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技术方案

本发明专利技术公开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；在光源处于关闭状态下，且开沟犁进入耕层并处于静止状态时，主控单元通过第一光谱仪获取校正白板的反射亮度值DNBW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DNBI，并将上述DNBW和DNBI作为噪声标定数据进行存储；在光源处于开启状态下，且开沟犁进入耕层并处于工作状态时，主控单元通过第一光谱仪获取校正白板的反射亮度值DNW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DNI，并根据公式实时计算出当前位置被测土壤的光谱反射率RI；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RI对被测土壤的养分进行动态预测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及土壤耕层养分分析
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术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。本专利技术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DNBW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DNBI，并将上述DNBW和DNBI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DNW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DNI，并根据公式实时计算出当前位置被测土壤的光谱反射率RI；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RI对被测土壤的养分进行动态预测；所述的公式为： R I = DN I - DN B I ( DN W - DN B W ) B 2 * R W ]]>其中，RW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。本专利技术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DNBW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DNBI，并将上述DNBW和DNBI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DNW、通过第二光谱仪获取钢化玻璃下被测土壤的反射亮度值DNI；S3、根据公式计算出当前位置被测土壤的光谱反射率RI；所述的公式为： R I = DN I - DN B I ( DN W - DN B W ) B 2 * R W ]]>其中，RW为校正白板的反射率，B为钢化玻璃的透光率，RW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RI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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统，其特征在于，包括：采集装置、主控单元；采集装置，包括开沟犁、镇压机构(9)、探头夹具(8)、第一光谱仪(14)、第二光谱仪(16)、光源(15)；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；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；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；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DNBW、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DNBI，并将上述DNBW和DNBI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(14)获取校正白板(5)的反射亮度值DNW、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DNI，并根据公式实时计算出当前位置被测土壤的光谱反射率RI；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RI对被测土壤的养分进行动态预测；所述的公式为：其中，RW为校正白板(5)的反射率，B为钢化玻璃(6)的透光率；其中，所述的第一状态指的是光源(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，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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统，其特征在于，包括：采集装置、主控单元；采集装置，包括开沟犁、镇压机构(9)、探头夹具(8)、第一光谱仪(14)、第二光谱仪(16)、光源(15)；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；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；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；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DNBW、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DNBI，并将上述DNBW和DNBI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(14)获取校正白板(5)的反射亮度值DNW、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DNI，并根据公式实时计算出当前位置被测土壤的光谱反射率RI；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RI对被测土壤的养分进行动态预测；所述的公式为：其中，RW为校正白板(5)的反射率，B为钢化玻璃(6)的透光率；其中，所述的第一状态指的是光源(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，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。2.根据权利要求1所述的基于光谱反射率的土壤耕层养分动态测试系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍稳，齐海军，金秀，赵刘，温淑娴，王文才，黄垒，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34