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1、植物电信号的解析方法初探 摘要近年来,计算机技术及信号处理方法广泛应用于揭示复杂及混沌生物系统的特征以及其对外部环境的适应性。这些方法包括时域(统计、灰色系统理论)、傅立叶变换可做频域变换、小波变换能进行时频域变换。使用这些方法对植物电信号进行解析,结果表明,这些方法比传统电生理分析方法更清楚地显示多种环境因子与植物电波间的关系。这对于采用电生理的方法监控环境对植物的影响并采取相应生产措施具有一定的指导意义。关键词:信号处理;植物电信号;灰色系统理论;傅立叶分析;小波变换1. 介绍植物的器官可以响应于环境的变化，并导致植物电位1,2的波动。当这些波动生只发生在唯一的本地部分，不转移到植物的其它
2、部分，它被定义为局部电势（LEP）。相应的，如果电势会突发和从刺激部位转让给其他部位，信号传输的这种模式称为电波传送。此外，有两种类型的传输波动，动作波形（AW）和变异波形（VW）。在植物的敏感部分发送的AW由轻微刺激诱导，但在不敏感的部分所传递的VW是由尖锐刺激激发的。LEP由环境变化引起，诸如水，肥料，光照，温度，湿度等，尽管它不能转移，但它深深得影响植物生理状态。因此，分析在植物电波中的信息是非常重要的。然而，根据传统方法获取，记录和处理所述植物电信号并不能被完全地分析和使用。基于PC获取系统3 可以智能获得植物电生理信号和环境变化的信息，可以通过信号处理技术来定量进行信号处理。本文介绍
3、了傅立叶变换可做频域变换、小波变换能进行时频域变换的方法，这些方法可以在植物电信号的处理中使用。2. 多元统计方法和灰色系统理论根据公式（1），所检测到的植物表面电信号的形式是复变函数，它来源于植物的调控和对环境输入的响应。A=A0+Ai+Bj （1）其中A0表示植物的准静态基线电信号，Ai是指来自敏感器官的反应，Bj表示来自不敏感器官的波动。为了得到从信号信息中，试验是同步的条件下进行。在变化的环境中，计算机组的条件和所记录的数据同步，由公式（2）给出环境变化的矩阵阵列，其中n是时间维数; M是环境因子数;植物电子信号的矩阵是由（3）给出，M是植物样品的数目，n是时间维数。为了提取有用的信息
4、，从众多的样品中通过的自然正交函数获得典型信号，自然正交函数是一种用来分析矩阵的显著特征的手段，该方法也被称为主成分分析，正如一些文献中所描述的，其应用中许多领域，例如气象学4或生物医学5。该方法是量化信号中主要信息的比率并计算该信号的时间序列函数，该函数表表示由环境因素所导致的变化特征。方程（4）是从（3）得到的一个矩阵协方差：这是一个对称矩阵，特征向量如下在这种条件下，就像式（6）其中为特征值，是特征向量;特征向量两两正交。其中是的主要成分; 为的主要组成部分; 每个部分的方差等于总体方差F的和，所以累积方差贡献率被定义为公式（8）其中式（8）表示的原成分从1到K的信息量，如果G（k） 9
5、9，则将这些原成分表示的主要信息。为了理解环境的变化和植物电信号之间的相互关系，灰色理论6被采用，因为植物和环境构成了一个非线性的灰色系统。在灰色系统，灰色关联函数演示任何两个因素之间的相关性，与灰色相互关系等级表示任意两个过程的平均相关性。灰色的相互关系函数x（k）和灰色关联等级R（rj）分别由下式（9）得到。其中i（=1,2,3，.，m）为因素; k（=1,2,3，.，n）是时间; x0k为参考序列; xik为相对于x0k的灰色关联比较序列。 设置17的环境温度下的基线，从六个样本植物电信号记录同时与环境因素的不断变化，温度在4范围内渐变，光照和湿度平稳变化。图1 自然正交分解的归一化结果
6、如果灰色关联等级是温度照明湿度，则第一主波反映温度的影响。基于这种方法，对LEP和气孔行为7之间的关系，植物的生理状况和环境变化之间的关系进行了研究8。3. 傅里叶变换的植物电子信号（频域）信号的特性由傅立叶变换方法获得，该方法表示信号特性以及对信号频率的分布。傅立叶变换是由方程（11）给出。其中，S（t）为电信号（AW，VW，LEP）; S（X）是该转换的结果。快速傅立叶变换（FFT）算法被应用于变换。图2a图2b是从FFT获得。根据图2a图2b中，AW或VW的频率低于20赫兹，属于较低频信号，另外AW的频率特性类似VW，但VW的频率成分比AW的更重要，通过一定的实验9的启发，植物的VW可能
7、是植物中AW的混合波形。然而，这难以在短时间内对信号的频率分布进行分析。因此引入小波变换这一时频分析方法。图2 变异电波和动作电波的傅立叶分析4. 变换植物电信号的小波分析中的应用小波变换是一种能够描述时域特性和频域特性的信号处理方法，选择小波函数来分析原始信号，小波变换的基础是建立在拉伸和压缩（频率）和平移运动（时间）的功能上的。小波变换定义如下：其中a是频率大小; b为时间平移，t为时间参数; 为小波函数。Wf（A，B）（小波变换）是一个关于尺度变量（对应于频率）a和变量b的双变量函数，这两个特性在频域和时域同步地获得的。前文黄岚写的介绍了这一方法，该方法在植物电信号10的分析中使用了。图
8、3是温度和光照变化引起的电势，同时显示了温度为25至28，然后慢慢下降到26的环境变化的过程;同时，该照明变化从0到100 umol m-2s-1。由上述因素导致的植物表面电信号被记录。如图4所示，它表示的小波变换的分解结果。在图4中表示了在比例4和5（对应于较低的频率）时，t轴24和57时在该信号的显著频域和时域特征与条件变化后的结果是一致的。小波变换方法对于分析植物的电信号是有用的。图3. 由温度和光照变化引起的电势图4. 第24和57 t轴的45的坐标（对应于较低的频率）表示由温度和光照变化引起的局部电势的WT的特征5. 结论在以往的研究工作中，我们只关注AW或VW的振幅和传递速度，因此
9、很难通过使用传统的方法来获得更多植物电子信号的信息。本文提出三种方法来分析植物电信号和定量建立了环境的变化和植物电信号之间的相互联系。多元统计方法和灰色系统理论是有用的工具，调查复杂的问题时，同步地改变多因素，它也可以显示哪些是电势的关键影响因素。使用傅立叶分析，可以在频域显示植物电信号的特性，。此外，通过小波变换得到在频域和时域的两种特性。使用这些方法可以在植物电信号反映生理状态时会显示更多的信息。6. 参考文献1Lou Chenghou. Message transmission for electronic-chemical wave in higher plant J.ACTA Bio
10、physica Sinica, 1996,12(4):739744 (in Chinese).2Leng Qiang. Modulation effect of acetylcholine on stomatal behavior and signal on transduction in higher plant D . Ph. D. Dissertation, Beijing: China Agricultural University, West Campus,1998(in Chinese).3Bai Guangcun, Lou Chenghou, Wang Zhongyi. The
11、acquiring system of plant physiologicalsignal and application J. Modern Scientific Instruments, 1995,4:2728(in Chinese).4Wei Shuqiu. Statistics in AgrometeorologyM. Fuzhou: Fujian Science and Technology Press, 1985:254269(in Chinese).5Huang Bingxian, Pan Hua. Metrology in medicineM. Shanghai: Shangh
12、ai Science andTechnology Press,1984:162170(in Chinese).6Deng Julong. Basic methods for grey system theory M. Wuhan: Huazhong Science andTechnology University Press,1987(in Chinese).7Leng Qiang, Huang Lan, Hua Baoguang, et al. Grey relation function between local electrical potential and stomatal beh
13、avior during light exposure in plantsJ. Chinese Science Bulletin, 1998,43(19):16421645(in English).8Wang Zhongyi, Chen Duansheng, Huang Lan. Plant physiological status monitoring system and its application in greenhouseJ. Transactions of the CSAE, 2000,16(2),101104(in Chinese).9Wang Tao, Jiang Dazon
14、g. A spectrum estimation method for studying propagationvelocities of nerve activityJ. Chinese Journal of Biomedical Engineering,1993,12(2):130141(in Chinese).10Leng Qiang, Huang Lan, Hua Baoguang, et al. Wavelet transform analysis of local electrical potential in plants J . ACTA Biophysica Sinica,1998,14(1):140144(in Chinese).