[发明专利]块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模

说明书

技术领域

本发明涉及块茎电阻成像技术领域，具体说是块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模。

背景技术

基于电阻成像技术的块茎生长状态信息检测系统，其研究成果将为农作物(如马铃薯、番薯、芋)和名贵中药材(如人参、天麻)等块茎植物新品种培育、科学合理种植、提高产量等提供强有力的可视化监测手段和分析工具。

对于块茎植物的精细种植而言，可通过对块茎生长状态信息的抽样监测，甚至还可通过无线传感器网络实现远程监控，做到合理有效地浇水、施肥和病虫害防治等，这对低碳经济、绿色环保与食品安全等具有重大意义。

块茎电阻成像技术的关键之一是土壤多相介质环境的电导特性的测定。实际上，块茎生长的环境因素包括水、根系、气体、土壤介质中无机盐分和有机质含量等，它们组成了一个复杂的导电性多相介质环境。

土壤多相介质环境的电导特性的测试方法与建模是块茎电阻成像的基础，它对电阻成像系统优化设计，尤其是对激励/测量电极的设计，激励/测量策略的选取，激励信号频率、大小的确定都至关重要。

以前，土壤多相介质环境的电导特性的测定，往往只考虑土壤含水率(土壤水)和土壤电导率(电导)的简单对应关系，甚至作线性化处理，其实这是不精确的。实际上，块茎生长的土壤多相介质环境的电导特性与土壤含水率是一个非线性问题，它与田间最大持水量、块茎生长的环境因素等均密切有关，而且相当复杂。所以块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，也就是块茎生长的土壤多相介质环境的电导特性的测试方法与建模是块茎成像技术的关键技术之一。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模(模型的建立)，在遵从人们习惯于土壤含水率与土壤电导率对应关系框架的基础上，运用基于回归分析的实验测定方法，综合考虑土壤环境的电导特性与田间最大持水量、块茎生长的环境因素等密切有关的情况下，通过测试数据和数学分析建模相结合的方法，建立起了对电阻成像物场电导特性测试分析至关重要的数学模型。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

块茎电阻成像的物场电导特性测试方法与建模，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，取风干样土三份，计算风干样土的田间最大持水量；

步骤2，测量不同土壤含水率时土壤电导率，得到在30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％土壤含水率下，土壤电导率的数值；

步骤3，测量块茎植物的电导率；

将块茎切成小立方体，卡到电导率测量仪的电极的两个极板之间，多次测量，求取平均值，并记录数据；

步骤4，用数据分析软件对步骤1、步骤2和步骤3测得的数据进行回归分析，寻找土壤含水率与土壤电导率的关系式，建立直接的数学模型。

在上述技术方案的基础上，回归分析时采用曲线估计的方法进行分析。

在上述技术方案的基础上，步骤1中取500g风干土样，等量地分成三份。

在上述技术方案的基础上，计算风干样土的田间最大持水量的具体步骤为：

(1)将三份风干样土，分别装入一个底部打洞的塑料盒内，分别往三个塑料盒里注入纯净水，直至饱和，静置至少2h，确保排出重力水，称取最后水土总质量；

(2)根据最后水土总质量减去风干样土质量求得风干样土的田间最大持水量；

(3)根据先验知识验证所计算的风干样土的田间最大持水量是否正确。

在上述技术方案的基础上，采用曲线估计的方法进行回归分析中，主要从三个方面来分析拟合曲线是否可以采用：

(i)拟合优度R²，它表示标本对总体的吻合程度，拟合系数接近1，表示显著检验效果越好；

(ii)回归方程的显著性检验，要求sig<0.05；

(iii)回顾系数的显著性检验，要求sig<0.05。

在上述技术方案的基础上，当采用曲线估计的方法进行回归分析不可采纳时，采取分段分析。

在上述技术方案的基础上，分段分析的具体步骤为：

土壤含水率在30％FC～70％FC时，曲线主要呈指数型增长，所以采取增长型模型对数据进行回归分析；

土壤含水率在70％FC～100％FC时，电导率增长速度明显降了下来，所以选择Logistic模型来进行回归分析。

在上述技术方案的基础上，土壤含水率与土壤电导率的关系如式(1)所示，