基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法

摘要

本发明提出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，通过建立土壤氮素预测模型，利用7个波段的土壤光谱吸光度，建立了近红外光谱数据与土壤样品氮素含量的回归方程，从而准确测量土壤氮素水平。本发明实用精度高、不受天气因素影响，适于田间实时测量，提供了U盘存储功能，便于保存历史记录、调用数据和实现土壤氮素分布图。

说明书

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，尤其涉及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。

背景技术

土壤养分参数(主要为氮、磷、钾及有机质含量)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(Near Infrared Reflectance Spectroscopy，NIRS)分析法可以用来预测土壤中的全氮水平，其基本过程是：首先选取适宜的样本集，光谱扫描，建立土壤氮素的定标模型，也就是建立近红外光谱数据与实验室标准分析测定的土壤样品氮素成分数值的相关回归方程。然后，根据待测样品的光谱特征，利用相应的定标模型对土壤氮素水平进行预测。

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。

目前国内外的相关研究大部分停留在土壤氮素预测理论研究阶段，还没有便携式土壤氮素水平检测设备，因此迫切需要开发一种可以方便在田间实时测量的土壤氮素水平检测装置和方法，且现场测量，操作简单，价格合适。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供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。

基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置，其特征在于，由光学部分和控制部分组成；

所述光学部分包括多波段近红外光源发射装置、Y型入射/反射光纤、探头以及光电传感器，所述光源发射装置位于所述入射光纤的前端，所述探头位于所述入射光纤的末端，所述光电传感器位于所述反射光纤的末端；

所述控制部分包括依次相连的放大电路、滤波电路以及A/D转换电路，所述放大电路与所述光电传感器相连。

所述多波段近红外光源发射装置采用七个单波段近红外LED作为主动光源。

所述七个单波段近红外LED置于一个光源转盘上。

所述控制部分还包括步进电机控制电路。

所述步进电机驱动光源转盘依次将每一个单波段近红外LED旋转连通至所述Y型入射光纤的入口。

所述光源转盘可通过手动方式转动。

所述控制部分还包括液晶显示电路以及同步U盘存储电路。

基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：结合采用小波包分析和偏最小二乘法建立土壤氮素预测模型；

步骤2：将检测装置带上探头插入土壤表层以下，然后取出检测仪光纤，将探头旋下，再次将检测装置光纤送入土壤表层以下原探头所至位置；

步骤3：旋转光源转盘，依次采集同一土样在7个波段的反射率；

步骤4：根据土壤氮素预测模型，计算土壤中氮素含量。

所述步骤4得到的单一位置的氮素含量结合GPS坐标信息，基于VC+MapX技术，实现田间土壤氮素分布图。

本系统所采用的信号是由近红外发光二极管发出，由光导纤维传输，信号比较微弱，再经过InGaAs光电探测器转换后得到的电信号更加微弱，此外，在这个过程中还夹杂了各种噪声的干扰，因此选用高输入阻抗的集成运算放大器CA3140，实现I-U转换的同时，实现了微弱信号的一次放大功能。

微弱信号的二次放大功能由LM358实现，通过R-C组成一阶低通滤波器将信号送入MAX187进行A/D转化。

两次放大的模拟信号通过A/D转换电路变为数字信号，送入89S52的单片机系统进行处理，A/D转换电路由12位单通道串行输入的模数转换器MAX187芯片实现。

液晶显示电路采用LCM128645zk液晶显示模块，显示内容128*64点阵，点大小0.48*0.48mm²，点间距0.04mm，内带8000多GB1，GB2中文汉字字库，串行/并行两用接口。本发明电路设计采用的是串行接口，通过与单片机连接，实现有效控制液晶屏的正确显示。

U盘存储选用的是南京沁恒电子公司生产的U盘模块作为存储设备，通过MAX232芯片实现单片机和存储模块之间的通信。

本发明的有益效果如下：

1.实用精度高

通过偏最小二乘法提供了土壤氮素预测模型，也就是建立了近红外光谱数据与实验室标准分析测定的土壤样品氮素成分数值之间的相关回归方程。通过偏最小二乘法建立的模型精度达到0.7以上，基本可以满足农业检测需求。

2.抗干扰性强

采用7个单波段近红外LED作为主动光源，解决了天气因素影响，且只需要做一次标定即可。光源可以方便更换，甚至在有相关模型的支持下，可以方便转化为检测土壤其他参数的便携式设备。

3.工作稳定且具有灵活性

通过控制步进电机或机械装置实现自动或者手动获取7个波段的反射率数据，大大缩短了采集数据所需要的时间，降低了成本。

4.数据存储方便

用于田间实时测量使用，为了保存历史记录，提供了U盘存储功能，方便日后数据的调用和氮素分布图的实现。

5.实现土壤氮素分布图

提出的基于VC+MapX的田间土壤氮素分布图的实现方法，能够更好地指导作物的生长。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为基于小波包分析的光谱特征提取；

图2为基于聚类样本提取特征光谱的全氮PLS模型的标定和验证；

图3为光电探测器光谱响应曲线；

图4为光源转盘LED的分布图；

图5为光路结构示意图；

图6为光纤通路设计图。

附图说明

1-发光二极管、2-检测头、3-土壤、4-束状输入光纤、5-束状输出光纤、6-光电探测器。

具体实施方式

首先建立土壤氮素含量和近红外光谱数据之间回归模型。本发明提供的方法采用小波包分析和偏最小二乘法相结合的方式建立预测模型。

小波包分析在Matlab 7中采用小波包分析理论编程实现，选择Biorthogonal小波作为小波包分析的母小波。通过对小波包分解的层数的曲线观察实验，确定对信号作8层Biorthogonal小波包分解。特征光谱提取过程和结果如图1所示，其中，(a)：原始光谱；(b)：结点[8 0]的低频系数；(c)：重构[8 0]结点；(d)：结点[8 255]的低频系数；(e)：重构[8 255]结点；(f)：特征曲线。

对特征光谱曲线进行8层Biorthogonal小波包分解后得到256个结点。分解后的最低低频[8 0]结点反映了光谱曲线变化的总体趋势，最高高频[8 255]结点反映了光谱曲线瞬时的微小波动，最后得到的光谱曲线从原始光谱曲线中剔除了分解后的低频和高频部分。

对50个全氮样本都提取相应的特征光谱，并利用特征光谱数据进行PLS建模，建模结果如图2所示，其中35个样本用于建模(图中用“方块”表示)，15个样本用于验证(图中用“三角”表示)。全氮PLS预测模型的预测系数达到了0.960，验证系数达到了0.920。这个精度与实施小波包分析之前的精度相比得到了明显的提高，达到了精细农业土壤实时分析要求的精度。

根据待测样品的光谱特征，利用相应的定标模型对土壤氮素水平进行预测。本发明中土壤氮素预测模型采用的是偏最小二乘法建立，通过偏最小二乘法建立的土壤全氮和7个波段的预测模型如下，

Y＝0.200898+0.032499*X₁₆₈₃+0.012892*X₁₅₁₆+0.000736*X₁₄₀₇-0.00058*X₁₃₀₆

              -0.05555*X₁₁₉₉-0.02889*X₁₀₈₀-0.08421*X₈₃₆

其中，Y为土壤氮素含量，单位为％；X₁₆₈₃、X₁₅₁₆、X₁₄₀₇、X₁₃₀₆、X₁₁₉₉、X₁₀₈₀、X₈₃₆分别为土壤1683nm、1516nm、1407nm、1306nm、1199nm、1080nm、836nm处的吸光度值。

以下是检测装置的详细工作过程和数据处理方法：

-检测装置初始标定

由于需要检测7个近红外波段的光谱反射率，在第一次使用之前须对装置进行初始标定，本发明采用主动光源方法，因此只要在电源稳定情况下，初次设定标定值之后无需再进行标定设置。

通过测试检测装置对标准板的反射值，并根据图3所示的光电探测器光谱响应曲线，对反射值进行校正处理，通过公式(1)～(7)，分别获得836nm、1080nm、1199nm、1306nm、1407nm、1516nm、1683nm处的标准板反射值。

V_836stad＝V_836disp/λ₈₃₆    (1)

V_1080stad＝V_1080disp/λ₁₀₈₀    (2)

V_1199stad＝V_1199disp/λ₁₁₉₉    (3)

V_1306stad＝V_1306disp/λ₁₃₀₆    (4)

V_1407stad＝V_1407disp/λ₁₄₀₇    (5)

V_1516stad＝V_1516disp/λ₁₅₁₆    (6)

V_1683stad＝V_1683disp/λ₁₆₈₃    (7)

其中：V_836stad、V_1080stad、V_1199stad、V_1306stad、V_1407stad、V_1516stad、V_1683stad代表各波段标准板反射值，单位：V；V_836disp、V_1080disp、V_1199disp、V_1306disp、V_1407disp、V_1516disp、V_1683disp代表各波段照射标准板时返回的原始值，单位：V；λ₈₃₆、λ₁₀₈₀、λ₁₁₉₉、λ₁₃₀₆、λ₁₄₀₇、λ₁₅₁₆、λ₁₆₈₃代表各波段在InGaAs光电探测器表面的响应度。

-检测装置使用方法

检测装置主要通过记录同一土样对7种近红外的反射率，来测算土壤中氮素水平，将检测仪带上锥形探头插入土壤表层以下30cm处，然后取出检测仪光纤，将锥形探头旋下，再次将检测仪光纤送入土壤表层以下30cm处。打开光源开关和电源开关，拨动检测开关，转动光源转盘，图4是光源转盘LED的分布图。依次检测土壤反射率，并进行液晶显示和U盘存储。其中，光路结构示意图如图5所示，发光二极管1发出的光经束状输入光纤4传输至检测头2射向待测土壤3，经待测土壤3反射的光线由束状输出光纤5传回至光电探测器6。光纤通路设计图如图6所示。

通过公式(8)～(14)来计算各个波段的土壤反射率。通过公式(15)获得各个波段的土壤吸光度值。

$r_{836\mathrm{ref}}=\frac{V_{836\mathrm{ref}}}{V_{836\mathrm{stad}}}=\frac{V_{836\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{836}}{V_{836\mathrm{disp}}/{\lambda }_{836}}=\frac{V_{836\mathrm{sdisp}}}{V_{836\mathrm{disp}}}---\left(8\right)$

$r_{1080\mathrm{ref}}=\frac{V_{1080\mathrm{ref}}}{V_{1080\mathrm{stad}}}=\frac{V_{1080\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{1080}}{V_{1080\mathrm{disp}}/{\lambda }_{1080}}=\frac{V_{1080\mathrm{sdisp}}}{V_{1080\mathrm{disp}}}---\left(9\right)$

$r_{1199\mathrm{ref}}=\frac{V_{1199\mathrm{ref}}}{V_{1199\mathrm{stad}}}=\frac{V_{1199\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{1199}}{V_{1199\mathrm{disp}}/{\lambda }_{1199}}=\frac{V_{1199\mathrm{sdisp}}}{V_{1199\mathrm{disp}}}---\left(10\right)$

$r_{1306\mathrm{ref}}=\frac{V_{1306\mathrm{ref}}}{V_{1306\mathrm{stad}}}=\frac{V_{1306\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{1306}}{V_{1306\mathrm{disp}}/{\lambda }_{1306}}=\frac{V_{1306\mathrm{sdisp}}}{V_{1306\mathrm{disp}}}---\left(11\right)$

$r_{1407\mathrm{ref}}=\frac{V_{1407\mathrm{ref}}}{V_{1407\mathrm{stad}}}=\frac{V_{1407\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{1407}}{V_{1407\mathrm{disp}}/{\lambda }_{1407}}=\frac{V_{1407\mathrm{sdisp}}}{V_{1407\mathrm{disp}}}---\left(12\right)$

$r_{1516\mathrm{ref}}=\frac{V_{1516\mathrm{ref}}}{V_{1516\mathrm{stad}}}=\frac{V_{1516\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{1516}}{V_{1516\mathrm{disp}}/{\lambda }_{1516}}=\frac{V_{1516\mathrm{sdisp}}}{V_{1516\mathrm{disp}}}---\left(13\right)$

$r_{1683\mathrm{ref}}=\frac{V_{1683\mathrm{ref}}}{V_{1683\mathrm{stad}}}=\frac{V_{1683\mathrm{sdisp}}/{\lambda }_{1683}}{V_{1683\mathrm{disp}}/{\lambda }_{1683}}=\frac{V_{1683\mathrm{sdisp}}}{V_{1683\mathrm{disp}}}---\left(14\right)$

其中：V_836ref、V_1080ref、V_1199ref、V_1306ref、V_1407ref、V_1516ref、V_1683ref代表各波段土壤样品反射值，单位：V；V_836sdisp、V_1080sdisp、V_1199sdisp、V_1306sdisp、V_1407sdisp、V_1516sdisp、V_1683sdisp代表各波段照射土壤样品时返回的原始值，单位：V；r_836ref、r_1080ref、r_1199ref、r_1306ref、r_1407ref、r_1516ref、r_1683ref代表各波段的反射率。

A_i＝lg(1/r_i)    (15)

其中i＝836、1080、1199、1306、1407、1516、1683nm，A代表土壤吸光度值，r代表土壤反射率。

土壤氮素水平分布图采用VC+MapX的方法实现，可以将单点氮素含量和GPS坐标信息结合，实现单点氮素含量显示、插值、小区面积测算，小区氮素含量等值线图生成，为变量施肥提供决策依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。