可控環(huán)境下寒地水稻電信號特性研究

0 引言

中國是世界人口大國,糧食在中國的人均需求量為332.07 kg,現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)產(chǎn)出可以滿足糧食的需求量,如果中國的糧食人均占有量達(dá)到386.60 kg,中國的糧食安全問題基本可以得到保障

。通過數(shù)據(jù)可以看出,糧食在一個國家占有重要的地位。在控制其他環(huán)境變量不變情況下對寒地水稻電信號進(jìn)行研究。深入探究植物電信號在不同光照強(qiáng)度下的響應(yīng)特性,進(jìn)一步探索植物電信號中蘊(yùn)藏的生理信息。該研究還能為寒地水稻生長調(diào)控提供反饋,減少不良環(huán)境下農(nóng)作物的損失。

2021年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)施光耀等

以白皮松為研究對象,在人工氣候室控制試驗中探究不同光照強(qiáng)度下植物電信號的變化特征,其結(jié)果表明:在0～700 μmol·m

·s

光照范圍內(nèi)白皮松的植物電信號強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而顯著提高,當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到700 μmol·m

·s

時,植物電信號活躍度達(dá)到最高,隨后光照強(qiáng)度的增加使植物受到光抑制,植物電信號活躍程度下降。2019年西北農(nóng)林科技大學(xué)周敏姑等

探究在不同水脅迫下植物的點(diǎn)位特征,對采集到的電信號進(jìn)行預(yù)處理和分析,綜合分析植物電信號在時域、頻域和時頻域的特征,解譯植物電信號特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)植物電信號的特征分析和信號解譯。2016年王曉琳等

以燕子掌植物為研究對象,通過探究其時域峰峰值、均值、頻域功率譜的變化,以及表征其特征值譜重心頻率、譜邊緣頻率和功率譜熵。探究燕子掌植物最適光照強(qiáng)度。其結(jié)果表明燕子掌最適宜的光照度為24 000～29 500 lx,在此光照度范圍其光合作用較強(qiáng)。2016年西北農(nóng)林科技大學(xué)丁紅星等

以盆栽君子蘭為材料,探究君子蘭植物電信號與含水率之間變化關(guān)系,其結(jié)果表明:當(dāng)君子蘭含水率為18.8%時,其電信號活躍度達(dá)到最高,電生理活動狀態(tài)最活躍。2016年梁成

選擇玉米為研究對象,通過對比研究的方法,探究玉米原狀態(tài)下的電信號特征和在鹽脅迫狀態(tài)下電信號特征,該研究通過定量分析植物電信號頻譜分布和變化關(guān)系,提出了一種植物耐鹽性標(biāo)準(zhǔn)體系，為今后植物的耐鹽性評價提供了理論依據(jù)。以上研究極少數(shù)選用糧食作物作為對象。本研究以重要的農(nóng)作物——寒地水稻為研究對象,通過對時域、頻域、時頻域的檢測。探究可控環(huán)境下水稻葉片電信號的特性,為保障糧食安全提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗儀器和材料

基于STM32F103搭建的信號采集系統(tǒng)、SD2160B光照強(qiáng)度傳感器(其工作電壓DC6～24 V,量程范圍0～65 535 lx)、濕度計、溫度計、HK_USB6203數(shù)據(jù)采集卡、AD620信號放大調(diào)理模塊、土壤水分傳感器、改制的直徑為1.7 cm的Ag/AgCl貼片電極。待測水稻品種編號為農(nóng)豐143,研究的水稻為在實(shí)驗室生長的盆栽水稻,生長周期為抽穗期。實(shí)驗環(huán)境參數(shù)為:室內(nèi)環(huán)境溫度為27.89～33.43 ℃、空氣濕度為51%～60%、土壤含水率為58.5%～60.5%,保證了試驗環(huán)境的相對穩(wěn)定。

1.2 試驗方法

根據(jù)實(shí)際測量要求,連接采集系統(tǒng)的硬件電路,采集系統(tǒng)量程為(-5～5 V)、對輸入信號的采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為1 000。將基襯撫平,使導(dǎo)電膠與長勢優(yōu)良的寒地水稻葉片完全貼合,再貼上AgCl采集電極。設(shè)定靠近水稻根部的位置為負(fù)極，距水稻根部較遠(yuǎn)的葉尖位置為正極。每對正負(fù)電極以中心點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn),彼此相距約2.0 cm。通過光照傳感器的顯示,采集不同光照強(qiáng)度下水稻葉片上的電信號,同時記錄在一定范圍的環(huán)境因子變化。

2 植物電信號時域、頻域、時頻域分析

植物電信號是一種微弱信號,極易受到噪聲影響,需要先進(jìn)行消噪處理,將采集到的信號先經(jīng)過小波閾值消噪

,再使用Matlab軟件進(jìn)行計算。

2.1 時域分析

時域的波形圖對信號的了解并不全面,它只能表示信號幅值的大小和電位波形的組成。要分析信號的頻率,需要觀察該信號的頻域圖,在頻域內(nèi)解析該信號。研究采用現(xiàn)代功率譜估計——AR 模型功率譜估計(Auto Regression Model)的方法檢測信號的頻域。Auto Regression Model可以提取出植物電信號淹沒在噪聲中的特征信息,采用 pyulear 函數(shù)來完成功率譜估計,分析結(jié)果如圖2所示。

植物電信號通過時域特征值、頻域功率譜檢測是兩個彼此獨(dú)立的檢測,要更加全面地了解植物電信號的響應(yīng)特性,需要打破時域、頻域之間的壁壘,將兩者聯(lián)系到一起。通過小波時頻分析方法,將輸入信號降噪處理后,使用Matlab軟件中包含的entfrq()、cwt()、cscal2frq()函數(shù)實(shí)現(xiàn)時頻域分析。該研究采用 db6小波基函數(shù),小波變換時用的尺度序列長度設(shè)定為255。實(shí)驗結(jié)果如圖3所示。

腰椎間盤突出是臨床上一種較為常見的骨科疾病，該病主要因為突出部位壓迫或刺激人體的組織結(jié)構(gòu)或神經(jīng)，從而讓患者表現(xiàn)出腰背部疼痛、肢體麻木等癥狀，如果不得到及時有效的治療，甚至?xí)驗閴浩然颊呱窠?jīng)引起患者行動能力喪失，嚴(yán)重影響到患者的生活質(zhì)量[1]。磁共振成像與CT診斷是兩種診斷腰椎間盤突出的常用方式，本文主要探討二者在診斷腰椎間盤突出中顯現(xiàn)出來的應(yīng)用價值。

2.2 頻域分析

探究隨光照強(qiáng)度變化植物電信號的變化關(guān)系。保持實(shí)驗環(huán)境相對穩(wěn)定的情況,控制室內(nèi)的溫度為27.89～29.10 ℃、空氣濕度為57%～60%、土壤含水量為58.5%～59.6%。在不同的光照強(qiáng)度下,采集5組水稻葉片上的電信號數(shù)據(jù)。在溫度31.41～33.43 ℃、空氣濕度51%～54%、土壤含水率60.2%～60.5%時采集了5組水稻葉片上的電信號數(shù)據(jù)。以采集到的10組數(shù)據(jù)為理論基礎(chǔ)，研究不同光照下植物電信號特性。由于隨著光照強(qiáng)度的增加溫度會隨之升高，故采集數(shù)據(jù)時選擇兩個溫度水平。將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為光照傳感器量程的百分比:0.01%(2～5 lx)、0.22%(120～130 lx)、1.30%(700～800 lx)、3.73%(2.3～2.4 klx)、6.26%(4.0～4.3 klx)、8.77%(5.6～5.9 klx)、24.42%(14～16 klx)、46.57%(28～31 klx)、61.80%(39～42 klx)、75.53%(49～50 klx)可以使記錄更加方便。光照強(qiáng)度與時域特征值的變化關(guān)系曲線如1圖所示。

2.3 時頻域分析

根據(jù)圖1(a)可知，在0.01%～3.73%的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),隨光照強(qiáng)度的增加，信號的峰值在變?。辉?.26%～8.77%的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),隨光照強(qiáng)度的增加，信號的峰值在變大,達(dá)到了5.87×10

V；在0.01%～3.73%的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),隨光照強(qiáng)度的增加信號的峰值在變小,最后展現(xiàn)出平穩(wěn)的波動趨勢，其中的數(shù)量級約為0.3×10

。由圖1(b)可知,在0.01%～3.73%光照范圍內(nèi)信號的均值先是達(dá)到了最大的波峰；在3.73%～24.42%的光照范圍內(nèi)，信號的均值達(dá)到了一個相較于先前小的波峰，最后也展現(xiàn)出平穩(wěn)的波動趨勢。由圖1(c)可知，標(biāo)準(zhǔn)差與均值的時域圖相似，在0.01%～3.73%的光照范圍內(nèi)信號的標(biāo)準(zhǔn)差先是達(dá)到了最大的波峰，然后下降到一個小波峰后逐漸下降趨于穩(wěn)定。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，植物電信號在3.73%～24.42%光照強(qiáng)度的范圍內(nèi)電信號的波動幅度很大,此時信號能量是整個試驗過程最強(qiáng)的,植物體內(nèi)的生理活動也較為活躍。產(chǎn)生該時域圖的原因可能是水稻對光照強(qiáng)度的增加做出短暫的抵制，隨后在光照強(qiáng)度繼續(xù)增加時，水稻回歸到正常的狀態(tài)。在此過程中方差的數(shù)量級為10

。除此之外，由圖1(d)可知，均方值在6.26%～8.77%的光照范圍內(nèi),因為均方值的物理意義是用信號平方后的均值表征信號的平均功率,此時信號的平均功率產(chǎn)生的波動較大,其余條件下信號的平均功率基本都維持在同一個水平。

不得不承認(rèn)，為這六輛跑車找到一個足夠?qū)挸ǖ耐＼噲鼋^非易事。其中，負(fù)責(zé)任的安保更是必不可少。在伯爾尼大酒店，貼心的禮賓專門為這六輛跑車設(shè)置了只有在博物館才能看到的警戒線，并整夜守護(hù)在它們身旁。

通過Matlab軟件制作出小波時頻圖,即時間-頻率-小波系數(shù)圖。右側(cè)的柱狀圖表示幅值,顏色的變化表示幅值的大小,從3到1表示幅值從高到底,小波時頻圖可以看到不同時間和頻率下小波變換的系數(shù)絕對值,在不同的光照強(qiáng)度下,水稻葉片電信號的頻率成分集中在5 Hz以下,在1～3 Hz 范圍內(nèi)的顏色較深,此時的頻率成分最多。

3 試驗結(jié)果與結(jié)論

“昨天是廖太太請客，這兩天她一個人獨(dú)贏，”易太太又告訴馬太太?！芭鲆娦±罡?，叫他們坐過來，小李說他們請的客還沒到。我說廖太太請客難得的，你們好意思不賞光？剛巧碰上小李大請客，來了一大桌子人。坐不下添椅子，還是擠不下，廖太太坐在我背后。我說還是我叫的條子漂亮！

該實(shí)驗將溫度、濕度、土壤含水率三種環(huán)境變量控制在一定范圍內(nèi),保證整個實(shí)驗過程中環(huán)境的穩(wěn)定,通過改變光照強(qiáng)度,探究不同光照下植物電信號特性。通過實(shí)驗獲得10組數(shù)據(jù)對寒地水稻葉片上電信號進(jìn)行小波時頻域、頻域功率譜、時域特征值的全面分析。得出如下結(jié)論:

1)隨光照強(qiáng)度的增加,植物電信號的幅值不會一直增加,在光照強(qiáng)度為5.6～5.9 klx時,寒地水稻葉片上的電信號時域特征最顯著,此時信號的電位為正,方差為本次試驗中的最大值2.150 8×10

,說明此時信號的幅度最大,電生理活動最活躍。

2)通過頻域功率譜得出植物電信號同樣具有低頻的特性。信號的功率譜大部分集中在4 Hz以下,譜峰值集中為50 db。

近些年來黑龍江玉米種植技術(shù)水平不斷提升，在種子選擇、田間配置管理以及病蟲害防治方面都有所成效，但同時玉米病蟲害的種類不斷增多，病害出現(xiàn)頻率也不斷增加。因此，深入研究玉米種植技術(shù)，提高種植水平，并做好玉米病蟲害的防治工作，提高玉米的產(chǎn)量，是當(dāng)前農(nóng)技人員研究的重要課題，這不僅能夠確保玉米種植的增產(chǎn)增收，而且對于黑龍江農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

3)小波時頻圖中顏色較深的成分大都集中在1～3 Hz的范圍內(nèi),符合植物電信號的低頻特性。

[1] 唐華俊,李哲敏.基于中國居民平衡膳食模式的人均糧食需求量研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,45(11):2315-2327.

[2] 施光耀,桑玉強(qiáng),張勁松，等.不同光照強(qiáng)度下植物電信號變化特征及其與空氣負(fù)離子的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2022，33(2):439-447.

[3] 周敏姑,劇飛兒,孫振豪，等.干旱脅迫狀態(tài)下植物電信號特征分析與研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2019，35(3):320-326+332.

[4] 王曉琳,田立國,李猛，等.燕子掌電信號隨光照度變化的分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(11):64-66+141.

[5] 丁紅星,李敏通,郭交，等.君子蘭電信號與含水率的關(guān)系[J].西部林業(yè)科學(xué),2016,45(3):75-80.

[6] 梁成.基于作物電信號的耐鹽性活體評價方法研究[D].西安：西安理工大學(xué), 2016.

[7] 劉國軍,唐降龍,黃劍華，等.基于模糊小波的圖像對比度增強(qiáng)算法[J].電子學(xué)報, 2005(4): 643-646.

[8] 孫端.小波變換在語音信號降噪技術(shù)中的應(yīng)用[J].信息通信,2017(3):12-13.