本发明专利技术公开了一种全景环带高光谱快速检测野外土壤有机质含量的装置和方法。支柱垂直固定在底座上，两根横梁的一端孔固定在支柱上，光纤探头连接杆穿过两根横梁的另一端孔，下端安装全景环带光纤探头和微型激光测距仪探头，探头与激光测距仪主机连接，激光测距仪主机和传动系统分别装在上面横梁上，传动系统中的齿轮与环带相机连接杆侧面齿条的相啮合在底座中心孔中移动，相机与计算机相联。将装置移动到待测土壤的垂直圆柱形土洞上方，通过步进电机将全景环带光纤探头垂直下移到圆形土洞中光谱数据测试位置，通过计算机控制光谱仪进行光谱数据采集，利用小波变换方法进行光谱数据去噪预处理，用PLSR-ANN方法建立模型，预测有机质含量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种野外土壤有机质含量快速检测的装置和方法，尤其是涉及一种。
技术介绍
土壤是农业生产的基础，土壤有机质作为土壤的重要组成部分，其含量是土壤持久性肥力的重要标志，获取农田土壤有机质含量及其空间分布信息对指导实施农田精准管理、农田土壤肥力评价等工作具有重要意义。 目前，常规测定土壤有机质含量的化学分析方法通常周期长、成本高，并且很难在田间直接测定，不能满足快速有效监测土壤有机质空间分布和制图的需要。地面高光谱技术监测土壤有机质具有快速、简便、非接触、不破坏等优点，因此获得广泛关注。基于实验室高光谱测定有机质方法的研究始于上世纪六十年代，发展较为成熟，获得广泛认可。Gunsaulis 等(Gunsaulis F R, Kocher M F，Griffis C L. Surfacestructure effects on close—range reflectance as a function of soil organicmatter content. American Society of Agricultural Engineer，1991，34:641-649)对东阿肯色州三角洲地区的土样进行研究，发现土壤有机质含量与红光波段的反射率具有较强的相关性，决定系数R2达0. 609。程街亮(土壤高光谱遥感信息提取与二向反射模型研究.博士论文，杭州浙江大学，2008)在对浙江省平湖市所采集的77个水稻土样品进行单相关分析后发现，利用568nm处的光谱反射率值建立的一元回归方程对土壤有机质的预测效果较好。但是此方法仍然存在很多不足一是一系列土壤样品的采集、烘干、研磨及过筛等处理导致了土壤光谱测量的滞后性；二是忽略了土壤空间变异性，从而降低了土壤高光谱反演的精度。土壤有机质的野外高光谱测量很好解决了上述问题。Ben-Dor等人(Ben-DorE, Heller D, Chudnovsky A. A novel method of classifying soil profiles in thefield using optical means. Soil Sci Soc Am J.，2008，72:1113-1123)专利技术了一种叫做3S-HeD的侵入式光学传感器获取土壤剖面的光谱特性进行土壤分类研究。刘焕军等(黑土有机质含量额外高光谱预测模型.光谱学与光谱分析.第30卷第12期，2010年12月)以田间原状黑土野外实测高光谱反射率为研究对象，分析黑土反射光谱特征，并建立了黑土有机质高光谱预测模型。但是，野外土壤高光谱研究由于采样及获取光谱信息方法的原因导致数据不具有全面性，且高稳定、高精度土壤预测物理模型和统计模型的算法尚不成熟。传统的美国ASD地面光谱仪所带光纤探头每次只能获取一小块土斑的反射光谱信息，不能反映土层有机质的整体特性，具有一定的局限性。在上述研究中，关于利用全景环带高光谱技术检测野外测土壤有机质含量的方法和装置的研究尚未见报道。
技术实现思路
为了克服现有土壤有机质检测费时、费力、周期长的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种，将全景探头伸入环形洞中，可以一次性获取圆形土洞360°圆周向洞壁土壤的反射光谱信息，同时采用PLSR-ANN结合的模型反演得到精度高且全面的土壤有机质含量和分布状况。本专利技术采用的技术方案是一、一种全景环带高光谱快速检测野外土壤有机质含量的装置在圆形的底座上开有中心孔，支柱垂直固定在底座上,底座下面安装固定螺钉和调节螺钉并为等边三角形布置，玻璃水平泡固定在底座上面，第一横梁和第二横梁的一端孔从下至上分别固定在支柱上，第一横梁和第二横梁的另一端分别开有孔，两孔与底座中 心孔同轴，光纤探头连接杆穿过第一横梁和第二横梁的另一端孔，光纤探头连接杆下端安装全景环带光纤探头，全景环带光纤探头外装有朝下的微型激光测距仪探头，微型激光测距仪探头通过电缆与带显示屏微型激光测距仪主机连接，光纤探头连接杆上端开有安装延长杆的凹槽，带显示屏微型激光测距仪主机和传动系统分别装在第二横梁上面，传动系统中的齿轮与光纤探头连接杆侧面齿条的相啮合，使光纤探头连接杆带动全景环带光纤探头在底座中心孔中作垂直方向的上、下移动，全景环带光纤探头通过电缆与计算机相联。所述的延长杆侧面有齿条，延长杆的一端凸起插入光纤探头连接杆上端的凹槽内锁紧成一体。所述的传动系统由步进电机、安装在步进电机轴上的齿轮和棘轮棘爪机构组成。二、一种全景环带高光谱快速检测野外土壤有机质含量的方法，该方法的步骤如下I. I)装置定位将装置移动到待测土壤的垂直圆形土洞上方，将装置底座中心孔与土洞顶端完全对准，调节装置底座两个调节螺钉，使装置底座水平；I. 2)全景环带光纤探头定位微型激光测距仪读数清零；施放棘轮棘爪制动装置，步进电机通过齿轮齿条传动装置，驱动光纤探头连接杆带动全景环带光纤探头作垂直向下移动，当微型激光测距仪显示的距离读数比全景环带光纤探头机身长度刚好大Icm时，关闭步进电机电源，此时全景环带光纤探头所处位置为光谱数据测试起始位置；从此处开始，根据测试需要，通过施加在步进电机上的脉冲信号自动控制全景环带光纤探头的光谱测试位置；I. 3)获取光谱数据在每个光谱测试位置，通过计算机控制光谱仪测试光谱，光谱数据存储在计算机硬盘中。其数据处理的步骤如下2. I)高光谱数据预处理(a)每个光谱测试位置采集10次共10条光谱曲线，算术平均后得到该位置的原始光谱曲线，去除边噪声较大的边缘波段35(T399nm和245f2500nm ； (b)采用小波变换对原始光谱进行去噪处理；2. 2)确定不同土壤类型通过土壤剖面特性判断土壤类型；2. 3)建立预测模型(a)首先建立偏最小二乘回归模型(PLSR)，从原始变量中提取PLSR模型因子Tl和Ul的线性组合，再建立原始变量对Tl的方程，最后建立回归方程；(b)利用PLSR提到的20个主分量作为BP神经网络的训练输入节点，建立了一个含20个输入节点、14个隐含层节点、I个输出节点的20-14-1三层BP神经网络模型；2. 4)偏最小二乘回归-BP神经网络模型精度评价对模型精度参数预测均根方差(RMSE)、决定系数R2、测定值标准偏差与标准预测误差的比值RPD进行比较评估，评价偏最小二乘回归-BP神经网络模型预测野外土壤有机质含量的精度；2. 5)偏最小二乘回归建模在Unscrambler X10. I中完成，高光谱数据预处理、BP神经网络建模、偏最小二乘回归-BP神经网络模型精度评价通过MatlabR2009a编程实现。本专利技术具有的有益效果是本专利技术是利用全景环带高光谱测试技术能一次性采集一个垂直的、直径很小的圆柱形土洞内位于同一高度的360度圆周向洞壁土壤高光谱数据，通过建立预测模型建模，能够快速测试野外土壤有机质含量。 附图说明图I是本专利技术的立体结构图。图2是延长杆立体图。图3是图I的平面结构图。图4不同土壤有机质含量水平获得的反射光谱曲线图。图5采用PLSR建模方法预测土壤有机质的结果精度检验图。图6采用PLSR-ANN建模方法预测土壤有机质的结果精度检验图。图中1、底座,2、主支柱,3、第一横梁,4、传动系统,5、第二横梁,6、紧固螺钉,7、光纤探头主连接杆顶端凹槽，8、底座水平调本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种全景环带高光谱快速检测野外土壌有机质含量的装置，其特征在于在圆形的底座(I)上开有中心孔(10)，支柱(2)垂直固定在底座(I)上，底座(I)下面安装固定螺钉(18)和调节螺钉(8)并为等边三角形布置，玻璃水平泡(10)固定在底座(I)上面，第一横梁(3)和第二横梁(5)的一端孔从下至上分别固定在支柱(2)上，第一横梁(3)和第二横梁(5)的另一端分别开有孔，两孔与底座(I)中心孔(10)同轴，光纤探头连接杆(14)穿过第一横梁(3 )和第二横梁(5 )的另一端孔，光纤探头连接杆(14)下端安装全景环带光纤探头(11)，全景环带光纤探头(11)外装有朝下的微型激光测距仪探头(12)，微型激光测距仪探头(12)通过电缆与带显示屏微型激光测距仪主机(13)连接，光纤探头连接杆(14)上端开有安装延长杆(15)的凹槽(7)，带显示屏微型激光测距仪主机(13)和传动系统(4)分别装在第二横梁(5)上面，传动系统(4)中的齿轮与光纤探头连接杆(14)侧面齿条的相啮合，使光纤探头连接杆(14)带动全景环带光纤探头(11)在底座(I)中心孔(10)中作垂直方向的上、下移动，全景环带光纤探头(11)通过电缆与计算机相联。2.根据权利要求I所述的ー种全景环带高光谱快速检测野外土壌有机质含量的装置，其特征在于所述的延长杆(15)侧面有齿条，延长杆(15)的一端凸起(17)插入光纤探头连接杆(14)上端的凹槽(7)内锁紧成一体。3.根据权利要求I所述的ー种全景环带高光谱快速检测野外土壌有机质含量的装置，其特征在于所述的传动系统(4)由步进电机、安装在步进电机轴上的齿轮和棘轮棘爪机构组成。4.ー种全景环带高光谱快速检测野外土壌有机质含量的方法，其特征在干，该方法的步骤如下 I.I)装置定位将装置移动到待测土壤的垂直圆形土洞上方，将装置底座中心孔与土洞顶端完全对准，调节装置底座两个调节螺钉，使装置底座水平； ...
【专利技术属性】
技术研发人员：史舟，周炼清，刘翔，李曦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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