甘蔗表面特征研究

董 振，张金来，沈道严，叶春博，蓝启亮

随着甘蔗种植机械化的不断发展，甘蔗制种的自动化也势在必行，因此，对甘蔗的固有特征进行研究，可为自动化甘蔗制种设备的设计制作提供依据。甘蔗种茎节自动识别与定位的研究，要从甘蔗种本身的各种特点出发，只有充分研究研究对象后，才能找到合适的方案。生长过程中，甘蔗的外表面形态受生长规律和自然因素共同影响，造成了不同甘蔗种之间共性和个性并存的辩证关系。由于生长规律控制，每根甘蔗在茎节处都会有某些相同规律的特征，借助这些特征，可以设计出普遍适应于甘蔗种茎节识别的方案。然而，由于自然生长环境不确定性，某些甘蔗会在生长过程中产生特殊的形态，例如不同茎节之间发生弯曲、某些甘蔗表面覆盖有黑粉，这些特征是甘蔗的个性而非共性，这些随机因素不仅不能作为识别茎节的依据，甚至还会对茎节检测带来干扰。所以，彻底地研究甘蔗外形特征尤为重要。

已经有很多文献对甘蔗表面及内部品质进行相关研究。文献[1]对甘蔗茎秆的力学特性进行研究，采用材料力学性能试验机对甘蔗做材料力学试验，做法类似金属材料力学性能测试，得出甘蔗的力学加载破坏形式结论为：扭转荷载下蔗杆产生轴向裂纹；压缩荷载下蔗杆产生屈曲及轴向裂纹；拉伸荷载作用下蔗皮、蔗芯发生断裂；并测得茎秆基部切变模量、蔗皮轴向拉伸强度、蔗皮径向拉伸强度分别为10.82 MPa、47.02 MPa、2.57 MPa；蔗芯轴向、径向拉伸强度分别为6.71 MPa、1.34 MPa，为构建甘蔗杆力学模型提供了参考[2]。文献[2]对甘蔗的节间和节点去皮及切断时，对刀片载荷变化趋势进行了研究，得出结论为：节间去皮时，刀片载荷先增加后降低；节点去皮时，刀片载荷呈“增-降-再增-再降”趋势；茎秆切断时，无论是节间还是节点切断，刀片载荷都均匀增加[3]。文献[4]用近红外漫反射光谱技术，对不同蔗杆上及不同蔗杆部位上外表面的近红外慢发射吸收光谱进行了测定，并假设不同频段光谱吸收峰是因为甘蔗节间内部含糖、含水量等因素差异造成的[4]。文献[5]用电镜-能谱扫描仪观察甘蔗茎秆外表皮的超微结构，发现肉眼看似光滑的节间茎秆上，分布着许多10 μm量级细微颗粒物，分布或密或疏，某些颗粒物之间还有深浅不一的细微凹痕[5]。文献[6]利用电镜-能谱扫描仪，从μm尺寸级别的微观角度观察甘蔗茎秆外表面、甘蔗横向切片不同部位化学元素的微区分布，得出结论为：茎秆外表面上细微颗粒物硅含量较大，为58.23%，外表面平坦处含硅相对较低，同时也测得切片中不同部位的硅、碳、氧等元素的数量[6]。

1 甘蔗茎节叶痕凸起特征

甘蔗茎秆外表面大致可分为两个区域，一是节间区，二是茎节区，茎节区又可进一步划分为根带边、根带区、叶痕突起，节间区段则是两个相邻两茎节区之间的蔗杆部分，细节如图1所示。甘蔗节间区通常呈圆筒形，表面光滑，某些茎秆表面覆盖有一层薄薄的黑色或白色粉霜。甘蔗相邻两节间交接处的茎节区上有一叶痕突起特征，其横截面尺寸突然成断崖式增大，如图1所示。相邻两节甘蔗分别称作前节和后节，甘蔗前节靠近蔗根一端，后节靠近蔗尾一端。由于生长规律的作用，前节靠近茎节区生长蔗叶的茎段直径，会因为蔗叶重力等因素导致直径增大，后节上靠近茎节叶痕的部位是根带，通常直径小于叶痕部位，而且，叶痕与根带之间的尺寸变化是断崖式陡然增加的，这个特征可称为叶痕突起。这个突起特征围绕圆柱状甘蔗一周，可以作为茎节识别的突破口。且无论从哪个方向观察这个茎节，这个突起特征始终存在，且位置变化极其微小以至于可以忽略，这说明在蔗种进行甘蔗茎节识别和定位的输送过程中，可以忽略甘蔗在输送过程中发生转动对茎节检测带来的影响。

图1 茎节区特征细节

叶痕突起特征可以定量描述，将茎节的前节突起处和后节上的根带之间的垂直高度差设为H，如图2所示。叶痕突起环绕着圆柱状甘蔗分布，单一叶痕上不同圆周方位的H值可能不同，为此从广西河池、柳州、百色、南宁四地的甘蔗种植区随机选取了100个茎节样本，品种涵盖了新台糖22号、16号、桂糖11号、粤糖63-237、桂糖12号等，测量其H值并将结果记录于表1中。

图2 叶痕突起特征放大图

表1 叶痕最大突起尺寸H测量值

上表中最大值是2.7，最小值是0.405，平均值是1.317.将这100个测量值分为10组，画出其频率直方图如图3所示。可以看出，茎节样本突起尺寸呈正态分布，可以设其服从正态分布。利用Matlab求出其正态分布概率密度函数，结果绘于图4中。该正态分布均值为1.317，标准差为0.422.可以看出茎节突起尺寸分布比较集中。

图3 茎节突起尺寸H频率直方图

图4 突起尺寸H的正态分布概率密度

2 茎节根带区特征

茎节区叶痕突起前面的部位叫生长带或根带，见图5.根带是蔗种播下后最先长出根须为蔗芽提供养分的部位，通常这个区域的甘蔗外表面有凹凸不平的特征。根带部位凹凸不平的起伏程度虽然没有叶痕突起部位那么剧烈，但是比节间明显得多。因为根带处于茎节区内，紧邻叶痕突起，说明根带的外形特征也可以作为茎节识别与定位的参考因素之一。

图5 甘蔗茎节区根带

此外，根带区是茎节区最宽的部分，从根带边到叶痕边沿构成了茎节区的总宽度，文献[1]对这一宽度测量的数据显示，范围约为5~7 mm，这一宽度将会对应于检测信号中茎节区信号采样数据点数。

3 结束语

本文着重研究了甘蔗外表面形状及尺寸特征，为自动识别和定位甘蔗茎节提供切入点。甘蔗茎秆长度方向大致可分为两种区段，一种区段是茎节区，另一种区段是节间，两个茎节区之间那段蔗杆就是茎节区，茎节区又可以细分为根带边痕、根带、茎节突起部位、叶痕。本文研究的内容为自动识别和定位甘蔗茎节提供切入点，可为甘蔗制种供一定的理论依据。

[1]乔 曦.基于计算机视觉的甘蔗种茎切割防伤芽系统的研究[D].南宁：广西大学，2013.

[2]刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等.甘蔗茎秆在扭转、压缩、拉伸荷载下的破坏试验[J].农业工程学报，2006（06）：201-204.

[3]万 鹏，赵伟松，龙 超，等.甘蔗去皮与切断特性试验[J].农业机械学报，2012（S1）：141-145.

[4]曹 干，周学秋，谭中文，等.近红外漫反射光谱用于甘蔗品质成分的非破坏性测定[C]//全国第二届近红外光谱学术会议论文集.2008：163-169.

[5]张树滨，邱玉桂，黄 斌，等.蔗秆表皮层的SEM-EDAX研究[J].中国造纸学报，2003（01）：6-11.

[6]张树滨，邱玉桂，方观瑞.甘蔗茎中化学元素的微区分布[J].中国造纸学报，2004（02）：11-15.