一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统及方法与流程

本发明涉及土壤耕层养分分析技术领域，尤其涉及一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统及方法。

背景技术：

随着电子技术、信息技术和农业技术等领域的快速发展，依靠高强度人力劳动的传统精耕细作方法，逐渐延伸蜕变为以高产、优质、高效为目的的现代化精准农业。精准农业以信息技术为支撑，根据获取的时间、空间上的差异特征，定时、定位、定量地对农业生产过程实施全方位的调控与管理。

土壤是农业领域的基本生产资料，也是作物赖以生存的根本环境，与农业经济紧密相关。土壤中速效氮、速效磷、速效钾等主要营养成分含量直接影响作物的生长发育和最终产量。

目前对土壤养分的快速检测技术方法主要包括电子与电磁传感技术、电化学传感技术和光学与辐射传感技术等。经过多年的研究和发展，目前包括可见光、近红外和中红外等光谱分析技术已成为土壤养分信息快速检测的热点研究方向。高光谱技术基于传统光谱技术发展而来，是一种集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、电子信息计算、数字信息处理于一体的新型综合技术，具有分辨率高、波段连续性强、数据量大、无损、实时等特点，近20年来已被广泛的应用于土壤领域的信息检测中。土壤养分快速检测的根本目的是为了更精确、多方面、全方位的掌握土壤营养水平信息，因此，有必要开发相应的便携式土壤速效养分测试系统，进行多种速效养分信息的同步检测，并及时划定土壤的整体肥力水平，实现精准农业的土壤信息检测与处理。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统及方法。

本发明提出的基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统，包括：采集装置、主控单元；

采集装置，包括开沟犁、镇压机构、探头夹具、第一光谱仪、第二光谱仪、光源；

开沟犁包括犁柱、犁铧、犁托；犁托设于犁柱的一端，犁铧设于犁托的一侧，犁托上与犁铧相对的一侧设有第一铰接机构和第二铰接机构；第一铰接机构设于第二铰接机构的上方；镇压机构的一端与第一铰接机构铰接，另一端与探头夹具顶端的一侧铰接，探头夹具顶端的另一侧与第二铰接机构铰接，探头夹具绕第二铰接机构与犁托形成转动运动副；所述的第二铰接机构和镇压机构分别对探头夹具进行固定和镇压；探头夹具的底端设有第一孔槽和第二孔槽，第一孔槽相对第二孔槽靠近犁托，第一孔槽上安装有第一探头，第二孔槽上安装有第二探头；探头夹具上还设有校正白板和钢化玻璃，校正白板设于第一探头的下方，钢化玻璃设于第二探头的下方；

第一光谱仪通过第一光纤与第一探头连接；第二光谱仪通过第二光纤与第二探头相连；且第一光纤和第二光纤均与光源连接；

主控单元，与第一光谱仪、第二光谱仪通信连接；主控单元内存储有土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型；

在第一状态下，主控单元通过第一光谱仪获取校正白板的反射亮度值DN_BW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DN_BI，并将上述DN_BW和DN_BI作为噪声标定数据进行存储；

在第二状态下，主控单元通过第一光谱仪获取校正白板的反射亮度值DN_W、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DN_I，并根据公式实时计算出当前位置被测土壤的光谱反射率R_I；主控单元调用主控单元内存储的土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型，并利用计算出的当前位置被测土壤的R_I对被测土壤的养分进行动态预测；

所述的公式为：

$R_I=\frac{{\mathrm{DN}}_I-{\mathrm{DN}}_{BI}}{({\mathrm{DN}}_W-{\mathrm{DN}}_{BW})B^2}*R_W$

其中，R_W为校正白板的反射率，B为钢化玻璃的透光率；

其中，所述的第一状态指的是光源处于关闭状态且开沟犁进入被测土壤耕层并处于静止状态，所述的第二状态指的是光源处于开启状态且开沟犁进入被测土壤耕层并处于工作状态。

优选地，所述的镇压机构包括滑竿和弹簧，弹簧套设在滑竿外部；滑竿靠近第一铰接机构的一端为扁平状，且设有销孔；滑竿远离第一铰接机构的一端攻有螺纹.

优选地，所述的探头夹具上靠近第一铰接机构的一端设有腰型孔；滑竿远离第一铰接机构的一端穿过上述腰型孔，并通过螺栓与探头夹具固定。

优选地，所述的第一光纤和第二光纤均包括光源输入端、反射光输出端和集成端；第一光纤的光源输入端与光源连接，第一光纤的反射光输出端与第一光谱仪连接，第一光纤的集成端与第一探头连接；第二光纤的光源输入端与光源连接，第二光纤的反射光输出端与第二光谱仪连接，第二光纤的集成端与第二探头连接。

优选地，所述的第一光谱仪和第二光谱仪均为微型光谱仪，且第一光谱仪和第二光谱仪相同。

优选地，所述的钢化玻璃的透光率为稳定常数。

本发明提出的一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、关闭光源，开沟犁进入土壤耕层并静止；在无光源状态下，通过第一光谱仪获取校正白板的反射亮度值DN_BW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DN_BI，并将上述DN_BW和DN_BI作为噪声标定数据进行存储；

S2、开启光源，待光源稳定后，开沟犁进入土壤耕层并处于工作状态，主控单元通过第一光谱仪获取校正白板的反射亮度值DN_W、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DN_I；

S3、根据公式计算出当前位置被测土壤的光谱反射率R_I；所述的公式为：

$R_I=\frac{{\mathrm{DN}}_I-{\mathrm{DN}}_{BI}}{({\mathrm{DN}}_W-{\mathrm{DN}}_{BW})B^2}*R_W$

其中，R_W为校正白板的反射率，B为钢化玻璃的透光率，R_W和B均为已知常数；

S4、调用土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型，并利用计算出的当前位置被测土壤的R_I对被测土壤的养分进行动态预测。

优选地，所述的第一光谱仪和第二光谱仪均采用微型光谱仪，且第一光谱仪和第二光谱仪型号相同。

本发明主要解决了利用光谱仪对土壤耕层养分进行动态预测的难题；本发明设有第一光谱仪和第二光谱仪，首先，在开沟犁进入被测土壤耕层且没有光源的情况下通过第一光谱仪采集校正白板的反射亮度值、通过第二光谱仪采集钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值，并将上述测得的两个反射亮度值作为标定噪声数据进行存储；其次，在打开光源且开沟犁进入被测土壤耕层后通过第一光谱仪采集校正白板的反射亮度值、通过第二光谱仪采集钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值，且对此次测得的两个反射亮度值以及两个标定噪声数据进行分析，并按照公式计算出当前位置的被测土壤的光谱反射率，最后，调用土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型，并利用上述计算出的当前位置的被测土壤的光谱反射率对被测土壤的养分进行动态与预测；本发明中利用开沟犁和镇压机构协同工作，保证主控单元采集数据时，探头夹具的底端能够紧贴开沟犁在被测土壤耕层开出的沟面，进而防止杂光进入探头，避免杂光对光谱仪的采集结果造成影响，可有效地减小光谱仪在测试过程中对数据采集的误差，保证对被测土壤光谱反射率检测的精度，从而提高对被测土壤耕层养分进行预测的准确度和可靠性；且本发明中的第一光谱仪和第二光谱仪完全相同，可避免因两个光谱仪硬件方面的差异而对上述两个光谱仪的采集结果造成影响，从而进一步保证上述两个光谱仪的采集精度，以提高本系统对被测土壤耕层养分预测结果的有效性和精确性。

附图说明

图1为一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统的结构示意图；

图2为一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试方法的步骤示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，图1、图2为本发明提出的一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统及方法。

参照图1，本发明提出的基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统，包括：采集装置、主控单元；

采集装置，包括开沟犁、第一光谱仪14、第二光谱仪16、光源15；所述的第一光谱仪14和第二光谱仪16均为微型光谱仪，且第一光谱仪14和第二光谱仪16相同；如此可保证两个光谱仪的硬件参数完全一致，避免因两个光谱仪硬件方面的差异对上述两个光谱仪的采集结果造成影响，从而保证上述两个光谱仪的采集精度。

开沟犁包括犁柱1、犁铧2、犁托3；犁托3设于犁柱1的一端，犁铧2设于犁托3的一侧，犁托3上与犁铧2相对的一侧设有第一铰接机构12和第二铰接机构13；第一铰接机构12设于第二铰接机构13的上方；镇压机构9的一端与第一铰接机构12铰接，另一端与探头夹具8顶端的一侧铰接，探头夹具8顶端的另一侧与第二铰接机构13铰接，探头夹具8绕第二铰接机构13与犁托3形成转动运动副；所述的第二铰接机构13和镇压机构9分别对探头夹具8进行固定和镇压，如此，可保证在开沟犁进入被测土壤耕层后，第一探头4和第二探头7与开沟犁在被测土壤耕层开出的沟面紧密贴合，防止有杂光进入第一探头4或第二探头7对采集数据的精度产生影响，保证数据采集的准确性和有效性；探头夹具8的底端设有第一孔槽和第二孔槽，第一孔槽相对第二孔槽靠近犁托3，第一孔槽上安装有第一探头4，第二孔槽上安装有第二探头7；探头夹具8上还设有校正白板5和钢化玻璃6，校正白板5设于第一探头4的下方，钢化玻璃6设于第二探头7的下方；

所述的镇压机构9包括滑竿和弹簧，弹簧套设在滑竿外部；滑竿靠近第一铰接机构12的一端为扁平状，且设有销孔；滑竿远离第一铰接机构12的一端攻有螺纹；所述的探头夹具8上靠近第一铰接机构12的一端设有腰型孔；滑竿远离第一铰接机构12的一端穿过上述腰型孔，并通过螺栓与探头夹具8固定。

所述的第二铰接机构13和镇压机构9分别用于固定和镇压探头夹具8，使开沟犁在进入耕层后，主控单元开始工作时，探头夹具8远离第一铰接机构12的一端紧贴开沟犁所开出的沟面，防止杂光进入第一探头4或第二探头7；通过利用开沟犁和镇压机构9协调工作，保证主控单元采集数据时，探头夹具8远离的底端能够紧贴开沟犁在被测土壤耕层开出的沟面，进而防止杂光进入探头，避免杂光对探头的检测结果造成影响。

第一光谱仪14通过第一光纤10与第一探头4连接；第二光谱仪16通过第二光纤11与第二探头7相连；且第一光纤10和第二光纤11均与光源15连接；所述的第一光纤10和第二光纤11均包括光源15输入端、反射光输出端和集成端；第一光纤10的光源15输入端与光源15连接，第一光纤10的反射光输出端与第一光谱仪14连接，第一光纤10的集成端与第一探头4连接；第二光纤11的光源15输入端与光源15连接，第二光纤11的反射光输出端与第二光谱仪16连接，第二光纤11的集成端与第二探头7连接。

主控单元，与第一光谱仪14、第二光谱仪16通信连接；主控单元内存储有土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型；

在第一状态下，主控单元通过第一光谱仪14获取校正白板5的反射亮度值DN_BW、通过第二光谱仪16获取钢化玻璃6下被测土壤的反射亮度值DN_BI，并将上述DN_BW和DN_BI作为噪声标定数据进行存储；所述的第一状态指的是在光源15处于关闭状态且开沟犁进入被测土壤耕层并处于静止状态，将此时采集的数据作为噪声标定数据可为接下来的步骤提供有力的参考依据，从而提高计算的准确性和可靠性。

在第二状态下，主控单元通过第一光谱仪14获取校正白板5的反射亮度值DN_W、通过第二光谱仪16获取钢化玻璃6下被测土壤的反射亮度值DN_I，并根据公式实时计算出当前位置被测土壤的光谱反射率R_I；主控单元调用主控单元内存储的土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型，并利用计算出的当前位置被测土壤的R_I对被测土壤的养分进行动态预测；所述的第二状态指的是光源15处于开启状态且开沟犁进入被测土壤耕层并处于工作状态，上述状态下开沟犁开始运动，此时根据开沟犁的运动对被测土壤的光谱反射率进行采集和分析，以实现对被测土壤内不同类型养分的动态预测；

所述的公式为：

$R_I=\frac{{\mathrm{DN}}_I-{\mathrm{DN}}_{BI}}{({\mathrm{DN}}_W-{\mathrm{DN}}_{BW})B^2}*R_W$

其中，R_W为校正白板5的反射率，B为钢化玻璃6的透光率，且钢化玻璃6的透光率为稳定常数。

参照图2，本发明提出的基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试方法，包括以下步骤：

S1、关闭光源15，开沟犁进入被测土壤耕层并静止；在无光源15状态下，通过第一光谱仪14获取校正白板5的反射亮度值DN_BW、通过第二光谱仪16获取钢化玻璃6下被测土壤的反射亮度值DN_BI，并将上述DN_BW和DN_BI作为噪声标定数据进行存储；

S2、开启光源15，待光源15稳定后，开沟犁进入被测土壤耕层并处于工作状态，主控单元通过第一光谱仪14获取校正白板5的反射亮度值DN_W、通过第二光谱仪16获取钢化玻璃6下被测土壤的反射亮度值DN_I；进行S2步骤时，需保证探头夹具8远离第一铰接机构12的一端紧贴开沟犁开出的沟面，目的在于防止杂光进入探头，避免杂光对光谱仪采集的数据造成影响。

S3、根据公式计算出当前位置被测土壤的光谱反射率R_I；所述的公式为：

$R_I=\frac{{\mathrm{DN}}_I-{\mathrm{DN}}_{BI}}{({\mathrm{DN}}_W-{\mathrm{DN}}_{BW})B^2}*R_W$

其中，R_W为校正白板5的反射率，B为钢化玻璃6的透光率，R_W和B均为已知常数；

S4、调用土壤内不同类型养分与光谱反射率的回归模型，并利用计算出的当前位置被测土壤的R_I对被测土壤的养分进行动态预测。

所述的第一光谱仪14和第二光谱仪16均采用微型光谱仪，且第一光谱仪14和第二光谱仪16型号相同，如此可保证两个光谱仪的硬件参数完全一致，避免因两个光谱仪硬件方面的差异对上述两个光谱仪的采集结果造成影响，从而保证上述两个光谱仪的采集精度。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。