甘蔗表面特征研究

董 振，張金來(lái)，沈道嚴(yán)，葉春博，藍(lán)啟亮

隨著甘蔗種植機(jī)械化的不斷發(fā)展，甘蔗制種的自動(dòng)化也勢(shì)在必行，因此，對(duì)甘蔗的固有特征進(jìn)行研究，可為自動(dòng)化甘蔗制種設(shè)備的設(shè)計(jì)制作提供依據(jù)。甘蔗種莖節(jié)自動(dòng)識(shí)別與定位的研究，要從甘蔗種本身的各種特點(diǎn)出發(fā)，只有充分研究研究對(duì)象后，才能找到合適的方案。生長(zhǎng)過(guò)程中，甘蔗的外表面形態(tài)受生長(zhǎng)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(gè)性并存的辯證關(guān)系。由于生長(zhǎng)規(guī)律控制，每根甘蔗在莖節(jié)處都會(huì)有某些相同規(guī)律的特征，借助這些特征，可以設(shè)計(jì)出普遍適應(yīng)于甘蔗種莖節(jié)識(shí)別的方案。然而，由于自然生長(zhǎng)環(huán)境不確定性，某些甘蔗會(huì)在生長(zhǎng)過(guò)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(gè)性而非共性，這些隨機(jī)因素不僅不能作為識(shí)別莖節(jié)的依據(jù)，甚至還會(huì)對(duì)莖節(jié)檢測(cè)帶來(lái)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(duì)甘蔗表面及內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)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(yàn)機(jī)對(duì)甘蔗做材料力學(xué)試驗(yàn)，做法類(lèi)似金屬材料力學(xué)性能測(cè)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(cè)得莖稈基部切變模量、蔗皮軸向拉伸強(qiáng)度、蔗皮徑向拉伸強(qiáng)度分別為10.82 MPa、47.02 MPa、2.57 MPa；蔗芯軸向、徑向拉伸強(qiáng)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(duì)甘蔗的節(jié)間和節(jié)點(diǎn)去皮及切斷時(shí)，對(duì)刀片載荷變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，得出結(jié)論為：節(jié)間去皮時(shí)，刀片載荷先增加后降低；節(jié)點(diǎn)去皮時(shí)，刀片載荷呈“增-降-再增-再降”趨勢(shì)；莖稈切斷時(shí)，無(wú)論是節(jié)間還是節(jié)點(diǎn)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(duì)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(cè)定，并假設(shè)不同頻段光譜吸收峰是因?yàn)楦收峁?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(jí)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(jí)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(duì)較低，同時(shí)也測(cè)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(gè)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(gè)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(chēng)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(zhǎng)規(guī)律的作用，前節(jié)靠近莖節(jié)區(qū)生長(zhǎng)蔗葉的莖段直徑，會(huì)因?yàn)檎崛~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(gè)特征可稱(chēng)為葉痕突起。這個(gè)突起特征圍繞圓柱狀甘蔗一周，可以作為莖節(jié)識(shí)別的突破口。且無(wú)論從哪個(gè)方向觀察這個(gè)莖節(jié)，這個(gè)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(shuō)明在蔗種進(jìn)行甘蔗莖節(jié)識(shí)別和定位的輸送過(guò)程中，可以忽略甘蔗在輸送過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)莖節(jié)檢測(cè)帶來(lái)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(jī)選取了100個(gè)莖節(jié)樣本，品種涵蓋了新臺(tái)糖22號(hào)、16號(hào)、桂糖11號(hào)、粵糖63-237、桂糖12號(hào)等，測(cè)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(cè)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(gè)測(cè)量值分為10組，畫(huà)出其頻率直方圖如圖3所示。可以看出，莖節(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(zhǎng)帶或根帶，見(jiàn)圖5.根帶是蔗種播下后最先長(zhǎng)出根須為蔗芽提供養(yǎng)分的部位，通常這個(gè)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(méi)有葉痕突起部位那么劇烈，但是比節(jié)間明顯得多。因?yàn)楦鶐幱谇o節(jié)區(qū)內(nèi)，緊鄰葉痕突起，說(shuō)明根帶的外形特征也可以作為莖節(jié)識(shí)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(duì)這一寬度測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示，范圍約為5~7 mm，這一寬度將會(huì)對(duì)應(yīng)于檢測(cè)信號(hào)中莖節(jié)區(qū)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文著重研究了甘蔗外表面形狀及尺寸特征，為自動(dòng)識(shí)別和定位甘蔗莖節(jié)提供切入點(diǎn)。甘蔗莖稈長(zhǎng)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(gè)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(dòng)識(shí)別和定位甘蔗莖節(jié)提供切入點(diǎn)，可為甘蔗制種供一定的理論依據(jù)。

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