CN117074403A - 一种土壤水分盐分信息自动化提取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，包括底座，所述底座的顶部固定连接有连接机构，所述连接机构包括安装在底座顶部的连接板，所述连接板的内部固定连接有第一磁条贴片，所述连接机构的顶部安装有盖板，所述盖板的内部设置有用于检测土壤信息的信息采集设备，所述底座的顶部安装有用于配合连接机构使用的支护机构，所述底座的外侧固定连接有用于对灯箱进行供电的充电机构，通过驱动杆移动后还会挤压连杆，连杆被挤压后会压动气囊，气囊被挤压后会将内部的气体通过导管压入到连接筒的内部，从而推动连接筒内部的插杆外移，插杆外移后可以插入到土壤中，使得土壤变得松散，避免在放置土壤时土壤过于板结影响实验精度。
Description
技术领域
本发明涉及农业检测技术领域，具体为一种土壤水分盐分信息自动化提取装置。
背景技术
土壤水分和盐分含量的准确测量和管理对农业生产、土壤质量评估、生态环境保护和科学研究都具有重要意义，有助于提高土壤利用效率、保护生态环境和实现可持续农业发展。
目前在测量盐渍土的含水率、含盐量技术中，主要有质量法、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、遥感法等。在众多的盐渍土含水率、含盐量测量方法中，质量法即采用烘干的方法进行水分、盐分的测定最为准确，但是其测量过程复杂，时效性差和不能现场测量。应用较为广泛的基于土壤的介电常数、电导率测量的传感器技术，例如5TE传感器、电容式传感器等，具有土壤非破坏性、测量时间短、测量精度高等有点，但其测量范围有明显的范围限制，测量方法不适用于含水率较高的土壤，或传感器的精度较低，或当盐渍土中其他因子含量较高时，测量准确度会降低。介电常数与电导率和含水率、含盐量之间的模拟适用条件受土壤类型、密实度等影响，需要在使用之前进行仪器的校准。因此需要一种使用条件低、准确、快速测定盐渍土含水率、含盐量的技术。
为此，提出一种土壤水分盐分信息自动化提取装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，以解决上述背景技术中提出的测量盐渍土的含水率、含盐量时，其测量过程复杂，时效性差和不能现场测量的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，包括底座，所述底座的顶部固定连接有连接机构，所述连接机构包括安装在底座顶部的连接板，所述连接板的内部固定连接有第一磁条贴片，所述第一磁条贴片的内部开设有安装槽和连接孔，所述安装槽和所述连接孔连通，所述安装槽的内部滑动连接有连杆，所述安装槽的内部固定连接有气囊，所述气囊的外侧固定连接有导管，所述导管的外侧固定连接有连接筒，且所述气囊、所述导管和所述连接筒连通，所述连接筒的内部滑动连接有插杆；
所述连接机构的顶部安装有盖板，所述盖板的内部设置有用于检测土壤信息的信息采集设备；
所述底座的顶部安装有用于配合连接机构使用的支护机构，所述支护机构包括安装在底座顶部的支护板，所述支护板的内部开设有限位槽，所述限位槽的内部滑动连接有密封板，所述密封板的外侧固定连接有驱动杆，所述支护板的内部固定安装有第二磁条贴片，所述支护板的内部可拆卸式连接有灯箱；
所述底座的外侧固定连接有用于对灯箱进行供电的充电机构。
优选的，所述盖板的顶部固定连接有限位机构，所述限位机构包括开设在盖板内部的放置槽，所述放置槽的内部开设有滑轨，所述滑轨的内部滑动连接有支架板，所述支架板与所述放置槽的侧壁之间固定连接有第二弹簧，所述支架板的内部滑动连接有限位板，所述支架板与所述限位板之间固定连接有第一弹簧。
优选的，所述连接板和所述支护板的材质均为亚克力板，所述连接板和所述支护板的外侧涂抹有纳米涂层。
优选的，所述充电机构包括固定连接在底座外侧的供电电源，所述供电电源的外侧电连接有供电头，所述底座的内部开设有用于配合供电头使用的供电座，所述灯箱为国际通用人工日光D65标准光源，色温范围为(6500±500)Kelvin，所述供电座与所述灯箱之间固定连接有导线。
优选的，所述信息采集设备可以为智能手机，所述智能手机的内部安装有含有基于RGB提取含水率、含盐量测试系统。
优选的，所述RGB提取含水率、含盐量测试系统是先对拍摄的照片自动裁剪，并利用高斯拟合公式自动提取图片的R、G、B的均值，通过含水率与表观色彩参数的拟合公式得到表观的含水率，通过提取表观白色占比得到表观含盐量，通过表观的含水率、含盐量分别代入到不同模型公式中(公式如下所示)，得到各深度处土壤的含水率、含盐量；
其中，含水率与盐渍土色彩参数R、G、B的三元线性回归模型公式如下：
y＝-0.097R-0.052G-0.11B+39.874R2＝0.9680RMSE＝0.8518
式中：R2＝0.9680表示该模型可以解释表观含水率变异的96.80％；
RMSE＝0.8518表示模型的平均标准误差为0.8518，即模型预测的含水率与实际观察值之间的平均误差为0.8518。
其中，含盐量与盐渍土表观R＝G＝B＝255的一元回归模型公式如下：
y＝-0.3396x2+4.7752x+1.3118R2＝0.9762RMSE＝0.8540
式中：R2＝0.9762表示该模型可以解释含盐量变异的97.62％；
RMSE＝0.8540表示模型的平均标准误差为0.8540，即模型预测的含盐量与实际观察值之间的平均误差为0.8540。
优选的，所述密封板与所述限位槽之间固定连接有第三弹簧，所述驱动杆插接在所述连接孔的内部。
优选的，所述驱动杆的内部设置有铁片，所述气囊设置在所述连杆的内侧，所述密封板的外侧固定连接有密封条。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过第一磁条贴片会吸附驱动杆，从而吸附驱动杆移动并插入到连接孔中，驱动杆移动时会同步带动密封板外移，密封板外移后会与连接板的侧壁贴合，进而保证了连接板和支护板之间的密封性，防止土壤从连接板和支护板之间的缝隙洒出。
2、本发明中，同时通过驱动杆移动后还会挤压连杆，连杆被挤压后会压动气囊，气囊被挤压后会将内部的气体通过导管压入到连接筒的内部，从而推动连接筒内部的插杆外移，插杆外移后可以插入到土壤中，使得土壤变得松散，避免在放置土壤时土壤过于板结影响实验精度。
3、本发明中，通过将信息采集设备放置在限位机构的内部，由于支架板可以沿着滑轨滑动且支架板和放置槽的侧壁之间设置有第二弹簧，又因为限位板在支架板的内部滑动且支架板和限位板之间设置有第一弹簧，因此可以实现对不同尺寸的信息采集设备进行限位固定，从而提升了该装置的使用范围；
4、本发明可以在任何天气环境背景下，均可以准确、快速的测量盐渍土的含水率、含盐量，结构简单、成本低廉、所测数据具有时效性、便携性强，且该技术测定盐渍土的含水率、含盐量具有很高的精确度。
附图说明
图1为本发明的整体结构视图；
图2为本发明的限位机构和信息采集设备的连接结构示意图；
图3为本发明的整体结构的爆炸结构示意图；
图4为本发明的支护机构的连接结构爆炸图；
图5为本发明的支护机构的内部结构剖视图；
图6为本发明的连接机构的整体结构示意图；
图7为本发明的连接机构的剖视结构示意图；
图8为本发明的连接机构的爆炸结构示意图；
图9为本发明的基于RGB提取盐渍土含水率、含盐量测试系统自动裁剪照片示意图；
图10为本发明的传感器法与基于RGB提取盐渍土含水率、含盐量法精度对比图；
图11为本发明的回归模型示意图。
图中：
1、底座；
2、连接机构；21、连接板；22、第一磁条贴片；23、安装槽；24、连接孔；25、连杆；26、气囊；27、导管；28、连接筒；29、插杆；
3、盖板；
4、限位机构；41、放置槽；42、滑轨；43、支架板；44、第一弹簧；45、限位板；46、第二弹簧；
5、信息采集设备；
6、支护机构；61、支护板；62、第二磁条贴片；63、灯箱；64、限位槽；65、密封板；66、第三弹簧；67、驱动杆；
7、充电机构；71、供电电源；72、供电头；73、供电座。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1至图11，本发明提供一种土壤水分盐分信息自动化提取装置的技术方案：
一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，包括底座1，底座1的顶部固定连接有连接机构2，连接机构2包括安装在底座1顶部的连接板21，连接板21的内部固定连接有第一磁条贴片22，第一磁条贴片22的内部开设有安装槽23和连接孔24，安装槽23和连接孔24连通，安装槽23的内部滑动连接有连杆25，安装槽23的内部固定连接有气囊26，气囊26的外侧固定连接有导管27，导管27的外侧固定连接有连接筒28，且气囊26、导管27和连接筒28连通，连接筒28的内部滑动连接有插杆29；
连接机构2的顶部安装有盖板3，盖板3的内部设置有用于检测土壤信息的信息采集设备5；
底座1的顶部安装有用于配合连接机构2使用的支护机构6，支护机构6包括安装在底座1顶部的支护板61，支护板61的内部开设有限位槽64，限位槽64的内部滑动连接有密封板65，密封板65的外侧固定连接有驱动杆67，支护板61的内部固定安装有第二磁条贴片62，支护板61的内部可拆卸式连接有灯箱63；
底座1的外侧固定连接有用于对灯箱63进行供电的充电机构7。
作为本发明的一种实施例，如图1至图3所示，盖板3的顶部固定连接有限位机构4，限位机构4包括开设在盖板3内部的放置槽41，放置槽41的内部开设有滑轨42，滑轨42的内部滑动连接有支架板43，支架板43与放置槽41的侧壁之间固定连接有第二弹簧46，支架板43的内部滑动连接有限位板45，支架板43与限位板45之间固定连接有第一弹簧44。
工作时，通过将信息采集设备5放置在限位机构4的内部，由于支架板43可以沿着滑轨42滑动且支架板43和放置槽41的侧壁之间设置有第二弹簧46，又因为限位板45在支架板43的内部滑动且支架板43和限位板45之间设置有第一弹簧44，因此可以实现对不同尺寸的信息采集设备5进行限位固定，从而提升了该装置的使用范围。
作为本发明的一种实施例，如图1和图2所示，连接板21和支护板61的材质均为亚克力板，连接板21和支护板61的外侧涂抹有纳米涂层，充电机构7包括固定连接在底座1外侧的供电电源71，供电电源71的外侧电连接有供电头72，底座1的内部开设有用于配合供电头72使用的供电座73，灯箱63为国际通用人工日光D65标准光源，色温范围为6500±500Kelvin。
工作时，将供电头72插入到供电座73的内部，从而实现供电电源71对灯箱63进行供电，灯箱63通电后，可以照亮连接板21和支护板61的内部，保证信息采集设备5在采集土壤信息时光线，从而减少因阴天等天气原因造成的连接板21和支护板61内部光源不足的问题，进而保证了实验的精度。
作为本发明的一种实施例，如图3至图8所示，密封板65与限位槽64之间固定连接有第三弹簧66，驱动杆67插接在连接孔24的内部，驱动杆67的内部设置有铁片，连杆25的外侧固定连接有磁铁，气囊26设置在连杆25的内侧，密封板65的外侧固定连接有密封条；
工作时，将支护板61安装在底座1的顶部，随后将连接板21放置在底座1的顶部，由于支护板61的内部设置有第二磁条贴片62，且连接板21的内部设置有第一磁条贴片22，当连接板21放置在连接板21的顶部时，通过第一磁条贴片22和第二磁条贴片62之间的相互吸附，可使得连接板21与支护板61固定安装在一起，随后将盖板3安装在连接板21和支护板61的顶部，从而实现对该装置的安装；
随后将待检测的土壤放入到连接板21、底座1和支护板61组成的空间中；
在此过程中，第一磁条贴片22会吸附驱动杆67，从而吸附驱动杆67移动并插入到连接孔24中，驱动杆67移动时会同步带动密封板65外移，密封板65外移后会与连接板21的侧壁贴合，进而保证了连接板21和支护板61之间的密封性，放置土壤从连接板21和支护板61之间的缝隙洒出，同时驱动杆67移动后还会挤压连杆25，连杆25被挤压后会压动气囊26，气囊26被挤压后会将内部的气体通过导管27压入到连接筒28的内部，从而推动连接筒28内部的插杆29外移，插杆29外移后可以插入到土壤中，使得土壤变得松散，避免在放置土壤时，土壤过于板结影响实验精度。
作为本发明的一种实施例，如图9至图11所示，信息采集设备5可以为智能手机，智能手机的内部安装有含有基于RGB提取含水率、含盐量测试系统，RGB提取含水率、含盐量测试系统是先对拍摄的照片自动裁剪，并利用高斯拟合公式(其步骤如下：步骤一：加载图像：使用适当的图像处理库(如OpenCV、Pillow等)加载图像文件并将其转换为图像数据数组；步骤二：提取像素值：将图像数据分离为红色通道(R)、绿色通道(G)和蓝色通道(B)。根据图像数据的格式，可以将每个通道的像素值存储在单独的数组中；步骤三：计算每个通道的像素均值：对每个通道的像素值进行求和，并将其除以总像素数(图像宽度乘以图像高度)来计算每个通道的平均值。得到红色通道的均值(R_mean)、绿色通道的均值(G_mean)和蓝色通道的均值(B_mean))，自动提取图片的R、G、B的均值，通过含水率与表观色彩参数的拟合公式得到表观的含水率，通过提取表观白色占比得到表观含盐量，通过表观的含水率、含盐量分别代入到不同模型公式中(公式如下所示)，得到各深度处土壤的含水率、含盐量；
其中，含水率与盐渍土色彩参数R、G、B的三元线性回归模型公式如下：
y＝-0.097R-0.052G-0.11B+39.874R2＝0.9680RMSE＝0.8518
式中：R2＝0.9680表示该模型可以解释表观含水率变异的96.80％；
RMSE＝0.8518表示模型的平均标准误差为0.8518，即模型预测的含水率与实际观察值之间的平均误差为0.8518。
其中，含盐量与盐渍土表观R＝G＝B＝255的一元回归模型公式如下：
y＝-0.3396x2+4.7752x+1.3118R2＝0.9762RMSE＝0.8540
式中：R2＝0.9762表示该模型可以解释含盐量变异的97.62％；
RMSE＝0.8540表示模型的平均标准误差为0.8540，即模型预测的含盐量与实际观察值之间的平均误差为0.8540，模型如图11所示。
工作时，将信息采集设备5放置在限位机构4的内部，拍摄图片，通过信息采集设备5提取安装的基于RGB提取含水率、含盐量的测试系统，先将拍摄图片经过裁剪处理，得到只含土壤的图片裁剪，如图9所示，利用高斯拟合公式自动提取图片的R、G、B的均值，通过含水率与表观色彩参数的拟合公式得到表观的含水率，通过提取表观白色占比得到表观含盐量，通过表观的含水率、含盐量代入模型公式中，得到各深度处土壤的含水率、含盐量。
利用校准后的水分、盐分传感器与该技术进行对比，如图10所示可以发现两者测定的体积含水率的相对误差范围仅为0.27％～9.48％，测定的含盐量的相对误差范围为0.07％～8.64％，而绝对误差均小于1％，表明该技术测定盐渍土的含水率、含盐量具有很高的精确度。
工作原理：工作时，先将支护板61安装在底座1的顶部，随后将连接板21放置在底座1的顶部，由于支护板61的内部设置有第二磁条贴片62，且连接板21的内部设置有第一磁条贴片22，当连接板21放置在连接板21的顶部时，通过第一磁条贴片22和第二磁条贴片62之间的相互吸附，可使得连接板21与支护板61固定安装在一起，随后将盖板3安装在连接板21和支护板61的顶部，从而实现对该装置的安装；
随后将待检测的土壤放入到连接板21、底座1和支护板61组成的空间中；
在此过程中，第一磁条贴片22会吸附驱动杆67，从而吸附驱动杆67移动并插入到连接孔24中，驱动杆67移动时会同步带动密封板65外移，密封板65外移后会与连接板21的侧壁贴合，进而保证了连接板21和支护板61之间的密封性，放置土壤从连接板21和支护板61之间的缝隙洒出，同时驱动杆67移动后还会挤压连杆25，连杆25被挤压后会压动气囊26，气囊26被挤压后会将内部的气体通过导管27压入到连接筒28的内部，从而推动连接筒28内部的插杆29外移，插杆29外移后可以插入到土壤中，使得土壤变得松散，避免在放置土壤时，土壤过于板结影响实验精度；
随后将信息采集设备5放置在限位机构4的内部，由于支架板43可以沿着滑轨42滑动且支架板43和放置槽41的侧壁之间设置有第二弹簧46，又因为限位板45在支架板43的内部滑动且支架板43和限位板45之间设置有第一弹簧44，因此可以实现对不同尺寸的信息采集设备5进行限位固定，从而提升了该装置的使用范围；
随后将供电头72插入到供电座73的内部，从而实现供电电源71对灯箱63进行供电，灯箱63通电后，可以照亮连接板21和支护板61的内部，保证信息采集设备5在采集土壤信息时光线，从而减少因阴天等天气原因造成的连接板21和支护板61内部光源不足的问题，进而保证了实验的精度；
最后打开信息采集设备5中的专业相机模式，设置感光度iso200-500，快门速度s1/100-1/200,AWB白平衡6500±500，对焦模式为AF-s单次自动对焦(用于拍摄静止物品)，从而完成对土壤的拍照检测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，包括底座(1)，其特征在于：所述底座(1)的顶部固定连接有连接机构(2)，所述连接机构(2)包括安装在底座(1)顶部的连接板(21)，所述连接板(21)的内部固定连接有第一磁条贴片(22)，所述第一磁条贴片(22)的内部开设有安装槽(23)和连接孔(24)，所述安装槽(23)和所述连接孔(24)连通，所述安装槽(23)的内部滑动连接有连杆(25)，所述安装槽(23)的内部固定连接有气囊(26)，所述气囊(26)的外侧固定连接有导管(27)，所述导管(27)的外侧固定连接有连接筒(28)，且所述气囊(26)、所述导管(27)和所述连接筒(28)连通，所述连接筒(28)的内部滑动连接有插杆(29)；
所述连接机构(2)的顶部安装有盖板(3)，所述盖板(3)的内部设置有用于检测土壤信息的信息采集设备(5)；
所述底座(1)的顶部安装有用于配合连接机构(2)使用的支护机构(6)，所述支护机构(6)包括安装在底座(1)顶部的支护板(61)，所述支护板(61)的内部开设有限位槽(64)，所述限位槽(64)的内部滑动连接有密封板(65)，所述密封板(65)的外侧固定连接有驱动杆(67)，所述支护板(61)的内部固定安装有第二磁条贴片(62)，所述支护板(61)的内部可拆卸式连接有灯箱(63)；
所述底座(1)的外侧固定连接有用于对灯箱(63)进行供电的充电机构(7)。
2.根据权利要求1所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述盖板(3)的顶部固定连接有限位机构(4)，所述限位机构(4)包括开设在盖板(3)内部的放置槽(41)，所述放置槽(41)的内部开设有滑轨(42)，所述滑轨(42)的内部滑动连接有支架板(43)，所述支架板(43)与所述放置槽(41)的侧壁之间固定连接有第二弹簧(46)，所述支架板(43)的内部滑动连接有限位板(45)，所述支架板(43)与所述限位板(45)之间固定连接有第一弹簧(44)。
3.根据权利要求1所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述连接板(21)和所述支护板(61)的材质均为亚克力板，所述连接板(21)和所述支护板(61)的外侧涂抹有纳米涂层。
4.根据权利要求1所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述充电机构(7)包括固定连接在底座(1)外侧的供电电源(71)，所述供电电源(71)的外侧电连接有供电头(72)，所述底座(1)的内部开设有用于配合供电头(72)使用的供电座(73)，所述灯箱(63)为国际通用人工日光D65标准光源，色温范围为(6500±500)Kelvin，所述供电座(73)与所述灯箱(63)之间固定连接有导线。
5.根据权利要求1所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述信息采集设备(5)可以为智能手机，所述智能手机的内部安装有含有基于RGB提取含水率、含盐量测试系统。
6.根据权利要求5所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述RGB提取含水率、含盐量测试系统，具体包括以下步骤：
对拍摄的照片自动裁剪，并利用高斯拟合公式自动提取图片的R、G、B的均值；
通过含水率与表观色彩参数的拟合公式得到表观的含水率；
通过提取表观白色占比得到表观含盐量；
通过表观的含水率、含盐量分别代入到不同模型中，见下式，得到各深度处土壤的含水率、含盐量；
其中，含水率与盐渍土色彩参数R、G、B的三元线性回归模型公式如下：
y＝-0.097R-0.052G-0.11B+39.874R2＝0.9680RMSE＝0.8518
式中：R2＝0.9680表示该模型可以解释表观含水率变异的96.80％；
RMSE＝0.8518表示模型的平均标准误差为0.8518，即模型预测的含水率与实际观察值之间的平均误差为0.8518；
其中，含盐量与盐渍土表观R＝G＝B＝255的一元回归模型公式如下：
y＝-0.3396x2+4.7752x+1.3118R2＝0.9762RMSE＝0.8540
式中：R2＝0.9762表示该模型可以解释含盐量变异的97.62％；
RMSE＝0.8540表示模型的平均标准误差为0.8540，即模型预测的含盐量与实际观察值之间的平均误差为0.8540。
7.根据权利要求1所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述密封板(65)与所述限位槽(64)之间固定连接有第三弹簧(66)，所述驱动杆(67)插接在所述连接孔(24)的内部。
8.根据权利要求1所述的一种土壤水分盐分信息自动化提取装置，其特征在于：所述驱动杆(67)的内部设置有铁片，所述气囊(26)设置在所述连杆(25)的内侧，所述密封板(65)的外侧固定连接有密封条。
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