CN104568783A - 一种土壤中砷含量的实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤中砷含量的实时测量装置，包括一个根部光谱探头、控制单元和数据处理单元；所述控制单元用于控制所述根部光谱探头的开启与关闭；所述根部光谱探头包括第一激光器、光电探测器和夹具，所述根部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的近根部，所述根部光谱探头用于获取植物近根部的反射光谱；所述数据处理单元用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。本发明能够实现土壤中砷含量的实时检测。

Description

一种土壤中砷含量的实时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及土壤中砷含量的测量领域，具体涉及一种土壤中砷含量的实时测量装置及方法。

背景技术

土壤作为农业生产的主要载体，其质量好坏直接影响到国民的生活质量。砷是土壤中的一种重要污染重金属，因此，严格控制和准确测定土壤中砷的含量具有重要的意义。

现有土壤中砷的检测方法主要有分光光度法、原子吸收分光光度法、原子荧光分光光度法、电感耦合等离子体-原子发射光谱法、X射线荧光光谱法，这些方法一般需要对土壤制样并进行复杂的预处理，很难实现土壤中砷的原位和实时测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种土壤中砷含量的实时测量装置及方法，能够实现土壤中砷含量的实时检测。

第一方面，本发明提出了一种土壤中砷含量的实时测量装置，包括一个根部光谱探头、控制单元和数据处理单元；

所述控制单元用于控制所述根部光谱探头的开启与关闭；

所述根部光谱探头包括第一激光器、第一光电探测器和夹具，所述根部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的近根部，所述根部光谱探头用于获取植物近根部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

优选地，所述装置还包括一个茎部光谱探头，所述茎部光谱探头包括第二激光器、第二光电探测器和夹具，所述茎部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的茎部，所述茎部光谱探头用于获取植物茎部的反射光谱；

所述数据处理单元还用于根据所述茎部光谱探头获取的植物茎部的反射光谱，按照砷含量与茎部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第二砷含量。

优选地，所述装置还包括一个叶子光谱探头，所述叶子光谱探头包括第三激光器、第三光电探测器和夹具，所述叶子光谱探头通过所述夹具夹持在植物的叶子部位，所述叶子光谱探头用于获取植物叶子部位的反射光谱；

所述数据处理单元还用于根据所述叶子光谱探头获取的植物叶子部位的反射光谱，按照砷含量与叶子激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第三砷含量。

优选地，所述第一激光器的中心波长为650nm。

优选地，所述第二激光器的中心波长为850nm。

优选地，所述第三激光器的中心波长为1310nm。

优选地，所述第一激光器、第二激光器或第三激光器带有温度控制模块，所述控制单元还用于控制所述温度控制模块在不同温度下工作，以获得不同波长的反射光谱。

第一方面，本发明还提出了一种土壤中砷含量的实时测量方法，包括：

所述控制单元控制所述根部光谱探头开启；

所述根部光谱探头获取植物近根部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

优选地，所述方法还包括：

所述控制单元控制所述茎部光谱探头开启；

所述茎部光谱探头获取植物茎部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述茎部光谱探头获取的植物茎部的反射光谱，按照砷含量与茎部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第二砷含量。

优选地，所述方法还包括：

所述控制单元控制所述叶子光谱探头开启；

所述叶子光谱探头获取植物叶子部位的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述叶子光谱探头获取的植物叶子部位的反射光谱，按照砷含量与叶子部位激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第三砷含量。

本发明至少具有如下的有益效果：

本发明所述的装置及方法通过测量植物根部的反射光谱，再根据植物根部的反射光谱和土壤中砷含量的对应关系，获知土壤中砷含量。本发明所述的装置及方法可以实现土壤中砷含量的实时检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的土壤中砷含量的实时测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的土壤中砷含量的实时测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的土壤中砷含量的实时测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

土壤中不同含量的砷，可以通过种植在土壤上的植被组织的的营养状态来呈现。因此通过测量植被组织不同砷含量下的反射率光谱，建立反射率光谱与砷含量的数学模型，反演得到土壤中砷的含量，实现土壤中砷含量的实时测量。

参见图1，本发明实施例一提出了一种土壤中砷含量的实时测量装置，包括一个根部光谱探头11、控制单元12和数据处理单元13；

所述控制单元12用于控制所述根部光谱探头11的开启与关闭；

所述根部光谱探头11包括第一激光器、第一光电探测器和夹具，所述根部光谱探头11通过所述夹具夹持在植物的近根部，所述根部光谱探头11用于获取植物近根部的反射光谱；

其中，所述第一激光器用于发射激光束；

所述第一光电探测器用于获取光谱的强度；该第一光电探测器为适应所述第一激光器发射的光束波段的专用光电探测器，其在探测器前面镀膜滤波的。

所述数据处理单元13用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

其中，砷含量与近根部所述预设波段反射光谱数据的对应关系，可以通过砷含量已知的土壤与近根部探测的反射光谱的光强，经过多次训练得出。

本发明实施例一所述的装置，通过测量植物根部的反射光谱，再根据植物根部的反射光谱和土壤中砷含量的对应关系，获知土壤中砷含量。本发明实施例所述的装置可以实现土壤中砷含量的实时检测。

由于根部光谱探头获取的反射光谱只能反应土壤中短时间内的砷元素，若想知道砷元素在土壤中的运移过程，可以在植物的茎部或叶子部位分别设置光谱探头，一般情况下，茎部有2～3左右的营养运移时间，夹持在植物茎部的光谱探头，获取的反射光谱反应了土壤2～3天前的砷元素含量。而叶子有7天左右的营养运移时间，夹持在植物叶子部位的光谱探头，获取的反射光谱反应了土壤一周前的砷元素含量。这样，通过夹持在不同部分的光谱探头得到的反射光谱数据，可以清晰地了解土壤中砷元素的运移过程。

本发明实施例二提供了一个优选装置，参见图2，其包括控制单元0、数据处理单元1、根部光谱探头2、茎部光谱探头3和叶子光谱探头4；图中，5表示植物，6表示土壤。

所述根部光谱探头2包括第一激光器、光电探测器和夹具，所述根部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的近根部，所述根部光谱探头用于获取植物近根部的反射光谱；

所述茎部光谱探头3包括第二激光器、第二光电探测器和夹具，所述茎部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的茎部，所述茎部光谱探头用于获取植物茎部的反射光谱；

所述第二光电探测器为适应所述第二激光器发射的光束波段的专用光电探测器，其在探测器前面镀膜滤波的。

所述叶子光谱探头4包括第三激光器、第三光电探测器和夹具，所述叶子光谱探头通过所述夹具夹持在植物的叶子部位，所述叶子光谱探头用于获取植物叶子部位的反射光谱；

所述第三光电探测器为适应所述第三激光器发射的光束波段的专用光电探测器，其在探测器前面镀膜滤波的。

所述控制单元0用于控制所述根部光谱探头、茎部光谱探头和叶子光谱探头的开启与关闭；

所述数据处理单元1用于根据所述根部光谱探头2获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

所述数据处理单元1还用于根据所述茎部光谱探头3获取的植物茎部的反射光谱，按照砷含量与茎部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第二砷含量。

所述数据处理单元1还用于根据所述叶子光谱探头4获取的植物叶子部位的反射光谱，按照砷含量与叶子激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第三砷含量。

这里，所述第一砷含量为土壤中近期的砷元素含量；所述第二砷含量为土壤中前2～3天的砷元素含量；所述第三砷含量为土壤中一周前的砷元素含量。通过第一砷含量、第二砷含量和第三砷含量的对比，可以清晰地了解土壤中砷元素的运移过程。

其中，所述第一激光器的中心波长为650nm。

其中，所述第二激光器的中心波长为850nm。

其中，所述第三激光器的中心波长为1310nm。

优选地，所述第一激光器、第二激光器或第三激光器带有温度控制模块，所述控制单元还用于控制所述温度控制模块在不同温度下工作，以获得不同波长的反射光谱。

例如，控制所述温度控制模块在10摄氏度、30摄氏度、50摄氏度三个档位之间切换，从而获得不同波长的反射光谱，以便获取土壤中不同含量砷元素时植物多波段的反射光谱。例如，每个激光器通过各自温度控制模块改变激光二极管的基底温度，可以得到不同的波段，这样一个激光器就可以相当于3个激光二极管，那么三个激光器就可以获取9个波段的反射光谱，从而得到多个砷含量数据，增加了该装置对砷含量测量的可靠性。

本发明实施例所述提供的装置可以实时测量土壤中砷的含量，通过3个光谱探头分别夹持在植物近根部、茎部及叶子3个不同的位置，可以获得不同组织的光谱特征。近根部距离土壤近，反应了土壤中短时间内的砷元素，而叶片有7天左右的营养运移时间，反应了一周前砷元素，因此可以更为清晰了解土壤中砷元素的运移过程。采用带有温度控制模块通信激光器，不仅成本低，而且可以获取不同波段的反射光谱。虽然植物组织光谱范围从可见到近红外，均可用于反演砷元素，但由于叶绿素等物质干扰，根部和茎秆采用短波会获得更好效果。因此所述第一激光器选取中心波长为650nm的通信用激光器，所述第二激光器选取中心波长为850nm的通信用激光器。

参见图3，本发明实施例一提出了一种土壤中砷含量的实时测量方法，包括：

步骤101：所述控制单元控制所述根部光谱探头开启。

步骤102：所述根部光谱探头获取植物近根部的反射光谱。

步骤103：所述数据处理单元用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

优选地，所述方法还包括：

所述控制单元控制所述茎部光谱探头开启；

所述茎部光谱探头获取植物茎部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述茎部光谱探头获取的植物茎部的反射光谱，按照砷含量与茎部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第二砷含量。

优选地，所述方法还包括：

所述控制单元控制所述叶子光谱探头开启；

所述叶子光谱探头获取植物叶子部位的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述叶子光谱探头获取的植物叶子部位的反射光谱，按照砷含量与叶子部位激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第三砷含量。

另外，控制单元还可以控制三个激光器的温度控制模块，将各激光器基底温度分别调到10摄氏度、30摄氏度、50摄氏度3个档位，获取不同的波长；数据处理单元分别保存不同基低温度时不同夹持部位的反射光谱。数据处理单元通过处理反射光谱数据，建立反射光谱与土壤中砷含量的数学模型，从而实现土壤中砷含量的实时检测。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种土壤中砷含量的实时测量装置，其特征在于，包括一个根部光谱探头、控制单元和数据处理单元；

所述控制单元用于控制所述根部光谱探头的开启与关闭；

所述根部光谱探头包括第一激光器、第一光电探测器和夹具，所述根部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的近根部，所述根部光谱探头用于获取植物近根部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一个茎部光谱探头，所述茎部光谱探头包括第二激光器、第二光电探测器和夹具，所述茎部光谱探头通过所述夹具夹持在植物的茎部，所述茎部光谱探头用于获取植物茎部的反射光谱；

所述数据处理单元还用于根据所述茎部光谱探头获取的植物茎部的反射光谱，按照砷含量与茎部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第二砷含量。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括一个叶子光谱探头，所述叶子光谱探头包括第三激光器、第三光电探测器和夹具，所述叶子光谱探头通过所述夹具夹持在植物的叶子部位，所述叶子光谱探头用于获取植物叶子部位的反射光谱；

所述数据处理单元还用于根据所述叶子光谱探头获取的植物叶子部位的反射光谱，按照砷含量与叶子激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第三砷含量。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光器的中心波长为650nm。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二激光器的中心波长为850nm。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第三激光器的中心波长为1310nm。

7.根据权利要求4～6任一所述的装置，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器或第三激光器带有温度控制模块，所述控制单元还用于控制所述温度控制模块在不同温度下工作，以获得不同波长的反射光谱。

8.一种利用权利要求7所述装置的土壤中砷含量的实时测量方法，其特征在于，包括：

所述控制单元控制所述根部光谱探头开启；

所述根部光谱探头获取植物近根部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述根部光谱探头获取的植物近根部的反射光谱，按照砷含量与近根部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第一砷含量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

所述控制单元控制所述茎部光谱探头开启；

所述茎部光谱探头获取植物茎部的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述茎部光谱探头获取的植物茎部的反射光谱，按照砷含量与茎部激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第二砷含量。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括：

所述控制单元控制所述叶子光谱探头开启；

所述叶子光谱探头获取植物叶子部位的反射光谱；

所述数据处理单元用于根据所述叶子光谱探头获取的植物叶子部位的反射光谱，按照砷含量与叶子部位激光器反射光谱数据的对应关系，得到土壤中第三砷含量。