本發(fā)明涉及土壤耕層養(yǎng)分分析技術領域，尤其涉及一種基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試系統(tǒng)及方法。

背景技術：

隨著電子技術、信息技術和農業(yè)技術等領域的快速發(fā)展，依靠高強度人力勞動的傳統(tǒng)精耕細作方法，逐漸延伸蛻變?yōu)橐愿弋a(chǎn)、優(yōu)質、高效為目的的現(xiàn)代化精準農業(yè)。精準農業(yè)以信息技術為支撐，根據(jù)獲取的時間、空間上的差異特征，定時、定位、定量地對農業(yè)生產(chǎn)過程實施全方位的調控與管理。

土壤是農業(yè)領域的基本生產(chǎn)資料，也是作物賴以生存的根本環(huán)境，與農業(yè)經(jīng)濟緊密相關。土壤中速效氮、速效磷、速效鉀等主要營養(yǎng)成分含量直接影響作物的生長發(fā)育和最終產(chǎn)量。

目前對土壤養(yǎng)分的快速檢測技術方法主要包括電子與電磁傳感技術、電化學傳感技術和光學與輻射傳感技術等。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，目前包括可見光、近紅外和中紅外等光譜分析技術已成為土壤養(yǎng)分信息快速檢測的熱點研究方向。高光譜技術基于傳統(tǒng)光譜技術發(fā)展而來，是一種集探測器技術、精密光學機械、微弱信號檢測、電子信息計算、數(shù)字信息處理于一體的新型綜合技術，具有分辨率高、波段連續(xù)性強、數(shù)據(jù)量大、無損、實時等特點，近20年來已被廣泛的應用于土壤領域的信息檢測中。土壤養(yǎng)分快速檢測的根本目的是為了更精確、多方面、全方位的掌握土壤營養(yǎng)水平信息，因此，有必要開發(fā)相應的便攜式土壤速效養(yǎng)分測試系統(tǒng)，進行多種速效養(yǎng)分信息的同步檢測，并及時劃定土壤的整體肥力水平，實現(xiàn)精準農業(yè)的土壤信息檢測與處理。

技術實現(xiàn)要素：

基于背景技術存在的技術問題，本發(fā)明提出了一種基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明提出的基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試系統(tǒng)，包括：采集裝置、主控單元；

采集裝置，包括開溝犁、鎮(zhèn)壓機構、探頭夾具、第一光譜儀、第二光譜儀、光源；

開溝犁包括犁柱、犁鏵、犁托；犁托設于犁柱的一端，犁鏵設于犁托的一側，犁托上與犁鏵相對的一側設有第一鉸接機構和第二鉸接機構；第一鉸接機構設于第二鉸接機構的上方；鎮(zhèn)壓機構的一端與第一鉸接機構鉸接，另一端與探頭夾具頂端的一側鉸接，探頭夾具頂端的另一側與第二鉸接機構鉸接，探頭夾具繞第二鉸接機構與犁托形成轉動運動副；所述的第二鉸接機構和鎮(zhèn)壓機構分別對探頭夾具進行固定和鎮(zhèn)壓；探頭夾具的底端設有第一孔槽和第二孔槽，第一孔槽相對第二孔槽靠近犁托，第一孔槽上安裝有第一探頭，第二孔槽上安裝有第二探頭；探頭夾具上還設有校正白板和鋼化玻璃，校正白板設于第一探頭的下方，鋼化玻璃設于第二探頭的下方；

第一光譜儀通過第一光纖與第一探頭連接；第二光譜儀通過第二光纖與第二探頭相連；且第一光纖和第二光纖均與光源連接；

主控單元，與第一光譜儀、第二光譜儀通信連接；主控單元內存儲有土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型；

在第一狀態(tài)下，主控單元通過第一光譜儀獲取校正白板的反射亮度值DN_BW、通過第二光譜儀獲取鋼化玻璃下被測土壤的反射亮度值DN_BI，并將上述DN_BW和DN_BI作為噪聲標定數(shù)據(jù)進行存儲；

在第二狀態(tài)下，主控單元通過第一光譜儀獲取校正白板的反射亮度值DN_W、通過第二光譜儀獲取鋼化玻璃下被測土壤的反射亮度值DN_I，并根據(jù)公式實時計算出當前位置被測土壤的光譜反射率R_I；主控單元調用主控單元內存儲的土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型，并利用計算出的當前位置被測土壤的R_I對被測土壤的養(yǎng)分進行動態(tài)預測；

所述的公式為：

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

其中，R_W為校正白板的反射率，B為鋼化玻璃的透光率；

其中，所述的第一狀態(tài)指的是光源處于關閉狀態(tài)且開溝犁進入被測土壤耕層并處于靜止狀態(tài)，所述的第二狀態(tài)指的是光源處于開啟狀態(tài)且開溝犁進入被測土壤耕層并處于工作狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述的鎮(zhèn)壓機構包括滑竿和彈簧，彈簧套設在滑竿外部；滑竿靠近第一鉸接機構的一端為扁平狀，且設有銷孔；滑竿遠離第一鉸接機構的一端攻有螺紋.

優(yōu)選地，所述的探頭夾具上靠近第一鉸接機構的一端設有腰型孔；滑竿遠離第一鉸接機構的一端穿過上述腰型孔，并通過螺栓與探頭夾具固定。

優(yōu)選地，所述的第一光纖和第二光纖均包括光源輸入端、反射光輸出端和集成端；第一光纖的光源輸入端與光源連接，第一光纖的反射光輸出端與第一光譜儀連接，第一光纖的集成端與第一探頭連接；第二光纖的光源輸入端與光源連接，第二光纖的反射光輸出端與第二光譜儀連接，第二光纖的集成端與第二探頭連接。

優(yōu)選地，所述的第一光譜儀和第二光譜儀均為微型光譜儀，且第一光譜儀和第二光譜儀相同。

優(yōu)選地，所述的鋼化玻璃的透光率為穩(wěn)定常數(shù)。

本發(fā)明提出的一種基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、關閉光源，開溝犁進入土壤耕層并靜止；在無光源狀態(tài)下，通過第一光譜儀獲取校正白板的反射亮度值DN_BW、通過第二光譜儀獲取鋼化玻璃下被測土壤的反射亮度值DN_BI，并將上述DN_BW和DN_BI作為噪聲標定數(shù)據(jù)進行存儲；

S2、開啟光源，待光源穩(wěn)定后，開溝犁進入土壤耕層并處于工作狀態(tài)，主控單元通過第一光譜儀獲取校正白板的反射亮度值DN_W、通過第二光譜儀獲取鋼化玻璃下被測土壤的反射亮度值DN_I；

S3、根據(jù)公式計算出當前位置被測土壤的光譜反射率R_I；所述的公式為：

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

其中，R_W為校正白板的反射率，B為鋼化玻璃的透光率，R_W和B均為已知常數(shù)；

S4、調用土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型，并利用計算出的當前位置被測土壤的R_I對被測土壤的養(yǎng)分進行動態(tài)預測。

優(yōu)選地，所述的第一光譜儀和第二光譜儀均采用微型光譜儀，且第一光譜儀和第二光譜儀型號相同。

本發(fā)明主要解決了利用光譜儀對土壤耕層養(yǎng)分進行動態(tài)預測的難題；本發(fā)明設有第一光譜儀和第二光譜儀，首先，在開溝犁進入被測土壤耕層且沒有光源的情況下通過第一光譜儀采集校正白板的反射亮度值、通過第二光譜儀采集鋼化玻璃下被測土壤的反射亮度值，并將上述測得的兩個反射亮度值作為標定噪聲數(shù)據(jù)進行存儲；其次，在打開光源且開溝犁進入被測土壤耕層后通過第一光譜儀采集校正白板的反射亮度值、通過第二光譜儀采集鋼化玻璃下被測土壤的反射亮度值，且對此次測得的兩個反射亮度值以及兩個標定噪聲數(shù)據(jù)進行分析，并按照公式計算出當前位置的被測土壤的光譜反射率，最后，調用土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型，并利用上述計算出的當前位置的被測土壤的光譜反射率對被測土壤的養(yǎng)分進行動態(tài)與預測；本發(fā)明中利用開溝犁和鎮(zhèn)壓機構協(xié)同工作，保證主控單元采集數(shù)據(jù)時，探頭夾具的底端能夠緊貼開溝犁在被測土壤耕層開出的溝面，進而防止雜光進入探頭，避免雜光對光譜儀的采集結果造成影響，可有效地減小光譜儀在測試過程中對數(shù)據(jù)采集的誤差，保證對被測土壤光譜反射率檢測的精度，從而提高對被測土壤耕層養(yǎng)分進行預測的準確度和可靠性；且本發(fā)明中的第一光譜儀和第二光譜儀完全相同，可避免因兩個光譜儀硬件方面的差異而對上述兩個光譜儀的采集結果造成影響，從而進一步保證上述兩個光譜儀的采集精度，以提高本系統(tǒng)對被測土壤耕層養(yǎng)分預測結果的有效性和精確性。

附圖說明

圖1為一種基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為一種基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試方法的步驟示意圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，圖1、圖2為本發(fā)明提出的一種基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試系統(tǒng)及方法。

參照圖1，本發(fā)明提出的基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試系統(tǒng)，包括：采集裝置、主控單元；

采集裝置，包括開溝犁、第一光譜儀14、第二光譜儀16、光源15；所述的第一光譜儀14和第二光譜儀16均為微型光譜儀，且第一光譜儀14和第二光譜儀16相同；如此可保證兩個光譜儀的硬件參數(shù)完全一致，避免因兩個光譜儀硬件方面的差異對上述兩個光譜儀的采集結果造成影響，從而保證上述兩個光譜儀的采集精度。

開溝犁包括犁柱1、犁鏵2、犁托3；犁托3設于犁柱1的一端，犁鏵2設于犁托3的一側，犁托3上與犁鏵2相對的一側設有第一鉸接機構12和第二鉸接機構13；第一鉸接機構12設于第二鉸接機構13的上方；鎮(zhèn)壓機構9的一端與第一鉸接機構12鉸接，另一端與探頭夾具8頂端的一側鉸接，探頭夾具8頂端的另一側與第二鉸接機構13鉸接，探頭夾具8繞第二鉸接機構13與犁托3形成轉動運動副；所述的第二鉸接機構13和鎮(zhèn)壓機構9分別對探頭夾具8進行固定和鎮(zhèn)壓，如此，可保證在開溝犁進入被測土壤耕層后，第一探頭4和第二探頭7與開溝犁在被測土壤耕層開出的溝面緊密貼合，防止有雜光進入第一探頭4或第二探頭7對采集數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生影響，保證數(shù)據(jù)采集的準確性和有效性；探頭夾具8的底端設有第一孔槽和第二孔槽，第一孔槽相對第二孔槽靠近犁托3，第一孔槽上安裝有第一探頭4，第二孔槽上安裝有第二探頭7；探頭夾具8上還設有校正白板5和鋼化玻璃6，校正白板5設于第一探頭4的下方，鋼化玻璃6設于第二探頭7的下方；

所述的鎮(zhèn)壓機構9包括滑竿和彈簧，彈簧套設在滑竿外部；滑竿靠近第一鉸接機構12的一端為扁平狀，且設有銷孔；滑竿遠離第一鉸接機構12的一端攻有螺紋；所述的探頭夾具8上靠近第一鉸接機構12的一端設有腰型孔；滑竿遠離第一鉸接機構12的一端穿過上述腰型孔，并通過螺栓與探頭夾具8固定。

所述的第二鉸接機構13和鎮(zhèn)壓機構9分別用于固定和鎮(zhèn)壓探頭夾具8，使開溝犁在進入耕層后，主控單元開始工作時，探頭夾具8遠離第一鉸接機構12的一端緊貼開溝犁所開出的溝面，防止雜光進入第一探頭4或第二探頭7；通過利用開溝犁和鎮(zhèn)壓機構9協(xié)調工作，保證主控單元采集數(shù)據(jù)時，探頭夾具8遠離的底端能夠緊貼開溝犁在被測土壤耕層開出的溝面，進而防止雜光進入探頭，避免雜光對探頭的檢測結果造成影響。

第一光譜儀14通過第一光纖10與第一探頭4連接；第二光譜儀16通過第二光纖11與第二探頭7相連；且第一光纖10和第二光纖11均與光源15連接；所述的第一光纖10和第二光纖11均包括光源15輸入端、反射光輸出端和集成端；第一光纖10的光源15輸入端與光源15連接，第一光纖10的反射光輸出端與第一光譜儀14連接，第一光纖10的集成端與第一探頭4連接；第二光纖11的光源15輸入端與光源15連接，第二光纖11的反射光輸出端與第二光譜儀16連接，第二光纖11的集成端與第二探頭7連接。

主控單元，與第一光譜儀14、第二光譜儀16通信連接；主控單元內存儲有土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型；

在第一狀態(tài)下，主控單元通過第一光譜儀14獲取校正白板5的反射亮度值DN_BW、通過第二光譜儀16獲取鋼化玻璃6下被測土壤的反射亮度值DN_BI，并將上述DN_BW和DN_BI作為噪聲標定數(shù)據(jù)進行存儲；所述的第一狀態(tài)指的是在光源15處于關閉狀態(tài)且開溝犁進入被測土壤耕層并處于靜止狀態(tài)，將此時采集的數(shù)據(jù)作為噪聲標定數(shù)據(jù)可為接下來的步驟提供有力的參考依據(jù)，從而提高計算的準確性和可靠性。

在第二狀態(tài)下，主控單元通過第一光譜儀14獲取校正白板5的反射亮度值DN_W、通過第二光譜儀16獲取鋼化玻璃6下被測土壤的反射亮度值DN_I，并根據(jù)公式實時計算出當前位置被測土壤的光譜反射率R_I；主控單元調用主控單元內存儲的土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型，并利用計算出的當前位置被測土壤的R_I對被測土壤的養(yǎng)分進行動態(tài)預測；所述的第二狀態(tài)指的是光源15處于開啟狀態(tài)且開溝犁進入被測土壤耕層并處于工作狀態(tài)，上述狀態(tài)下開溝犁開始運動，此時根據(jù)開溝犁的運動對被測土壤的光譜反射率進行采集和分析，以實現(xiàn)對被測土壤內不同類型養(yǎng)分的動態(tài)預測；

所述的公式為：

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

其中，R_W為校正白板5的反射率，B為鋼化玻璃6的透光率，且鋼化玻璃6的透光率為穩(wěn)定常數(shù)。

參照圖2，本發(fā)明提出的基于光譜反射率的土壤耕層養(yǎng)分動態(tài)測試方法，包括以下步驟：

S1、關閉光源15，開溝犁進入被測土壤耕層并靜止；在無光源15狀態(tài)下，通過第一光譜儀14獲取校正白板5的反射亮度值DN_BW、通過第二光譜儀16獲取鋼化玻璃6下被測土壤的反射亮度值DN_BI，并將上述DN_BW和DN_BI作為噪聲標定數(shù)據(jù)進行存儲；

S2、開啟光源15，待光源15穩(wěn)定后，開溝犁進入被測土壤耕層并處于工作狀態(tài)，主控單元通過第一光譜儀14獲取校正白板5的反射亮度值DN_W、通過第二光譜儀16獲取鋼化玻璃6下被測土壤的反射亮度值DN_I；進行S2步驟時，需保證探頭夾具8遠離第一鉸接機構12的一端緊貼開溝犁開出的溝面，目的在于防止雜光進入探頭，避免雜光對光譜儀采集的數(shù)據(jù)造成影響。

S3、根據(jù)公式計算出當前位置被測土壤的光譜反射率R_I；所述的公式為：

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

其中，R_W為校正白板5的反射率，B為鋼化玻璃6的透光率，R_W和B均為已知常數(shù)；

S4、調用土壤內不同類型養(yǎng)分與光譜反射率的回歸模型，并利用計算出的當前位置被測土壤的R_I對被測土壤的養(yǎng)分進行動態(tài)預測。

所述的第一光譜儀14和第二光譜儀16均采用微型光譜儀，且第一光譜儀14和第二光譜儀16型號相同，如此可保證兩個光譜儀的硬件參數(shù)完全一致，避免因兩個光譜儀硬件方面的差異對上述兩個光譜儀的采集結果造成影響，從而保證上述兩個光譜儀的采集精度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。