[發明專利]塊莖電阻成像的物場電導特性測試方法與建模

在審

• 申請號: 201610086582.9
• 申請日: 2016-02-16
• 公開（公告）號: CN105738423A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 鄧湘;唐宇;陳璐;董釗
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發明涉及塊莖電阻成像技術領域，具體說是塊莖電阻成像的物場電導特性測試方法與建模。

背景技術

基于電阻成像技術的塊莖生長狀態信息檢測系統，其研究成果將為農作物(如馬鈴薯、番薯、芋)和名貴中藥材(如人參、天麻)等塊莖植物新品種培育、科學合理種植、提高產量等提供強有力的可視化監測手段和分析工具。

對于塊莖植物的精細種植而言，可通過對塊莖生長狀態信息的抽樣監測，甚至還可通過無線傳感器網絡實現遠程監控，做到合理有效地澆水、施肥和病蟲害防治等，這對低碳經濟、綠色環保與食品安全等具有重大意義。

塊莖電阻成像技術的關鍵之一是土壤多相介質環境的電導特性的測定。實際上，塊莖生長的環境因素包括水、根系、氣體、土壤介質中無機鹽分和有機質含量等，它們組成了一個復雜的導電性多相介質環境。

土壤多相介質環境的電導特性的測試方法與建模是塊莖電阻成像的基礎，它對電阻成像系統優化設計，尤其是對激勵/測量電極的設計，激勵/測量策略的選取，激勵信號頻率、大小的確定都至關重要。

以前，土壤多相介質環境的電導特性的測定，往往只考慮土壤含水率(土壤水)和土壤電導率(電導)的簡單對應關系，甚至作線性化處理，其實這是不精確的。實際上，塊莖生長的土壤多相介質環境的電導特性與土壤含水率是一個非線性問題，它與田間最大持水量、塊莖生長的環境因素等均密切有關，而且相當復雜。所以塊莖電阻成像的物場電導特性測試方法與建模，也就是塊莖生長的土壤多相介質環境的電導特性的測試方法與建模是塊莖成像技術的關鍵技術之一。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供塊莖電阻成像的物場電導特性測試方法與建模(模型的建立)，在遵從人們習慣于土壤含水率與土壤電導率對應關系框架的基礎上，運用基于回歸分析的實驗測定方法，綜合考慮土壤環境的電導特性與田間最大持水量、塊莖生長的環境因素等密切有關的情況下，通過測試數據和數學分析建模相結合的方法，建立起了對電阻成像物場電導特性測試分析至關重要的數學模型。

為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：

塊莖電阻成像的物場電導特性測試方法與建模，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，取風干樣土三份，計算風干樣土的田間最大持水量；

步驟2，測量不同土壤含水率時土壤電導率，得到在30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％土壤含水率下，土壤電導率的數值；

步驟3，測量塊莖植物的電導率；

將塊莖切成小立方體，卡到電導率測量儀的電極的兩個極板之間，多次測量，求取平均值，并記錄數據；

步驟4，用數據分析軟件對步驟1、步驟2和步驟3測得的數據進行回歸分析，尋找土壤含水率與土壤電導率的關系式，建立直接的數學模型。

在上述技術方案的基礎上，回歸分析時采用曲線估計的方法進行分析。

在上述技術方案的基礎上，步驟1中取500g風干土樣，等量地分成三份。

在上述技術方案的基礎上，計算風干樣土的田間最大持水量的具體步驟為：

(1)將三份風干樣土，分別裝入一個底部打洞的塑料盒內，分別往三個塑料盒里注入純凈水，直至飽和，靜置至少2h，確保排出重力水，稱取最后水土總質量；

(2)根據最后水土總質量減去風干樣土質量求得風干樣土的田間最大持水量；

(3)根據先驗知識驗證所計算的風干樣土的田間最大持水量是否正確。

在上述技術方案的基礎上，采用曲線估計的方法進行回歸分析中，主要從三個方面來分析擬合曲線是否可以采用：

(i)擬合優度R²，它表示標本對總體的吻合程度，擬合系數接近1，表示顯著檢驗效果越好；

(ii)回歸方程的顯著性檢驗，要求sig<0.05；

(iii)回顧系數的顯著性檢驗，要求sig<0.05。

在上述技術方案的基礎上，當采用曲線估計的方法進行回歸分析不可采納時，采取分段分析。

在上述技術方案的基礎上，分段分析的具體步驟為：

土壤含水率在30％FC～70％FC時，曲線主要呈指數型增長，所以采取增長型模型對數據進行回歸分析；

土壤含水率在70％FC～100％FC時，電導率增長速度明顯降了下來，所以選擇Logistic模型來進行回歸分析。

在上述技術方案的基礎上，土壤含水率與土壤電導率的關系如式(1)所示，