CN218938129U - 土壤水溶性养分检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种土壤水溶性养分检测系统，该系统包括：土壤溶液取样器、土壤溶液收集装置、检测装置和动力装置；土壤溶液取样器埋设于预设深度的原位土壤中，并通过第一管路连通土壤溶液收集装置，土壤溶液收集装置通过第二管路连通动力装置；检测装置包括光谱检测装置和信号处理装置；光谱检测装置用于对土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析，获取土壤溶液对应的光谱数据；信号处理装置用于基于光谱数据和预测模型，确定土壤溶液中水溶性养分的含量。从而可以实现在同一位置长期原位检测，且无需对土壤溶液进行处理，提高了检测系统长期运行的能力，且降低了操作成本，对于野外环境场景下的检测有极大的优势。

Description

土壤水溶性养分检测系统

技术领域

本实用新型涉及农业信息化技术领域，尤其涉及一种土壤水溶性养分检测装置。

背景技术

硝态氮(NO₃ ^-)是硝酸盐中所含有的氮元素，它是植物吸收氮的主要形式。硝态氮用于农业中补充作物氮元素，可以使作物生长加快，延长作物的生长期和采收期。氮肥对作物的生长具有重要的作用，属于作物生长的三大必需营养元素之一。

植物可以直接吸收利用硝态氮，由于硝酸根离子带有负电荷，不易被带土壤胶体吸附，因此对于大部分植物尤其是旱生植物来说，硝态氮是主要氮源，同时土壤中硝态氮含量的高低也是衡量土壤肥力的重要指标之一。我国氮肥的利用率普遍较低，损失的氮肥将导致水体富营养化、地表水污染。因此，对土壤硝态氮的测量具有重要意义。

在现有技术中，对土壤硝态氮的测定方法包括紫外分光光度法、化学法、流动注射法、离子色谱法、离子选择性电极等，这些方法均需要在实验室条件下进行，无法长期原位自动测量，尤其是对于光学类方法，在测量前需要对仪器进行校准、对土壤样品进行处理，不仅操作流程复杂，测量周期长，对测量人员的专业性要求高，而且仪器成本高，不利于广泛推广使用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种土壤水溶性养分检测装置。

第一方面，本实用新型提供一种土壤水溶性养分检测系统，包括：

土壤溶液取样器、土壤溶液收集装置、检测装置和动力装置；

其中，所述土壤溶液取样器埋设于预设深度的原位土壤中，并通过第一管路连通所述土壤溶液收集装置，所述土壤溶液收集装置通过第二管路连通所述动力装置；

所述检测装置包括光谱检测装置和信号处理装置；所述光谱检测装置用于对所述土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析，获取所述土壤溶液对应的光谱数据；所述信号处理装置用于基于所述光谱数据和预测模型，确定所述土壤溶液中水溶性养分的含量；

所述预测模型为预先基于样本光谱数据和所述样本光谱数据对应的水溶性养分含量真实值训练得到。

可选地，所述动力装置包括负压泵和水泵；

所述土壤溶液收集装置通过所述第二管路连通所述负压泵的吸气端；

所述土壤溶液收集装置通过第三管路连通所述光谱检测装置，所述光谱检测装置通过第四管路连通所述水泵。

可选地，所述光谱检测装置包括多波段LED光源和光电探测器，所述多波段LED光源发出的光线通过待测土壤溶液后照射至所述光电探测器，所述光电探测器的输出端连接所述信号处理装置。

可选地，所述多波段LED光源与所述光电探测器分别位于所述待测土壤溶液两侧。

可选地，所述多波段LED光源为由多颗不同波长的LED构成的光源阵列。

可选地，所述多波段LED光源为近红外LED光源和/或紫外LED光源。

可选地，所述水溶性养分为硝态氮。

可选地，所述土壤溶液取样器包括多个；

多个所述土壤溶液取样器设置于不同预设深度的原位土壤中。

第二方面，本实用新型还提供一种基于如上所述第一方面所述的土壤水溶性养分检测系统执行的土壤水溶性养分检测方法，所述方法包括：

启动所述动力装置，对所述土壤溶液收集装置抽真空，用以收集土壤溶液；

所述光谱检测装置对所述土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析，获取所述土壤溶液对应的光谱数据；

所述信号处理装置基于所述光谱数据和所述预测模型，确定所述土壤溶液中水溶性养分的含量。

可选地，所述光谱检测装置对所述土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析之前，所述方法还包括：

启动所述动力装置，将土壤溶液收集装置收集的土壤溶液转移至所述光谱检测装置专用的检测容器中。

本实用新型提供的土壤水溶性养分检测系统及方法，通过原位采集土壤溶液，并基于光谱分析和预测模型检测土壤溶液中水溶性养分含量，可以实现在同一位置长期原位检测，且无需对土壤溶液进行处理，无需频繁对仪器进行校准，也不需要担心离子间的相互干扰对检测结果的影响，可以实现以年为单位的完全无人参与的检测，提高了检测系统长期运行的能力，且降低了操作成本，对于野外环境场景下的检测有极大的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的土壤水溶性养分检测系统的结构示意图；

图2是本实用新型提供的光谱检测装置的结构示意图；

图3是本实用新型提供的土壤水溶性养分检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

土壤养分分有机形态和无机形态，按其对作物的有效程度，又可分为速效养分、缓效养分和难溶性养分，其中，速效养分大多是无机形态，可以以离子形式存在于土壤水中的称为水溶性养分，例如硝态氮、速效磷和速效钾等。

为了后续论述方便，本实用新型各实施例主要以检测土壤中硝态氮含量为例进行说明。当然本领域技术人员可以获知，本实用新型各实施例的技术方案并不局限于检测土壤中硝态氮含量，其他任意土壤中水溶性养分含量的检测同样也可以适用。

针对现有技术中对土壤硝态氮含量检测需要在实验室条件下进行，无法长期原位自动检测，以及在检测前需要对仪器进行校准、对样品进行处理，导致操作流程复杂，检测周期长，对检测人员的专业性要求高，仪器成本高，不利于广泛推广使用等问题。本实用新型各实施例提供一种解决方案，通过原位采集土壤溶液，并基于光谱分析和预测模型检测土壤溶液中水溶性养分含量，解决了以往检测中需要破坏原土壤结构以及必须在实验室条件下进行的限制，而且不需要对采集到的样品进行处理即可达到检测目的，不仅为检测的操作提供便捷性，还可以减少外部环境变量所带来的影响，提高了检测结果的精确度，可实现对同一位置的土壤氮含量进行长期的检测。

图1为本实用新型提供的土壤水溶性养分检测系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：

土壤溶液取样器100、土壤溶液收集装置110、检测装置120和动力装置；

其中，土壤溶液取样器100埋设于预设深度的原位土壤130中，并通过第一管路140连通土壤溶液收集装置110，土壤溶液收集装置110通过第二管路150连通动力装置；

检测装置120包括光谱检测装置和信号处理装置；光谱检测装置用于对土壤溶液收集装置110收集的土壤溶液160进行光谱分析，获取土壤溶液160对应的光谱数据；信号处理装置用于基于光谱数据和预测模型，确定土壤溶液160中水溶性养分的含量；

预测模型为预先基于样本光谱数据和样本光谱数据对应的水溶性养分含量真实值训练得到。

具体地，本实用新型实施例中，可通过土壤溶液取样器100采集土壤溶液160，土壤溶液取样器100是利用水势差(可理解为压力差)会导致水分转移的原理制成的，当水分转移时，溶解在水中的离子等会随水分一起移动，最终内外部达到平衡状态。因此，溶解在土壤溶液中的硝态氮也会一并进入到土壤溶液取样器100内部。

在实际检测过程中，可通过动力装置对土壤溶液收集装置110抽真空，从而在土壤溶液取样器100内部产生负压，土壤中保持的水分就会在压力作用下进入到土壤溶液取样器100内部，并在压力作用下由土壤溶液收集装置110收集。可选地，可以针对不同土壤含水率设定相应的采集时间，达到预设时间后，停止抽真空。

土壤溶液取样器100埋设于预设深度的原位土壤130中，可以避免对土壤结构的破坏，并实现原位检测。其中，预设深度可以根据需要进行设置，在此不做具体限制。

可选地，土壤溶液取样器100的滤芯可以采用陶土头，除了陶土头之外，滤芯也可以采用多种不同的材料工艺，如pp棉滤芯、钛烧结滤芯等，都可以达到收集土壤溶液的效果。

本实用新型实施例中，通过光谱检测装置先对收集到的土壤溶液160进行光谱分析，获取土壤溶液160对应的光谱数据(例如吸光度)，然后将该光谱数据输入信号处理装置进行处理，信号处理装置可以基于该光谱数据和预测模型，预测得到土壤溶液160中水溶性养分的含量。

其中，该预测模型可以是预先基于样本光谱数据和样本光谱数据对应的水溶性养分含量真实值训练好的水溶性养分含量的预测模型。例如，可以使用单片机将采集到的光谱数据发送至计算机，计算机通过计算得到土壤溶液在不同波长下的吸光度，随后使用机器学习算法(例如BP神经网络学习算法，Back Propagation Neuron Network)建立土壤硝态氮的预测模型，并使用土壤溶液的吸光度作为样本，土壤溶液中硝态氮含量百分数作为真实值，训练得到硝态氮的预测模型。在进行检测时，将检测装置120在实际使用中获得的光谱数据代入预测模型即可得到土壤硝态氮含量的预测值。

需要说明的是，本实用新型实施例中，检测装置120可以直接对土壤溶液收集装置110收集的土壤溶液160进行光谱分析，也可以是将土壤溶液收集装置110收集的土壤溶液160转移至光谱检测装置专用的检测容器中进行光谱分析，也就是说，检测装置120可以和土壤溶液收集装置110相结合，也可以分开使用，在此并不限制。

可选地，本实用新型实施例中，土壤溶液取样器100可以包括多个，多个土壤溶液取样器100可设置于不同预设深度的原位土壤130中，以采集不同深度的土壤溶液，获得不同深度土壤溶液中水溶性养分的检测结果。

本实用新型提供的土壤水溶性养分检测系统，通过原位采集土壤溶液，并基于光谱分析和预测模型检测土壤溶液中水溶性养分含量，可以实现在同一位置长期原位检测，且无需对土壤溶液进行处理，无需频繁对仪器进行校准，也不需要担心离子间的相互干扰对检测结果的影响，可以实现以年为单位的完全无人参与的检测，提高了检测系统长期运行的能力，且降低了操作成本，对于野外环境场景下的检测有极大的优势。

此外，本实用新型实施例提供的技术方案对土壤水溶性养分检测的量程较大，分辨率高，而且需水量较小，对于土壤中的水分几乎没有影响，几乎不会影响作物的正常生长，而且，由于本实用新型提供的技术方案并不对土壤溶液进行处理，因此可以在检测完毕后，将土壤溶液原位排出，不会影响土壤的成分。

可选地，本实用新型实施例中，动力装置可以包括负压泵170和水泵171；土壤溶液收集装置110通过第二管路150连通负压泵170的吸气端；土壤溶液收集装置110通过第三管路180连通光谱检测装置，光谱检测装置通过第四管路190连通水泵171。

具体地，负压泵170可以为土壤溶液取样器100中的滤芯提供负压，以使得土壤溶液160进入土壤溶液收集装置110，第二管路150与土壤溶液收集装置110连接的一端出口可以与土壤溶液160液面相距一定距离，以防止土壤溶液160收集时溶液进入负压泵170内部造成损坏。

通过土壤溶液取样器100采集土壤溶液，可以在达到预设时间或者收集的土壤溶液达到需要水量后，使负压泵170停止工作，开启水泵171将土壤溶液160转移至检测装置120中。例如，可以在第三管路180中设置水阀181，需要转移土壤溶液160时，开启水阀181和水泵171，土壤溶液160即可经第三管路180转移至检测装置120，如光谱检测装置专用的检测容器中，再由光谱检测装置对土壤溶液160进行光谱分析，信号处理装置检测土壤溶液160中的硝态氮含量。在检测完毕后，还可以通过水泵171和第四管路190将土壤溶液原位排出，使土壤溶液回到原位土壤130中，从而不会影响到土壤的成分。

可选地，光谱检测装置可以包括多波段发光二极管(light-emitting diode，LED)光源和光电探测器，多波段LED光源发出的光线通过待测土壤溶液后照射至光电探测器，光电探测器的输出端连接信号处理装置。

具体地，本实用新型实施例中，光谱检测装置可以使用多波段LED光源作为光谱检测光源，使用光电探测器获取土壤溶液160在不同波长下的光强并转换为电信号，使用模数转换电路将光电探测器输出的模拟信号转换为数字信号，得到土壤溶液160对应的光谱数据。相比现有光谱分析方法中普遍采用的专业的光谱分析仪，本实用新型实施例中采用的光谱检测装置成本更低，更利于广泛推广使用。

可选地，多波段LED光源可以是单个可变波长的LED，也可以是由多颗不同波长的LED构成的光源阵列。

可选地，多波段LED光源可以为近红外LED光源和/或紫外LED光源，即多波段LED光源可以采用近红外LED光源，也可以采用紫外LED光源，或者近红外LED光源和紫外LED光源结合使用。

可选地，光谱检测装置可以采用透射式检测方法，也可以采用反射式检测方法，即光电探测器可以获取土壤溶液160的透射光谱数据，也可以获取土壤溶液160的反射光谱数据。

图2为本实用新型提供的光谱检测装置的结构示意图，该光谱检测装置采用透射式检测方法，多波段LED光源与光电探测器分别位于待测土壤溶液两侧。图2中，左边视图为光谱检测装置结构的整体主视图，中间视图示出了光谱检测装置中光电探测器的设置位置，右边视图为光谱检测装置的剖面图。如图2所示，该光谱检测装置的光源为由多颗不同波长的LED构成的光源阵列，各LED对应的LED发射窗口200分布于同一半球面上，各LED发出的光线均指向光电探测器窗口210所设位置，光电探测器窗口可设于该半球面球心位置附近；光谱检测装置设有土壤溶液入口220和土壤溶液出口230，土壤溶液由该土壤溶液入口220进入光谱检测装置专用的检测容器中，检测完毕后，经土壤溶液出口230排出；LED光源与光电探测器分别位于待测土壤溶液两侧，中间可由滤光片240隔开。

本实用新型各实施例提供的方法和系统是基于同一发明构思的，由于方法和系统解决问题的原理相似，因此方法和系统的实施可以相互参见，重复之处不再赘述。

图3为本实用新型提供的土壤水溶性养分检测方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤300、启动动力装置，对土壤溶液收集装置抽真空，用以收集土壤溶液；

步骤301、光谱检测装置对土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析，获取土壤溶液对应的光谱数据；

步骤302、信号处理装置基于光谱数据和预测模型，确定土壤溶液中水溶性养分的含量。

具体地，本实用新型实施例中，可通过土壤溶液取样器采集土壤溶液。在实际检测过程中，可通过动力装置对土壤溶液收集装置抽真空，从而在土壤溶液取样器内部产生负压，土壤中保持的水分就会在压力作用下进入到土壤溶液取样器内部，并在压力作用下由土壤溶液收集装置收集。可选地，可以针对不同土壤含水率设定相应的采集时间，达到预设时间后，停止抽真空；也可以使用液位传感器对收集的土壤溶液进行液位检测，在达到需要的水量后停止抽真空。

本实用新型实施例中，通过光谱检测装置先对收集到的土壤溶液进行光谱分析，获取土壤溶液对应的光谱数据(例如吸光度)，然后将该光谱数据输入信号处理装置进行处理，信号处理装置可以基于该光谱数据和预测模型，预测得到土壤溶液中水溶性养分的含量。

其中，该预测模型可以是预先基于样本光谱数据和样本光谱数据对应的水溶性养分含量真实值训练好的水溶性养分含量的预测模型。例如，可以使用单片机将采集到的光谱数据发送至计算机，计算机通过计算得到土壤溶液在不同波长下的吸光度，随后使用机器学习算法(例如BP神经网络学习算法，Back Propagation Neuron Network)建立土壤硝态氮的预测模型，并使用土壤溶液的吸光度作为样本，土壤溶液中硝态氮含量百分数作为真实值，训练得到硝态氮的预测模型。在进行检测时，将检测装置在实际使用中获得的光谱数据代入预测模型即可得到土壤硝态氮含量的预测值。

本实用新型提供的土壤水溶性养分检测方法，通过原位采集土壤溶液，并基于光谱分析和预测模型检测土壤溶液中水溶性养分含量，可以实现在同一位置长期原位检测，且无需对土壤溶液进行处理，无需频繁对仪器进行校准，也不需要担心离子间的相互干扰对检测结果的影响，可以实现以年为单位的完全无人参与的检测，提高了检测系统长期运行的能力，且降低了操作成本，对于野外环境场景下的检测有极大的优势。

可选地，光谱检测装置对土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析之前，该方法还包括：

启动动力装置，将土壤溶液收集装置收集的土壤溶液转移至光谱检测装置专用的检测容器中。

具体地，本实用新型实施例中，检测装置可以直接对土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析，也可以是将土壤溶液收集装置收集的土壤溶液转移至光谱检测装置专用的检测容器中进行光谱分析。

例如，通过土壤溶液取样器采集土壤溶液，可以在达到预设时间或者收集的土壤溶液达到需要水量后，使负压泵停止工作，开启水泵将土壤溶液转移至检测装置中。具体地，可以在第三管路中设置水阀，需要转移土壤溶液时，开启水阀和水泵，土壤溶液即可经第三管路转移至光谱检测装置专用的检测容器中，再由光谱检测装置对土壤溶液进行光谱分析，信号处理装置检测土壤溶液中的硝态氮含量。在检测完毕后，还可以通过水泵和第四管路将土壤溶液原位排出，使土壤溶液回到原位土壤中，从而不会影响到土壤的成分。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分也可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，包括：

土壤溶液取样器、土壤溶液收集装置、检测装置和动力装置；

其中，所述土壤溶液取样器埋设于预设深度的原位土壤中，并通过第一管路连通所述土壤溶液收集装置，所述土壤溶液收集装置通过第二管路连通所述动力装置；

所述检测装置包括光谱检测装置和信号处理装置；所述光谱检测装置用于对所述土壤溶液收集装置收集的土壤溶液进行光谱分析，获取所述土壤溶液对应的光谱数据；所述信号处理装置用于基于所述光谱数据和预测模型，确定所述土壤溶液中水溶性养分的含量；

所述预测模型为预先基于样本光谱数据和所述样本光谱数据对应的水溶性养分含量真实值训练得到。

2.根据权利要求1所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述动力装置包括负压泵和水泵；

所述土壤溶液收集装置通过所述第二管路连通所述负压泵的吸气端；

所述土壤溶液收集装置通过第三管路连通所述光谱检测装置，所述光谱检测装置通过第四管路连通所述水泵。

3.根据权利要求1所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述光谱检测装置包括多波段LED光源和光电探测器，所述多波段LED光源发出的光线通过待测土壤溶液后照射至所述光电探测器，所述光电探测器的输出端连接所述信号处理装置。

4.根据权利要求3所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述多波段LED光源与所述光电探测器分别位于所述待测土壤溶液两侧。

5.根据权利要求3所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述多波段LED光源为由多颗不同波长的LED构成的光源阵列。

6.根据权利要求3所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述多波段LED光源为近红外LED光源和/或紫外LED光源。

7.根据权利要求1所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述水溶性养分为硝态氮。

8.根据权利要求1所述的土壤水溶性养分检测系统，其特征在于，所述土壤溶液取样器包括多个；

多个所述土壤溶液取样器设置于不同预设深度的原位土壤中。

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