CN104483285B - 基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学***、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器。本发明操作简便，整个光谱采集、记录、聚类分析、代表性土壤样品采集等多个过程可控并连续化，整个测试过程绿色无污染，不破坏测试体系，适用于大片田地的连续监测；本发明不仅能够降低检测成本，还能够提高模型的预测精度。

Description

基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置

技术领域

本发明涉及精准农业先进土壤传感***技术领域，具体是一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置。

背景技术

精准农业是现代科学技术革命对农业产生巨大影响下逐步形成的新型农业形态，是科技含量很高、集成综合性很强的现代农业生产管理技术。传统的农业耕作方式主要依靠经验进行粗放管理，化肥、农药的使用虽然大幅提高了粮食产量，但盲目施肥不仅造成了大量的浪费，而且带来了严重的土壤、环境污染。因此，必须重视土壤养分测量技术，实施区域化精准施肥，充分挖掘农田生产潜力，合理利用水肥资源，减少环境污染，同时大幅提高农产品产量和品质。

目前，市面上的土壤养分速测仪以比色法原理为主，其精度基本可以满足定量检测的要求。但由于土壤成分复杂，有效养分的联合浸提较困难，针对不同类型的土壤，浸提方法也有所区别。且由于浸提时间的要求，很难做到对农田土壤养分的实时检测。相对于比色法，离子选择性电极检测土壤养分不需要标准试剂、试纸等，但该方法一般只能检测水溶性速效养分。

近年来，可见光/近红外光谱法作为一种绿色的分析技术，由于其测量精度高、分析速度快、多种成分同时可测等优点在很多相关领域得以迅速发展。根据土壤漫反射光谱特性与组分性质之间的相应函数关系，基于可见光/近红外漫反射光谱的分析仪器在几秒内就可以完成数据采集和分析，给出多个组分的同步测量。中国专利CN101975764B公开了一种基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法，采用七个单波段近红外LED作为主动光源，通过控制步进电机实现了7个波段反射率数据的自动或手动获取，适用于田间土壤氮素的实时测量。中国专利申请103091276A公开了一种土壤养分传感器，利用MEMS技术将近红外光谱仪微型化、精密化、集成化，开发一套高精度、便携且能耗较低的土壤养分传感器。中国专利申请CN101609042A公开了一种基于近红外光谱的手持式土壤养分无损测量***，整个装置重量不足1kg，可以满足田间土壤养分快速测量需要。

综上，目前国内外已有不少基于可见光/近红外光谱的便携式、微型化土壤传感器，但均需先人工或机械取样后测量，采样与测量过程不连续，这在田地尤其是在大面积应用时有一定的局限性。

同时，土壤养分含量的测量首先需要建立校正模型，即收集具有代表性的土壤样品作为校正样本集，测量校正样本集的近红外光谱，并采用国际法测量养分数据作为标准含量，利用多元校正算法建立定量关系，即校正模型。对于未知土壤样品，只需扫描其可见光/近红外光谱图，代入相应校正模型，即可得到相应各成分含量。随机选择出的样品往往无法很好地反映所有样品的信息，而选择具有代表性的校正样本集对所建校正模型的通用性和准确性有较大影响，同时还可减小化学分析的工作量，是近红外分析技术中提高效率、减少成本的重要方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置能够克服现有土壤成分测试不能连续、大面积测量等限制，利用可见光/近红外光谱技术在田间连续检测，并能实现校正样本集中样品的自动采集。

本发明的技术方案为：

一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，该装置还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学***、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器；

所述破土装置，用于翻土，带动光学***直接压在翻过的土壤表面；

所述光学***，用于形成土壤样品漫反射光谱，并将土壤样品漫反射光谱信息传送至光谱仪；

所述光谱仪，用于收集土壤样品漫反射可见光光谱和近红外光谱数据，并传送至工控机；

所述GPS，用于记录土壤样品的位置信息，并传送至工控机；

所述工控机，用于对土壤样品光谱信息进行主成分提取和聚类分析，选择出具有代表性的土壤样品，并根据其位置信息进行路径规划；

所述采土装置，用于根据规划的路径，在移动平台到达指定土壤样品的位置后，对土壤样品进行采集；

所述存土装置，用于将采集的土壤样品有序存放在移动平台上的特定区域内；

所述控制器，用于对破土装置、光学***、采土装置和存土装置的启动和停止进行控制。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述破土装置包括长杆、竖杆和斗齿，所述长杆的前端通过销钉与移动平台连接，长杆的后端通过伸缩汽缸臂与移动平台连接；所述竖杆固定在长杆上，所述斗齿装设在竖杆的下端前部，所述光学***装设在竖杆的下端后部；

所述光学***包括光源***和光谱采集***，所述光源***包括光源模块和聚焦透镜组，所述光谱采集***包括收集透镜和收集光纤端头；所述光源模块发出的光经聚焦透镜组准直和聚焦后作用到待测土壤样品表面形成漫反射光谱，所述漫反射光谱经收集透镜会聚后再通过收集光纤端头耦合进收集光纤并传输至光谱仪。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述采土装置包括液压伸缩杆、用于抓取土壤样品的第一机械手指和转动圆盘，所述存土装置包括横向导轨、纵向导轨、用于抓取土样存储罐的第二机械手指和若干土样储存罐；所述液压伸缩杆通过支架固定在移动平台上，所述第一机械手指装设在液压伸缩杆的下端，所述转动圆盘装设在第一机械手指下方的移动平台上；所述转动圆盘和移动平台上均开设有用于第一机械手指穿过的取土孔；所述转动圆盘底部和第一机械手指内部均设有驱动电机；

所述横向导轨与纵向导轨相互垂直设置，所述横向导轨上设有横向驱动机构，所述纵向导轨上设有纵向驱动机构；所述横向导轨通过立板固定在移动平台上，所述纵向导轨装设在横向导轨上并在横向驱动机构的作用下沿着横向导轨横向移动，所述第二机械手指装设在纵向导轨上并在纵向驱动机构的作用下沿着纵向导轨纵向移动；所述若干土样存储罐有序放置在移动平台上且在第二机械手指能够自由移动的相应区域内；所述第二机械手指内部设有驱动电机。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光学***与竖杆通过平行四边形连杆机构连接。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光源***还包括一个圆柱形大套筒和一个圆柱形小套筒，所述光源模块设置在圆柱形大套筒的顶端，所述圆柱形小套筒设置在圆柱形大套筒的下端，所述光源模块采用卤素灯泡，所述聚焦透镜组由两片平凸透镜组成，所述两片平凸透镜分别装设在圆柱形小套筒的两端，其平面相对放置。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光谱采集***还包括一个圆柱形套筒，所述收集透镜设置在圆柱形套筒的底端，所述收集光纤端头设置在圆柱形套筒的顶端。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光谱仪包括可见光光谱仪和近红外光谱仪。

所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述横向运动机构和纵向运动机构均包括相互啮合的条形齿轮和转子齿轮以及用于带动转子齿轮转动的驱动电机。

由上述技术方案可知，本发明操作简便，可由拖拉机等牵引在田间自由移动，整个光谱采集、记录、聚类分析、代表性土壤样品采集等多个过程可控并连续化，整个测试过程绿色无污染，不破坏测试体系，适用于大片田地的连续监测；本发明将整个田地采集后的可见光/近红外光谱进行聚类分析，根据聚类结果选择采集具有代表性的样品进行建模，不仅能够降低检测成本，还能够提高模型的预测精度。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明装置的俯视结构示意图；

图3是本发明装置的侧视结构示意图；

图4是本发明装置的后视结构示意图；

图5是本发明装置的采土流程示意图；

其中：1-移动平台、2-行走轮、3-控制箱、4-GPS、5-光学***、6-长杆、7-竖杆、8-斗齿、9-伸缩汽缸臂、10-平行四边形连杆机构、11-支架、12-液压伸缩杆、13-第一机械手指、14-转动圆盘、15-立板、16-横向导轨、17-纵向导轨、18-第二机械手指、19-土样存储罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图5所示，一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，包括一个移动平台1，移动平台1的底部两端均安装有行走轮2，移动平台1可通过拖拉机等机动车辆牵引实现在大田内的自由移动、信息采集和取样。移动平台1上设有控制箱3、采土装置和存土装置，移动平台1底部中心安装有光学***5和破土装置。控制箱3内设有光谱仪、工控机、显示器、控制器等，控制箱3顶部设有GPS4。

破土装置包括长杆6、竖杆7和斗齿8，长杆6的前端通过销钉与移动平台1连接，长杆6的后端通过伸缩汽缸臂9与移动平台1连接。竖杆7通过螺钉固定在长杆6上，斗齿8安装在竖杆7的下端前部，光学***5通过平行四边形连杆机构10安装在竖杆7的下端后部。采用平行四边形连杆机构10的作用在于：斗齿8破土时，光学***5在重力作用下直接压在土壤表面，随着土壤表面的高度起伏，光学***5可以自由调节。

光学***5包括光源***和光谱采集***，光源***设计为一个圆柱形套筒结构，顶端放置一个小型卤素灯泡，下端为一个小套筒，该小套筒两端分别放置一个平凸透镜，两个平凸透镜的半径及焦距相同，平面相对放置，用于对发射光进行准直与聚焦。光谱采集***同样设计为一个圆柱形套筒结构，在其底端放置一个平凸镜，用于对反射光进行聚焦，其顶端采用螺纹结构用于固定光纤。

在采集土壤样品光谱信息时，控制器控制伸缩汽缸臂9伸长直至竖杆7进入土壤表层5～10cm内，随着移动平台1的移动，斗齿8实现翻土，光学***5直接压在翻过的土壤表面，光源***发出的光直接照射土壤表面，利用光谱采集***直接采集土壤漫反射光谱信息；在土壤样品光谱信息采集结束后，控制器控制伸缩汽缸臂9收缩，使得斗齿8和光学***5脱离土壤表面。

光谱仪采用普通可见光光谱仪和近红外光谱仪，通过光纤与光谱采集***连接，收集土壤漫反射数据；GPS4用于记录土样的位置信息；光谱仪和GPS4分别通过USB数据线将转换好的光谱数据和位置信息传送至工控机和显示器用于存储、显示及后续处理。通过对采集的土壤样品光谱信息进行主成分提取和聚类分析，可选择出具有代表性的土壤样品，根据同时记录的GPS位置信息进行路径规划，便于后期采样。

采土装置包括液压伸缩杆12、第一机械手指13和转动圆盘14，存土装置包括横向导轨16、纵向导轨17、第二机械手指18和若干土样存储罐19。液压伸缩杆12通过支架11固定在移动平台1上，第一机械手指13安装在液压伸缩杆12的下端，转动圆盘14安装在第一机械手指13下方的移动平台1上。转动圆盘14为一不完整圆盘结构，其上开设有用于第一机械手指13穿过的取土孔（移动平台1上也开设有相应的取土孔），其底部安装有驱动电机，可控制其自由旋转。第一机械手指13的每个指关节内部均放置小型驱动电机，指关节下端连接有采集片，通过驱动电机控制指关节的旋转以用于抓取土壤样品。

横向导轨16与纵向导轨17相互垂直设置，两条导轨下均安装有驱动机构，驱动机构包括条形齿轮、转子齿轮和驱动电机，其中，条形齿轮与转子齿轮紧密咬合，驱动电机带动转子齿轮转动。横向导轨16通过立板15固定在移动平台1上；纵向导轨17的一端安装在横向导轨16上，并且在驱动机构的作用下能够沿着横向导轨16横向移动；第二机械手指18安装在纵向导轨17上，并且在驱动机构的作用下能够沿着纵向导轨17纵向移动。若干土样储存罐19有序放置在移动平台1上，并且在第二机械手指18能够自由移动的相应区域内。第二机械手指18的每个指关节内部均放置小型驱动电机，通过驱动电机控制指关节的旋转以用于抓取土样存储罐19。

根据具有代表性信息的土壤样品规划路径，在到达指定土壤样品的位置后，移动平台1停止移动，此时转动圆盘14位于图5（a）所示位置，控制器控制液压伸缩杆12伸长至土壤表面后，再通过控制第一机械手指13关节处的驱动电机来打开和闭合手指，进行取土；取土结束后，控制器控制液压伸缩杆12收缩，直至第一机械手指13到达转动圆盘14上方一定位置，如图5（b）所示；控制转动圆盘14旋转180度，直至转动圆盘14上的土样存储罐19位于第一机械手指13下方，如图5（c）所示；打开第一机械手指13，将抓取的土壤样品放置在土样存储罐19中，如图5（d）所示；完成一个土壤样品采集过程。由控制箱3内的控制器控制液压伸缩杆12内的液压泵、第一机械手指13关节处的驱动电机以及转动圆盘14底部的驱动电机完成整个流程操作。

当完成一个采样过程，即土壤样品放置于土样存储罐19中且位于转动圆盘14上的指定位置时，移动第二机械手指18抓取该土样存储罐19，通过驱动电机带动转子齿轮转动，而条形齿轮与转子齿轮紧密咬合，实现第二机械手指18在二维空间的自由移动；第二机械手指18移动到相应位置后放下该土样存储罐19，再移动到相邻的土样存储罐19位置，抓取下一个空的土样存储罐19至转动圆盘14处，开启下一个采样过程。由控制箱3内的控制器控制驱动电机带动转子齿轮的旋转，根据预设程序控制每次转子齿轮转动的圈数，实现对土壤样品的有序安放。

控制器采用DSP（微处理芯片）或者FPGA（可编程逻辑器件）等高速通用控制芯片中任意一种，用于控制光谱采集模块、聚类分析模块、采土模块（驱动电机的转动和液压伸缩杆12的伸缩）、分格存储模块（驱动电机的转动）的启动和停止。

整个装置通过拖拉机车载电源逆变器供电。

本发明的工作原理如下：

（1）首先将移动平台1连接于拖拉机等机动车辆之后，接通电路，启动控制器；

（2）将伸缩汽缸臂9伸长直至竖杆7进入土壤表层5～10cm内，随着移动平台1的移动，斗齿8进行翻土，将光学***5直接压在翻过的土壤表面，按预设的采样频率随着移动平台1的移动采集大片土壤光谱信息；在土壤光谱信息采集结束之后，将伸缩汽缸臂9收缩，使得斗齿8和光学***5离开土壤表面；

（3）将采集到的土壤光谱信息和采样点对应的GPS位置信息传输至控制箱3内的工控机中，对光谱进行预处理和主成分分析，使用提取后的主成分进行聚类分析，选出具有代表性的土壤样品，即训练集（120～150个）；

（4）根据训练集土壤样品的位置信息，进行路径规划；

（5）根据所规划的路径，移动移动平台1，同时进行采土，在到达指定土壤样品的位置后，转动圆盘14位于初始位置（如图5所示），伸长液压伸缩杆12至土壤表面后，通过控制第一机械手指13关节处的驱动电机来打开和闭合手指，进行取土操作，取土结束后收缩液压伸缩杆12直至第一机械手指13到达转动圆盘14上方一定位置，使转动圆盘14转动180度，直至其上的土样存储罐19位于第一机械手指13下方，打开第一机械手指13将土壤样品放置在土样存储罐19中，即完成一个土样采集过程；

（6）完成一个采样过程后，移动第二机械手指18抓取转动圆盘14上的土样存储罐19，通过控制器操作第二机械手指18在横向导轨16和纵向导轨17上的移动，第二机械手指18移动至移动平台1上的相应位置后放下土样存储罐19，即完成一个土样存储过程；

（7）再移动第二机械手指18至相邻土样存储罐19位置，抓取下一个土样存储罐19放至转动圆盘14处，使转动圆盘14转动180度，重复（5），开启下一个土样的采集和存储，直至完成所有训练集土壤样品的采集和存储。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，其特征在于：该装置还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学***、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器；

所述破土装置，用于翻土，带动光学***直接压在翻过的土壤表面；

所述光学***，用于形成土壤样品漫反射光谱，并将土壤样品漫反射光谱信息传送至光谱仪；

所述光谱仪，用于收集土壤样品漫反射可见光光谱和近红外光谱数据，并传送至工控机；

所述GPS，用于记录土壤样品的位置信息，并传送至工控机；

所述工控机，用于对土壤样品光谱信息进行主成分提取和聚类分析，选择出具有代表性的土壤样品，并根据其位置信息进行路径规划；

所述采土装置，用于根据规划的路径，在移动平台到达指定土壤样品的位置后，对土壤样品进行采集；

所述存土装置，用于将采集的土壤样品有序存放在移动平台上的特定区域内；

所述控制器，用于对破土装置、光学***、采土装置和存土装置的启动和停止进行控制；

所述采土装置包括液压伸缩杆、用于抓取土壤样品的第一机械手指和转动圆盘，所述存土装置包括横向导轨、纵向导轨、用于抓取土样存储罐的第二机械手指和若干土样存储罐；所述液压伸缩杆通过支架固定在移动平台上，所述第一机械手指装设在液压伸缩杆的下端，所述转动圆盘装设在第一机械手指下方的移动平台上；所述转动圆盘和移动平台上均开设有用于第一机械手指穿过的取土孔；所述转动圆盘底部和第一机械手指内部均设有驱动电机；

所述横向导轨与纵向导轨相互垂直设置，所述横向导轨上设有横向驱动机构，所述纵向导轨上设有纵向驱动机构；所述横向导轨通过立板固定在移动平台上，所述纵向导轨装设在横向导轨上并在横向驱动机构的作用下沿着横向导轨横向移动，所述第二机械手指装设在纵向导轨上并在纵向驱动机构的作用下沿着纵向导轨纵向移动；所述若干土样存储罐有序放置在移动平台上且在第二机械手指能够自由移动的相应区域内；所述第二机械手指内部设有驱动电机。

2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，其特征在于：所述破土装置包括长杆、竖杆和斗齿，所述长杆的前端通过销钉与移动平台连接，长杆的后端通过伸缩汽缸臂与移动平台连接；所述竖杆固定在长杆上，所述斗齿装设在竖杆的下端前部，所述光学***装设在竖杆的下端后部；

所述光学***包括光源***和光谱采集***，所述光源***包括光源模块和聚焦透镜组，所述光谱采集***包括收集透镜和收集光纤端头；所述光源模块发出的光经聚焦透镜组准直和聚焦后作用到待测土壤样品表面形成漫反射光谱，所述漫反射光谱经收集透镜会聚后再通过收集光纤端头耦合进收集光纤并传输至光谱仪。

3.根据权利要求2所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，其特征在于：所述光学***与竖杆通过平行四边形连杆机构连接。

4.根据权利要求2所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，其特征在于：所述光源***还包括一个圆柱形大套筒和一个圆柱形小套筒，所述光源模块设置在圆柱形大套筒的顶端，所述圆柱形小套筒设置在圆柱形大套筒的下端，所述光源模块采用卤素灯泡，所述聚焦透镜组由两片平凸透镜组成，所述两片平凸透镜分别装设在圆柱形小套筒的两端，其平面相对放置。

5.根据权利要求2所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，其特征在于：所述光谱采集***还包括一个圆柱形套筒，所述收集透镜设置在圆柱形套筒的底端，所述收集光纤端头设置在圆柱形套筒的顶端。

6.根据权利要求1或2所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，其特征在于：所述光谱仪包括可见光光谱仪和近红外光谱仪。

7.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，其特征在于：所述横向运动机构和纵向运动机构均包括相互啮合的条形齿轮和转子齿轮以及用于带动转子齿轮转动的驱动电机。