅迫狀況的實施例中所使用的激光高度測量儀；
圖3是本發(fā)明測量植物水脅迫狀況的方法中植物葉片形態(tài)特征計算方法示意圖。
其中，1 :激光高度傳感器；2 :X軸直流電機；3 :y軸直流電機；4 :X軸導軌；5 :y軸
4導軌；6 :上位機；7 :投影；8 :葉片傾斜角；9 :頁面最低采樣點；10 :頁面最高采樣點；11 :葉 片上的采樣點；12 :最小正方形單元；13 :最小三角形單元。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明所使用的測量裝置為申請?zhí)枮?00810119231. 9、發(fā)明名稱為"一種測量土 壤孔隙率的方法"的專利申請中的激光掃描儀，在實際測量過程中，包括以下步驟
1 :移動并調(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平面直角坐標系，應用
激光斜射高度傳感器掃描獲取該范圍內(nèi)采樣點的高度值dxy ; 3 :設定高度閾值D，從所有采樣點中提取位于植物葉片上的采樣點； 4 :結(jié)合步驟2中所構(gòu)建xy坐標系及步驟3中提取植物葉片各點高度值，重構(gòu)葉片
三維空間形態(tài)，并計算出葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。； 5 :根據(jù)已經(jīng)建立好的專家知識庫，以葉片平均高度h。，葉片傾斜角a 。及葉面積s。 三個參數(shù)為系統(tǒng)自動輸入量，并以植物種類為手動輸入量，應用專家系統(tǒng)判斷當前植物虧 水情況。 6 :在植物生長不同時期內(nèi)，重復上述步驟l 4，獲取當前植物形態(tài)特征值hi， a ,， Si，并根據(jù)步驟5進行判斷。 其中，在所述步驟"2 :在待測植物上方根據(jù)其具體位置確定掃描范圍，構(gòu)建xy坐 標系，應用激光斜射高度傳感器掃描獲取該范圍內(nèi)采樣點的高度值《y"包括設計掃描范圍 兩個坐標軸的最大值X和Y，并設定掃描間距1。然后將在這個范圍內(nèi)所測得的所有高度值 按xy坐標系保存為dxy。 其中，在所述步驟"3:設定高度閾值D，從所有采樣點中提取僅在植物葉片上的 點"中，根據(jù)實驗測量情況設定高度閾值D，當dxy < D時，保留該值為植物葉片上的采樣值， 當dxy > D時，認為該點為非葉面上的點，可設dxy = 0 其中，在所述步驟"4 :結(jié)合步驟2中所構(gòu)建xy坐標系及步驟3所提取植物葉片各 點高度值，重構(gòu)葉片三維空間形態(tài)，并計算出葉片平均高度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列采樣點的高度值，(xmax， ymax， dmax)和(xmin， ymin， dmin)分別表示葉片上最高點和最低點的空間坐標值，s,y表示葉片在xy平面坐標系上的投
5影面積。 如圖3所示，可將s。劃分為由采樣點構(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設定，因此正方形網(wǎng)格單元面積smit = 12，進而有投影面積計算公式 =0 + i)x、,， (2) 其中，p表示網(wǎng)格中最小正方形單元的個數(shù)，q表示最小三角形單元的個數(shù)。
其中，在所述步驟"5 :根據(jù)已經(jīng)建立好的專家知識庫，以葉片平均高度h。，葉片傾 斜角a 。及葉面積s。三個參數(shù)為系統(tǒng)自動輸入量，并以植物種類和植物生長期為兩個手動 輸入量，應用專家系統(tǒng)判斷當前植物虧水情況。"中，專家知識庫包括常用植物(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)系進行自動判斷的智能系統(tǒng)。詳見具體實施方式
。
其中，在所述步驟"6 :在植物生長不同時期內(nèi)，重復1 4，獲取當前植物形態(tài)特征 值hi， a i， Si并根據(jù)步驟5進行判斷。"中，再次測量植物形態(tài)特征時，應確保激光高度傳感 器各參數(shù)(如掃描范圍和采樣間隔1等)與上次測量保持一致，各參數(shù)計算方法與步驟4 完全一致。 在本實施例中，選取溫室內(nèi)生長期為15天的西紅柿植株，作為水分脅迫狀況檢測 對象，將激光高度傳感器置于其上方，按照圖1所示測量方法，測量過程如下
1)根據(jù)所要掃描葉片，設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)啟動掃描儀進行測量。如圖2所示，激光高度傳感器在x軸和y軸直流電機的 驅(qū)動下平行于x軸和y軸導軌來回掃描測量，獲取設定范圍內(nèi)采樣點的原始高度值dxy ;
3)設定高度閾值D = 300mm，根據(jù)該閾值從所有采樣點中提取僅在植物葉片上的 采樣點，通過這些采樣點，近似還原顯示葉片形狀； 4)按照公式(1)和(2)計算植物形態(tài)特征，經(jīng)計算，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)進行水分脅迫判斷 ①當測量次數(shù)《1時，則只進行葉片傾斜角判斷； ②當植物為西紅柿，且a 。 > 60°時，則確定植物不虧水以及可信度=0. 7 ;
③專家意見無需灌溉。 6)2天后，重復步驟1) 4)，計算得到植物形態(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)進行水分脅迫判斷 ①黨測量次數(shù)〉1，則進行葉片傾斜角判斷并與相鄰前一次測量結(jié)果進行比較；
②當植物為西紅柿，且60。 > a工> 45°時，則確定植物輕微虧水；
③當比< h?；蛘逽l < s。時，則可信度=0. 85 ;
專家意見需適度灌溉。 8)5天后，重復步驟1) 4)，計算得到植物形態(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)進行水分脅迫判斷
①當測量次數(shù)〉1，則進行葉片傾斜角判斷并與相鄰前一次測量結(jié)果進行比較；
②當植物為西紅柿，且a 2《45° ，則確定植物重度虧水；
③當h2 < ^且s2 < Sl，則可信度=0. 9 ;
專家意見急需灌溉 10)依次重復以上步驟，可以及時監(jiān)測植物虧水狀況并及給出灌溉意見。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人
員來說，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和替換，這些改進和替換
也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種植物水脅迫狀況的測量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟S1確定待測植物的掃描范圍和采樣點，對所確定掃描范圍構(gòu)建xy平面直角坐標系；S2通過掃描獲取所述掃描范圍內(nèi)采樣點的高度值dxy；S3設定高度閾值D，結(jié)合采樣點的高度值dxy，從所述采樣點中提取出位于待測植物葉片上的采樣點；S4結(jié)合步驟S1中所構(gòu)建的xy坐標系及步驟S3中所提取的位于植物葉片上的采樣點的高度值，重構(gòu)植物葉片三維空間形態(tài)，并計算出葉片平均高度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s0三個參數(shù)以及待測植物種類，判斷當前植物虧水情況。
2. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測量方法，其特征在于，所述xy平面直角坐 標系的原點的位置任意設置。
3. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測量方法，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平面直角坐標系x和y坐標軸的最大值X和Y。
4. 如權(quán)利要求1所述的植物水脅迫狀況的測量方法，其特征在于，所述步驟S3中提取 出位于待測植物葉片上的采樣點的判斷方法為當dxy《D時，確定該采樣點位于植物葉片 上；當dxy > D時，確定該采樣點不位于植物葉片上。
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。的計算方法為5 =~/sina。其中，dxy表示葉片上第x行第y列采樣點的高度值，1表示掃描間距，(xmax， ymax， dmax) 和(xmin， ymin， dmin)分別表示葉片上最高點和最低點的空間坐標值，s,y表示葉片在xy平面 坐標系上的投影面積。
6.如權(quán)利要求5所述的植物水脅迫狀況的測量方法，其特征在于，所述葉片在xy平面 坐標系上的投影面積sxy的計算方法為其中，p表示葉面上所有采樣點構(gòu)成的網(wǎng)格中最小正方形單元的個數(shù)，q表示網(wǎng)格中最 小三角形單元的個數(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)明公開了一種植物水脅迫狀況的測量方法，其包括以下步驟S1確定待測植物的掃描范圍和采樣點，對所確定掃描范圍構(gòu)建xy平面直角坐標系；S2通過掃描獲取掃描范圍內(nèi)采樣點的高度值dxy；S3設定高度閾值D，結(jié)合采樣點的高度值dxy，從采樣點中提取出位于待測植物葉片上的采樣點；S4結(jié)合步驟S1中構(gòu)建的xy坐標系及步驟S3中提取的位于植物葉片上的采樣點的高度值，重構(gòu)植物葉片三維空間形態(tài)，并計算出葉片平均高度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s0三個參數(shù)以及待測植物種類，判斷當前植物虧水情況。本發(fā)明能夠不破壞植物組織，直接測量植物形態(tài)特征，并且操作過程簡單，操作難度系數(shù)低，測量誤差小的效果。
文檔編號G01N21/00GK101782503SQ20101012284
公開日2010年7月21日 申請日期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 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學