玉米種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)與分級(jí)裝置研究

王亞麗 彭彥昆 趙鑫龍 沈柳楊

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083; 2.國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心， 北京 100083)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，尤其是精量播種機(jī)械的應(yīng)用，對(duì)種子的品質(zhì)提出了越來(lái)越高的要求[1-3]。種子活力是國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)提出的一個(gè)綜合概念，種子活力是決定種子在發(fā)芽和出苗期間的活性水平和種子特性的綜合表現(xiàn)，是檢測(cè)種子品質(zhì)的重要指標(biāo)[4]。常規(guī)種子品質(zhì)檢測(cè)方法主要有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)、四唑試驗(yàn)(TZ)和電導(dǎo)率試驗(yàn)，這些方法所需時(shí)間較長(zhǎng)、基于化學(xué)品、破壞種子，不符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)種子活力檢測(cè)快速、無(wú)損的要求[5]。

近紅外(NIR)反射光譜技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通常用于預(yù)測(cè)種子的品質(zhì)屬性[2]。國(guó)內(nèi)外基于近紅外光譜的相關(guān)研究較多，建立了對(duì)種子活力、品種的鑒別模型[6-8]，但這些研究大多是在靜態(tài)條件下進(jìn)行采集分析[9]。國(guó)外開發(fā)出基于近紅外的小麥種子單粒品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)裝置[10]，但效率較低，且成本相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)關(guān)于種子單粒活力無(wú)損檢測(cè)裝置的研究較少。

本研究基于近紅外反射光譜分析技術(shù)，設(shè)計(jì)種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)裝置。以白甜糯玉米種子為研究對(duì)象，對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性測(cè)定，建立種子活力的定性判別模型，為玉米種子品質(zhì)逐粒實(shí)時(shí)檢測(cè)分級(jí)提供技術(shù)支撐。

1 無(wú)損檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)計(jì)的玉米種子活力檢測(cè)與分級(jí)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由單粒化裝置、種子輸送管道、檢測(cè)裝置、分選裝置和控制單元組成。工作狀態(tài)下，玉米種子由單粒化裝置分離，經(jīng)輸送管道到達(dá)檢測(cè)區(qū)，然后對(duì)其進(jìn)行光譜采集與檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)種子進(jìn)行分級(jí)，將有活力和無(wú)活力的玉米種子分別吹送至相應(yīng)的分種箱，完成玉米種子的無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)。

圖1 種子活力檢測(cè)與分級(jí)裝置示意圖

本裝置的關(guān)鍵部件為單粒化裝置，其效率是完成種子檢測(cè)及分級(jí)速率的關(guān)鍵。種子單粒化裝置如圖2所示，由一個(gè)轉(zhuǎn)盤和一個(gè)固定托盤組成，固定托盤上設(shè)有出種口，轉(zhuǎn)盤上分布著分粒孔；供種區(qū)位于裝置下側(cè)位置；轉(zhuǎn)盤與水平面呈一定傾角，傾斜角度大于種子與轉(zhuǎn)盤材料的最大靜摩擦角，以使未進(jìn)入孔內(nèi)的種子以自重自行落回供種區(qū)[11]；種子轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，出種口位于種子由低位側(cè)轉(zhuǎn)過(guò)3/4處的中側(cè)位置，給未進(jìn)入孔內(nèi)的種子充足的時(shí)間落回供種區(qū)，并使進(jìn)入孔內(nèi)的種子在出口處順利落下。轉(zhuǎn)盤上的分粒孔由中心向外分布在5個(gè)同心圓上，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)輸送管道，從出種口落下的種子分別落入相應(yīng)的管道，在管道末端進(jìn)行檢測(cè)及分級(jí)。

圖2 單粒化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 影響因素分析

單粒化裝置的效率是影響整個(gè)種子活力逐粒檢測(cè)裝置工作效率的關(guān)鍵。為得到較高的單粒化效率，對(duì)影響單粒化效率的因素進(jìn)行分析。

根據(jù)種子的形狀、尺寸等因素設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目仔停允姑靠壮淙霐?shù)量相等的種子[12]，本文所設(shè)計(jì)的分粒孔形狀應(yīng)與種子形狀相同或相近，尺寸應(yīng)比種子對(duì)應(yīng)最大尺寸大10%[13]，以使每個(gè)孔中能且只能容納一粒種子。本文所選白甜糯玉米種子，種子形狀、尺寸由長(zhǎng)L、寬W、高H來(lái)描述，如圖3所示。選擇100粒尺寸較均衡種子，分別測(cè)量其長(zhǎng)、寬、高，得出其平均尺寸分別為8.56、8.03、4.21 mm。從所測(cè)尺寸可看出，長(zhǎng)和寬基本一致，為加工方便和防止卡種，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)盤上孔型形狀為圓形，尺寸設(shè)為10 mm，以保證種子順利進(jìn)入孔中且避免進(jìn)入2粒及以上的種子。圓盤厚度與孔型高度有關(guān)，應(yīng)保證種子進(jìn)入孔內(nèi)后不會(huì)掉落，且防止堆積多余的種子，因此孔型高度應(yīng)在保證大于種子的高度重心(約2.1 mm)的條件下盡量小，孔型高度還與轉(zhuǎn)盤傾斜角度有關(guān)。

圖3 種子三維尺寸示意圖

轉(zhuǎn)盤傾斜角也是影響單粒化效果的一個(gè)重要因素，傾斜角的范圍應(yīng)大于種子與轉(zhuǎn)盤材料的最大靜摩擦角，保證未進(jìn)入孔內(nèi)的種子落回供種區(qū)，進(jìn)入孔內(nèi)的種子順利轉(zhuǎn)至出口處。傾斜角太小，會(huì)導(dǎo)致未進(jìn)入孔內(nèi)的種子無(wú)法在到達(dá)出口前落回供種區(qū)，并與進(jìn)入孔內(nèi)的種子一起從出種口落下，影響單粒化效果。傾斜角太大，會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)進(jìn)入到孔內(nèi)的種子狀態(tài)不穩(wěn)定，在到達(dá)出口之前就落回供種區(qū)，影響單粒化效率。經(jīng)測(cè)定，種子與轉(zhuǎn)盤材料的最大靜摩擦角為24.5°，即傾斜角應(yīng)大于24.5°。

另一個(gè)影響單粒化效率的因素為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速會(huì)影響進(jìn)入孔內(nèi)種子個(gè)數(shù)，也會(huì)影響單粒化效率。轉(zhuǎn)速過(guò)小，效率太低。轉(zhuǎn)速過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入孔內(nèi)的種子狀態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)充入又滑出的現(xiàn)象，影響單粒化效率，且受光譜檢測(cè)速率(光譜積分時(shí)間約80 ms)和分級(jí)速率限制，單粒化效率應(yīng)小于10粒/s，即轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速要小于0.5 r/s。

1.3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

基于影響因素分析，以試驗(yàn)?zāi)康暮鸵鬄橐罁?jù)選擇試驗(yàn)因素的參數(shù)范圍，因素編碼見(jiàn)表1。根據(jù)種子活力逐粒檢測(cè)要求，試驗(yàn)指標(biāo)為單粒化效率Y1(一個(gè)孔內(nèi)進(jìn)入1粒種子的效率)、多粒率Y2(一個(gè)型孔內(nèi)進(jìn)入2粒及以上種子的概率)。采用Design-Expert 8.0.6軟件，選擇Box-Behbken設(shè)計(jì)原理，設(shè)置5個(gè)中心試驗(yàn)點(diǎn)[14]，設(shè)計(jì)了三因素三水平試驗(yàn)方案，如表2所示。本文所設(shè)計(jì)的單粒化裝置為5通道，試驗(yàn)指標(biāo)以單個(gè)通道為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 因素編碼

利用Design-Expert 8.0.6軟件建立的響應(yīng)面試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到單粒化效率、多粒率的方差分析如表3所示。由表3可以看出，孔高度、轉(zhuǎn)盤傾斜角、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)單粒化效率、多粒率2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)均影響顯著，其中：各因素對(duì)單粒化效率影響的主次順序依次為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、孔高度和傾斜角；各因素對(duì)多粒率影響的主次順序依次為孔高度、傾斜角和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。單粒化效率、多粒率的二次回歸模型均高度顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.1)；單粒化效率和多粒率模型的決定系數(shù)分別為R2=0.943 4和R2=0.959 1，可得出回歸方程模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度好。依據(jù)系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，得出單粒化效率Y1、多粒率Y2真實(shí)值的響應(yīng)方程為[15]

Y1=6.174 678-12.519A+0.437 778B+43.608 33C+0.1AB+4.5AC-0.833 33BC+1.61A2-0.008 06B2-24.75C2

(1)

Y2=1.198 956-7.034A+0.618 889B-0.316 67C+AC-0.333 33BC+1.46A2-0.009 44B2+6.5C2

(2)

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

根據(jù)不同限制條件可得到最優(yōu)效果組合。多于1粒的種子進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域會(huì)影響檢測(cè)效果，因此本設(shè)計(jì)的目的是得到較高的單粒化效率。因此本文設(shè)定限制條件為：在多粒率低于0.5%的條件下，盡量得到較高的單粒化效率。從以上17組試驗(yàn)得出，在第3組試驗(yàn)條件下即分粒孔高度為2.2 mm、轉(zhuǎn)盤傾斜角為31°、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為0.5 r/s時(shí)，多粒率為0.4%，單通道單粒化效率可達(dá)7粒/s，效率最好，符合限定條件。

1.4 單粒化效果驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證單粒化效果，根據(jù)所選最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，做3次重復(fù)試驗(yàn)取平均值。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn)后的平均單粒化效率為7粒/s，多粒率為0.46%，符合限定條件且效果穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)要求。圖4為試驗(yàn)時(shí)的單粒化效果。因此本文將第3組試驗(yàn)參數(shù)確定為最終試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表4 單粒化效果驗(yàn)證試驗(yàn)

圖4 試驗(yàn)單粒化效果

1.5 光譜采集單元

光譜采集單元主要包括：光譜儀、化學(xué)光纖和光源。其中，光譜儀為AVS-DESKTOP-USB2-EXT-12V型(愛(ài)萬(wàn)提斯公司)，掃描范圍是980～1 700 nm，分辨率為4 nm；化學(xué)光纖為R200-7-VIS-NIR型，為Y型分叉光纖，光纖直徑為200 μm；光源為HL-2000型。

2 種子活力預(yù)測(cè)模型

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)裝置的可行性和穩(wěn)定性，利用此裝置進(jìn)行種子活力的檢測(cè)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)材料

從種子培育基地購(gòu)買白甜糯玉米種子，并對(duì)購(gòu)回未經(jīng)任何處理的種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，得到初始發(fā)芽率可達(dá)98%以上，且胚芽和根系茁壯健康，可認(rèn)定為有活力的種子。人工挑選無(wú)裂紋、無(wú)蟲害、外表飽滿的種子200粒，分為2組，一組用于獲得人工老化種子組，另一部分作為正常種子組[6]。將100粒正常種子在42℃、(98±2)%的濕度條件下處理8 d，之后在25℃正常狀態(tài)下放置2 d作為人工老化種子樣本[16-17]。另外100粒種子不做處理，作為正常有活力種子樣品組。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1種子光譜信息采集

本文選擇在一個(gè)管道內(nèi)進(jìn)行種子光譜采集試驗(yàn)。采集前打開光譜儀及光源，預(yù)熱30 min使設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)[18]，然后設(shè)置裝置的檢測(cè)參數(shù)，包括積分時(shí)間、像素平滑窗口寬度、平均次數(shù)等。先采集校正參考并保存，采集前先將裝置探頭放置在標(biāo)準(zhǔn)校正白板上采集白參考，再放置在標(biāo)準(zhǔn)黑板上采集黑參考。之后將種子放置在單粒率裝置內(nèi)，按照所優(yōu)化參數(shù)，使種子沿管道逐粒落下，對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行光譜采集并編號(hào)。圖5為管道內(nèi)采集種子光譜的實(shí)物圖，為方便觀察，右側(cè)圖為將分級(jí)管道取下后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖5 樣品光譜采集儀實(shí)物圖

2.2.2種子發(fā)芽驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證人工老化種子組的活力，對(duì)采集完光譜的人工老化種子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)：按編號(hào)順序?qū)⒎N子放于發(fā)芽皿上，放置在25℃恒溫箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。在為期7 d的萌發(fā)過(guò)程中，每天檢查所有種子的發(fā)芽情況。長(zhǎng)度大于5 mm的種子認(rèn)為是有活力的，否則認(rèn)定為無(wú)活力[19]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)人工加速老化處理的種子發(fā)芽率很低，為8%，雖然這些種子可以發(fā)芽，但持續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其后期霉變現(xiàn)象嚴(yán)重，不能夠繼續(xù)生長(zhǎng)為茁壯的幼苗，因此將它們視為無(wú)活力的種子。由此對(duì)2組種子進(jìn)行分離，設(shè)定正常種子為有活力種子，人工老化種子為無(wú)活力種子。

2.2.3數(shù)據(jù)分析方法

本文選取偏最小二乘法判別分析(Partial least squares discriminant analysis，PLS-DA)方法來(lái)進(jìn)行種子活力的判別分析[20-21]。因?yàn)镻LS-DA是基于線性的回歸模型，需要設(shè)置一個(gè)閾值來(lái)進(jìn)行種子活力的分類判別。本試驗(yàn)將正常有活力種子的類別變量設(shè)為1，人工老化無(wú)活力種子的類別變量設(shè)為2，閾值設(shè)置為1.5，即當(dāng)閾值小于1.5時(shí)判定為有活力種子，大于等于1.5時(shí)判定為無(wú)活力種子。

2.3 建模結(jié)果與分析

2.3.1玉米種子光譜特征

圖6為200粒玉米種子樣本的原始光譜圖，從圖中可以看出，正常有活力種子和人工老化無(wú)活力種子的光譜曲線的總趨勢(shì)和特征峰基本相同。在1 200 nm附近和1 400～1 500 nm處有2個(gè)明顯的吸收峰，其中1 200 nm為C—H基的第二倍頻吸收波長(zhǎng)，代表碳水化物的特征吸收峰；1 400～1 500 nm為O—H基和N—H基的第一倍頻吸收波長(zhǎng)，分別代表水和蛋白質(zhì)的特征吸收峰[22-24]。

圖6 玉米種子樣本原始光譜曲線

圖7為100粒正常有活力種子和100粒人工老化無(wú)活力種子的平均光譜圖。從圖中可以得出，人工老化無(wú)活力種子與有活力種子的反射光譜強(qiáng)度有差異，人工老化無(wú)活力種子的平均反射率小于正常種子的平均反射率。玉米種子經(jīng)過(guò)高溫高濕老化處理后，種子內(nèi)的蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生了變性，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。天然蛋白質(zhì)與變性蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致種子反射光譜強(qiáng)度的差異[23]。

圖7 平均原始近紅外光譜曲線

2.3.2PLS-DA判別模型

本裝置檢測(cè)種子的活性是基于反射光譜，反射率計(jì)算公式[25]為

(3)

式中R——種子樣本的光譜反射率

Is——樣本的反射光譜強(qiáng)度

Ib——黑參考的反射光譜強(qiáng)度

Iw——白參考的反射光譜強(qiáng)度

建立PLS-DA模型首先是選擇主因子數(shù)，本文采用留一交叉驗(yàn)證法來(lái)確定PLS-DA模型的主因子數(shù)，選擇RMSECV較小，判別正確率較高，而主因子數(shù)盡量小的參數(shù)。將樣品集按3∶1的比例劃分為校正集(75粒)和預(yù)測(cè)集(25粒)[26]，對(duì)樣品進(jìn)行建模判別。選擇SG卷積平滑(Savitzky-Golay smooth，SG-smooth)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換(Standard normal variable transformation，SNV)以及這2種預(yù)處理方式相結(jié)合的方法對(duì)原始光譜進(jìn)行處理，比較所建模型的判別結(jié)果，如表5所示。從表中可看出，在主因子數(shù)為5時(shí)，幾種不同處理方式下的建模結(jié)果差異不大，其中SG-smooth預(yù)處理下的建模效果最優(yōu)，校正集中有活力種子和無(wú)活力種子均有1粒判別錯(cuò)誤，判別準(zhǔn)確率達(dá)98.7%；預(yù)測(cè)集中有活力種子全部判別正確，無(wú)活力種子有2粒判定錯(cuò)誤，總判別準(zhǔn)確率為96%。

表5 不同預(yù)處理模式下偏最小二乘判別分析的玉米種子活力判別結(jié)果

由此可得，基于本裝置進(jìn)行種子的活力判別模型性能比較穩(wěn)定，利用本裝置進(jìn)行種子活力的逐粒無(wú)損檢測(cè)是可行的。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

選取50粒正常有活力種子和50粒人工老化無(wú)活力種子對(duì)裝置進(jìn)行外部驗(yàn)證，以檢驗(yàn)種子活力預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。預(yù)熱待光源穩(wěn)定后，按所優(yōu)化參數(shù)使種子逐粒從單粒化裝置落下并采集光譜數(shù)據(jù)。之后為檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，根據(jù)模型對(duì)所采集種子光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值計(jì)算并與實(shí)際值作比較，分析裝置的檢測(cè)性能。預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示，50粒人工老化無(wú)活力種子有3粒種子的預(yù)測(cè)值在1.5以下，判斷錯(cuò)誤；而50粒正常有活力種子的預(yù)測(cè)值都在1.5以下，全部預(yù)測(cè)正確。計(jì)算得出，活力預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)總準(zhǔn)確率為97%。

圖8 種子活力預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)效果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了玉米種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)裝置，該裝置包括種子單粒化裝置、輸送管道、光譜采集單元、分級(jí)裝置等，可綜合完成種子的單粒化分離、輸送、光譜采集、判別分級(jí)任務(wù)，其中單粒化裝置單通道的單粒化效率可達(dá)7粒/s。

(2)基于所設(shè)計(jì)的種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)裝置，采集了正常有活力玉米種子和人工老化無(wú)活力玉米種子在980～1 700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的近紅外反射光譜。分析了光譜特性，采用SG卷積平滑、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換和2種方式結(jié)合的預(yù)處理方式對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，利用PLS-DA法建立了玉米種子活力的判別模型。不同預(yù)處理方法建模結(jié)果表明，采用SG卷積平滑預(yù)處理后的建模效果最佳，其判別模型的校正集判別準(zhǔn)確率為98.7%，預(yù)測(cè)集的判別準(zhǔn)確率為96%。

(3)對(duì)種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)裝置預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，種子活力的預(yù)測(cè)總準(zhǔn)確率為97%。

(4)本文所設(shè)計(jì)種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)裝置將近紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和種子逐粒分離裝置相結(jié)合，單粒化效率高，建模精度和穩(wěn)定性良好，可以實(shí)現(xiàn)玉米種子活力逐粒無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)，為種子活力的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)、分級(jí)提供了思路及技術(shù)基礎(chǔ)。