本發(fā)明屬于土壤生態(tài)學(xué)調(diào)查領(lǐng)域，具體涉及一種原位土壤活體小動物分層探測調(diào)查方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、土壤小動物在生態(tài)系統(tǒng)中通過分解有機物、促進養(yǎng)分循環(huán)和改善土壤結(jié)構(gòu)，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們的活動，如挖洞和覓食，增加了土壤孔隙度和保水性，創(chuàng)造了支持多樣微生物群落的異質(zhì)環(huán)境。這些過程不僅促進植物生長，還維持土壤健康，因此土壤小動物對可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。野外土壤小動物的調(diào)查是生態(tài)學(xué)研究的重要組成部分。然而，傳統(tǒng)的調(diào)查方法，如直接觀察法和陷阱法，通常需要將土壤樣本從其自然環(huán)境中移除，不僅耗時耗力，還容易因為人為誤差和主觀判斷導(dǎo)致結(jié)果不準確。此外，這些方法往往缺乏對土壤層次結(jié)構(gòu)的深入分析，難以提供活體土壤小動物在不同土壤深度層中的分布情況。雖然生物標志物分析法能夠提供定量數(shù)據(jù)，但其復(fù)雜的化學(xué)處理和分析流程不僅增加了成本，也延長了研究周期。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種原位土壤活體小動物分層探測調(diào)查方法及裝置。該方法通過對原位土壤樣本直接進行探測，避免了樣本轉(zhuǎn)移過程中的干擾和污染，確保了數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。同時，本發(fā)明的分層探測技術(shù)能夠精確識別不同土壤層中的土壤小動物種類、數(shù)量和分布情況，為土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究提供新視角。相比傳統(tǒng)方法，本發(fā)明的實時識別能力顯著提高了探測效率，自動化的土壤分層檢測方法簡化了操作流程，降低了技術(shù)門檻。此外，本發(fā)明的檢測方法無需化學(xué)處理，減少了對環(huán)境和生物體的影響。本發(fā)明旨在通過創(chuàng)新技術(shù)實現(xiàn)對土壤活體小動物的快速、準確、分層探測，減少對土壤環(huán)境的干擾，提高探測效率，降低成本，為土壤生態(tài)研究和農(nóng)業(yè)管理提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。這一方法為土壤生態(tài)研究和農(nóng)業(yè)實踐提供了一種更為先進的工具，促進土壤健康管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2、本發(fā)明實現(xiàn)其目的的技術(shù)方案如下：

3、一種原位土壤活體小動物分層探測調(diào)查方法及裝置，將自然采集的土壤樣本放置于原位土壤活體小動物分層實例分割裝置里，氣體麻醉系統(tǒng)控制麻醉氣體勻速通入土壤樣品分層檢測箱，待土壤樣本內(nèi)的小動物被麻醉后，原位土壤活體小動物分層實例分割裝置中的信息處理單元控制高光譜成像模組結(jié)合寬帶光源照明模組來采集土壤樣品內(nèi)小動物的反射圖譜；信息處理單元控制高光譜成像模組結(jié)合紫外光激發(fā)模組來探測土壤樣品內(nèi)小動物的熒光圖譜；反射圖譜和熒光圖譜組成多模態(tài)高光譜成像數(shù)據(jù)，由土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型對其進行像素實例分割，分割土壤小動物和土壤的像素區(qū)域的同時，識別土壤小動物的像素標簽類別；

4、所述的原位土壤活體小動物分層實例分割裝置采用分層探測，由土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型獨立識別每層土壤內(nèi)小動物的種類和實例個體數(shù)量，最后計算原位整體土壤樣品內(nèi)小動物的種類、實例個體數(shù)量、分布密度，以及小動物在土壤的縱向分布情況。

5、所述的原位土壤活體小動物分層實例分割裝置包括儀器遮光密閉罩、寬帶光源照明模組、高光譜成像模組、第一電動位移臺，電動推臂模組、氣體麻醉系統(tǒng)、土壤樣品分層檢測箱、土壤樣品儲存箱、紫外光激發(fā)模組、信息處理單元、可翻動透明窗口模組；寬帶光源照明模組、高光譜成像模組、第一電動位移臺，電動推臂模組、氣體麻醉系統(tǒng)分別信息處理單元相連。

6、所述的寬帶光源照明模組包括第一寬光譜光源，第二寬光譜光源，第一聚光透鏡，第二聚光透鏡；第一寬光譜光源與第二聚光透鏡相連；第二寬光譜光源與第一聚光透鏡相連；

7、所述的高光譜成像模組包括第一透鏡，狹縫，第二透鏡，光譜變換模塊，第三透鏡，相機，第二電動位移平臺；第一透鏡，狹縫，第二透鏡，光譜變換模塊，第三透鏡，相機與第二電動位移臺相連；第一電動位移臺帶動高光譜成像模組運動；

8、所述的電動推臂模組包括第一電動推臂，第二電動推臂，第三電動推臂，第四電動推臂，第五電動推臂，第六電動推臂，第七電動推臂；第一電動推臂，第二電動推臂，第三電動推臂，第四電動推臂，第五電動推臂，第六電動推臂和第七電動推臂至上而下順次連接；

9、所述的紫外光激發(fā)模組包括第一紫外光源，第四透鏡，第一旋轉(zhuǎn)電機，第一帶通濾光片組，第二紫外光源，第五透鏡，第二旋轉(zhuǎn)電機，第二帶通濾光片組，第三紫外光源，第六透鏡，第三旋轉(zhuǎn)電機，第三帶通濾光片組，第四紫外光源，第七透鏡，第四旋轉(zhuǎn)電機，第四帶通濾光片組，第五紫外光源，第八透鏡，第五旋轉(zhuǎn)電機，第五帶通濾光片組，第六紫外光源，第九透鏡，第六旋轉(zhuǎn)電機，第六帶通濾光片組，第七紫外光源，第十透鏡，第七旋轉(zhuǎn)電機，第七帶通濾光片組；第一紫外光源，第四透鏡，第一旋轉(zhuǎn)電機與第一帶通濾光片組相連；第二紫外光源，第五透鏡，第二旋轉(zhuǎn)電機與第二帶通濾光片組相連；第三紫外光源，第六透鏡，第三旋轉(zhuǎn)電機與第三帶通濾光片組相連；第四紫外光源，第七透鏡，第四旋轉(zhuǎn)電機與第四帶通濾光片組相連；第五紫外光源，第八透鏡，第五旋轉(zhuǎn)電機與第五帶通濾光片組相連；第六紫外光源，第九透鏡，第六旋轉(zhuǎn)電機與第六帶通濾光片組相連；第七紫外光源，第十透鏡，第七旋轉(zhuǎn)電機與第七帶通濾光片組相連；

10、所述的可翻動透明窗口模組包括第一可翻動透明窗口，第二可翻動透明窗口，第三可翻動透明窗口，第四可翻動透明窗口，第五可翻動透明窗口，第六可翻動透明窗口，第七可翻動透明窗口；第一可翻動透明窗口，第二可翻動透明窗口，第三可翻動透明窗口，第四可翻動透明窗口，第五可翻動透明窗口，第六可翻動透明窗口和第七可翻動透明窗口至上而下連接；所述的信息處理單元包括工業(yè)電腦和數(shù)據(jù)連接線；信息處理單元分別和寬帶光源照明模組、高光譜成像模組、電動推臂模組、氣體麻醉系統(tǒng)、紫外光激發(fā)模組和第一電動位移臺相連。信息處理單元用于控制寬帶光源照明模組、紫外光激發(fā)模組、高光譜成像模組、電動推臂模組、氣體麻醉系統(tǒng)和第一電動位移臺的運行時序，使得高光譜成像模組能夠有序采集土壤樣品分層檢測箱內(nèi)所有分層的土壤樣品的多模態(tài)高光譜數(shù)據(jù)，并對土壤樣品的多模態(tài)高光譜數(shù)據(jù)對小動物進行實例分割，以計算土壤樣品內(nèi)小動物的種類、實例個體數(shù)量和分布密度等信息。

11、所述的分層探測思路方法，土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)原位土壤活體小動物分層實例分割裝置采集的反射圖譜和熒光圖譜組成多模態(tài)高光譜成像數(shù)據(jù)，計算得到土壤表層小動物的種類和實例個體數(shù)量，并采用如下的方法進行估算土壤深層小動物的種類和實例個體數(shù)量：

12、從土壤原位取得的土壤樣本的體積為(x,y,z)，土壤內(nèi)各種類小動物的數(shù)量為s(s1,s2,s3,…,sn)，其中n為土壤內(nèi)小動物的種類數(shù)量；

13、原位土壤活體小動物分層實例分割裝置在縱向位置將土壤樣品分為k層；設(shè)當前土壤樣品分層序號為q，每層土壤樣品體積為(x,y,z/k)，第q層土壤樣品內(nèi)各種類小動物數(shù)量為pq(pq1,pq2,pq3,…,pqm)，其中m為第q層土壤樣品內(nèi)小動物的總種類數(shù)量；

14、建立標定，方法如下：根據(jù)原位土壤活體小動物分層實例分割裝置采集的土壤樣品分層檢測箱10內(nèi)第一層土壤樣品表層的反射圖譜和熒光圖譜組成多模態(tài)高光譜成像數(shù)據(jù)，通過土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型識別第一層土壤樣品表層的小動物的種類和實例個體數(shù)量，獲得當前土壤樣品表層小動物的種類數(shù)量集t1(t11,t12,t13,…,t1m)；通過人工分離土壤樣品內(nèi)部小動物，進行挑選和人工識別，得到土壤樣品分層檢測箱10內(nèi)第一層土壤樣品的總小動物種類數(shù)量集p1(p11,p12,p13,…,p1m)；通過機器學(xué)習(xí)p1(p11,p12,p13,…,p1m)和t1(t11,t12,t13,…,t1m)的擬合關(guān)系式，如下所示：

15、

16、根據(jù)上述擬合關(guān)系式，通過原位土壤活體小動物分層實例分割裝置結(jié)合土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型得到的第q層土壤樣品表層小動物的種類數(shù)據(jù)集tq(tq1,tq2,tq3,…,tqm)，可計算得到第q層土壤樣品的總小動物種類數(shù)據(jù)集pq(pq1,pq2,pq3,…,pqm)；

17、則土壤樣品分層檢測箱內(nèi)，第q層土壤樣品中，種類為i的土壤小動物的分布密度為：

18、

19、則土壤樣品分層檢測箱內(nèi)，第q層土壤樣品中，土壤小動物的分布密度為：

20、

21、按照上述步驟依次循環(huán)，直至探測完土壤樣品分層檢測箱內(nèi)的所有的分層土壤樣品的小動物的種類數(shù)據(jù)集；

22、土壤樣品分層檢測箱內(nèi)土壤小動物的各種類個體數(shù)量為：

23、

24、土壤樣品分層檢測箱內(nèi)土壤小動物的個體總數(shù)為：

25、

26、土壤樣品分層檢測箱內(nèi)，土壤小動物的各種類分布密度為：

27、

28、土壤小動物的總分布密度為：

29、

30、所述的土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型，基于3d卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提取原位土壤活體小動物分層實例分割裝置采集的多模態(tài)高光譜成像數(shù)據(jù)的空間和光譜特征，用以對土壤內(nèi)小動物的實例分割。其實例分割的種類個體信息可用于分析該土壤小動物個體的生長周期，雌雄等個體信息，以用于更好的土壤小動物庫建立。即使小動物在土壤內(nèi)部，由于土壤的遮擋，導(dǎo)致實際采集的土壤小動物個體殘缺不全，通過本發(fā)明定義的土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型，可以對殘缺不全的土壤小動物進行實例分割，既分割識別小動物的種類和實例個體，同時也可以分析該殘缺小動物部位是否為被掩蓋的活體小動物，又或是斷肢死體；

31、所述的分層探測，原位土壤活體小動物分層實例分割裝置中的高光譜成像模組探測完第一層土壤小動物的實例分割的種類個體時，電動推臂模組中第一電動推臂會在推動第一層土壤通過第一可翻動透明窗口進入土壤樣品儲存箱；高光譜成像模組中的第一電動位移臺帶動高光譜成像模組向下移動使得第二層土壤表面成像清晰；高光譜成像模組探測完第二層土壤小動物的實例分割的種類個體，電動推臂模組中第二電動推臂在推動第二層土壤通過第二可翻動透明窗口進入土壤樣品儲存箱；依次循環(huán)，直至探測完土壤樣品分層檢測箱內(nèi)的所有的分層土壤樣品。

32、所述的多模態(tài)高光譜成像探測，寬帶光源照明模組采用寬光譜波段可見-近紅外波段400-1800nm探測土壤小動物，在探測完土壤樣品的反射光譜后。信息處理中心控制關(guān)閉寬帶光源照明模組的電源，開啟紫外光激發(fā)模組的電源；當進行土壤樣品分層檢測箱中第一層土壤樣品探測時，第一紫外光源發(fā)出的紫外光經(jīng)第四透鏡準直后經(jīng)過第一帶通濾光片組后，從側(cè)面照射在土壤小動物的表面，土壤小動物被紫外光激發(fā)出熒光后被高光譜成像模組采集熒光圖譜數(shù)據(jù)；第一旋轉(zhuǎn)電機帶動第一帶通濾光片組轉(zhuǎn)動，以增加切換不同的帶通濾光片，實現(xiàn)不同的熒光波段出射；當進行土壤樣品分層檢測箱中下一層土壤樣品探測時，重復(fù)寬帶光源照明過程和切換第二紫外光源以讓紫外光線照射到下一層土壤樣品中；依次循環(huán)，直至完成土壤樣品分層檢測箱內(nèi)的所有的分層土壤樣品多模態(tài)高光譜成像探測。

33、所述的高光譜成像模組，土壤樣品分層檢測箱內(nèi)表層土壤樣品的反射或熒光圖像經(jīng)過第一透鏡后成像在狹縫表面，通過狹縫中心的光經(jīng)過第二透鏡后被準直為不同角度的平行光；不同角度的平行光經(jīng)過光譜變換模塊后，通過第三透鏡，聚焦在相機處形成光譜圖像；光譜變換模塊由棱鏡-光柵-棱鏡模塊組成，或由可調(diào)諧濾波器組成，用于將復(fù)色光分成不同波段的單色光；第二電動位移平臺帶動高光譜成像模組進行一維掃描，從而實現(xiàn)對土壤樣品分層檢測箱內(nèi)表層土壤樣品的反射-熒光多模態(tài)高光譜成像探測。

34、本發(fā)明的有益效果：

35、本發(fā)明公開一種原位土壤活體小動物分層探測調(diào)查方法及裝置，采用原位土壤活體小動物分層實例分割裝置，可以對活體土壤小動物進行分層多模態(tài)高光譜成像。多模態(tài)高光譜數(shù)據(jù)由土壤動物3d卷積實例分割深度網(wǎng)絡(luò)模型對其進行像素實例分割，根據(jù)實例分割結(jié)果，獨立識別每層土壤內(nèi)小動物的種類和實例個體數(shù)量，最后計算原位整體土壤樣品內(nèi)小動物的種類，密度和實例個體數(shù)量。

36、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)土壤生態(tài)學(xué)調(diào)研時采用機械挖土，篩出雜質(zhì)后，人工挑選土壤內(nèi)小動物進行經(jīng)驗識別分類的低效率，耗時費力，以及昆蟲引誘方法造成的統(tǒng)計誤差大，時效低的問題。提出一種原位土壤活體小動物分層探測調(diào)查方法及裝置可以在原位采集土壤樣本后，不改變土壤動物分布結(jié)構(gòu)，快速高準確率的識別原位土壤樣本內(nèi)小動物的種類，密度以及空間分布等信息，對土壤生態(tài)學(xué)調(diào)研具有重要意義。