CN103149180A - 土壤光谱反射率和电导率检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤光谱反射率和电导率检测装置及其检测方法，该装置底部为土壤检测探头，该装置还包括：传感单元，用于产生光信号和恒定的电流，经过土壤产生反射光信号和电压信号，将反射光信号转换为电信号，将所述电信号和电压信号发送给控制处理单元，用于对控制所述装置，对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果。采用本发明的装置方法将土壤养分参数检测和土壤电导率复合于一体，对土壤光谱反射率进行修正，提高了土壤养分参数检测精度，抗干扰性强且便于携带，从而得到高效准确的土壤检测结果。

Description

土壤光谱反射率和电导率检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及土壤检测领域，特别涉及一种土壤光谱反射率和电导率检测装置及其检测方法。

背景技术

土壤养分参数（主要为氮、磷、钾和有机质含量）是重要的土壤肥力指标，它反映了土壤供给作物生长的能力。氮素主要是促进植物根、茎、叶的个体生长，是形成一定品质产品的首要营养元素，其丰缺程度直接影响植物长势、收获产品及其品质。

近红外光谱分析主要分为透射光谱分析和漫反射光谱分析。透射光谱分析使用近红外的短波区域（0.8～1.2μm），主要用于对液体状样品或透过率较大的样品进行分析；漫反射光谱分析使用近红外的长波区域（1.4～2.5μm），主要用于对粉末状样品或固体样品进行分析。近红外光谱分析的主要优点是：分析速度快、样品准备简单、对于单个光谱可进行多种组分的分析、不消耗样品、没有化学污染等。土壤氮素的实时检测在世界范围内仍然是一个难点。

现在有技术中美国ASD（Analytical Spectral Devices）公司生产的FieldSpec FR Pro地物光谱仪，光谱仪波长范围为0.35～2.5μm，波长精度为±1nm，该仪器可以用于农作物长势检测以及土壤反射率采集，但是由于属于被动光源检测，受环境影响较大，需要不断检测标准板反射率，得到的结果并不准确全面，如果用于田间现场检测需要配合标准板和电脑，需要2-3人配合使用才能工作，从而导致测量过程繁琐，耗费时间较长，实时性差，不能满足现代精细农业要求短时间内完成大批量测量的要求。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种土壤光谱反射率和电导率检测装置及其检测方法能够将土壤养分参数检测和土壤电导率复合于一体，实现多参数的同步测量，并能提高土壤养分参数检测的精度、抗干扰性及便携性，从而得到高效准确的土壤检测结果。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤光谱反射率和电导率检测装置，该装置底部为土壤检测探头，该装置还包括：

传感单元，用于产生光信号和恒定的电流，经过土壤产生反射光信号和电压信号，将反射光信号转换为电信号，将所述电信号和电压信号发送给制处理单元

控制处理单元，用于对控制所述土壤光谱反射率和电导率检测装置，对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果。

优选的，所述传感单元包括：

光源，用于产生光信号；

光纤，与所述土壤检测探头、光源、控制处理单元连接，用于传输入射和反射光信号；

光电传感器，用于将反射光信号转换为电信号；

恒流电源，用于产生恒定的电流；

环式探针，设置于装置底部土壤检测探头内，与绝缘圆环交替排列，与所述恒流电源和控制处理单元连接，用于探测电流流过土壤的电压。

优选的，所述环式探针为四环探针，其中两端的环式探针为恒流电源的输入端，与所述恒流电源连接，中间的两个环式探针为电压信号输出端，与所述控制处理单元连接。

优选的，所述控制处理单元包括：装置控制单元、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、处理器、显示器和U盘存储模块；

所述处理器用于对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果；

所述U盘存储模块用于将检测数据存储在U盘中。

优选的，该装置上还设置有滤光片。

优选的，所述土壤光谱反射率和电导率检测装置为“Y”形，“Y”形土壤光谱反射率和电导率检测装置的两个顶端分别与光源和控制处理单元连接，底端为土壤检测探头。

本发明还提供一种土壤检测方法，该方法包括步骤：

S1通过装置控制单元将土壤光谱反射率和电导率检测装置打开，将土壤光谱反射率和电导率检测装置的土壤检测探头部分***土壤中；

S2光源产生光信号经光纤入射到土壤检测探头内的土壤中，恒流电源产生恒定的电流，经导线、环式探针流过土壤检测探头内的土壤；

S3所述光信号入射土壤检测探头内的土壤后产生反射光信号，通过光纤传输到光电传感器转换为电信号，将所述电信号发送给所述控制处理单元，所述恒定的电流流过土壤检测探头内的土壤形成电压信号，将所述电压信号发送给所述控制处理单元；

S4所述控制处理单元利用所述电信号和电压信号通过处理器计算土壤的光谱反射率和电导率含量，利用土壤的电导率得到修正值，对土壤的光谱反射率进行修正，通过修正后的土壤的光谱反射率获得土壤养分参数的检测结果；

S5控制处理单元上的显示器显示检测结果，U盘存储模块将检测结果保存至U盘。

优选的，步骤S4中所述控制处理单元利用放大电路、滤波电路、A/D转换电路对所述电信号和电压信号进行预处理。

优选的，步骤S4中所述土壤的光谱反射率的修正值的获取方法为：

S41制备标准土样，所述标准土样为检测区域内风干后的土壤；

S42利用土壤光谱反射率和电导率检测装置测量标准土样的土壤电导率，记为σ₀；

S43利用滤光片得到n个光谱反射率值，采用的滤光片个数是n，则一次测量可测得n个光谱反射率值R₁,R₂，…,R_n，土壤电导率的值为σ；

S44对测量的光谱反射率按照式(1)进行修正

$R_i^{\′}=\log \frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\×R_i(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

其中，R_i为检测的土壤光谱反射率，σ₀为标准土样的电导率值，σ为检测的土壤的电导率值，R'_i为土壤光谱反射率的修正值。

（三）有益效果

本发明的土壤光谱反射率和电导率检测装置及其检测方法将土壤光反射率和土壤电导率复合于一体，对土壤光谱反射率进行修正，提高了土壤检测精度，采用主动光源，抗干扰性强且便于携带，从而得到高效准确的土壤检测结果。

附图说明

图1是本发明实施例土壤光谱反射率和电导率检测装置的结构图。

图2是本发明实施例土壤检测方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一种土壤光谱反射率和电导率检测装置，该装置底部为土壤检测探头，该装置包括：传感单元和控制处理单元；

传感单元，用于产生光信号和恒定的电流，经过土壤产生反射光信号和电压信号，将反射光信号转换为电信号，将所述电信号和电压信号发送给控制处理单元

所述传感单元包括：

光源，用于产生光信号；

光纤，与所述土壤检测探头、光源、控制处理单元连接，用于传输入射和反射光信号；

光电传感器，用于将反射光信号转换为电信号；

恒流电源，用于产生恒定的电流；

环式探针，设置于装置底部土壤检测探头内，与绝缘圆环交替排列，与所述恒流电源和控制处理单元连接，用于探测电流流过土壤的电压。

优选的，所述环式探针为四环探针，其中两端的环式探针为恒流电源的输入端，与所述恒流电源连接，中间的两个环式探针为电压信号输出端，与所述控制处理单元连接。

控制处理单元，用于对控制所述土壤光谱反射率和电导率检测装置，对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果。

所述控制处理单元包括：装置控制单元、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、处理器、显示器和U盘存储模块；

所述处理器用于对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果；

所述U盘存储模块用于将检测数据存储在U盘中。

具体的，如图1所示本发明实施例的土壤光谱反射率和电导率检测装置为“Y”形，由传感单元1和控制处理单元2组成。传感单元包括可提供可见光和近红外光源的卤素钨灯4、光源驱动电路、共用Y型入射/反射光纤5、光电探测器、恒流电源6和4圈圆环式探针7；控制处理单元括放大电路8、滤波电路9、A/D转换电路10、MSP43C处理器11、步进电机控制电路、液晶显示电路以及同步U盘存储电路。

提供可见光和近红外光源的卤素钨灯和控制处理单元分别设置在“Y”形土壤光谱反射率和电导率检测装置的两个顶端上，可提供可见光和近红外光源的卤素钨灯通过光源驱动电路进行驱动，“Y”形土壤光谱反射率和电导率检测装置内部设置有共用Y型入射/反射光纤，共用Y型入射/反射光纤与控制处理单元之间设置滤光片组合12，方便对土壤的多次测量。

“Y”形土壤光谱反射率和电导率检测装置的的底端为土壤检测探头内部设置4圈圆环式探针，4圈圆环式探针采用金属圆环和橡胶圆环交替排列，形成J,M,N,K形式的4段探针，其中JK端作为交变恒流源输入端，MN端作为电压信号输出端，4圈圆环式探针与控制处理单元和交变恒流源通过导线13连接，所示交变恒流源包括信号发生器和恒流源电路。

控制处理单元与光电探测器和4圈圆环式探针连接，控制处理单元内部，光电探测器、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、处理器依次连接；4圈圆环式探针、有效值转换电路、放大电路、A/D转换电路、处理器依次连接

土壤光谱反射率和电导率检测装置通过入射光纤将光源的光传输到地表下面的土壤中，其中一部分光被土壤吸收，另一部分光在探头前面的土壤表面形成漫反射，反射的光通过反射光纤将信息反馈回来，其反射光线传至光电探测器，光电探测器把光信号转化为电信号，根据电信号的大小可以计算出土壤的光谱反射率。传感器的电导率测量部分由一个交流恒流源作为激励源供给JK端一个幅值恒定的交变电流，在MN端可以测量到电压信号，利用测到的电压信号就可以计算土壤电导率。

传感单元的光电探测器转换后的电信号和传感器的电导率测量部分输出的电压信号以及GPS信号送入ARM9处理器进行放大，滤波等，再通过土壤光谱反射率修正、土壤氮素预测模型和电导率预测模型，依次计算土壤氮素值和土壤电导率值。

本发明还提供一种土壤光谱反射率和电导率检测方法如图2所示，该方法包括步骤：

S1通过装置控制单元将土壤光谱反射率和电导率检测装置打开，将土壤光谱反射率和电导率检测装置的土壤检测探头部分***土壤中；

S2光源产生光信号经光纤入射到土壤检测探头内的土壤中，恒流电源产生恒定的电流，经导线、环式探针流过土壤检测探头内的土壤；

S3所述光信号入射土壤检测探头内的土壤后产生反射光信号，通过光纤传输到光电传感器转换为电信号，将所述电信号发送给所述控制处理单元，所述恒定的电流流过土壤检测探头内的土壤形成电压信号，将所述电压信号发送给所述控制处理单元；

S4所述控制处理单元利用所述电信号和电压信号通过处理器计算土壤的光谱反射率和电导率含量，利用土壤的电导率得到修正值对土壤的光谱反射率进行修正，通过修正后的土壤的光谱反射率获得土壤的检测结果；

S5控制处理单元上的显示器显示检测结果，U盘存储模块将检测结果保存至U盘。

优选的，步骤S4中所述控制处理单元利用放大电路、滤波电路、A/D转换电路对所述电信号和电压信号进行预处理。

优选的，步骤S4中所述土壤的光谱反射率的修正值的获取方法为：

S41制备标准土样，所述标准土样为检测区域内风干后的土壤；

S42利用土壤光谱反射率和电导率检测装置测量标准土样的土壤电导率，记为σ₀；

S43利用滤光片得到n个光谱反射率值，采用的滤光片个数是n，则一次测量可测得n个光谱反射率值R₁,R₂，…,R_n，土壤电导率的为σ；

S44对测量的光谱反射率按照式(1)进行修正

$R_i^{\′}=\log \frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\×R_i(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

其中，R_i为检测的土壤光谱反射率，σ₀为标准土样的电导率值，σ为检测的土壤的电导率值，R'_i为土壤光谱反射率的修正值。

优选的步骤S41中根据不同地域土壤质地的特征（例如东北黑土、华北潮土等），收集耕作层的土壤风干后作为标定用标准土样，将标定用标准土样放到圆筒形绝缘材料（塑料、陶瓷等）内，圆筒直径需大于30cm，土层厚度需大于50cm。标定用标准土样是永久性使用，一次制备可长期使用，不需要更换。

在土壤检测中采用VC+MapX的方法形成土壤养分水平分布图，将单点养分含量和GPS坐标信息结合，实现单点养分含量显示、插值、小区面积测算、小区养分含量等值线图生成，为变量施肥提供决策依据。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种土壤光谱反射率和电导率检测装置，该装置底部为土壤检测探头，其特征在于，该装置还包括：

传感单元，用于产生光信号和恒定的电流，经过土壤产生反射光信号和电压信号，将反射光信号转换为电信号，将所述电信号和电压信号发送给控制处理单元

控制处理单元，用于对控制所述土壤光谱反射率和电导率检测装置，对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果。

2.权利要求1所述的土壤光谱反射率和电导率检测装置，其特征在于，所述传感单元包括：

光源，用于产生光信号；

光纤，与所述土壤检测探头、光源、控制处理单元连接，用于传输入射和反射光信号；

光电传感器，用于将反射光信号转换为电信号；

恒流电源，用于产生恒定的电流；

环式探针，设置于装置底部土壤检测探头内，与绝缘圆环交替排列，与所述恒流电源和控制处理单元连接，用于探测电流流过土壤的电压。

3.权利要求2所述的土壤光谱反射率和电导率检测装置，其特征在于，所述环式探针为四环探针，其中两端的环式探针为恒流电源的输入端，与所述恒流电源连接，中间的两个环式探针为电压信号输出端，与所述控制处理单元连接。

4.权利要求2所述的土壤光谱反射率和电导率检测装置，其特征在于，所述控制处理单元包括：装置控制单元、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、处理器、显示器和U盘存储模块；

所述处理器用于对接收到的所述电信号和电压信号进行处理，得到土壤光谱反射率和电导率，并根据土壤电导率对土壤光谱反射率进行修正，利用修正后的土壤光谱反射率得到土壤养分参数检测结果；

所述U盘存储模块用于将检测数据存储在U盘中。

5.权利要求1所述的土壤光谱反射率和电导率检测装置，其特征在于，该装置上还设置有滤光片。

6.权利要求1所述的土壤光谱反射率和电导率检测装置，其特征在于，所述土壤光谱反射率和电导率检测装置为“Y”形，“Y”形土壤光谱反射率和电导率检测装置的两个顶端分别与光源和控制处理单元连接，底端为土壤检测探头。

7.一种土壤光谱反射率和电导率检测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1通过装置控制单元将土壤光谱反射率和电导率检测装置打开，将土壤光谱反射率和电导率检测装置的土壤检测探头部分***土壤中；

S2光源产生光信号经光纤入射到土壤检测探头内的土壤中，恒流电源产生恒定的电流，经导线、环式探针流过土壤检测探头内的土壤；

S3所述光信号入射土壤检测探头内的土壤后产生反射光信号，通过光纤传输到光电传感器转换为电信号，将所述电信号发送给所述控制处理单元，所述恒定的电流流过土壤检测探头内的土壤形成电压信号，将所述电压信号发送给所述控制处理单元；

S4所述控制处理单元利用所述电信号和电压信号通过处理器计算土壤的光谱反射率和电导率含量，利用土壤的电导率得到修正值对土壤的光谱反射率进行修正，通过修正后的土壤的光谱反射率获得土壤的检测结果；

S5控制处理单元上的显示器显示检测结果，U盘存储模块将检测结果保存至U盘。

8.权利要求7所述的土壤光谱反射率和电导率检测方法，其特征在于，步骤S4中所述控制处理单元利用放大电路、滤波电路、A/D转换电路对所述电信号和电压信号进行预处理。

9.权利要求7所述的土壤光谱反射率和电导率检测方法，其特征在于，步骤S4中所述土壤的光谱反射率的修正值的获取方法为：

S41制备标准土样，所述标准土样为检测区域内风干后的土壤；

S42利用土壤光谱反射率和电导率检测装置测量标准土样的土壤电导率，记为σ₀；

S43利用滤光片得到n个光谱反射率值，采用的滤光片个数是n，则一次测量可测得n个光谱反射率值R₁,R₂，…,R_n，土壤电导率的值为σ；

S44对测量的光谱反射率按照式(1)进行修正

$R_i^{\′}=\log \frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\×R_i(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

其中，R_i为检测的土壤光谱反射率，σ₀为标准土样的电导率值，σ为检测的土壤的电导率值，R'_i为土壤光谱反射率的修正值。

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