CN103528966B - 土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法和装置，所述方法利用双曲线面镜将土壤深度圆柱面光谱信号汇聚反射到光纤探头上，再由光谱仪和计算机获得土壤深度圆柱面全景光谱数据；所述装置包括全景光谱采集装置、水平调节架和光谱处理设备，所述全景光谱采集装置包括双曲线面镜、聚焦透镜、光纤探头、内灯罩、卤钨灯和外灯罩；所述水平调节架包括上述的水平板、三脚架；所述的全景光谱采集装置的聚光透镜和双曲线面镜悬挂在土坑内；所述光谱处理设备包括计算机、与计算机相连的光谱仪。本发明的有益效果是：整个装置设计简单，制造成本低，能收集到土壤深度方向20cm内圆柱面整体光谱信息，适合野外土壤有机质分布状况的快速测试。

Description

土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法及其装置。

背景技术

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成部分，它能够为植物提供营养，促进植物生长发育和改善土壤物理性质等，对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着重要意义。传统土壤测试采用实验室化学方法，手续繁琐、测试时间长、使用化学试剂对环境有污染。近年来，采用光谱技术对土壤进行理化测试，具有快速、不接触、免试剂等优点，具有很大的发展前景。目前，土壤光谱测试往往局限于直径2-5cm圆形平面光照范围，不能反映土壤深度方向组分变化情况。实际上，农田土壤肥力主要集中在表层0-20cm深度空间，而且随深度不同养分含量也不同。使用光谱单点测试法难以反映土壤深度方向整体养分含量。主要的技术难点在于如何获取土壤深度光谱信号。

近年发展起来的全方位视觉传感器ODVS(OmniDirectionalVision Sensors)能够获取全景图像。这种ODVS摄像机主要由一个CCD摄像机和正对摄像头的一个反光镜组成。反光镜面将水平方向一周的图像反射给CCD摄像机成像，在一副图像中可以获得水平方向360度的环境信息。专利“全方位视觉装置”(200510049989.6)介绍了利用双曲线面镜获取全景图像的方法。现有的全方位视觉装置只能拍摄自然光或人工辅助光条件下的全景图像信息，缺乏光谱分辨能力。而现有的光谱仪只能获取小范围聚焦面的光谱信息，缺乏全景汇聚能力。因此，将全景光汇聚和光谱测试结合起来，能兼顾两者优点。目前，在这方面还鲜有文献报道。

发明内容

为了解决土壤表层一定深度范围内有机质含量的快速检测问题，本发明提供了一种能快速准确的测定土壤表层的有机质含量、并且操作方便、成本低廉的土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法及其装置。

土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法，包括以下步骤：

1)在土壤表层挖出一个用于放置全景光谱采集装置部分配件的圆柱体形土坑；

2)将全景光谱采集装置的聚光透镜安装在悬挂在水平调节架下方的安装架上，并且将聚光透镜的中心与连杆上端固定、将双曲线面镜中心与连杆的下端固定，并且双曲线面镜的曲面朝向聚焦透镜一侧，其中，聚光透镜、双曲线面镜、连杆的中轴线重合；

3)光纤探头垂直插入安装架上，并将光纤探头的光接收端设置于所述聚焦透镜的焦点处，其中安装架位于聚光透镜正上方；

4)将水平调节架的三脚架张开后支撑于步骤1)的土坑周围土壤地面上，通过调节螺母使得水平板处于水平方向，使得预先安装在水平板底面上的卤钨灯发出的光线向下照射土坑内，同时通过调整连杆，将全景光谱采集装置的聚光透镜和双曲线面镜悬挂于水平调节架下方的土坑内；

5)将内灯罩覆盖在光纤探头的外部，并将卤钨灯通电，观察光线是否完全照射在土壤深度圆柱面上，并通过上下移动内灯罩，调节光线覆盖范围，同时避免光线直射双曲线面镜；

5)放置外灯罩，将卤钨灯以下部分全部遮蔽起来，使外界光线不能进入土坑内；

6)将光谱处理设备的传输光纤一头与光纤探头连接、另一头与光谱仪连接，光谱仪通过USB电缆与计算机连接；

7)光谱仪和计算机上电，运行计算机中光谱采集软件，实时采集土壤深度圆柱面光谱数据，计算机将采集的光谱信息通过数据处理软件进行处理。

按照本发明所述的方法构建的装置，包括全景光谱采集装置、水平调节架和光谱处理设备，其特征在于：所述的全景光谱采集装置包括双曲线面镜、聚焦透镜、光纤探头、卤钨灯、内灯罩和外灯罩，所述双曲线面镜固定在连杆的下端，所述聚焦透镜固定在挂于水平调节架下方的安装架上，聚焦透镜中心与连杆上端连接，所述的双曲线面镜的曲面朝向聚焦透镜一侧；所述的光纤探头垂直插在所述的安装架的内部，光纤探头光接收端位于所述的聚焦透镜的焦点处；所述卤钨灯安装在水平板底面上的灯座上；所述内灯罩、所述的外灯罩分别罩在光纤探头、卤钨灯的外部；

所述水平调节架包括上述的水平板、三脚架，所述三脚架支撑于预挖的圆柱体形土坑周边的土壤地面上；所述水平板通过调节螺母固定在所述的三脚架上；所述的全景光谱采集装置的聚光透镜和双曲线面镜悬挂在土坑内；

所述光谱处理设备包括计算机、与计算机相连的光谱仪，所述的光谱仪通过传输光纤与所述的全景光谱采集装置的光纤探头连接；所述的计算机内配有光谱采集软件和数据处理软件。

所述的双曲线面镜的虚焦点与所述的聚焦透镜的焦点重合。

所述的内灯罩沿所述的安装架外壁滑动。

所述的卤钨灯的功率20W。

所述的外灯罩和内灯罩均为不透光材料制成。

所述的土坑的深度为20cm。

所述的光谱仪通过USB电缆与所述计算机相连。

所述的卤钨灯发出波长范围为350-2500nm。

工作原理：卤钨灯发出波长范围为350-2500nm，光线照射土壤深度圆柱面后，反射到双曲线面镜上，通过双曲线面镜再向上反射到光纤探头光接收端的聚焦透镜上，再由光线探头和传输光纤的传输，土壤光信号进入光谱仪，最后通过计算机光谱分析和建模获得土壤有机质信息。

本发明的有益效果是：整个装置设计简单，制造成本低，能收集到土壤中大量的有机质光谱信息，操作方便，适用于基于光谱技术的土壤有机质快速检测手段。

附图说明

图1是本发明的透视图(其中虚线代表光线)。

图2是本发明的水平调节架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法，包括以下步骤：

1)在土壤表层挖出一个用于放置全景光谱采集装置1部分配件的圆柱体形土坑4；

2)将全景光谱采集装置1的聚光透镜12安装在悬挂在水平调节架2下方的安装架18上，并且将聚光透镜12的中心与连杆17上端固定、将双曲线面镜11中心与连杆17的下端固定，并且双曲线面镜11的曲面朝向聚焦透镜12一侧，其中，聚光透镜12、双曲线面镜11、连杆17的中轴线重合；

3)光纤探头13垂直插入安装架18上，并将光纤探头13的光接收端设置于所述聚焦透镜12的焦点处，其中安装架18位于聚光透镜12正上方；

4)将水平调节架2的三脚架22张开后支撑于步骤1)的土坑4周围土壤地面上，通过调节螺母23使得水平板21处于水平方向，使得预先安装在水平板21底面上的卤钨灯14发出的光线向下照射土坑4内，同时通过调整连杆17，将全景光谱采集装置1的聚光透镜12和双曲线面镜11悬挂于水平调节架2下方的土坑4内；

5)将内灯罩15覆盖在光纤探头13的外部，并将卤钨灯14通电，观察光线是否完全照射在土壤深度圆柱面上，并通过上下移动内灯罩15，调节光线覆盖范围，同时避免光线直射双曲线面镜11；

5)放置外灯罩16，将卤钨灯14以下部分全部遮蔽起来，使外界光线不能进入土坑4内；

6)将光谱处理设备3的传输光纤33一头与光纤探头13连接、另一头与光谱仪32连接，光谱仪32通过USB电缆与计算机31连接；

7)光谱仪32和计算机31上电，运行计算机31中光谱采集软件，实时采集土壤深度圆柱面光谱数据，计算机31将采集的光谱信息通过数据处理软件进行处理。

实施例2按照实施例1所述的方法构建的装置，包括全景光谱采集装置1、水平调节架2和光谱处理设备3，所述的全景光谱采集装置1包括双曲线面镜11、聚焦透镜12、光纤探头13、卤钨灯14、内灯罩15和外灯罩16，所述双曲线面镜11固定在连杆17的下端，所述聚焦透镜12固定在挂于水平调节架2下方的安装架18上，聚焦透镜12中心与连杆17上端连接，所述的双曲线面镜11的曲面朝向聚焦透镜12一侧；所述的光纤探头13垂直插在所述的安装架18的内部，光纤探头13光接收端位于所述的聚焦透镜12的焦点处；所述卤钨灯14安装在水平板21底面上的灯座上；所述内灯罩15、所述的外灯罩16分别罩在光纤探头13、卤钨灯14的外部；

所述水平调节架2包括上述的水平板21、三脚架22，所述三脚架22支撑于预挖的圆柱体形土坑4周边的土壤地面上；所述水平板21通过调节螺母23固定在所述的三脚架22上；所述的全景光谱采集装置1的聚光透镜12和双曲线面镜11悬挂在土坑4内；

所述光谱处理设备3包括计算机31、与计算机31相连的光谱仪32，所述的光谱仪32通过传输光纤33与所述的全景光谱采集装置1的光纤探头13连接；所述的计算机31内配有光谱采集软件和数据处理软件。

所述的双曲线面镜11的虚焦点与所述的聚焦透镜12的焦点重合。

所述的内灯罩15沿所述的安装架18外壁滑动。

所述的卤钨灯14的功率20W。

所述的外灯罩16和内灯罩15均为不透光材料制成。

所述的土坑4的深度为20cm。

所述的光谱仪32通过USB电缆与所述计算机31相连。

所述的卤钨灯发出波长范围为350-2500nm。

工作原理：卤钨灯14发出波长范围350-2500nm的近红外光，光线照射土壤深度圆柱面后，反射到双曲线面镜11上，通过双曲线面镜11再向上反射到光纤探头13光接收端的聚焦透镜12上，再由光线探头13和传输光纤33的传输，土壤光信号进入光谱仪32，最后通过计算机31光谱分析和建模获得土壤有机质信息。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.土壤深度圆柱面有机质光谱采集方法，包括以下步骤：

1)在土壤表层挖出一个用于放置全景光谱采集装置部分配件的圆柱体形土坑；

2)将全景光谱采集装置的聚光透镜安装在悬挂在水平调节架下方的安装架上，并且将聚光透镜的中心与连杆上端固定、将双曲线面镜中心与连杆的下端固定，并且双曲线面镜的曲面朝向聚焦透镜一侧，其中，聚光透镜、双曲线面镜、连杆的中轴线重合；

3)光纤探头垂直插入安装架上，并将光纤探头的光接收端设置于所述聚焦透镜的焦点处，其中安装架位于聚光透镜正上方；

4)将水平调节架的三脚架张开后支撑于步骤1)的土坑周围土壤地面上，通过调节螺母使得水平板处于水平方向，使得预先安装在水平板底面上的卤钨灯发出的光线向下照射土坑内，同时通过调整连杆，将全景光谱采集装置的聚光透镜和双曲线面镜悬挂于水平调节架下方的土坑内；

5)将内灯罩覆盖在光纤探头的外部，并将卤钨灯通电，观察光线是否完全照射在土壤深度圆柱面上，并通过上下移动内灯罩，调节光线覆盖范围，同时避免光线直射双曲线面镜；

5)放置外灯罩，将卤钨灯以下部分全部遮蔽起来，使外界光线不能进入土坑内；

6)将光谱处理设备的传输光纤一头与光纤探头连接、另一头与光谱仪连接，光谱仪通过USB电缆与计算机连接；

7)光谱仪和计算机上电，运行计算机中光谱采集软件，实时采集土壤深度圆柱面光谱数据，计算机将采集的光谱信息通过数据处理软件进行处理。

2.按照权利要求1所述的方法构建的装置，其特征在于：包括全景光谱采集装置、水平调节架和光谱处理设备，所述的全景光谱采集装置包括双曲线面镜、聚焦透镜、光纤探头、卤钨灯、内灯罩和外灯罩，所述双曲线面镜固定在连杆的下端，所述聚焦透镜固定在挂于水平调节架下方的安装架上，聚焦透镜中心与连杆上端连接，所述的双曲线面镜的曲面朝向聚焦透镜一侧；所述的光纤探头垂直插在所述的安装架的内部，光纤探头光接收端位于所述的聚焦透镜的焦点处；所述卤钨灯安装在水平板底面上的灯座上；所述内灯罩、所述的外灯罩分别罩在光纤探头、卤钨灯的外部；

所述水平调节架包括上述的水平板、三脚架，所述三脚架支撑于预挖的圆柱体形土坑周边的土壤地面上；所述水平板通过调节螺母固定在所述的三脚架上；所述的全景光谱采集装置的聚光透镜和双曲线面镜悬挂在土坑内；

所述光谱处理设备包括计算机、与计算机相连的光谱仪，所述的光谱仪通过传输光纤与所述的全景光谱采集装置的光纤探头连接；所述的计算机内配有光谱采集软件和数据处理软件。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的双曲线面镜的虚焦点与所述的聚焦透镜的焦点重合。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的内灯罩沿所述的安装架外壁滑动。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的卤钨灯的功率20W。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的外灯罩和内灯罩均为不透光材料制成。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的土坑的深度为20cm。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的光谱仪通过USB电缆与所述计算机相连。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：卤钨灯发出波长范围为350-2500nm。