CN109827946B - 土壤成分原位分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤成分原位分析系统及方法，该原位分析系统包括取样装置和检测装置，取样装置能够将原位采集的土壤样品输送至检测装置进行检测，检测装置通过支架与地面固定连接，检测装置包括激光器、光学机构、CCD摄像机、光谱仪以及控制器，光学机构分别通过光纤与激光器、CCD摄像机以及光谱仪连接，激光器发射的激光照射在样品上产生的反射光和拉曼散射光经由光学机构分别传输至CCD摄像机和光谱仪，控制器能够对CCD摄像机接收到的含样品信息的反射光谱以及光谱仪接收到的含样品信息的拉曼散射光谱进行检测分析并显示分析结果。本发明结合拉曼光谱分析与红外光谱分析对土壤进行原位检测分析，可以快速准确地对土壤成分进行定性、定量分析。

Description

土壤成分原位分析系统及方法

技术领域

本发明涉及土壤成分检测技术领域，特别是涉及一种土壤成分原位分析系统及方法。

背景技术

工业“三废”的排放、城市生活污水、农药和化肥的不合理施用等，使得大量重金属污染物通过各种途径进入土壤。随着经济和社会的发展，土壤重金属污染对粮食安全及人类的身体健康构成了巨大的威胁，重金属作为典型的无机污染物，不能被降解，只能被转化，且易被土壤颗粒吸附，并能长期存在于土壤环境中，不断累积，具有很强的生态毒性。而目前广泛采用的全量检测法并不能准确地反映土壤重金属的生态毒性。由于土壤环境成分复杂且不均一，化学反应机理复杂，重金属在土壤中存在多种形态，而不同形态重金属其生物有效性不同，所以重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由形态分布所决定。为了更好地了解土壤重金属的污染情况及其生态毒性，需快速有效检测土壤重金属的赋存形态及有效态含量。

另外，现有的土壤成分检测设备，需要将待测土壤送至实验室中进行检测，工作繁琐、工作效率低，检测成本较大；同时，由于土壤成分十分复杂，土壤质地、湿度、有机质、氧化铁等的含量都会对土壤光谱特征产生影响，土壤样品异位检测可能存在土壤变性，影响检测结果。

发明内容

本发明的目的是至少解决上述缺陷与不足之一，该目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种土壤成分原位分析系统，包括取样装置和检测装置，所述取样装置用于土壤取样，所述取样装置能够将原位采集的土壤样品输送至所述检测装置进行检测，所述检测装置通过支架与地面固定连接，所述检测装置包括激光器、光学机构、CCD摄像机、光谱仪以及控制器，所述光学机构分别通过光纤与所述激光器、所述CCD摄像机以及所述光谱仪连接，所述控制器分别与所述激光器、所述CCD摄像机以及所述光谱仪电连接和/或信号连接，所述激光器发射的激光照射在所述样品上产生的反射光和拉曼散射光经由所述光学机构分别传输至所述CCD摄像机和所述光谱仪，所述控制器能够对所述CCD摄像机接收到的含样品信息的反射光谱以及所述光谱仪接收到的含样品信息的拉曼散射光谱进行检测分析并显示分析结果。

进一步地，所述激光器为红外激光器，所述CCD摄像机为红外光CCD摄像机，所述CCD摄像机能够收集所述激光器照射在所述样品上生成的红外光谱。

进一步地，所述检测装置的底部设有用于放置所述样品的样品盘。

进一步地，所述光学机构包括用于形成入射光路的准直透镜、半反半透镜、第一会聚透镜以及用于形成出射光路的第一会聚透镜、半反半透镜、分光镜，所述分光镜将所述出射光路分为第一出射光路和第二出射光路。

进一步地，所述第一出射光路为拉曼光路，所述第二出射光路为红外光路，所述分光镜与所述光谱仪之间设有第二会聚透镜，所述分光镜与所述CCD摄像机之间设有第三会聚透镜。

进一步地，所述分光镜与所述第二会聚透镜之间设有用于滤除瑞利散射和杂散光的陷波滤光片。

进一步地，所述取样装置包括筒体、手柄、连杆机构以及用于刮取所述土壤样品的刮取机构，所述刮取机构包括取样管和设置在所述取样管的下端的多个刮刀，所述手柄与所述连杆机构的上端连接，所述连杆机构的下端与所述取样管通过螺纹连接，旋转所述手柄能够带动所述取样管上下运动进行取样。

进一步地，所述取样管的内壁上设有用于检测土壤深度的距离传感器，所述距离传感器与所述控制器通信连接。

进一步地，还包括上位机，所述上位机与所述检测装置电连接和/或通信连接。

本发明还提供了一种土壤成分原位分析方法，所述土壤成分原位分析方法是根据权利上述土壤成分原位分析系统来实施的,具体分析步骤包括：

S1、取样，利用取样装置获取一定深度的土壤样品，并将所述土壤样品放置在检测装置的样品盘上。

S2、检测分析，激光照射待测的所述土壤样品的表面生成拉曼散射光谱和/或红外光谱，将所述土壤样品的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图与标准土壤成分的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图进行比对分析，确定所述土壤样品的成分及所述成分的含量。

本发明的优点如下：

(1)本发明采用拉曼散射光谱和红外光谱分析对土壤进行原位检测分析，不需要对样品进行复杂的处理，可以快速、无损伤、准确地对土壤的有效形态的成分及其含量进行检测，检测准确率高。

(2)本发明采用光谱分析方法，分析速度快，灵敏度高，且操作简便；无需使用任何化学试剂，降低了检测成本，同时也不会对环境造成污染。

(3)本发明的原位检测分析能够现场对土壤的成分进行实时准确定性定量分析，更具有现实意义，有利于土壤修复及农作物生长等。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例提供的土壤成分原位分析系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的取样装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的检测装置的另一结构示意图；

图5为本发明实施例提供的检测装置的再一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的土壤成分原位分析方法的流程图；

图中附图标记如下：

100-土壤样品

10-取样装置 20-检测装置

30-计算机 40-支架

11-筒体 12-手柄

131-取样管 1311-刮片

132-刮刀 133-距离传感器

14-第一连杆 15-套筒

16-第二连杆

201-样品盘 21-激光器

22-光学机构 221-准直透镜

222-半反半透镜 223-第一会聚透镜

224-分光镜 225-第二会聚透镜

226-第三会聚透镜 23-CCD摄像机

24-光谱仪 25-控制器

26-光纤

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1至图5示出了根据本发明的实施方式提供的土壤成分原位分析系统的示意图。如图1至图5所示，本土壤成分原位分析系统包括取样装置10和检测装置20，取样装置10用于土壤取样，取样装置10能够将原位采集的土壤样品100输送至检测装置20进行检测，检测装置20包括激光器21、光学机构22、CCD摄像机23、光谱仪24以及控制器25，激光器21、CCD摄像机23以及光谱仪24分别与控制器25电连接和/或信号连接，激光器21为红外激光器，其发射的激光照射在样品100上产生的反射光和拉曼散射光能够经由光学机构22分别传输至CCD摄像机23和光谱仪24，控制器25用于对CCD摄像机23接收到的含样品信息的红外光谱以及光谱仪24接收到的含样品信息的拉曼散射光谱进行成分检测分析并显示分析结果。

具体地，如图2所示，取样装置10为筒状结构，包括筒体11、手柄12、连杆机构以及用于刮取土壤样品100的刮取机构，刮取机构包括取样管131和设置在取样管131的下端的沿其周向均匀布置的多个刮刀132，多个刮刀用于钻入土壤层中并刮取土壤样品100，利用刮刀132能够减小筒体11在土壤中前进的阻力，提高取样效率。取样管131的外周上还设有螺旋状的刮片1311，配合刮刀132能够快速钻入土层中。刮刀132为可拆卸式结构，将样品100取出后可将刮刀132其卸下，将取样管131中的样品置于检测装置20的样品盘201中进行检测。

手柄12设置在筒体11的顶部的中心，手柄12的下端固定连接有第一连杆14，第一连杆14的上部的外侧套接有套筒15，套筒15设置在筒体11的顶部，并且套筒15与第一连杆14通过螺纹连接，第一连杆14的下端活动连接有第二连杆16，第二连杆16的下端与取样管131的上端通过螺纹连接。取样装置10为可拆卸式结构，可根据取样深度更换第二连杆16。

装配好后，旋转并下压手柄12使取样管131在手柄12的带动下进行旋转，将取样管131顺利螺旋钻入土壤内，当钻入至所需深度后，土壤样品100进入取样管131的筒状中空结构内，反向旋转手柄12，慢慢提起取样管131，直到离开地面2，完成取样工作，并卸下刮刀132。通过旋转手柄12，采集土壤时震动小，有利于保持土壤结构。

在进行土壤取样时，取样管131的直径无需设置较大，可以缩小取样范围，方便某一位置的土壤的精确取样。另外，取样管131靠近下端的内壁上设有距离传感器133，距离传感器133与检测装置20的控制器25通信连接，用于实时监测取样管131的入土深度并将土壤样品100的土壤深度信息传递给控制器25，便于土壤成分分析。另外，设置有筒体11，可以在钻入深度较深时，将土壤隔离开来，防止周边土壤的影响。具体实施中，可以对同一位置的土壤进行梯度取样，从而分析不同深度的土壤成分。本取样装置10能够进行深层土壤采样工作，并能够高效快捷地对土壤样品100进行采集，同时对土壤样品周围环境破坏小。

检测装置20通过支架40与地面可拆卸地连接，将检测装置20通过螺栓固定，保证检测时光路稳定；另外，检测装置20的可拆卸式结构使其方便携带，便于土壤的原位分析。检测装置20的底部设有用于放置土样样品100的样品盘201。

光学机构22(图中虚线矩形框部分)内设有不同的光学元件，激光21发射的激光经过光学元件的反射、透射后生成的光谱将被CCD摄像机23、光谱仪24所接收，CCD摄像机23接收样品100的红外光谱信息并将其传输至控制器25，光谱仪24接收样品100的拉曼散射光谱信息并将其传输至控制器25，控制器25对接收的光谱信息进行分析获得待测样品100中的各成分的光谱图，将待测土壤的成分谱图与标准土壤成分谱图进行对比，从而确定待测土壤样品100的成分及其含量。激光器21、CCD摄像机23、光谱仪24分别与光学机构22通过光纤26连接，能够实现高倍聚焦，提高对拉曼散射光谱及红外光谱的检测能力，进而提升对待测土壤成分检测分析的精确性。

上述土壤样品成分的含量既包括土壤样品100中各单独元素的含量也包括各有效态的含量。以重金属为例，重金属在土壤中存在多种形态，不同形态的重金属其生物有效性不同，因此，对重金属有效态含量进行检测与分析，能够详细了解土壤的重金属污染程度，以便进行污染修复。

激光经过光学机构22形成的光路包括入射光路、第一出射光路以及第二出射光路。其中，入射光路中设有准直透镜221和半反半透镜222和第一会聚透镜223，准直透镜221设置在激光器21发射出口的前方，用于将激光发射的光线准直成平行光束，平行光束经过半反半透镜222的反射后，光线汇聚在第一会聚透镜223的焦点处，并照射在待测土壤样品100上。

激光照射在样品100表面时，待测土壤样品100在瞬时高能激光的照射下被击穿、诱导生成等离子体，等离子在衰减过程中生成拉曼散射光谱，拉曼散射光谱被光谱仪24收集并生成拉曼散射光谱信号；红外激光照射到待测土壤样品100表面时，样品100受到红外光照射会产生热效应，生成红外光谱，红外光谱反射后的光谱信号会被CCD摄像机23收集并成像。

出射光路上设有用于分光的分光镜224，分光镜224为半透半反镜，激光照射在样品100表面形成的出射光经过分光镜224分光后，一部分出射光线透过分光镜224透射至光谱仪24形成第一出射光路，另一部分出射光线经分光镜224反射至CCD摄像机23形成第二出射光路，第一出射光路为拉曼散射光路，用于接收样品100的拉曼散射光谱；第二出射光路为红外光路，用于接收样品100的红外光谱。优选实施中，可以在分光镜224的后端设置陷波滤光片用于滤除瑞利散射和杂散光。

分光镜224为可旋转分光镜，例如图4中所示，将分光镜224旋转至与第一会聚透镜223平行时，出射光线透过分光镜224被光谱仪24所接收，没有反射光线出射至CCD摄像机23。采用可旋转的分光镜224能够提高单独利用拉曼散射光谱测量样品成分的准确性。

单独利用拉曼散射光谱测量土壤样品100的成分时，可以通过调节分光镜224的角度来采集不同的拉曼散射光谱。将分光镜224处于不同角度时采集的拉曼散射光谱进行融合可获得精度更高的拉曼散射光谱。具体实施中，分光镜224与样品盘201的轴线的夹角为45°～90°。

在CCD摄像机23、光谱仪24的接收探头前分别设置第二会聚透镜225和第三会聚透镜226，将出射光线聚焦集中，能够提高CCD摄像机23、光谱仪24的光谱收集效率。具体实施中，光学机构22为一平行光管，提高信号的同时能够降低噪声，还能够避免光反应的产生，提高检测精度。将激光器21、CCD摄像机23、光谱仪24设置在检测装置20的不同位置，能够减少检测时的相互干扰，提高利用光谱检测土壤成分的精确度。

激光器21的波长范围为900-2800nm,并且激光器21的入射角度可根据实际需要设置，本发明不具体限定，例如图5中所示，另一实施方式中，激光器21以近似垂直的角度入射半反半透镜222。将激光器21的激光以近似垂直的角度入射到半反半透镜222上能够提高激光光线的反射，使更多的激光光线入射到样品100的表面。

另外，检测装置20还包括用于为该检测装置20进行供电的电源接口或锂电池。

本土壤原位分析系统还包括与检测装置20电连接或通信连接的上位机，本实施例中上位机为计算机30，计算机30与检测装置20的控制器25电连接或通信连接，能够控制检测装置20的工作运行并对土壤成分进行详细的分析。

采用本土壤成分分析系统，可以单独利用拉曼散射光谱或红外光谱对待测土壤样品100的成分进行检测分析，也可以同时利用利用拉曼散射光谱和红外光谱对待测土壤样品100的成分进行检测分析。当一种光谱无法分析待测土壤样品100的成分时，可使用此检测装置获得样品100的其他光谱，以便更精确地分析该土壤样品100的成分。

本发明还提出了一种利用上述分析系统对土壤成分进行分析的方法，具体步骤包括：

S1、取样，利用取样装置10获取一定深度的土壤样品100，并将其放置在检测装置20的样品盘上。

S2、检测分析，激光照射上述待测土壤样品100的表面生成拉曼散射光谱和/或红外光谱，将待测土壤样品100的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图与标准土壤成分的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图进行比对分析，确定待测土壤样品100的成分以及其相应的成分含量。

具体实施中，可以采集某一位置不同时间点处于不同环境下的土壤的一定波长范围内的光谱信息，包括无雨天气夜间、雨季以及极端天气等。土壤成分包括全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机质、颗粒组成阳离子交换量等；还包括镉、铅、砷、汞、钴、铬、铜、氟、锰、镍、硒、钒和锌等无机成分，以及有机氯农药类、多环芳烃类和酞酸酯类等有机污染物。采样过程中，土壤采样深度为0～50cm，并避开外来土和新近扰动过的土层。

采用拉曼散射光谱和红外光谱共同对待测土壤样品100的成分进行检测分析时，可以先利用拉曼散射光谱和红外光谱分析分别检测出土壤中例如镉、铅、砷、汞等成分的含量，再将分别检测分析获得的含量数据进行平均获得最终的土壤成分及其含量。另一实施方式中，也可以将拉曼散射光谱和红外光谱进行耦合获得融合后的待测土壤样品100的光谱图像，与拉曼散射光谱和红外光谱融合后的标准光谱图像进行比对，确定土壤成分及其含量。

标准土壤成分的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图利用计算机30通过机器学习预先训练获得，包括土壤中不同元素的不同形态的光谱数据，光谱数据包括波峰位置、波峰强度、信噪比、小波包能量等。将从训练样本中提取的光谱信息特征中的所有特征向量与其对应的数据标定送入支撑向量机(SVM)，训练生成光谱检测分析模型。

检测分析模型通过分析土壤成分的光谱数据或光谱图像，找出不同成分的光谱参数及光谱指数，并利用单因素回归、主成分分析、最小二乘回归、神经网络等分析方法，获得不同成分的光谱参数及光谱指数与土壤成分含量的相关关系，并构建相关模型来间接测量土壤中各成分的成分含量。

本发明结合了拉曼散射光谱分析与红外光谱分析对土壤进行原位检测分析，可以实现对样品快速、无接触地在线检测,灵敏度、精确度高,可进行多元素同时检测,不仅对土壤中各元素含量进行测定,而且对各元素组合形成的不同形态和价态进行定性和定量分析。

需要指出的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种土壤成分原位分析系统，其特征在于，包括取样装置和检测装置，所述取样装置用于土壤取样，所述取样装置能够将原位采集的土壤样品输送至所述检测装置进行检测，所述检测装置通过支架与地面固定连接，所述检测装置包括激光器、光学机构、CCD摄像机、光谱仪以及控制器，所述光学机构分别通过光纤与所述激光器、所述CCD摄像机以及所述光谱仪连接，所述控制器分别与所述激光器、所述CCD摄像机以及所述光谱仪电连接和/或信号连接，所述激光器发射的激光照射在所述样品上产生的反射光和拉曼散射光经由所述光学机构分别传输至所述CCD摄像机和所述光谱仪，所述控制器能够对所述CCD摄像机接收到的含样品信息的反射光谱以及所述光谱仪接收到的含样品信息的拉曼散射光谱进行检测分析并显示分析结果；

所述取样装置包括筒体、手柄、连杆机构以及用于刮取所述土壤样品的刮取机构，所述刮取机构包括取样管和设置在所述取样管的下端的多个刮刀，所述刮刀为可拆卸式结构，所述取样管的外周上还设有螺旋状的刮片，所述手柄与所述连杆机构的上端连接，所述连杆机构的下端与所述取样管通过螺纹连接，旋转所述手柄能够带动所述取样管上下运动进行取样；所述取样管的内壁上设有用于检测土壤深度的距离传感器，所述距离传感器与所述控制器通信连接；

所述光学机构包括用于形成入射光路的准直透镜、半反半透镜、第一会聚透镜以及用于形成出射光路的第一会聚透镜、半反半透镜、分光镜，所述分光镜将所述出射光路分为第一出射光路和第二出射光路，所述分光镜为可旋转分光镜。

2.根据权利要求1所述的土壤成分原位分析系统，其特征在于，所述激光器为红外激光器，所述CCD摄像机为红外光CCD摄像机，所述CCD摄像机能够收集所述激光器照射在所述样品上生成的红外光谱。

3.根据权利要求1所述的土壤成分原位分析系统，其特征在于，所述检测装置的底部设有用于放置所述样品的样品盘。

4.根据权利要求1所述的土壤成分原位分析系统，其特征在于，所述第一出射光路为拉曼光路，所述第二出射光路为红外光路，所述分光镜与所述光谱仪之间设有第二会聚透镜，所述分光镜与所述CCD摄像机之间设有第三会聚透镜。

5.根据权利要求4所述的土壤成分原位分析系统，其特征在于，所述分光镜与所述第二会聚透镜之间设有用于滤除瑞利散射和杂散光的陷波滤光片。

6.根据权利要求1所述的土壤成分原位分析系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与所述检测装置电连接和/或通信连接。

7.一种土壤成分原位分析方法，所述土壤成分原位分析方法是根据权利要求1至6中任一项所述的土壤成分原位分析系统来实施的,其特征在于，包括：

S1、取样，利用取样装置获取一定深度的土壤样品，并将所述土壤样品放置在检测装置的样品盘上；

S2、检测分析，激光照射待测的所述土壤样品的表面生成拉曼散射光谱和/或红外光谱，将所述土壤样品的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图与标准土壤成分的拉曼散射光谱谱图和/或红外光谱谱图进行比对分析，确定所述土壤样品的成分及所述成分的含量。

Images