一种醋糟有机基质含水量的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种醋糟有机基质含水量的检测方法：先取不同水分含量的醋糟有机基质样品，一部分作为校正集，另一部分作为预测集，其余部分作为待测样品，用烘干称重法测定所有样品含水量作为实测值；再用可见－近红外光谱仪采集样品反射光谱信息，用校正集的光谱数据与其含水量实测值间的关系建立校正模型；将预测集的光谱数据带入到校正模型中进行预测，获取预测集的样品含水量的预测结果并分析与其实测值的差异，选取预测精度达到要求的校正模型；最后将待测样品的光谱信息输入到经选取的校正模型中对待测样品含水量进行计算。本发明专利技术快速方便地现场批量测定基质中的水分含量，动态检测作物栽培过程中基质水分含量的变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业环境信息检测
，特别涉及一种基于可见/近红外光谱分 析的醋糟有机基质水分含量的检测。
技术介绍
随着设施农业的迅速发展，大量的工农业有机废弃物料被用于有机栽培基质的研 究和开发。由于废弃物原料来源广泛、制造工艺简单、成本低和使用效果较理想，在促进资 源高效利用的同时又能解决由于废弃物大量排放带来的二次污染问题，有机基质栽培已成 为设施农业生产最具发展潜力的一种无土栽培方式。但目前，有机基质的大面积推广和应 用受到很大的限制，原因之一就在于有机基质水分含量的检测问题。水分是农业生产中调 控的关键要素之一，能否对其进行快速、准确的检测，对提高农业生产水平和水分利用效率 以及指导节水农业生产都具有重要价值。目前，农业生产中主要采用电阻法、时域反射法(TDR)和电容法(如频域反射仪 FDR法)快速检测水分含量，电阻法成本低但测定滞后，精度低和稳定性差，不适合在精度 要求较高的场合使用。TDR和FDR法目前已成为测量土壤含水量的主流方法，具有对土壤 样品测量快速、连续、准确的特点，其基本原理都是通过测量土壤表观介电常数来得到土壤 容积含水量。理论依据在于，从电磁角度看，土壤由4种介电物质组成空气、土壤固体物 质(主要为矿物质，占固体部分重量的95%以上)、束缚水和自由水，在无线电频率、标准 状态时(20°C，1大气压)，矿物质、空气和水的介电特性为常数，因此土壤的介电常数主要 依赖于土壤容积含水量，由此可以建立土壤容积含水量与土壤介电常数的经验方程，而实 际上，容积含水量、土壤容重、土壤颗粒形状以及所包含的水的形态等都可以通过影响土壤 表面介电特性而对含水量的测定结果产生影响，为进一步提高测定结果的准确性，常规的 方法是根据砂土、壤土、粘壤土和粘土四大不同矿质类型分别确定其对应土壤介电常数和 容积含水量方程。使用时，通过选择仪器内置的不同土壤类型参数即可进行容积含水量的 测定。因此，目前市场上所用TDR和FDR仪器的使用对象仅局限于常见的砂土、壤土、粘壤 土和粘土四大矿质土，这四大矿质土的土壤颗粒主要由粒径0. 02 2mm粗砂粒和细砂粒、 粒径0. 02 0. 002mm粉粒和粒径< 0. 002mm粘粒构成，土壤有机质含量低于10%，容重在 1.0 1.8g/cm3之间，孔隙度30 60%。TDR和FDR仪器对于有机质大于10%的高有机 质含量和容重小于1. Og/cm3的土壤均不适用。醋糟为制醋业排放出的有机废弃物，经适当的堆制处理后即可作为醋糟有机基 质。醋糟有机基质的组成与土壤存在很大差别，固体部分主要由高达80%以上的有机物料 构成，孔隙度在70%以上且容重小于0. 3g/cm3,质地轻，因此，使用TDR和FDR法对其含水 量进行测定会存在较大误差。近红外光谱技术是一种高效快速的现代分析技术，其最大的特点就是快速无损， 样品无需或只需很少的预处理，分析速度快，无需化学试剂，在多个领域得到了日益广泛的 应用。近红外光谱是指波长在780 2526nm范围内的电磁波，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团C-H、0-H、N-H、S-H、 P-H等振动的倍频和合频吸收信息，所以近红外光谱含有丰富的物质内部结构和组成的信 息，非常适合用于碳氢有机物的定量或定性分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足，提供一种利用近红外光谱分析技术对醋 糟有机基质水分含量进行快速、准确的检测方法。本专利技术采用的技术方案是先取不同水分含量的醋糟有机基质样品，一部分作为 校正集，另一部分作为预测集，其余部分作为待测样品，采用常规烘干称重法测定所有样品 的含水量作为实测值；再用可见-近红外光谱仪采集校正集的样品、预测集的样品以及待 测样品的反射光谱信息，用校正集的光谱数据与其含水量实测值间的关系建立校正模型； 将预测集的光谱数据带入到校正模型中进行预测，获取预测集的样品含水量的预测结果并 分析与其实测值的差异，选取预测精度达到要求的校正模型；最后将待测样品的光谱信息 输入到经选取的校正模型中，对待测样品含水量进行计算，所获得的含水量预测值即为待 测样品含水量的测定结果。本专利技术的有益效果是1、无需提取基质进行烘干处理，较常规的烘干称重测定水分的方法快速方便。2、可批量测定基质中的水分含量，也可动态检测作物栽培过程中基质水分含量的变化。3、由于光谱数据可以无线传输到计算机中，因此，本专利技术可现场检测基质中水分含量。4、可对同一组样品进行多次重复测定，增加了数据的可靠性。 附图说明图1为本专利技术所建立的校正模型对预测集样品含水量的预测结果与常规烘干称 重法测定的实测值的对比关系图。具体实施例方式为了获得不同含水量的醋醋有机基质样品，将醋糟有机基质铺于厚度为30cm左 右的栽培槽中，经不同灌水量处理后，混勻、覆膜、放置12小时，待水分分布平衡后按上、 中、下不同层次随机进行取样，取得不同水分含量的醋糟有机基质样品，将所有样品采集后 均立即混勻，分为两份，一份采用常规的烘干称重法测定其含水量，作为该样品含水量的实 测值，另一份用于光谱数据的采集。含水量实测值以烘干前、后样品重量差值与烘干后样品 重量的比值进行表示，样品含水量变化范围在.316 3. 277之间。考虑样品的正态分布原 则和含水量的分布范围，从总样品中挑选一部分作为校正集，另一部分作为预测集，其余部 分作为待测样品，挑选50个样品作为校正集，挑选20个样品作为预测集，其余12个样品作 为待测样品。光谱数据的采集采用美国ASD (analytical spectral device)的 FieldSpec 3 便 携式可见-近红外光谱仪采集全波段的光谱信息，光谱范围为350 2500nm，采样间隔为1. 4nm(350 IOOOnm区间)和2nm(1000 2500nm区间)。采集环境温度保持在22 26°C， 采用仪器配套的人工光源，采集时避除其它光源，测量方式为漫反射式，选用25°视场角的 光纤探头，用三角架固定，与光源成45°左右夹角，测量时始终保持探头距离样本表面5 7cm,以确保视场域范围在样品上。光谱测量前先进行系统配置优化，采用标定白板对采集 的光谱信息进行标定校正，对校正集、预测集样品和待测样品的反射光谱信息进行采集，每 个样品重复测量3次，每条谱线经过10次扫描。利用软件对光谱进行预处理，以遴选最佳的光谱预处理方法。预处理方法包括滑动平均滤波、一阶微分、二阶导数、归一化等的单一或组合的6种方法，即分别为滑动平均 滤波、一阶微分、先滑动平均滤波后一阶微分、先滑动平均滤波后二阶微分、先滑动平均滤 波后归一化、先滑动平均滤波后归一化和一阶微分。以交互验证预测残差平方和最小来选 择最佳的光谱预处理方法为先滑动平均滤波后一阶微分，其适宜的主成分数为5。用校正集的光谱数据与其含水量实测值间的关系构建校正模型采用偏最小二乘 法(Partial Least Square, PLS)建立校正集样品含水量数据与经预处理(先滑动平均 滤波后一阶微分)得到的光谱数据间的数学模型。将预测集样品的光谱数据(经先滑动 平均滤波后一阶微分预处理)带入到已建立的校正模型中进行预测，获取预测集样品含水 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种醋糟有机基质含水量的检测方法，其特征是采用如下步骤：１）取不同水分含量的醋糟有机基质样品，一部分作为校正集，另一部分作为预测集，其余部分作为待测样品，采用常规烘干称重法测定所有样品的含水量作为实测值；２）用可见－近红外光谱仪采集校正集的样品、预测集的样品以及待测样品的反射光谱信息，用校正集的光谱数据与其含水量实测值间的关系建立校正模型；将预测集的光谱数据带入到校正模型中进行预测，获取预测集的样品含水量的预测结果并分析与其实测值的差异，选取预测精度达到要求的校正模型；３）将待测样品的光谱信息输入到经选取的校正模型中，对待测样品含水量进行计算，所获得的含水量预测值即为待测样品含水量的测定结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱咏莉，李萍萍，吴沿友，孙德民，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]