CN105319172A - 基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置。包括安装在移动平台上的测量箱室，安装在移动平台顶部的GPS模块和液晶显示模块以及安装在移动平台前端的发电机和三点悬挂装置；测量箱室五面密封，底部开口与土壤表面接触，光源安装在测量箱室内顶部，光纤探头安装在测量箱室内的中间；光纤探头经光谱仪连接控制器，GPS模块和液晶显示模块均连接到控制器，三点悬挂装置连接到拖拉机。本发明实现了土壤养分连续检测，结构操作简便，成本低廉，易于推广，整个检测过程无污染，适用于在大面积农田中进行连续不间断的检测。

Description

基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置

技术领域

本发明涉及精细农业土壤养分快速检测领域，具体是一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置。

背景技术

土壤中养分的丰缺是进行科学施肥、实现作物优质、高效、生态、安全生产的重要基础。然而，人们为了追求高产往往对作物大量盲目施肥，致使化肥的利用率很低。我国氮肥当季利用率仅为30％左右，远低于美国和日本氮素利用率60％～70％。化肥施用量的增加和利用率的下降，不仅在经济上造成巨大损失，还会引起严重的环境污染，致使地表水富营养化，地下水和蔬菜中营养元素含量超标等问题。大面积快速获取土壤养分含量信息，根据土壤养分的丰缺合理适量施肥，对于我国农业可持续发展具有重要意义。近几年，我国每年投入上亿元资金大规模推广“测土配方施肥技术”，该技术以农田土壤养分化学分析测试为基础，根据作物需肥规律提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用方案。但是由于实验室化学分析过程复杂、周期长、成本高、实时性差，使得实际测试样本数量偏少，很难客观反映农田土壤养分实际分布情况，从而制约了该技术的大规模应用。另外，大量的土壤化验分析会产生酸碱废弃液，处理不当会引起环境污染。因此，农作物生产上迫切需要一种快速、现场原位、连续且无污染的检测方法。

可见-近红外光谱技术是一种快速无损检测技术，从上世纪80年代以来，随着计算机技术和化学计量学理论的不断发展，可见-近红外光谱技术得到广泛研究和应用。可见-近红外光谱技术具有分析速度快，分析效率高，分析成本低，测试重现性好等优点，不需添加试剂，便于在线分析。近年来，采用可见-近红外光谱技术测量土壤养分信息受到了国内外研究学者的青睐。

可见-近红外光谱容易受到土壤含水率，土壤颗粒大小和土壤表面粗糙度的影响。为了减小这些因素对光谱采集带来的影响，大部分研究学者都将农田采集到的土壤拿到实验室中进行碾磨、过筛、烘干等处理，然后再进行光谱数据测试，难以实现现场在线检测。另一方面，将光源和光纤探头直接暴露在野外环境下进行连续不间断测量，容易造成仪器损伤。现有常见的有土壤中涉及总氮含量的检测装置，但该检测装置在测量前，需要使用人工对土壤样品进行碾磨和过筛处理，检测过程不连续，这在大面积应用时有很强的局限性。

土壤可见-近红外光谱容易受到土壤质地类型的影响，不同土壤样品之间的预测机制可能存在很大差异。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，该装置能够在农田中对土壤养分进行大面积连续不间断的检测。本发明装置能够从农田中选择出具有代表性的土壤样本作为建模集，用于建立光谱校正模型，有利于提高模型的通用性和预测精度。

本发明采用的技术方案为：

本发明包括前后带有滚轮的移动平台，还包括安装在移动平台上的测量箱室，安装在测量箱室内的光源、光纤探头、光谱仪和控制器，安装在移动平台顶部的GPS模块和液晶显示模块以及安装在移动平台前端的用于提供电能的发电机和用于连接拖拉机的三点悬挂装置；

所述的测量箱室五面密封，底部开口与土壤表面接触，光源安装在测量箱室内顶部并朝向下方，光纤探头安装在测量箱室内的中间，光纤探头位于移动平台前后两个滚轮的之间，光纤探头朝向正下方，光源发出光经土壤漫反射后由光纤探头采集漫反射光谱，并将光谱信息传送至可见-近红外光谱仪；光纤探头经光谱仪连接控制器，GPS模块和液晶显示模块均连接到控制器。

所述的光谱仪，将光纤探头传送来的光信号转换成电信号，并传送至控制器；

所述GPS模块，记录装置采集时土壤样品的位置信息传送至控制器；

所述控制器，控制光谱仪采集光谱数据并进行建模分析和聚类分析，最后将处理结果显示在液晶显示模块上；

所述三点悬挂装置，通过联结销与拖拉机的尾部相连，使得移动平台被拖拉机牵引移动；

所述发电机，连接光源、光谱仪、控制器、GPS模块和液晶显示模块以提供电能。

进一步地，所述的滚轮均由实心钢质材料制成，直径25厘米，宽度1米。

进一步优选地，所述的光源主要由多盏同一型号的卤素灯组成，多盏卤素灯以光纤探头为圆心间隔均布地置于周围的圆周上。

进一步优选地，所述的各个光源均朝向光纤探头向内倾斜，光源的光轴沿光路方向向内并与圆周中轴线成45度夹角。

所述的光纤探头通过伸缩套筒安装，并沿伸缩套筒上下移动，伸缩套筒位于圆周中轴线上。

所述三点悬挂装置主要由三条悬挂臂组成悬挂系统，悬挂臂后侧安装有辅助支架，辅助支架的两条拉杆与中间悬挂臂对称连接，两条支撑臂垂直固定在箱架和移动平台上，支撑臂分别经各自的两条拉杆与中间悬挂臂连接，中间悬挂臂连接到拖拉机尾部。

所述发电机连接拖拉机动力输出轴，并内含储能电池。

进一步优选地，所述的液晶显示模块安装在测量箱室顶部，与水平夹角为120度。本发明只需要在液晶显示模块的液晶屏上进行操作，就可控制光谱仪采集光谱数据，并对光谱数据和土壤位置信息进行处理。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果是：

本发明装置由拖拉机牵引在农田中自由移动，整个检测过程无污染，适用于农田大面积连续不间断检测。

并且本发明能将土壤样品的可见-近红外光谱数据进行聚类分析，选择具有代表性的土壤样品进行处理，能提高土壤养分检测的精度。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明装置的俯视结构示意图；

图3为光源和光纤探头模块的俯视图结构示意图。

图中：1-三点悬挂装置，2-辅助支架，3-光源，4-控制器，5-旋转开关，6-液晶显示模块，7-光谱仪，8-GPS模块，9-滚轮，10-测量箱室，11-光纤探头，12-伸缩套筒，13-移动平台，14-发电机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明包括前后带有滚轮9的移动平台13，安装在移动平台上的测量箱室10，安装在测量箱室10内的光源3、光纤探头11、光谱仪7和控制器4，安装在移动平台13顶部的GPS模块8和液晶显示模块6以及安装在移动平台13前端的用于提供电能的发电机14和用于连接拖拉机的三点悬挂装置1。

测量箱室10五面密封，底部开口与土壤表面接触，光源3安装在测量箱室10内顶部并朝向下方，光纤探头11安装在测量箱室10内的中间，光纤探头11位于移动平台13前后两个滚轮9的之间，光纤探头11朝向正下方，光源3发出光经土壤漫反射后由光纤探头11采集漫反射光谱，并将光谱信息传送至可见-近红外光谱仪7；光纤探头11经光谱仪7连接控制器4，GPS模块8和液晶显示模块6均连接到控制器4。测量箱室五面密封，底部开口与土壤表面接触，这样能有效隔离了外界光线，从而避免了外界光线对光谱测量带来的影响。

具体实施中的滚轮9均由实心钢质材料制成，直径25厘米，宽度1米。在拖拉机的牵引下，滚轮9会将土壤表面轧平，使得土壤表面平整，从而减小土壤颗粒大小、土壤表面粗糙度对光谱测量带来的影响。

光源3主要由多盏同一型号的卤素灯组成，多盏卤素灯以光纤探头11为圆心间隔均布地置于周围的圆周上。各个光源3均朝向光纤探头11向内倾斜，光源3的光轴沿光路方向向内并与圆周中轴线成45度夹角。光纤探头11通过伸缩套筒12安装，沿伸缩套筒12上下移动，并设有旋转开关5控制光纤探头11的位置以实现光纤探头11与土壤之间距离的调整，伸缩套筒12位于圆周中轴线上。

多盏卤素灯发出的光聚焦于土壤表面，汇聚中心在光纤探头所在的轴线上，光纤探头外部套有可伸缩圆柱形套筒，用于调整光纤探头离地面的高度，光源发出的光作用到待测土壤样品表面形成漫反射光谱，漫发射光谱由光纤探头收集并传送至光谱仪。

光谱仪7，将光纤探头11传送来的光信号转换成电信号，并传送至控制器4。

GPS模块8，记录装置采集时土壤样品的位置信息传送至控制器4。

控制器4，控制光谱仪7采集光谱数据并进行建模分析和聚类分析，最后将处理结果显示在液晶显示模块6上。

三点悬挂装置1，通过联结销与拖拉机的尾部相连，使得移动平台13被拖拉机牵引移动；其主要由三条悬挂臂组成悬挂系统，悬挂臂后侧安装有辅助支架2，辅助支架2的两条拉杆与中间悬挂臂对称连接，两条支撑臂与箱架垂直相连，使得整个检测装置在被牵引的过程中，上下受力均匀，避免发生翻转。

发电机14，连接光源3、光谱仪7、控制器4、GPS模块8和液晶显示模块6以提供电能。发电机14连接拖拉机动力输出轴，由拖拉机动力输出轴驱动，并内含储能电池，能将多余的电能储存。

液晶显示模块6安装在测量箱室10顶部，与水平夹角为120度，以方便操作和查看检测结果。

本发明的具体实施例及其工作过程如下：

在移动平台13的前面和后面各安装有一个滚轮9，移动平台上的三点悬挂装置1通过联结销与拖拉机相连，在拖拉机的牵引下，移动平台能够在农田中自由移动和光谱采样。

在拖拉机的牵引下，直径25厘米，宽度1米的钢质实心滚轮9能够将土壤表面轧平，使得土壤表面平整。测量箱室10为边长约1米的立方体，侧面设有推拉门，工作人员可进入箱室内部，调整6盏卤素灯光路方向，用于对发射光进行准直与聚焦。扭动旋转开关5可以调整伸缩套筒12和光纤探头11离地面的高度。光源3发出的光直接照射在土壤表面，利用光纤探头11收集土壤的漫反射光谱信息。

控制器4采用基于ARM内核的微处理器，能够运行WindowsCE操作系统。光谱仪7采用美国海洋光谱仪器公司的微型可见-近红外光谱仪。海洋光谱仪器公司为光谱仪模块提供了设备驱动文件，在WindowsCE开发环境中安装好驱动程序以后，调用相关驱动函数就可以对光谱仪模块进行初始化，设置积分时间，控制光谱仪开始\停止工作。

GPS模块8与控制器4相连，用于记录农田土壤样品的位置信息。液晶显示器6(可多点触控)通过排线与控制器连接，工作人员只需要对液晶屏进行操作，就可以控制光谱仪7采集光谱数据，并对光谱数据和土壤样品位置信息进行处理。通过对土壤光谱信息进行聚类分析，可以选择出具有代表性的土壤样品，再结合这些样品的位置信息，可为后期土壤样品的检测提供指导。

发电机14由拖拉机的动力输出轴驱动，为整个检测装置提供电能。整个检测装置上半部分轻，下半部分重，重心偏下，有利于在田间平稳行进，适合在较宽阔区域开展检测工作。

本发明工作原理如下：

(a)设备准备：移动平台13由拖拉机牵引至将要进行检测的农田，接通电路，启动光源3，预热15分钟，使光源稳定，将光纤探头11垂直向下对准光源在土壤表面的焦点，扭动旋转开关5，使光纤探头距离土壤表面100mm；

(b)光谱白板校正：将标准白板放置在与土壤表面齐平位置，进行光谱白板校正；

(c)数据采集：在拖拉机的牵引下，实心滚轮9将土壤表面轧平，然后光经土壤漫反射后通过光纤探头11采集土壤的光谱信息通过GPS模块，获取采样点的位置信息；

(d)选择建模集样品：对光谱数据进行预处理和聚类分析，选择具有代表性的土壤样品作为建模集，根据建模集样品的位置信息进行路径规划；

(e)建立光谱预测模型：采用化学方法测量建模集样品的养分信息，结合这些样品的光谱信息，利用化学计量学方法，如：多元线性回归，偏最小二乘，支持向量机等，建立土壤养分的光谱预测模型；

(f)土壤养分在线检测：将建立好的光谱预测模型导入控制器4中，根据规划路径采集指定点的土壤光谱信息，再利用光谱预测模型计算出该指定点的土壤养分含量，完成土壤养分在线检测。

由此可见，本发明能对土壤样品进行实时处理获得养分数据，能提高检测精度，由拖拉机牵引在农田中使用，整个检测过程无污染，适用于农田大面积连续不间断检测，具有突出显著的技术效果。

Claims (9)

1.一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，包括前后带有滚轮(9)的移动平台(13)，其特征在于：还包括安装在移动平台上的测量箱室(10)，安装在测量箱室(10)内的光源(3)、光纤探头(11)、光谱仪(7)和控制器(4)，安装在移动平台(13)顶部的GPS模块(8)和液晶显示模块(6)以及安装在移动平台(13)前端的用于提供电能的发电机(14)和用于连接拖拉机的三点悬挂装置(1)；测量箱室(10)五面密封，底部开口与土壤表面接触，光源(3)安装在测量箱室(10)内顶部并朝向下方，光纤探头(11)安装在测量箱室(10)内的中间，光纤探头(11)位于移动平台(13)前后两个滚轮(9)的之间，光纤探头(11)朝向正下方，光源(3)发出光经土壤漫反射后由光纤探头(11)采集漫反射光谱，并将光谱信息传送至光谱仪(7)；光纤探头(11)经光谱仪(7)连接控制器(4)，GPS模块(8)和液晶显示模块(6)均连接到控制器(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：

所述的光谱仪(7)，将光纤探头(11)传送来的光信号转换成电信号，并传送至控制器(4)；

所述GPS模块(8)，记录装置采集时土壤样品的位置信息传送至控制器(4)；

所述控制器(4)，控制光谱仪(7)采集光谱数据并进行建模分析和聚类分析，最后将处理结果显示在液晶显示模块(6)上；

所述三点悬挂装置(1)，通过联结销与拖拉机的尾部相连，使得移动平台(13)被拖拉机牵引移动；

所述发电机(14)，连接光源(3)、光谱仪(7)、控制器(4)、GPS模块(8)和液晶显示模块(6)以提供电能。

3.根据权利要求1所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述的滚轮(9)均由实心钢质材料制成，直径25厘米，宽度1米。

4.根据权利要求1所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述的光源(3)主要由多盏同一型号的卤素灯组成，多盏卤素灯以光纤探头(11)为圆心间隔均布地置于周围的圆周上。

5.根据权利要求4所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述的各个光源(3)均朝向光纤探头(11)向内倾斜，光源(3)的光轴沿光路方向向内并与圆周中轴线成45度夹角。

6.根据权利要求4所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述的光纤探头(11)通过伸缩套筒(12)安装，并沿伸缩套筒(12)上下移动，伸缩套筒(12)位于圆周中轴线上。

7.根据权利要求1所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述三点悬挂装置(1)主要由三条悬挂臂组成悬挂系统，悬挂臂后侧安装有辅助支架(2)，辅助支架(2)的两条拉杆与中间悬挂臂对称连接，两条支撑臂与箱架垂直相连。

8.根据权利要求1所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述发电机(14)连接拖拉机动力输出轴，并内含储能电池。

9.根据权利要求1所述的一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，其特征在于：所述的液晶显示模块(6)安装在测量箱室(10)顶部，与水平夹角为120度。