土壤含水率和含氮量监测方法、装置、设备及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种土壤含水率和含氮量监测方法、装置、设备及存储介质，测量待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值；将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量；其中，所述土壤含水率和含氮量预测模型为，以监测到的土壤样本的电压值、电阻值和电容值为训练样本，以所述土壤样本对应的含水率和含氮量为训练标签进行训练得到。本发明专利技术实施例提供的土壤含水率和含氮量监测方法，通过基于机器学习的模型计算方法实现了对土壤含水率和含氮量两个参量同时在线监测。

Monitoring method, device, equipment and storage medium of soil moisture content and nitrogen content

【技术实现步骤摘要】
土壤含水率和含氮量监测方法、装置、设备及存储介质
本专利技术涉及土壤成分监测领域，尤其涉及一种土壤含水率和含氮量监测方法、装置、设备及存储介质。
技术介绍
土壤养分的原位、实时、在线监测能够为农业生产中的水肥一体化灌溉提供精准的数据，同时也能够有效地减少化肥使用量及减少农田污染。但目前土壤养分的田间在线监测技术的实现还存在许多难题亟待解决。这是由于土壤既是一种非均质的、多相的、分散的、颗粒化的多孔系统，又是一个由惰性固体、活性固体、溶质、气体以及水组成的多元复合系统。土壤的物理特性非常复杂，空间变异性非常大，使得土壤理化参数的田间在线测量具有一定的难度，而其中土壤水分和氮磷钾养分含量是尤为重要的指标，不仅关系到作物的生长发育，也关系到土壤生态及食品安全，是农业生产全过程都要监测的重要参数。现有技术中土壤水分的田间在线监测已经可以物理实现了，但普遍存在监测不准确的问题。同时，土壤养分的田间原位、实时、在线监测目前在国内外还是空白。传统的土壤成分化学分析方法和光谱分析技术，均因过程复杂、周期长、成本高、实时性差而无法应用于农业物联网中，也很难推广应用于实际的农业生产中。现有的监测设备更无法实现土壤含水率和含氮量两个参量同时在线监测，如果采用两套设备分别进行两个参量的田间监测会导致成本提高而且影响农业生产的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种土壤含水率和含氮量监测方法、装置、设备及存储介质，用以解决现有技术中无法对土壤含水率和含氮量两个参量同时在线监测的问题。第一方面，本专利技术实施例提供一种土壤含水率和含氮量监测方法，包括：测量待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值；将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量；其中，所述土壤含水率和含氮量预测模型为，以监测到的土壤样本的电压值、电阻值和电容值为训练样本，以所述土壤样本对应的含水率和含氮量为训练标签进行训练得到。可选地，所述方法还包括：将采集得到的土壤进行烘干处理，得到土壤原始样本；将不同特定含量的尿素与水混合配成溶液，分别与特定含量的所述土壤原始样本进行混合并搅拌均匀，配制成多组土壤待处理样本，并测定所述多组土壤待处理样本各自的含氮量；将土壤水分测量传感器安装在所述土壤待处理样本中，对所述多组土壤待处理样本分别进行排空气处理，得到多组所述土壤样本；对于多组土壤样本中的每一组，间隔固定时间测量所述土壤样本当前的电压值、电阻值、电容值和含水率，直至所述土壤样本的含水率下降至预设值。可选地，所述间隔固定时间测量所述土壤样本当前的电压值、电阻值、电容值和含水率，包括：对所述土壤样本称重，获取所述土壤样本当前的重量；根据所述土壤样本当前的重量和对应的土壤原始样本的重量得到所述土壤样本当前的含水率；使用土壤水分测量传感器，测量得到所述土壤样本在当前土壤的含水率条件下，所述土壤水分测量传感器的检测电路输出的电压值；使用电桥测试电路，测量得到所述土壤样本在当前土壤的含氮量条件下，所述电桥测试电路输出的电阻值和电容值。可选地，对所述多组土壤待处理样本分别进行排空气处理，包括：对于所述多组土壤待处理样本中的每一组，分层装入容器中，砸实每层待处理土壤样本，直至所述土壤待处理样本整体装入所述容器中。可选地，所述将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量，包括：将所述待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值由所述土壤含水率和含氮量预测模型的输入层经过加权求和传递至所述土壤含水率和含氮量预测模型的隐藏层，隐藏层再通过激活函数将输入层传来的经过加权求和的值进行非线性变换后，作为所述土壤含水率和含氮量预测模型的输出层的输入数据，通过加权求和导入输出层作为结果，输出待测土壤对应的含水率和含氮量。可选地，所述输入层的表达式为X＝[U,R,C]，U为土壤水分传感器监测到的土壤样本电压值，R为土壤样本电阻值，C为土壤样本电容值；X表示由Ui、R、C和m个样本组成的m×3的输入矩阵，其中i＝[1,...,m]；所述隐藏层的表达式为Zi＝WiX+bi，式中Wi表示上层各神经元输入到后一层各神经元中所做贡献的n*k权值矩阵(n为上层神经元个数，k表示下层神经元个数)，初始值为随机值；bi表示每层的偏置量，其大小为m*k的矩阵，初始值为0；Zi表示根据两层之间的权值Wi对上层神经元进行累加求和运算结果加上对应的偏置量bi的m*k矩阵；所述激活函数的公式为Yi＝f(Zi)＝max(0,Zi)，f表示激活函数，Yi表示各层神经元对Zi进行非线性变换的Relu激活函数求解结果的m*k矩阵；所述输出层表达式为WCSpre＝Wi+1Yi+bi+1，WCSpre为X经过土壤含水率和含氮量预测模型计算的土壤水分含量及含氮量预测值。可选地，所述方法还包括：基于所述土壤含水率和含氮量预测模型输出的含水率及含氮量与实际土壤含水率及含氮量数据之间的误差，逐层对所述输出层、所述隐藏层和所述输入层的每层神经元的参数进行更新，修正网络权值和阈值使误差函数沿负梯度方向下降；直到所述土壤含水率和含氮量预测模型的输出值与其对应的真实值之间的误差达到预先设定的阈值范围内，训练结束；其中，所述误差的表达式如下：WCSpre表示土壤含水率和含氮量预测模型输出的第i个测试样本的预测值，WCSmv是第i个测试样本的真实值。第二方面，本专利技术实施例提供一种土壤含水率和含氮量监测装置，包括：参数测量模块，用于测量待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值；监测模块，用于将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量；其中，所述土壤含水率和含氮量预测模型为，以监测到的土壤样本的电压值、电阻值和电容值为训练样本，以所述土壤样本对应的含水率和含氮量为训练标签进行训练得到。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述土壤含水率和含氮量监测方法的步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述土壤含水率和含氮量监测方法的步骤。本专利技术实施例提供的土壤含水率和含氮量监测方法、装置、设备及存储介质，通过基于机器学习的模型计算方法，实现了对土壤含水率和含氮量两个参量同时在线监测。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土壤含水率和含氮量监测方法，其特征在于，包括：/n测量待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值；/n将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量；/n其中，所述土壤含水率和含氮量预测模型为，以监测到的土壤样本的电压值、电阻值和电容值为训练样本，以所述土壤样本对应的含水率和含氮量为训练标签进行训练得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种土壤含水率和含氮量监测方法，其特征在于，包括：
测量待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值；
将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量；
其中，所述土壤含水率和含氮量预测模型为，以监测到的土壤样本的电压值、电阻值和电容值为训练样本，以所述土壤样本对应的含水率和含氮量为训练标签进行训练得到。


2.根据权利要求1所述的土壤含水率和含氮量监测方法，其特征在于，所述方法还包括：
将采集得到的土壤进行烘干处理，得到土壤原始样本；
将不同特定含量的尿素与水混合配成溶液，分别与特定含量的所述土壤原始样本进行混合并搅拌均匀，配制成多组土壤待处理样本，并测定所述多组土壤待处理样本各自的含氮量；
将土壤水分测量传感器安装在所述土壤待处理样本中，对所述多组土壤待处理样本分别进行排空气处理，得到多组所述土壤样本；
对于多组土壤样本中的每一组，间隔固定时间测量所述土壤样本当前的电压值、电阻值、电容值和含水率，直至所述土壤样本的含水率下降至预设值。


3.根据权利要求2所述的土壤含水率和含氮量监测方法，其特征在于，所述间隔固定时间测量所述土壤样本当前的电压值、电阻值、电容值和含水率，包括：
对所述土壤样本称重，获取所述土壤样本当前的重量；
根据所述土壤样本当前的重量和对应的土壤原始样本的重量得到所述土壤样本当前的含水率；
使用土壤水分测量传感器，测量得到所述土壤样本在当前土壤的含水率条件下，所述土壤水分测量传感器的检测电路输出的电压值；
使用电桥测试电路，测量得到所述土壤样本在当前土壤的含氮量条件下，所述电桥测试电路输出的电阻值和电容值。


4.根据权利要求2所述的土壤含水率和含氮量监测方法，其特征在于，对所述多组土壤待处理样本分别进行排空气处理，包括：
对于所述多组土壤待处理样本中的每一组，分层装入容器中，砸实每层待处理土壤样本，直至所述土壤待处理样本整体装入所述容器中。


5.根据权利要求1所述的土壤含水率和含氮量监测方法，其特征在于，所述将所述电压值、所述电阻值和所述电容值输入土壤含水率和含氮量预测模型，输出所述待测土壤对应的含水率和含氮量，包括：
将所述待测土壤对应的电压值、电阻值和电容值由所述土壤含水率和含氮量预测模型的输入层经过加权求和传递至所述土壤含水率和含氮量预测模型的隐藏层，隐藏层再通过激活函数将输入层传来的经过加权求和的值进行非线性变换后，作为所述土壤含水率和含氮量预测模型的输出层的输入数据，通过加权求和导入输出层作为结果，输出待测土壤对应的含水率和含氮量。


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【专利技术属性】
技术研发人员：石庆兰，刘晓辰，梅树立，范家林，石玉娇，龙昱光，凌毅立，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11