一种自插式土壤耕层检测装置及方法

1.本发明属于光谱检测装置技术领域，具体涉及一种自插式土壤耕层检测装置及方法。


背景技术：

2.土壤质量决定了在农业生产过程中农作物的品质及其产量。在实际生产中，农户为了追求高产量而过度使用化肥的现象屡见不鲜，这便造成了土壤结构破坏、土壤质量下降和人类食品安全等问题。所以，准确获取土壤实际成分含量及分布状况对实现精准施肥和农田管理具有重要意义。
3.目前，在实验室内进行土壤属性化学测量的技术已十分成熟，但在化学实验过程中需要耗费大量人力物力，成本高且缺乏实时性。近年来，可见-近红外光谱技术也被广泛应用于土壤检测中，在实验室内进行光谱测量也面临将样品运回并进行研磨粉碎过筛等一系列处理，无法及时快速地获取土壤属性信息，具有一定的局限性。所以，在野外实现土壤原位信息的快速获取对实现土壤属性实时分析具有重要意义，还可对土壤剖面信息进行处理进一步实现田间土壤三维测绘，及时为土壤精准管理提供科学依据。在实际作物生产过程中，应用vis-nir光谱技术进行野外土壤属性检测的研究和相应的专利已有报道，但对土壤剖面信息进行田间原位测量的设备尚未检索到相关报道。在土壤剖面信息获取中，为了减少检测装置嵌入土壤对作物生长的影响，嵌入装置的直径应尽量小，否则将妨碍农业实际生产，这便要求有特定的结构工艺来满足合适的装置腔尺寸并达到光谱检测标准，并且应配备合适的内部设计以满足土壤剖面信息的获取。同时，野外原位测量时，还需要考虑环境光、土壤水分、土壤质地及田间作物残茬等因素的影响，在土壤剖面信息获取中对采集数据的再现性、避免环境光的影响、提高光谱仪测量精度等技术问题，还需要进一步探索与解决。最后，检测装置还应保证稳定、智能化测量，以便更好地推广应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是设计一种自插式土壤耕层检测装置及方法，用以原位、实时检测野外土壤剖面的光谱信息。
5.本发明的技术方案是一种自插式土壤耕层检测装置，包括自插式探头、光谱仪和电源；所述自插式探头包括外壳、玻璃窗口、光纤探头、第一反射镜、光源和挡板；所述外壳为一个带圆锥头的圆柱壳体，在圆柱壳体壁上设置有玻璃窗口，圆柱壳体上端设置有盖板，盖板上端固定有手柄杆；光纤探头设置在玻璃窗口内侧，并通过光纤与光谱仪连接；在玻璃窗口内侧设置有第一反射镜，第一反射镜与玻璃窗口的中心线呈45
°
角，在第一反射镜的上方设置有光源，光源的中轴线与第一反射镜呈45
°
角；在玻璃窗口内侧设置有挡板，挡板能够上下滑动，挡板上设置有光谱测试参考材料板；所述电源给光谱仪和光源供电。
6.所述玻璃窗口为蓝宝石玻璃窗口、石英玻璃窗口。
7.所述光纤探头的中轴线与玻璃窗口的中心线呈30
°‑
60
°
角。
8.所述光源为外接光源，光源设置在自插式探头外，通过光纤引入到自插式探头内的第一反射镜上方。
9.所述光纤探头前设置有第二反射镜。
10.所述光纤探头为外接光纤探头，光纤探头设置在自插式探头外，通过光纤引入到自插式探头内的第二反射镜上方。
11.所述连接外接光源的光纤的端面与第一反射镜制作成一体；所述连接外接光纤探头的光纤的端面与第二反射镜制作成一体。
12.所述挡板为环形挡板，挡板能够左右转动，环形挡板上设置有光谱测试参考材料板。
13.所述手柄杆上带有刻度。
14.一种自插式土壤耕层检测方法，其检测方法的步骤如下：
15.1)根据检测需要配备对应的光谱仪和满足波段需要的卤素光源，将自插式土壤耕层成分光谱原位检测装置携带至目标检测点；
16.2)推动挡板至玻璃窗口处进行光谱测试参考材料的光谱测量，测量完成后，将挡板撤回，关闭光源获取暗测量值，以此校正光源与光谱仪的漂移；
17.3)将自插式探头插入土壤，到达理想测量位置后，通过计算机的控制软件获取土壤耕层光谱信息，依据手柄杆上的刻度值，记录对应的土壤耕层深度信息；
18.4)根据实际需要可进一步旋转和插入自插式探头，直至插入最大测量深度；
19.5)借助matlab软件，对获取的土壤耕层光谱信息进行光谱预处理、异常值识别和剔除、特征波长提取，并建立土壤耕层成分定量预测模型，从而实现现场实时检测土壤耕层成分。
20.本发明所提供的一种自插式土壤耕层检测装置及方法具有以下优点：
21.1.本发明解决了基于光谱反射率进行不同耕层深度土壤剖面成分原位实时检测的难题，并利用光纤探头与反射镜组合设计有效缩小嵌入土壤的探头直径，进一步满足农业实际生产需求，在作物生长时期也可进行土壤剖面成分原位测量，且不会留下大面积土洞影响农业生产。
22.2.通过玻璃窗口紧贴土壤耕层与盖板结构的双重作用，有效减小了外部杂散光对光谱仪采集结果的影响。同时，配备光谱测试参考材料板的挡板和可控制光源开关的光源开关，通过参考测量和暗测量来补偿光谱仪与光源的漂移。
23.3.通过手柄杆上的刻度可以获取不同耕层深度的土壤信息。
24.4.光谱仪、光源更换方便、适应性强，探头集成度高，从而最大程度减小因更换光源等操作对检测装置稳定性带来的不良影响。
25.5.通过计算机控制光谱仪信息采集并实时显示光谱，操作简单，普适性高，提高了利用光谱技术进行土壤耕层剖面成分原位检测的实用性、便捷性。
附图说明
26.图1为自插式探头的剖面结构示意图。
27.图2为一种自插式土壤耕层检测装置的整体结构示意图。
28.图3为另一种自插式探头的剖面结构示意图。
29.图4为图3的另一种自插式探头的蓝宝石窗口中心处横剖面结构示意图。
30.附图中标号说明：
31.1.自插式探头、2.光谱仪、3.电源、4.光源开关
32.101.外壳、102.蓝宝石窗口、103.光纤探头、104.第一反射镜、105.光源、106.挡板、107.盖板、108.手柄杆、109.光纤、110.光谱测试参考材料板、111.电源线、112.卡槽、113.卡扣、114.第二反射镜、115.齿轮杆、116.环形挡板、117.光源光纤、118.挡圈
具体实施方式
33.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
34.实施例
35.本实施例所述的一种自插式土壤耕层检测装置及方法见图1到图4所示。
36.本实施例中所述玻璃窗口采用蓝宝石玻璃窗口，简称蓝宝石窗口。
37.如图1、图2所示，本实施例所述的一种自插式土壤耕层检测装置，包括自插式探头1、光谱仪2和电源3；所述自插式探头1包括外壳101、蓝宝石窗口102、光纤探头103、第一反射镜104、光源105和挡板106；所述外壳101为一个带圆锥头的圆柱壳体，在圆柱壳体壁上设置有蓝宝石窗口102，圆柱壳体上端设置有盖板107，盖板107上端固定有手柄杆108，所述手柄杆108上带有刻度，手柄杆108为空心管，光纤109和电源线111从中引出；光纤探头103设置在蓝宝石窗口102内侧，并通过光纤109与光谱仪2连接；在蓝宝石窗口102内侧设置有第一反射镜104，第一反射镜104与蓝宝石窗口102的中心线呈45
°
角，在第一反射镜104的上方设置有光源105，光源105的中轴线与第一反射镜104呈45
°
角；在蓝宝石窗口102内侧设置有挡板106，挡板106能够上下滑动，挡板106上设置有光谱测试参考材料板110；所述电源3给光谱仪2供电，并通过电源线111和光源开关4给光源105供电。
38.本实施例中所述光纤探头103的中轴线与蓝宝石窗口102的中心线呈45
°
角，能收集到较好的光谱信息。
39.在外壳101内侧的蓝宝石窗口102下方设置有卡槽112，用作挡板106的下滑限位块，在盖板107上设置有卡扣113，用于固定挡板106的上限位置。
40.盖板107与外壳101之间设置有密封圈，防止外界尘土、水汽进入外壳101中，外壳101的密闭结构设计有效减少杂散光等环境因素对测量结果造成的影响。
41.外壳101为尖头设计，有利于自插式探头1插入土壤，省时省力。
42.本实施例中所述光谱仪2采用便携式光谱仪。
43.自插式探头1中的蓝宝石窗口102、光纤探头103、第一反射镜104和光源105实现以下光线传输过程：从光源105发射出的光能量通过第一反射镜104的反射作用形成水平光线，垂直通过蓝宝石窗口102照在与外壳101相接触的外部土壤上，在土壤中发生散射或漫反射的光再经由蓝宝石窗口102进入光纤探头103，光纤探头103接收到反射光后直接送入光纤109，随后传输到光谱仪2。所述光谱仪2通过usb电缆与计算机相连。通过安装在计算机中的控制软件可实时调控光谱仪2的参数。
44.土壤光谱测量工作开始前，将挡板106移动至卡槽112处，光源105经第一反射镜
104作用照射在光谱测试参考材料板110上，随后将参考材料信息传输至光纤探头103中，即完成参考材料测量。采集完成后将挡板106拉回，并采用盖板107上的卡扣113将挡板106固定，即可进行正常的土壤剖面属性原位检测。同时，电源线111上配备可控制光源105的光源开关4，将光源105关闭后检测，光纤探头103便获得暗测量值。获取的参考测量值和暗测量值可用于校正光源105与光谱仪2的漂移。
45.如图3、图4所示，本领域的技术人员能够理解，所述光源105可以改为外接光源105，外接光源105设置在自插式探头1外的电源3的箱体内，通过光源光纤117引入到自插式探头1内的第一反射镜104上方。这样的设计能够进一步减小自插式探头1的直径，方便更换、调整光源105卤素灯。
46.本领域的技术人员能够理解，所述光纤探头103前可以设置第二反射镜114。第二反射镜114改变光纤探头103的入射光线的光路，使与光纤探头103连接的光纤109不必弯曲，减小光纤109占用空间，有利于缩小光纤探头1的直径。
47.本领域的技术人员能够理解，所述光纤探头103可以改为外接光纤探头103，外接光纤探头103设置在自插式探头外的光谱仪2的箱体内，通过光纤109引入到自插式探头1内的第二反射镜114上方。这样可以减少自插式探头1内的组件，有利于减少自插式探头1的直径。
48.本领域的技术人员能够理解，所述连接外接光源105的光源光纤117的端面与第一反射镜104制作成一体；所述连接外接光纤探头103的光纤109的端面与第二反射镜114制作成一体。采用光纤与反射镜制成一体的结构，能够简化光纤与反射镜的连接结构，进一步减小自插式探头1的直径。
49.光源光纤117的端面的第一反射镜104和光纤109的端面的第二反射镜114相对于蓝宝石窗口102的位置、角度能够根据光谱测量的要求进行调整。
50.本领域的技术人员能够理解，所述挡板106可以改为环形挡板116，环形挡板116由挡圈118支撑，通过齿轮杆115上的齿轮与环形挡板116上的齿圈啮合，转动齿轮杆115能够使环形挡板116左右转动，环形挡板116上设置有光谱测试参考材料板110。当环形挡板116移开蓝宝石窗口102的位置时，光谱仪2可以进行正常土壤检测工作；当环形挡板116上的光谱测试参考材料板110转到蓝宝石窗口102的位置上，光谱仪2可以进行参考材料测量工作；当环形挡板116上的挡板转到蓝宝石窗口102的位置上，光谱仪2可以进行暗测量工作。
51.自插式探头1通过螺纹与手柄杆108连接。
52.一种自插式土壤耕层检测方法，其检测方法的步骤如下：
53.1)根据检测需要配备对应的光谱仪2和满足波段需要的卤素光源105，将自插式土壤耕层成分光谱原位检测装置携带至目标检测点；
54.2)推动挡板106至蓝宝石窗口102处进行光谱测试参考材料的光谱测量，测量完成后，将挡板106撤回，关闭光源105获取暗测量值，以此校正光源105与光谱仪2的漂移；
55.3)将自插式探头1插入土壤，到达理想测量位置后，通过计算机的控制软件获取土壤耕层光谱信息，依据手柄杆108上的刻度值，记录对应的土壤耕层深度信息；
56.4)根据实际需要可进一步旋转和插入自插式探头1，直至插入最大测量深度；
57.5)借助matlab软件，对获取的土壤耕层光谱信息进行光谱预处理、异常值识别和剔除、特征波长提取，并建立土壤耕层成分定量预测模型，从而实现现场实时检测土壤耕层
成分。
58.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。