脫絨棉種精選技術現狀

王吉亮+盧勇濤+楊懷君+高振江+劉韶軍

摘要：結合新疆地區棉花精量播種技術的發展要求，闡述脫絨棉種處理在棉花生產中的重要作用。重點對脫絨棉種激化處理、靜電選、色選及機器視覺等方法進行總結，闡述其分選機理和研究現狀，分析不同處理方法的原理及特點；結合國內外種子精選技術的發展現狀，探討新疆地區脫絨棉種精選的發展趨勢，以期為脫絨棉種精選研究提供參考。

關鍵詞：脫絨棉種，精選，現狀

中圖分類號： S226.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0005-03

收稿日期：2013-11-18

通信作者：盧勇濤，碩士，助理研究員，從事農業機械設計研究。E-mail：nkylyt@163.com。棉種作為重要的農業生產資料，是棉花生產的基礎，其質量直接關系棉花產量及品質。棉種生產受氣候、田間管理及其擴繁速度等諸多因素影響，棉花雖可正常開花、收獲，但種子成熟度難以保證，尤其是后期收獲的棉種毛籽中紅種含量可達20%～30%[1]。紅種很難發芽，它的存在嚴重影響了棉種質量，導致棉種發 芽率低，影響棉花生產安全。同時，棉種生產加工過程中須經過磨擦滾筒、提升機、離心機等設備的多道處理工序，導致部分棉種破碎、損傷，影響棉種的發芽率和發芽勢。

隨著新疆地區棉花精密播種技術的推廣，現代化農業對棉種的發芽率、發芽勢等性能指標提出更高要求。受清選原理的限制，人工分選及傳統的機械分選技術，如利用種子的空氣動力學特性、幾何特征、密度特性選種及復合選種等方法，難以保證選出的種子發芽率高、發芽勢強[2]。隨著科學發展和技術進步，更多的新原理和新方法被應用到脫絨棉種的處理和精選上，并取得一定效果。本文介紹了棉種激發處理、介電分選、色選及機器視覺識別等脫絨棉種處理與分選方法，旨在為開發實用型脫絨棉種精選設備提供參考。

1棉種激發處理

棉種激發處理就是利用外界物理因素（靜電場、強磁場等）激活棉種的生物酶，提高棉種在萌發期的生物酶活性。修瑞貴等研究表明，適宜的靜電場處理種子，可提高種子發芽勢、發芽率及活力指數，同時可降低棉種電導率，提高棉種萌發過程中的異檸檬酸裂解酶（ICL）活性，最終提高棉種活力[3]。朱文蘋等研究表明，棉種經電場處理后，可以提高其出苗率，減少死苗率，增強棉株抗逆能力，增加干物質積累，減少蕾鈴脫落，提高成鈴率，提早生育進程，增加產量，提高效益[4-5]。夏建英等研究表明，經過電場處理的棉種發芽率和抗病能力都有顯著提高[6]。郭克婷等研究表明，選擇適當電場強度及處理時間可大大提高種子活力，靜電場對生物的影響存在閾值[7]。王玉蓮發現，經過連續3年電場處理，小區棉花產量比對照高10%以上[8]。

綜上，適當的棉種激發處理不僅可以提高棉種發芽質量，也有利于棉花產量提高。對于不具有發芽能力的紅種和破碎種，激發處理卻難有效果，既不能提高其發芽質量，又不能將其清選出來。因此，該處理方式更適用于精選后的優質棉種，對清選前的脫絨棉種作用不明顯。

2介電分選

種子介電分選是利用種子的導電特性、摩擦特性及介電常數的差異，使靜電力、重力、離心力等有效作用在種子上而實現分選的一種篩選方式[9]。

國外對種子介電分選技術的研究較早，Hihbard于1928年提出電導法測定種子活力；Perry等于1967年證明了種子生活力與電導率呈負相關；Tarushkin等在20世紀60年代提出種子介電分選思想；Nelson通過大量試驗分析得出，影響種子介電性質的主要因素是種子含水率和電場頻率，介電常數隨種子含水率的增加而提高，隨電場頻率的增加而降低[10-12]。目前，丹麥、德國、奧地利、美國等國家的種子介電分選技術處于世界領先地位，相應的分選設備已用于生產。

國內對介電式種子分選機的研究始于20世紀80年代，曾試制出介電分選設備，但未在生產中應用。目前對介電式種子分選機的研究主要集中在3個方面：種子電場效應研究、種子介電分選機理研究、介電分選設備研制。齊新等研究帶絨棉籽的分選加工，使健籽率提高10%以上，為帶絨棉籽丸粒化處理、實現機械精量播種提供了先進實用技術[9]。米雙山等進行了分選電壓的單因素試驗，結果表明分選電壓、棉種含絨率是影響分選效果的主要因素，棉種經介電式帶絨棉種分選機分選后，其健籽率得到很大提高[13]。張曉海等研究表明，經過介電分選后的種子發芽率明顯提高，種子活性取決于其含水率、活性酶含量、存貯時間等因素，具體外在反映指標是介電常數[14]。王麗紅等對介電分選后種子活性進行分析，確定介電分選出的棉種有較好的活性特點[15]。陸長民對電場及介電分選復合處理對棉花種子活力的影響進行研究，分別對棉種進行介電分選、高壓靜電分選及介電分選與高壓靜電復合處理，測定相應的發芽率和發芽勢，根據幼苗田間試驗測定全長、苗高、莖粗等生長指標和田間出苗率，確定經過介電分選和電場處理的種子活力均提高，且以復合處理效果更佳[16]。

介電分選具有棉種千粒質量和活性的綜合分選特性，分選出的棉種綜合質量較高。然而，由于棉種的不均勻性和各向異性，即便同一棉種之間也存在介電性質的差別，再加上電極結構、工作環境等諸多因素的影響，該分選方法未能在生產中推廣應用。

3棉種色選

色選技術是指利用特殊識別鏡頭捕捉物料表面像元素信號，采集物料透光率信號或用紅外、紫外等方法測定物料水分及其他成分信息，并利用可編程邏輯控制器（PLC）控制及CPU處理，實現光電信號互換，并與標準信號對比分析物料品質，再利用壓縮空氣剔除劣質物料的集光、電、氣、機于一體的高科技綜合技術[17]。目前國內色選機主要被應用于碾米精加工行業，而國外色選機已被廣泛應用在須要對固體顆粒物料進行色彩選擇的加工工業，如食品、農產品、化學品及礦產品加工工業等領域[18]。美國于2004年研制出棉種色選機，解決了人工粒選棉種中的紅種、白種、黃種及破損種的問題，對提高種子質量效果十分顯著[19]。張若宇采用單變量線性回歸和逐步回歸分析方法，探討紅綠藍（RGB）顏色模型下脫絨棉種顏色特征與發芽勢、發芽率之間的相關性，揭示了RGB顏色模型下脫絨棉種顏色特征參數與發芽勢、發芽率之間均存在顯著相關性，證實脫絨棉種質量與表面顏色特征具有相關性[20]，為脫絨棉種基于RGB顏色模型進行顏色分選提供了理論依據。張俊雄等設計出1套基于機器視覺的脫絨棉種在線分選系統，采用棉種平拋和氣吹分離的方式實現新疆地區紅棕色棉種與黑色棉種的自動分選，研究了無序狀態下的種子圖像采集方法，并通過區域細分方式解決了無序種子與氣流噴嘴的對應關系，提出了種子位置跟蹤和分離的算法，實現對棉種圖像處理結果的延時分離操作[21]。

脫絨棉種色選可將與合格棉種色差明顯的紅種和雜質分選出來，從而提高棉種質量，在新疆地區應用發現，與人工方法相比，該方法生產率和分選效果得到提高。然而，色選機受光電工作原理的制約，工作穩定性、色選效果與物料中異色粒含量、異色粒種類等有很大關系[22]。在同樣的物料流量和色差閾值下，隨著物料中異色粒含量增加，選別率會逐漸下降。同時色選裝置對環境的要求較高，要求避免強光和陽光直射，并保證安裝位置不能振動等。

4機器視覺識別

機器視覺（machine vision）又稱計算機視覺，是指利用計算機實現人的視覺功能，是采用計算機模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學和技術，是一門涉及數學、光學、人工智能、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、圖像理解、模式識別等多個領域的交叉學科[23]。機器視覺技術在農業上的應用研究始于20世紀70年代末，主要是進行植物種類鑒別、農產品品質檢測和分級等[24-25]。目前國內對該技術在水果品質檢測分級中的研究較多[26-39]，并逐步向棉種精選領域擴展。陳濤等提出了基于RGB顏色模型檢測黑色、紅棕色棉種的方法，指出基于R通道使用迭代最優閾值方法能有效去除圖像中種子上的短絨，顏色特征參數（R-G-B ）/（R+G）及（R-G）/（R+G+B ）能有效區分黑色與紅棕色棉花種子，并對無序排列離散物料的視覺檢測與控制進行了分析，實現了基于數字信號處理器（DSP）系統控制的方法[40]。李景彬等基于脫絨棉種外觀特性對紅種、破碎棉種進行分選，搭建了脫絨棉種外觀質量檢測的硬件裝置，并基于Visual C++6.0開發了檢測軟件系統，提取了顏色、圓形度、粒型等適合脫絨棉種分級的關鍵特征參數，基于誤差反向傳播算法（BP）神經網絡實現了脫絨棉種的分級[41]。張若宇基于RGB顏色模型開發出脫絨棉種分選控制系統，基本能滿足脫絨棉種顏色分選需要[42]。劉韶軍研究了基于機器視覺理論的棉種在線自動檢測方法，針對不同類型的棉種樣本和不同顏色背景之間的直方圖分布規律，確定將紅白黃棉種、白絨棉種、破損棉種同時剔除的背景顏色，設計出Hmean/Smean Fisher線性分類器，8輸入的BP神經網絡分類器，歸一化的均值和方差輸入的BP神經網絡分類器，基于PCA變量的4輸入BP神經網絡分類器，提出基于鏈碼的邊緣檢測方法和基于n×n的正方形檢測窗內目標像素面積的統計參數方法，完成紅棉種和破損棉種的嵌入式代碼編制，開發出基于VC++和基于TI TMS320DM642的棉種檢測系統[43]。李偉等以中棉350棉花種為對象，應用圖像處理技術提出了基于形態學的破損識別方法，通過鏈碼算子獲取輪廓信息，運用傅里葉算子達到輪廓平滑，并根據曲率特征定位輪廓尖端點，通過輪廓的對稱性識別局部破損棉種，同時基于統計思想，根據大小和形狀特征識別嚴重破損棉種[44]。李景彬等針對新疆地區破碎棉種問題，搭建了破碎棉種檢測系統，通過對脫絨棉種圖像進行分析和預處理，提取出脫絨棉種的特征參數（面積、周長、圓形度、長短軸等），并對特征參數進行分析，確定圓形度作為檢測破碎棉種的特征，經檢驗檢測精度達875%[45]。陳兵旗等提出了1種基于圖像處理的棉種精選算法，精選作業前先設定種子通道工位；精選過程中，使用首幀差分閾值分割的方式提取種子區域的二值圖像，然后在原圖像的種子區域計算紅色像素數并判斷紅色種子，通過分析二值圖像判斷破殼種子，最后對種子圖像進行微分處理并去除邊緣像素判斷裂紋種子，試驗表明，該算法能夠很好地判斷出缺陷棉種，速度快、準確性高[46]。候天星研制出基于機器視覺的棉種在線自動篩選系統，設計和搭建了棉種在線篩選系統平臺，選用TI公司TMS320DM642 DSP作為主處理器，現場可編程門陣列（FPGA）作為協處理器，選用具有IEEE1394接口的高速攝像機作為圖像采集設備對高速下滑棉種進行圖像采集和處理，實現對紅棉種和破損棉種的在線識別和篩選[47]。

棉種視覺識別作為新興的技術領域，可根據棉種的尺寸、形狀、顏色、表面缺陷等特點進行更為全面的分選。由于棉種視覺系統是對獲取的棉種圖像進行分析、判斷、執行的過程，不同棉種特征難以用單獨的技術進行識別和判斷，再者受現有技術和條件的限制，該技術尚處于試驗研究階段，距推廣應用還有諸多工作要做。

5展望

脫絨棉種精選技術涉及棉種的物料特性、分選理論及機構、控制技術等多門學科，隨著研究人員的不斷努力，新技術、新原理、新設備將更多地應用于脫絨棉種的處理和精選，有效提高脫絨棉種精選設備的工作穩定性和抗干擾能力，保證棉種的精選質量和分選效率。綜合國內外種子精選的發展現狀，脫絨棉種色選技術及機器視覺分選技術將更加熟化，逐步在脫絨棉種精選中占主導地位，并向智能化、高精度、通用化、標準化和低成本方向發展，為生產中脫絨棉種的精選提供技術支持和設備支撐。

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