基于作物介電特性在其精準灌溉中應用的研究進展

范 昊 王明宇

（塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

傳統的灌溉技術一般是通過土壤水分含量[1]、空氣濕度[2]等來診斷旱情，雖然這些方法已經相對成熟，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]，因此以農作物自身生理水分為灌溉依據比傳統灌溉技術更加真實。對農作物自身含水率測量的傳統手段有烘干法、化學法、射線法、中子法、核磁共振法等，但這些手段操作繁瑣，存在耗時長，成本高等缺陷。現代智能化農業迫切需要一種價格合理，精度高的含水率無損檢測技術，而介電法是利用作物自身介電特性以檢測其具體含水情況，相較于傳統作物灌溉技術測定方法，該方法具有操作簡單、性能穩定、測量精度高的顯著優勢[4]，因此介電法受到相關研究學者的青睞。作物是介于導體和絕緣體之間的特殊電介質，由于在不同的生長階段，作物體相應的介電特性也會不同，這為利用介電參數檢測生物體內部生理信息提供了必要的理論依據。

1 介電特性

介電特性是指生物分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性。水分對作物介電特性的影響極為重要，缺水會導致作物體液濃度增大，反過來會對作物的介電特性產生影響[5]。評價介電特性的主要參數是介電常數εr’、介質損耗因子εr″、介質損耗角正切值tanδ[6]。

1.1 介電參數

介電常數ε（或εr’）是介電體固有的物理性質，表示介電體在外加電場作用下所貯存的電場能量；介質損耗因子εr″反映電介質在交流電場中由于分子間的摩擦碰撞而造成的能量損失大小；介質損耗角正切值Tanδ是損耗能量與累積能量的比值，其中介質損耗角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 介電特性檢測方法

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

平行板技術又稱電容器技術，它是將薄板型圓銅片夾在兩個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量樣品的介電特性。傳輸線技術是將樣品放在封閉的傳輸線中，由于線路中的負載會引起線路中阻抗和傳輸特性的變化，再用矢量網絡分析儀檢測負載線中的反射系數（S11）與傳輸系數（S21），用計算機和軟件來實現對樣品的介電常數的計算。電橋法是利用3個已知阻抗臂求另一個樣品橋臂的阻抗，調節電橋達到平衡，根據平衡條件計算樣品的等值電容和電阻，繼而得出樣品的介電參數。同軸探針技術主要是利用探針接觸物體時，試件反射到分析儀信號的振幅和相位，計算介電參數與材料頻率的關系[11]。

2 影響作物介電特性的主要因素

2.1 作物含水率對介電特性的影響

作物是介于導體和絕緣體之間的特殊電介質，其不同的生長階段，介電特性也會存在差異。當作物受到外界干旱的刺激時，會對外界環境產生響應，這種響應通常是通過不同的介電參數來表征作物的不同特性。作物體內的水主要由自由水和結合水構成，比重約占60～80%。當作物身處干旱環境時，自由水會逐步向結合水轉變，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，導致作物的理化性質產生變化，其必然反應在農作物的生理介電特性上，這為介電性能測定作物含水率并對農作物進行精準灌溉提供了理論依據。

2.2 測試頻率對介電特性的影響

作物中的極性水分子在受到外加電場的激勵后會形成電偶極子，當頻率發生改變，電偶極子會由原來的存在狀態經過轉向過渡到按電場方向排列的狀態，在此過程中轉向所需要的時間為極化弛豫時間。當頻率提高時，極化弛豫時間在某一頻率開始與外加電場的周期變化脫軌，一部分能量損耗在強制固有偶極距轉向上轉為熱量散失，從而造成介電損耗，引起介電常數降低。

2.3 溫度對介電特性的影響

溫度也會對作物的松弛極化產生作用，當其他條件確定時，溫度升高會導致分子間熱運動的能量增高，離子、偶極子在外加電場作用下的轉向運動會受到熱運動的阻礙而產生時間延遲，使得介電常數降低，此時電導損耗急劇增加，tanδ也隨溫度急劇上升。當溫度很低時，分子熱運動能量較低，極化分子幾乎處于“冷凍”狀態，其松弛時間延長，松弛極化難以建立，此時的損耗功率很低。

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

3 介電特性用于農作物含水率檢測中的研究進展

3.1 國內外研究現狀

Mclendon和Brown在0.5～5kHz范圍內上對梨的介電性能研究分析，實驗結果表明梨的介電常數和損耗角正切值與頻率之間呈反比例關系。erbert P A和Stenning B C研究冬小麥水分在線檢測方法，發現在0.5MHz時其水分與（ε’-1）/ε″線性相關，而（ε’-1)/ε″與物料流速相關[16]。程衛東根據介質介電常數改變所引起電容傳感器振蕩頻率的變化量來對谷物含水率進行測量，構建了與電容式振蕩頻率相關的作物含水率數學模型，發現谷物的含水率與傳感器電容值互為單值線性關系，并加入了溫度函數補償，極大降低了谷物溫度對測量精度的影響[17]。郝曉莉等人校準了水稻、玉米和大豆3種作物的水分含量，并分析和研究了農業物料的水分含量與其相對介電常數、電壓比等參量的相關性，得到了介電常數、以空氣為介質和以作物為介質電阻兩側的電壓比與作物水分含量間的函數模型。

4 總結及展望

隨著中國智能化農業的發展，對作物精準灌溉的要求也越來越高，然而豐產節水灌溉的關鍵在于虧水診斷，只有在需水敏感時期按照虧水信息進行及時灌水，才能更加滿足農作物的發育需求。根據國內外關于作物介電特性的研究分析可知，介電法具有很大的發展潛力和應用前景，通過介電特性對農作物進行灌溉指導也是一種比較適合現代農業發展趨勢新型研究技術，但目前還存在一些尚待解決的問題，現將其闡述如下：

（1）實驗數據的精度及廣度決定了模型的基礎價值。數據的精度依賴于測試儀器的精密程度，國產儀器起步較晚，與國外先進儀器存在差距，而且專利壁壘也是一個很大難題，一些結構加工零件精度達不到（在成本允許范圍內）造成國內儀器精度的偏差，因此，國內企業應該重視基礎性技術的研發，加強技術積累，只有這樣才能盡快縮小與國外企業的差距。作物的生長發育過程可分為不同的階段，每個階段的抗旱能力都存在差異，然而現有作物介電特性研究中所構建的函數模型，大多是根據作物某一階段的數據擬合而成，不具備數據的完整性，因此不能作為作物整個生長發育階段的判定依據，若能針對作物的生長周期進行全方面跟蹤，獲取實時數據，提升實驗數據的廣泛性，制定出全面的干旱評判體系，將會極大增強農作物水分檢測模型的穩定性以及應用性。

（2）作物含水率模型構建中的關鍵環節是對優化算法及其函數模型的選擇，優化算法能夠對已有實驗數據進行二次加工處理，篩選符合條件的數據，從而獲取精確的特征變量值，降低計算復雜度；建模方法將處理好的數據進行擬合加工處理，通過具體公式來預測作物體的含水情況。我國學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行函數擬合處理，對優化算法的應用較少，并且為減少外界因素（如溫度、濕度、外加電壓等）其對公式偏差的影響，加入了一系列補償函數，這些函數需要經過復雜的中間轉換過程，會導致測量結果精度下降。基于此，現有研究應該將重心放在經過實踐考量的國際高端算法以及對傳統模型的選擇上，現有經過實踐證實的優良算法有灰狼算法、人工蜂群算法、聚類算法、云計算等可以選擇；對于模型選擇，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換為高維線性問題，再將問題進行線性分析，較傳統模型相比，非線性回歸可增強各變量間的關聯性，能夠有效降低其他因素對介電特性的影響，若將二者有機結合起來，必能極大增強現有研究的物理精度，降低模型預測的偏差度。