CN104502285A - 多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种用于番茄种植现场检测番茄叶片蛋白质含量的光谱装置和方法。该装置包括有光谱探头、光源，还包括有全方位旋转仪和隔光装置，全方位旋转仪由圆弧悬挂板、圆环轨道板、电驱滚轮、支腿组成，该方法包括：（a）设备准备；（b）光谱白板矫正；（c）叶片光谱的角度自动调整采样；（d）叶片光谱的多点采样；（e）理化值计算。该发明在番茄种植现场架设，可获取活株番茄叶片蛋白质含量的光谱数据；可全方位多角度地测量番茄叶片；电驱滚轮自动旋转，同时摄像头配合观测监控，检测效率高。

Description

多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及用于番茄种植现场检测番茄叶片蛋白质含量的光谱装置。

背景技术

番茄果实含有大量的糖类、蛋白质、氨基酸、维生素及无机盐类等多种营养元素。所以番茄在我国非常受老百姓欢迎，每年的产量很大。在番茄植株生长过程中，叶片中的蛋白质含量能对抗非生物胁迫产生的自由基，为植物提供保护，监控番茄生长过程中蛋白质含量指标，分析造成蛋白质含量指标变化的原因，为番茄种植决策提供依据，对番茄种植合理水肥管理提供科学依据。

番茄叶片蛋白质含量测定仍然主要是化学测定法测定。采用化学测定法耗时费力，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；化学分析需要使用化学试剂，势必对环境造成污染，兼顾测定数据的准确性、操作便捷及环保无污染的特性，利用光谱学技术替代常规的化学分析方法已经得到一定程度的应用。

如图1所示，因番茄叶片生长形态各异，现场测量对光源投射角度和光谱探头入射角度要求很高，现有的番茄叶片蛋白质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以影响蛋白质光谱测量的准确性，对测量蛋白质含量实时性要求高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供适用于现场检测、测量准确的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置和方法。

为达上述目的，本发明采用的技术方案为：多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，包括有光谱探头、光源，其不同之处在于，还包括有全方位旋转仪和隔光装置，全方位旋转仪由圆弧悬挂板、圆环轨道板、电驱滚轮、支腿组成，圆弧悬挂板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圆弧悬挂板上，圆弧悬挂板两头端装配有电驱滚轮，圆环轨道板上设有开口向上的凹槽，电驱滚轮嵌入凹槽内沿凹槽轨迹行进，圆环轨道板底面连接有起支撑作用的支腿；检测时番茄活株处于圆环轨道板中心位置，隔光装置将全方位旋转仪连同被测番茄活株罩入其中。

较佳地，所述隔光装置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，顶部开有线孔，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，线孔处设有密封塞。

较佳地，所述圆弧悬挂板上还连接有摄像头。

较佳地，所述电驱滚轮由滚轮和步进电机组成，步进电机输出轴与滚轮转轴连接。

较佳地，所述支腿与圆环板间设有调节圆环板离地高度的可调螺栓。

较佳地，所述圆弧悬挂板呈半圆形，并在侧壁上标有表示悬挂板圆弧角度的刻度线。

较佳地，所述圆弧悬挂板的安装孔个数为18，相邻两孔夹角为10°。

较佳地，所述隔光装置还包括有电动葫芦，隔光罩顶部设有吊环，电动葫芦的吊钩与吊环配合，电动葫芦悬挂在支架上。

较佳地，所述支架为三脚支架。

多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质的方法：包括如下步骤：

（a）设备准备：架设支架，起吊隔光罩，架设全方位旋转仪并水平找平，番茄活株处于全方位旋转仪的圆环轨道板中心位置，将光谱探头和光源分别通过安装孔安装在圆弧悬挂板上，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，放下隔光罩；

（b）光谱白板矫正：白板与番茄活株叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正；

（c）叶片光谱的角度自动调整采样：电驱滚轮启动，驱动圆弧悬挂板连同光谱探头和光源转过一定角度，并配合调节圆环轨道板高度，通过摄像头观测监控以保证检测点的光程一致，入射角和反射角呈90°；光源向第一个检测点发送检测光，利用光谱探头采集检测点处的波长为690 nm、850 nm、992 nm、1300 nm、1500 nm、1600 nm、1984 nm、2248 nm和2304 nm所对应番茄叶片的反射率；

（d）叶片光谱的多点采样：采样完成后，重复步骤（c），完成另外两个检测点的采样；

（e）理化值计算：将所得三个点反射率分别输入控制单元，控制单元依据多元线性回归方程：

Y=19.852X1+14.478X2+31.258X3-24.334X4+29.374X5-8.698X6+25.698X7+31.258X8-62.365X9+5.39，计算得到番茄叶片的蛋白质含量，式中Y为番茄叶片中蛋白质含量，X1~X9分别为波长690 nm、850 nm、992 nm、1300 nm、1500 nm、1600 nm、1984 nm、2248 nm和2304 nm所对应的番茄活株叶片的反射率，三个检测点得到三个蛋白质含量值，Y1，Y2和Y3，将Y1，Y2和Y3求和取平均为番茄叶片中蛋白质含量Y。

本发明的有益效果有：

（1）全方位旋转仪在番茄种植现场架设，可获取活株番茄叶片蛋白质的光谱数据，避免因离体后番茄叶片蛋白质含量数据不准确的问题。

（2）采用圆弧悬挂板在圆环轨道板水平旋转，并选择不同悬挂角度，可全方位多角度地测量番茄叶片，可根据不同番茄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。

（3）可调螺栓调节圆环板离地高度，能根据不同的作物生长高度，保持光谱探头与作物距离相对恒定，以获取较优的光谱数据。

（4）使用隔光材料制成的隔光罩将测试仪器连同被测作物一起罩入，阻挡外界环境对光谱数据的影响，测量更准确。

（5）在不起吊隔光装置情况下，电驱滚轮自动驱动圆弧悬挂板在圆环轨道板水平旋转，同时摄像头配合观测监控以保证检测点的光程一致，解决无电驱滚轮和摄像头必须多次起吊隔光装置，检测效率低下的问题。

（6）整个装置简单实用，成本低廉，易于推广。

附图说明

图1 为番茄叶片示意图；

图2 为本发明实施例中全方位旋转仪结构示意图；

图3为本发明实施例中隔光装置结构示意图；

图4为本发明实施例中实施测量番茄叶片蛋白质含量结果；

图中标记注明：1—摄像头，2—圆弧悬挂板，3—光谱探头，4—凹槽，5—圆环轨道板，6—电驱滚轮，7—可调螺栓，8—支腿，9—光源，10—支架，11—线孔，12—隔光罩，13-电动葫芦，14—光源连接座，15-摄像头连接座，16—光谱探头连接座，17-番茄活株。

具体实施方式

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2、图3和图4：

按本发明实施的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，主要作用是方便现场架设，且能适用不同自然生长形态番茄叶片，所以采用全方位旋转仪悬挂光谱探头3和光源9，以快速地改变光谱投射角度和入射角度，获取较佳的测量角度。隔光装置阻挡外界环境对光谱数据的影响，测量更准确。

全方位旋转仪具体的结构：包括圆弧悬挂板2、圆环轨道板5、电驱滚轮6、支腿8，圆弧悬挂板2弧形均匀设置一排安装孔，光谱探头3和光源9根据投射角度和入射角度分别选择其中一个安装孔，分别通过光源连接座14和光谱探头连接座16连接在圆弧悬挂板2上。为了能快速地找到较好的测量角度，本实施例中安装孔总数为18个，每相邻两孔夹角为10°。为了记录比对测量结果，在呈半圆形的圆弧悬挂板2侧壁上标有表示悬挂板圆弧角度的刻度线。圆弧悬挂板2两头端装配有电驱滚轮6，圆环轨道板5为中空环状结构，其上设有开口向上的凹槽4，电驱滚轮6嵌入凹槽4内沿其轨迹行进，推动圆弧悬挂板2连同光谱探头3一同在圆环轨道板5平面转动，同时通过圆弧悬挂板2的安装孔调整光源9和光谱探头3的入射角和反射角呈90°，达到全方位多角度测量的目的。

圆环轨道板5底面连有起支撑作用的支腿8，为了根据不同的作物生长高度，保持光谱探头3与作物距离相对恒定，以获取较优的光谱数据。本实施例中在支腿8与圆环轨道板5间设有调节圆环轨道板5离地高度的可调螺栓7。

隔光装置阻挡外界环境光，检测时番茄活株17处于圆环轨道板5中心位置，隔光罩12将全方位旋转仪连同被测番茄活株17罩入其中。所述隔光装置由隔光罩12、支架10组成，隔光罩12由隔光材料制成，顶部开有线孔11，光谱探头3和光源9的电缆线和数据线从线孔11穿出，线孔11处设有密封塞。隔光装置还包括有电动葫芦13，隔光罩12顶部设有吊环，电动葫芦13的吊钩与吊环配合，电动葫芦13悬挂在支架10上。所述支架10为三脚支架10。隔光罩12罩上后，为了更好地实时了解内部情况，本实施例中在圆弧悬挂板2上通过摄像头连接座15安装有摄像头1。

本发明实施例工作时，检测番茄叶片蛋白质含量的方法，包括如下步骤：

（a）设备准备：架设支架10，起吊隔光罩12，架设全方位旋转仪并水平找平，番茄活株17处于全方位旋转仪的圆环轨道板中心位置，将光谱探头和光源分别通过安装孔安装在圆弧悬挂板上，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，放下隔光罩；

（b）光谱白板矫正：白板与番茄活株17叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正；

（c）叶片光谱的角度自动调整采样：电驱滚轮6启动，驱动圆弧悬挂板2连同光谱探头3和光源9转过一定角度，并配合调节圆环轨道板5高度，通过摄像头1观测监控以保证检测点的光程一致，入射角和反射角呈90°；光源9向第一个检测点发送检测光，利用光谱探头3采集检测点处的波长为690 nm、850 nm、992 nm、1300 nm、1500 nm、1600 nm、1984 nm、2248 nm和2304 nm所对应番茄活株17叶片的反射率；

（d）叶片光谱的多点采样：采样完成后，重复步骤（c），完成另外两个检测点的采样；

（e）理化值计算：将所得三个点反射率分别输入控制单元，控制单元依据多元线性回归方程：

Y=19.852X1+14.478X2+31.258X3-24.334X4+29.374X5-48.698X6+25.698

X7+31.258X8-62.365X9+5.39，计算得到番茄活株17叶片的蛋白质含量，式中Y为番茄叶片中蛋白质含量，X1~X9分别为波长690 nm、850 nm、992 nm、1300 nm、1500 nm、1600 nm、1984 nm、2248 nm和2304 nm所对应的番茄活株17叶片的反射率，三个检测点得到三个蛋白质含量值，Y1，Y2和Y3，将Y1，Y2和Y3求和取平均为番茄叶片中蛋白质含量Y。

从微观上说，组成番茄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O-H、N-H、C-H等，化学键的转动以及伸缩振动，在能级间的跃迁会吸收特定波长的光，并激发产生特征峰，依据特征峰的强度以及波数可以判断物质的组成。

所用波长与番茄叶片的蛋白质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，这些信息能够反映梨番茄叶片中蛋白质含量的强弱。例如690 nm和850 nm反映了番茄叶片蛋白质的芳烃和甲基信息， 992 nm反映了番茄叶片蛋白质的胺基信息，1300 nm反映了番茄叶片蛋白质的基团CH₃信息，1500 nm反映了番茄叶片蛋白质的基团NH₂信息，1600 nm反映了番茄叶片蛋白质的基团ArCH信息，1984 nm反映了番茄叶片蛋白质基团CONH₂信息和伯酰胺信息，2248 nm和2304 nm反映了番茄叶片蛋白质基团CH₂信息。应用多元线性回归算法对上述特征波长进行建模分析，建立番茄叶片的蛋白质含量与特征波长的线性方程。

本发明所选定的特征波长仅针对番茄叶片的蛋白质含量的快速检测，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。

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，利用番茄叶片的反射率以及现有方法测试得到的番茄叶片蛋白质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，将番茄叶片光谱的特征波长反射率代入模型方程计算得到的番茄叶片蛋白质含量。

表1

数据集	样本个数	决定系数	均方根误差（mg/g）
				建模集	100	0.8502	3.158
预测集	40	0.8412	3.214

实施例1~10

利用本发明提供的装置和方法对番茄叶片蛋白质含量进行测试 ，测试结果见表2。

表2

由表2数据，可以看出，利用本发明方法测得的番茄叶片的蛋白质含量与现有方法测试得到的数据接近，利用本发明可以快速测定番茄叶片的蛋白质含量，结果可靠。

Claims (10)

1.多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，包括有光谱探头、光源，其特征在于，还包括有全方位旋转仪和隔光装置，全方位旋转仪由圆弧悬挂板、圆环轨道板、电驱滚轮、支腿组成，圆弧悬挂板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圆弧悬挂板上，圆弧悬挂板两头端装配有电驱滚轮，圆环轨道板上设有开口向上的凹槽，电驱滚轮嵌入凹槽内沿凹槽轨迹行进，圆环轨道板底面连接有起支撑作用的支腿；检测时番茄活株处于圆环轨道板中心位置，隔光装置将全方位旋转仪连同被测番茄活株罩入其中。

2.根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述隔光装置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，顶部开有线孔，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，线孔处设有密封塞。

3.根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述圆弧悬挂板上还连接有摄像头。

4.根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述电驱滚轮由滚轮和步进电机组成，步进电机输出轴与滚轮转轴连接。

5.根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述支腿与圆环板间设有调节圆环板离地高度的可调螺栓。

6.根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述圆弧悬挂板呈半圆形，并在侧壁上标有表示悬挂板圆弧角度的刻度线。

7.根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述圆弧悬挂板的安装孔个数为18，相邻两孔夹角为10°。

8.根据权利要求2所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述隔光装置还包括有电动葫芦，隔光罩顶部设有吊环，电动葫芦的吊钩与吊环配合，电动葫芦悬挂在支架上。

9.根据权利要求2所述的多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量装置，其特征在于：所述支架为三脚支架。

10.多角度原位光谱检测番茄叶片蛋白质含量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（a）设备准备：架设支架，起吊隔光罩，架设全方位旋转仪并水平找平，番茄活株处于全方位旋转仪的圆环轨道板中心位置，将光谱探头和光源分别通过安装孔安装在圆弧悬挂板上，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，放下隔光罩；

（b）光谱白板矫正：白板与番茄活株叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正；

（c）叶片光谱的角度自动调整采样：电驱滚轮启动，驱动圆弧悬挂板连同光谱探头和光源转过一定角度，并配合调节圆环轨道板高度，通过摄像头观测监控以保证检测点的光程一致，入射角和反射角呈90°；光源向第一个检测点发送检测光，利用光谱探头采集检测点处的波长为690 nm、850 nm、992 nm、1300 nm、1500 nm、1600 nm、1984 nm、2248 nm和2304 nm所对应番茄叶片的反射率；

（d）叶片光谱的多点采样：采样完成后，重复步骤（c），完成另外两个检测点的采样；

（e）理化值计算：将所得三个点反射率分别输入控制单元，控制单元依据多元线性回归方程：

Y=19.852X1+14.478X2+31.258X3-24.334X4+29.374X5-8.698X6+25.698X7+31.258X8-62.365X9+5.39，计算得到番茄叶片的蛋白质含量，式中Y为番茄叶片中蛋白质含量，X1~X9分别为波长690 nm、850 nm、992 nm、1300 nm、1500 nm、1600 nm、1984 nm、2248 nm和2304 nm所对应的番茄活株叶片的反射率，三个检测点得到三个蛋白质含量值，Y1，Y2和Y3，将Y1，Y2和Y3求和取平均为番茄叶片中蛋白质含量Y。