董 振，張金來，沈道嚴(yán)，葉春博，藍(lán)啟亮

隨著甘蔗種植機械化的不斷發(fā)展，甘蔗制種的自動化也勢在必行，因此，對甘蔗的固有特征進(jìn)行研究，可為自動化甘蔗制種設(shè)備的設(shè)計制作提供依據(jù)。甘蔗種莖節(jié)自動識別與定位的研究，要從甘蔗種本身的各種特點出發(fā)，只有充分研究研究對象后，才能找到合適的方案。生長過程中，甘蔗的外表面形態(tài)受生長規(guī)律和自然因素共同影響，造成了不同甘蔗種之間共性和個性并存的辯證關(guān)系。由于生長規(guī)律控制，每根甘蔗在莖節(jié)處都會有某些相同規(guī)律的特征，借助這些特征，可以設(shè)計出普遍適應(yīng)于甘蔗種莖節(jié)識別的方案。然而，由于自然生長環(huán)境不確定性，某些甘蔗會在生長過程中產(chǎn)生特殊的形態(tài)，例如不同莖節(jié)之間發(fā)生彎曲、某些甘蔗表面覆蓋有黑粉，這些特征是甘蔗的個性而非共性，這些隨機因素不僅不能作為識別莖節(jié)的依據(jù)，甚至還會對莖節(jié)檢測帶來干擾。所以，徹底地研究甘蔗外形特征尤為重要。

已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對甘蔗表面及內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]對甘蔗莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行研究，采用材料力學(xué)性能試驗機對甘蔗做材料力學(xué)試驗，做法類似金屬材料力學(xué)性能測試，得出甘蔗的力學(xué)加載破壞形式結(jié)論為：扭轉(zhuǎn)荷載下蔗桿產(chǎn)生軸向裂紋；壓縮荷載下蔗桿產(chǎn)生屈曲及軸向裂紋；拉伸荷載作用下蔗皮、蔗芯發(fā)生斷裂；并測得莖稈基部切變模量、蔗皮軸向拉伸強度、蔗皮徑向拉伸強度分別為10.82 MPa、47.02 MPa、2.57 MPa；蔗芯軸向、徑向拉伸強度分別為6.71 MPa、1.34 MPa，為構(gòu)建甘蔗桿力學(xué)模型提供了參考[2]。文獻(xiàn)[2]對甘蔗的節(jié)間和節(jié)點去皮及切斷時，對刀片載荷變化趨勢進(jìn)行了研究，得出結(jié)論為：節(jié)間去皮時，刀片載荷先增加后降低；節(jié)點去皮時，刀片載荷呈“增-降-再增-再降”趨勢；莖稈切斷時，無論是節(jié)間還是節(jié)點切斷，刀片載荷都均勻增加[3]。文獻(xiàn)[4]用近紅外漫反射光譜技術(shù)，對不同蔗桿上及不同蔗桿部位上外表面的近紅外慢發(fā)射吸收光譜進(jìn)行了測定，并假設(shè)不同頻段光譜吸收峰是因為甘蔗節(jié)間內(nèi)部含糖、含水量等因素差異造成的[4]。文獻(xiàn)[5]用電鏡-能譜掃描儀觀察甘蔗莖稈外表皮的超微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)肉眼看似光滑的節(jié)間莖稈上，分布著許多10 μm量級細(xì)微顆粒物，分布或密或疏，某些顆粒物之間還有深淺不一的細(xì)微凹痕[5]。文獻(xiàn)[6]利用電鏡-能譜掃描儀，從μm尺寸級別的微觀角度觀察甘蔗莖稈外表面、甘蔗橫向切片不同部位化學(xué)元素的微區(qū)分布，得出結(jié)論為：莖稈外表面上細(xì)微顆粒物硅含量較大，為58.23%，外表面平坦處含硅相對較低，同時也測得切片中不同部位的硅、碳、氧等元素的數(shù)量[6]。

1 甘蔗莖節(jié)葉痕凸起特征

甘蔗莖稈外表面大致可分為兩個區(qū)域，一是節(jié)間區(qū)，二是莖節(jié)區(qū)，莖節(jié)區(qū)又可進(jìn)一步劃分為根帶邊、根帶區(qū)、葉痕突起，節(jié)間區(qū)段則是兩個相鄰兩莖節(jié)區(qū)之間的蔗桿部分，細(xì)節(jié)如圖1所示。甘蔗節(jié)間區(qū)通常呈圓筒形，表面光滑，某些莖稈表面覆蓋有一層薄薄的黑色或白色粉霜。甘蔗相鄰兩節(jié)間交接處的莖節(jié)區(qū)上有一葉痕突起特征，其橫截面尺寸突然成斷崖式增大，如圖1所示。相鄰兩節(jié)甘蔗分別稱作前節(jié)和后節(jié)，甘蔗前節(jié)靠近蔗根一端，后節(jié)靠近蔗尾一端。由于生長規(guī)律的作用，前節(jié)靠近莖節(jié)區(qū)生長蔗葉的莖段直徑，會因為蔗葉重力等因素導(dǎo)致直徑增大，后節(jié)上靠近莖節(jié)葉痕的部位是根帶，通常直徑小于葉痕部位，而且，葉痕與根帶之間的尺寸變化是斷崖式陡然增加的，這個特征可稱為葉痕突起。這個突起特征圍繞圓柱狀甘蔗一周，可以作為莖節(jié)識別的突破口。且無論從哪個方向觀察這個莖節(jié)，這個突起特征始終存在，且位置變化極其微小以至于可以忽略，這說明在蔗種進(jìn)行甘蔗莖節(jié)識別和定位的輸送過程中，可以忽略甘蔗在輸送過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動對莖節(jié)檢測帶來的影響。

圖1 莖節(jié)區(qū)特征細(xì)節(jié)

葉痕突起特征可以定量描述，將莖節(jié)的前節(jié)突起處和后節(jié)上的根帶之間的垂直高度差設(shè)為H，如圖2所示。葉痕突起環(huán)繞著圓柱狀甘蔗分布，單一葉痕上不同圓周方位的H值可能不同，為此從廣西河池、柳州、百色、南寧四地的甘蔗種植區(qū)隨機選取了100個莖節(jié)樣本，品種涵蓋了新臺糖22號、16號、桂糖11號、粵糖63-237、桂糖12號等，測量其H值并將結(jié)果記錄于表1中。

圖2 葉痕突起特征放大圖

表1 葉痕最大突起尺寸H測量值

上表中最大值是2.7，最小值是0.405，平均值是1.317.將這100個測量值分為10組，畫出其頻率直方圖如圖3所示?？梢钥闯觯o節(jié)樣本突起尺寸呈正態(tài)分布，可以設(shè)其服從正態(tài)分布。利用Matlab求出其正態(tài)分布概率密度函數(shù)，結(jié)果繪于圖4中。該正態(tài)分布均值為1.317，標(biāo)準(zhǔn)差為0.422.可以看出莖節(jié)突起尺寸分布比較集中。

圖3 莖節(jié)突起尺寸H頻率直方圖

圖4 突起尺寸H的正態(tài)分布概率密度

2 莖節(jié)根帶區(qū)特征

莖節(jié)區(qū)葉痕突起前面的部位叫生長帶或根帶，見圖5.根帶是蔗種播下后最先長出根須為蔗芽提供養(yǎng)分的部位，通常這個區(qū)域的甘蔗外表面有凹凸不平的特征。根帶部位凹凸不平的起伏程度雖然沒有葉痕突起部位那么劇烈，但是比節(jié)間明顯得多。因為根帶處于莖節(jié)區(qū)內(nèi)，緊鄰葉痕突起，說明根帶的外形特征也可以作為莖節(jié)識別與定位的參考因素之一。

圖5 甘蔗莖節(jié)區(qū)根帶

此外，根帶區(qū)是莖節(jié)區(qū)最寬的部分，從根帶邊到葉痕邊沿構(gòu)成了莖節(jié)區(qū)的總寬度，文獻(xiàn)[1]對這一寬度測量的數(shù)據(jù)顯示，范圍約為5~7 mm，這一寬度將會對應(yīng)于檢測信號中莖節(jié)區(qū)信號采樣數(shù)據(jù)點數(shù)。

3 結(jié)束語

本文著重研究了甘蔗外表面形狀及尺寸特征，為自動識別和定位甘蔗莖節(jié)提供切入點。甘蔗莖稈長度方向大致可分為兩種區(qū)段，一種區(qū)段是莖節(jié)區(qū)，另一種區(qū)段是節(jié)間，兩個莖節(jié)區(qū)之間那段蔗桿就是莖節(jié)區(qū)，莖節(jié)區(qū)又可以細(xì)分為根帶邊痕、根帶、莖節(jié)突起部位、葉痕。本文研究的內(nèi)容為自動識別和定位甘蔗莖節(jié)提供切入點，可為甘蔗制種供一定的理論依據(jù)。

[1]喬 曦.基于計算機視覺的甘蔗種莖切割防傷芽系統(tǒng)的研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[2]劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等.甘蔗莖稈在扭轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸荷載下的破壞試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006（06）：201-204.

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[4]曹 干，周學(xué)秋，譚中文，等.近紅外漫反射光譜用于甘蔗品質(zhì)成分的非破壞性測定[C]//全國第二屆近紅外光譜學(xué)術(shù)會議論文集.2008：163-169.

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