基于作物介電特性在其精準(zhǔn)灌溉中應(yīng)用的研究進(jìn)展

范 昊 王明宇

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)一般是通過土壤水分含量[1]、空氣濕度[2]等來診斷旱情，雖然這些方法已經(jīng)相對(duì)成熟，但利用作物自身生理水分狀況能更加敏感的反映作物的受旱程度[3]，因此以農(nóng)作物自身生理水分為灌溉依據(jù)比傳統(tǒng)灌溉技術(shù)更加真實(shí)。對(duì)農(nóng)作物自身含水率測(cè)量的傳統(tǒng)手段有烘干法、化學(xué)法、射線法、中子法、核磁共振法等，但這些手段操作繁瑣，存在耗時(shí)長(zhǎng)，成本高等缺陷?，F(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)迫切需要一種價(jià)格合理，精度高的含水率無損檢測(cè)技術(shù)，而介電法是利用作物自身介電特性以檢測(cè)其具體含水情況，相較于傳統(tǒng)作物灌溉技術(shù)測(cè)定方法，該方法具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高的顯著優(yōu)勢(shì)[4]，因此介電法受到相關(guān)研究學(xué)者的青睞。作物是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊電介質(zhì)，由于在不同的生長(zhǎng)階段，作物體相應(yīng)的介電特性也會(huì)不同，這為利用介電參數(shù)檢測(cè)生物體內(nèi)部生理信息提供了必要的理論依據(jù)。

1 介電特性

介電特性是指生物分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性。水分對(duì)作物介電特性的影響極為重要，缺水會(huì)導(dǎo)致作物體液濃度增大，反過來會(huì)對(duì)作物的介電特性產(chǎn)生影響[5]。評(píng)價(jià)介電特性的主要參數(shù)是介電常數(shù)εr’、介質(zhì)損耗因子εr″、介質(zhì)損耗角正切值tanδ[6]。

1.1 介電參數(shù)

介電常數(shù)ε（或εr’）是介電體固有的物理性質(zhì)，表示介電體在外加電場(chǎng)作用下所貯存的電場(chǎng)能量；介質(zhì)損耗因子εr″反映電介質(zhì)在交流電場(chǎng)中由于分子間的摩擦碰撞而造成的能量損失大??；介質(zhì)損耗角正切值Tanδ是損耗能量與累積能量的比值，其中介質(zhì)損耗角δ是交流電的總電流I（或總電壓V）與電容電流Ic（或電容電壓Vc)的夾角。

1.2 介電特性檢測(cè)方法

常用的介電性能測(cè)量技術(shù)主要包括平行板（電容）技術(shù)、傳輸線技術(shù)、同軸探針技術(shù)、電橋法等。

平行板技術(shù)又稱電容器技術(shù)，它是將薄板型圓銅片夾在兩個(gè)電極之間形成電容器，將樣品放置在電容器中造成的電容變化來測(cè)量樣品的介電特性。傳輸線技術(shù)是將樣品放在封閉的傳輸線中，由于線路中的負(fù)載會(huì)引起線路中阻抗和傳輸特性的變化，再用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測(cè)負(fù)載線中的反射系數(shù)（S11）與傳輸系數(shù)（S21），用計(jì)算機(jī)和軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的介電常數(shù)的計(jì)算。電橋法是利用3個(gè)已知阻抗臂求另一個(gè)樣品橋臂的阻抗，調(diào)節(jié)電橋達(dá)到平衡，根據(jù)平衡條件計(jì)算樣品的等值電容和電阻，繼而得出樣品的介電參數(shù)。同軸探針技術(shù)主要是利用探針接觸物體時(shí)，試件反射到分析儀信號(hào)的振幅和相位，計(jì)算介電參數(shù)與材料頻率的關(guān)系[11]。

2 影響作物介電特性的主要因素

2.1 作物含水率對(duì)介電特性的影響

作物是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊電介質(zhì)，其不同的生長(zhǎng)階段，介電特性也會(huì)存在差異。當(dāng)作物受到外界干旱的刺激時(shí)，會(huì)對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng)，這種響應(yīng)通常是通過不同的介電參數(shù)來表征作物的不同特性。作物體內(nèi)的水主要由自由水和結(jié)合水構(gòu)成，比重約占60～80%。當(dāng)作物身處干旱環(huán)境時(shí)，自由水會(huì)逐步向結(jié)合水轉(zhuǎn)變，以此來提升自己的抗旱性能，隨著自由水含量的降低，作物體液濃度增大，導(dǎo)致作物的理化性質(zhì)產(chǎn)生變化，其必然反應(yīng)在農(nóng)作物的生理介電特性上，這為介電性能測(cè)定作物含水率并對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉提供了理論依據(jù)。

2.2 測(cè)試頻率對(duì)介電特性的影響

作物中的極性水分子在受到外加電場(chǎng)的激勵(lì)后會(huì)形成電偶極子，當(dāng)頻率發(fā)生改變，電偶極子會(huì)由原來的存在狀態(tài)經(jīng)過轉(zhuǎn)向過渡到按電場(chǎng)方向排列的狀態(tài)，在此過程中轉(zhuǎn)向所需要的時(shí)間為極化弛豫時(shí)間。當(dāng)頻率提高時(shí)，極化弛豫時(shí)間在某一頻率開始與外加電場(chǎng)的周期變化脫軌，一部分能量損耗在強(qiáng)制固有偶極距轉(zhuǎn)向上轉(zhuǎn)為熱量散失，從而造成介電損耗，引起介電常數(shù)降低。

2.3 溫度對(duì)介電特性的影響

溫度也會(huì)對(duì)作物的松弛極化產(chǎn)生作用，當(dāng)其他條件確定時(shí)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致分子間熱運(yùn)動(dòng)的能量增高，離子、偶極子在外加電場(chǎng)作用下的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)會(huì)受到熱運(yùn)動(dòng)的阻礙而產(chǎn)生時(shí)間延遲，使得介電常數(shù)降低，此時(shí)電導(dǎo)損耗急劇增加，tanδ也隨溫度急劇上升。當(dāng)溫度很低時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)能量較低，極化分子幾乎處于“冷凍”狀態(tài)，其松弛時(shí)間延長(zhǎng)，松弛極化難以建立，此時(shí)的損耗功率很低。

綜上所述，作物體的含水率、測(cè)試頻率、溫度等都會(huì)直接或間接地影響作物的介電特性，這些因素對(duì)作物介電特性的影響是研究作物相關(guān)特性的突破口，為通過介電特性變化對(duì)作物實(shí)行精準(zhǔn)灌溉提供了必要的理論依據(jù)。

3 介電特性用于農(nóng)作物含水率檢測(cè)中的研究進(jìn)展

3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Mclendon和Brown在0.5～5kHz范圍內(nèi)上對(duì)梨的介電性能研究分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明梨的介電常數(shù)和損耗角正切值與頻率之間呈反比例關(guān)系。erbert P A和Stenning B C研究冬小麥水分在線檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)在0.5MHz時(shí)其水分與（ε’-1）/ε″線性相關(guān)，而（ε’-1)/ε″與物料流速相關(guān)[16]。程衛(wèi)東根據(jù)介質(zhì)介電常數(shù)改變所引起電容傳感器振蕩頻率的變化量來對(duì)谷物含水率進(jìn)行測(cè)量，構(gòu)建了與電容式振蕩頻率相關(guān)的作物含水率數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)谷物的含水率與傳感器電容值互為單值線性關(guān)系，并加入了溫度函數(shù)補(bǔ)償，極大降低了谷物溫度對(duì)測(cè)量精度的影響[17]。郝曉莉等人校準(zhǔn)了水稻、玉米和大豆3種作物的水分含量，并分析和研究了農(nóng)業(yè)物料的水分含量與其相對(duì)介電常數(shù)、電壓比等參量的相關(guān)性，得到了介電常數(shù)、以空氣為介質(zhì)和以作物為介質(zhì)電阻兩側(cè)的電壓比與作物水分含量間的函數(shù)模型。

4 總結(jié)及展望

隨著中國(guó)智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)作物精準(zhǔn)灌溉的要求也越來越高，然而豐產(chǎn)節(jié)水灌溉的關(guān)鍵在于虧水診斷，只有在需水敏感時(shí)期按照虧水信息進(jìn)行及時(shí)灌水，才能更加滿足農(nóng)作物的發(fā)育需求。根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于作物介電特性的研究分析可知，介電法具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，通過介電特性對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉指導(dǎo)也是一種比較適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)新型研究技術(shù)，但目前還存在一些尚待解決的問題，現(xiàn)將其闡述如下：

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度及廣度決定了模型的基礎(chǔ)價(jià)值。數(shù)據(jù)的精度依賴于測(cè)試儀器的精密程度，國(guó)產(chǎn)儀器起步較晚，與國(guó)外先進(jìn)儀器存在差距，而且專利壁壘也是一個(gè)很大難題，一些結(jié)構(gòu)加工零件精度達(dá)不到（在成本允許范圍內(nèi)）造成國(guó)內(nèi)儀器精度的偏差，因此，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該重視基礎(chǔ)性技術(shù)的研發(fā)，加強(qiáng)技術(shù)積累，只有這樣才能盡快縮小與國(guó)外企業(yè)的差距。作物的生長(zhǎng)發(fā)育過程可分為不同的階段，每個(gè)階段的抗旱能力都存在差異，然而現(xiàn)有作物介電特性研究中所構(gòu)建的函數(shù)模型，大多是根據(jù)作物某一階段的數(shù)據(jù)擬合而成，不具備數(shù)據(jù)的完整性，因此不能作為作物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段的判定依據(jù)，若能針對(duì)作物的生長(zhǎng)周期進(jìn)行全方面跟蹤，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的廣泛性，制定出全面的干旱評(píng)判體系，將會(huì)極大增強(qiáng)農(nóng)作物水分檢測(cè)模型的穩(wěn)定性以及應(yīng)用性。

（2）作物含水率模型構(gòu)建中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)優(yōu)化算法及其函數(shù)模型的選擇，優(yōu)化算法能夠?qū)σ延袑?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工處理，篩選符合條件的數(shù)據(jù)，從而獲取精確的特征變量值，降低計(jì)算復(fù)雜度；建模方法將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合加工處理，通過具體公式來預(yù)測(cè)作物體的含水情況。我國(guó)學(xué)者一般采用偏最小二乘回歸、多元線性回歸、主成分回歸等模型進(jìn)行函數(shù)擬合處理，對(duì)優(yōu)化算法的應(yīng)用較少，并且為減少外界因素（如溫度、濕度、外加電壓等）其對(duì)公式偏差的影響，加入了一系列補(bǔ)償函數(shù)，這些函數(shù)需要經(jīng)過復(fù)雜的中間轉(zhuǎn)換過程，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精度下降?；诖?，現(xiàn)有研究應(yīng)該將重心放在經(jīng)過實(shí)踐考量的國(guó)際高端算法以及對(duì)傳統(tǒng)模型的選擇上，現(xiàn)有經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)的優(yōu)良算法有灰狼算法、人工蜂群算法、聚類算法、云計(jì)算等可以選擇；對(duì)于模型選擇，非線性回歸更加適合今后的研究，通過建立非線性映射，將低維非線性問題轉(zhuǎn)換為高維線性問題，再將問題進(jìn)行線性分析，較傳統(tǒng)模型相比，非線性回歸可增強(qiáng)各變量間的關(guān)聯(lián)性，能夠有效降低其他因素對(duì)介電特性的影響，若將二者有機(jī)結(jié)合起來，必能極大增強(qiáng)現(xiàn)有研究的物理精度，降低模型預(yù)測(cè)的偏差度。