基于大数据的智能农业土壤有机碳含量监测系统的制作方法

1.本发明涉及农业土壤监测技术领域，特别涉及基于大数据的智能农业土壤有机碳含量监测系统。


背景技术：

2.目前，全球变暖现象日益显著，随之引起的气候变化及其所带来的影响越来越受到国际的广泛关注，而与之密切相关的全球和区域碳循环研究已经成为全球变化和宏观生态学的核心研究内容之一。陆地生态系统中2/3以上的碳储存于土壤中，土壤呼吸作用是陆地生态系统向大气输出碳的主要途径，是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。
3.公开号为cn111595806a的一种利用中红外漫反射光谱监测土壤碳组分的方法，利用中红外漫反射光谱，可以实现快速、准确的预测土壤总碳、有机碳和无机碳三种土壤碳组分含量，弥补了常规实验室化学分析方法存在的不足，现有的土壤有机碳含量在监测上还存在以下问题：森林土壤呼吸是陆地生态系统土壤呼吸的重要部分，把测定土壤呼吸作用强度看作是衡量土壤微生物总的活性指标，或者作为评价土壤肥力的指标之一，因此影响土壤微生物活动的诸因子，如土壤温度、水分含量都能影响土壤呼吸作用强度，并从土壤呼吸作用强度的变化中反映出来，由于只通过监测土壤有机碳，无法对土壤呼吸作用强度的变化的原因进行分析，也无法确定土壤呼吸作用强度是因何影响而产生的变化的，从而所得结果无实际意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供基于大数据的智能农业土壤有机碳含量监测系统，通过土壤监测设备对土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行采集，并将所采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，通过无线传输技术传输分别传输至处理分析单元，通过处理分析单元对采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行处理分析并得出结果，将得出的结果传输至远程监测中心和大数据库，实现对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.基于大数据的智能农业土壤有机碳含量监测系统，包括gps定位模块、土壤监测设备、处理分析单元、远程检测中心和大数据库；
7.gps定位模块，用于确定所述土壤监测设备的位置，gps定位模块与土壤监测设备连接，通过gps定位模块得到所述土壤监测设备的定位信息，并将所得到的土壤监测设备的定位信息，通过无线传输技术传输至远程监测中心；
8.土壤监测设备，用于对土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行采集，并将所采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，通过无线传输技术传输分别传输至处理分析单元；
9.处理分析单元，用于对采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行
处理分析并得出结果，将得出的结果传输至远程监测中心和大数据库，实现对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解；
10.远程监测中心，用于负责土壤环境质量监测工作和了解土壤环境质量状况，实现远程监控，可对土壤环境质量的进行分析测定，土壤监测一般包括准备、布点、采样、分析测试、评价等步骤；
11.大数据库，用于存储现有的正常的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，所述处理分析单元将采集的土壤温度数据、湿度数据和有机碳储量与大数据库中正常的土壤温度数据、湿度数据和有机碳储量数据作比对。
12.进一步地，所述土壤监测设备，包括：
13.数据监测装置，所述土壤监测设备设置有多个数据监测装置，将数据监测装置分别设置在划分的土壤监测点位上，每个数据监测装置分别连接有一个gps定位模块，每个数据监测装置均通过无线传输模块连接至远程监测中心和大数据库。
14.所述土壤监测设备采用lte-5g无线传输技术传输至处理分析单元；处理分析单元采用以下公式计算传输评价：
[0015][0016]
上式中，μ表示传输精度；l(x，y，z)表示立体发射的结构区域；(x，y，z)表示立体发射的正交投影矢量；exp表示自然对数；β表示信道噪声和正交投影矢量的偏角；r表示信道噪声和正交投影矢量的自相关内积；σ表示传输中的信道噪声标准差；e表示自然常数；表示正交投影矢量的强度均值；m表示信道噪声统计均值；
[0017]
若计算提到的传输精度与精度阈值对比，若传输精度未达到精度阈值，表示传输精度不满足要求，则发出警示信息。
[0018]
进一步地，所述数据监测装置，用于通过数据监测装置对划分的土壤监测点位土壤进行温度监测、湿度监测和有机碳储量监测，以此获得关于土壤的监测数据，并将土壤的监测数据传输至大数据库。
[0019]
进一步地，所述数据监测装置，包括：
[0020]
温度采集模块，用于对土壤的温度进行监测，通过温度采集模块对划分的土壤监测点位进行土壤温度监测，以此获得土壤温度监测数据；
[0021]
湿度采集模块，用于对土壤的湿度进行监测，通过湿度采集模块对划分的土壤监测点位进行土壤湿度监测，以此获得土壤湿度监测数据；
[0022]
有机碳采集模块，用于对土壤的有机碳储量进行监测，通过有机碳采集模块对划分的土壤监测点位进行土壤有机碳储量监测，以此获得土壤有机碳储量监测数据。
[0023]
进一步地，所述处理分析单元，包括：
[0024]
温度监测数据分析模块，用于通过数据分析程序对所获得的土壤温度监测数据进行分析处理，得到土壤温度，将温度分析结果传输至远程监测中心；
[0025]
湿度监测数据分析模块，用于通过数据分析程序对所获得的土壤湿度监测数据进行分析处理，得到土壤含水量，将湿度分析结果传输至远程监测中心；
[0026]
有机碳储量监测数据分析模块，用于通过数据分析程序对所获得的土壤有机碳储
量监测数据进行分析处理，得到土壤有机碳储量，将有机碳储量分析结果传输至远程监测中心。
[0027]
进一步地，所述处理分析单元实施过程，包括以下步骤：
[0028]
当处理分析单元接收土壤监测设备采集的土壤温度监测数据、湿度监测数据和有机碳储量监测数据，通过温度监测数据分析模块对温度监测数据进行处理分析，通过湿度监测数据分析模块对湿度监测数据进行处理分析，通过有机碳储量监测数据分析模块对有机碳监测数据进行处理和分析，通过对土壤温度、湿度和有机碳数据的处理分析并得到结果，并将结果传输至远程监测中心。
[0029]
进一步地，所述计算土壤监测点位的土壤温度通过温度计采集，根据土壤监测点位实时采集的数据进行标定得到。
[0030]
进一步地，所述计算土壤监测点位的土壤含水量的公式为：
[0031]
θ＝(ρ'b-ρb)/ρw
[0032]
其中，θ是土壤监测点位的含水量，单位是cm3，ρ'b是土壤湿容重，ρb土壤容重，ρw是土壤中水密度，ρ'b、ρb和ρw根据土壤监测点位实时采集的数据进行标定得到。
[0033]
进一步地，所述计算土壤监测点位的土壤有机碳储量的公式为：
[0034]
m＝ax dsoc
[0035]
dsoc＝c*d*r*(1-d)
[0036]
其中，m(kg)是土壤有机碳储量，a(m2)是不同景观类型面积，dsoc(kg/m2)为土壤有机碳密度，c(％)为土壤有机碳含量，d(m)为土层厚度，r(kg/m3)为土壤容重，d为直径》2mm的砾石含量，单位为体积比，a、dsoc、c、d、r和d根据土壤监测点位实时采集的数据进行标定得到。
[0037]
进一步地，所述大数据库，包括：
[0038]
数据存储模块，用于存储现有的土壤数据，即正常的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，并且经过处理分析单元得出的结果也存储在数据存储模块内。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0040]
本发明的基于大数据的智能农业土壤有机碳含量监测系统，土壤监测设备通过数据监测装置采集划分土壤监测点位的数据，温度采集模块采集土壤的温度监测数据，湿度采集模块采集土壤的湿度监测数据，以及有机碳采集模块采集土壤的有机碳储量的监测数据，并将所采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，通过无线传输技术传输分别传输至处理分析单元，通过处理分析单元对采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行处理分析并得出结果，是将采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，与大数据库内事先存储的正常的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行比对，根据比对，可比对处采集土壤的温度、湿度和有机碳储量是否处于正常范围，将比对出的结果传输至远程监测中心和大数据库，实现对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解，根据比对结果，工作人员可查看有机碳储量的变化，并且可查看导致有机碳储量变化的因素，使监测结果更具实际意义。
附图说明
[0041]
图1为本发明的整体流程的示意图；
[0042]
图2为本发明的土壤监测设备的示意图；
[0043]
图3为本发明的处理分析单元的示意图；
[0044]
图4为本发明的大数据库的示意图。
具体实施方式
[0045]
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
为了解决现有的土壤温度、水分含量影响土壤呼吸作用强度，只通过监测土壤有机碳，无法分析土壤呼吸作用强度变化的原因，也无法确定土壤呼吸作用强度是因何影响而产生的变化，从而导致所得结果无实际意义的技术问题，请参阅图1-图4，本实施例提供以下技术方案：
[0047]
基于大数据的智能农业土壤有机碳含量监测系统，包括gps定位模块、土壤监测设备、处理分析单元、远程检测中心和大数据库；
[0048]
gps定位模块，用于确定所述土壤监测设备的位置，gps定位模块与土壤监测设备连接，通过gps定位模块得到所述土壤监测设备的定位信息，并将所得到的土壤监测设备的定位信息，通过无线传输技术传输至远程监测中心；
[0049]
土壤监测设备，用于对土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行采集，并将所采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，通过无线传输技术传输分别传输至处理分析单元；
[0050]
处理分析单元，用于对采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行处理分析并得出结果，将得出的结果传输至远程监测中心和大数据库，实现对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解；
[0051]
远程监测中心，用于负责土壤环境质量监测工作和了解土壤环境质量状况，实现远程监控，可对土壤环境质量的进行分析测定，土壤监测一般包括准备、布点、采样、分析测试、评价等步骤；
[0052]
大数据库，用于存储现有的正常的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，所述处理分析单元将采集的土壤温度数据、湿度数据和有机碳储量数据与大数据库中正常的土壤温度数据、湿度数据和有机碳储量数据作比对。
[0053]
具体的，通过土壤监测设备对土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行采集，并将所采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，通过无线传输技术传输分别传输至处理分析单元和远程监测中心，通过处理分析单元对采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行处理分析并得出结果，将得出的结果传输至远程监测中心和大数据库，实现对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解。
[0054]
所述土壤监测设备，包括数据监测装置，所述土壤监测设备设置有多个数据监测装置，将数据监测装置分别设置在划分的土壤监测点位上，每个数据监测装置分别连接有一个gps定位模块，每个数据监测装置均通过无线传输模块连接至远程监测中心和大数据库。
[0055]
所述数据监测装置，用于通过数据监测装置对划分的土壤监测点位土壤进行温度监测、湿度监测和有机碳储量监测，以此获得土壤监测数据，并将获得的土壤数据传输至大数据库。
[0056]
具体的，可将数据监测装置放置在划分的土壤监测点位，数据监测装置可同时放置多个进行土壤监测，多个数据监测装置可根据工作人员的需求24小时对土壤进行监测，利用gps定位模块获得当前连接的数据监测装置的定位信息，在分析出土壤监测结果后，如若土壤监测结果出现较大变化，工作人员可根据定位信息去所在数据监测装置的位置进行土壤现场勘察，根据现场勘察判断是否需要对监测区域内的土壤环境进行改善，从而通过对土壤环境的改善来保证土壤有机碳的含量。
[0057]
所述土壤监测设备采用lte-5g无线传输技术传输至处理分析单元；处理分析单元采用以下公式计算传输评价：
[0058][0059]
上式中，μ表示传输精度；l(x，y，z)表示立体发射的结构区域；(x，y，z)表示立体发射的正交投影矢量；exp表示自然对数；β表示信道噪声和正交投影矢量的偏角；r表示信道噪声和正交投影矢量的自相关内积；σ表示传输中的信道噪声标准差；e表示自然常数；表示正交投影矢量的强度均值；m表示信道噪声统计均值；
[0060]
若计算提到的传输精度与精度阈值对比，若传输精度未达到精度阈值，表示传输精度不满足要求，则发出警示信息。
[0061]
具体的，通过lte-5g无线传输技术，可以在传输数据时降低噪声干扰，提高信息传输精度；采用上述公式对传输的精度是否满足要求进行评价，若传输精度不满足要求，则发出警示信息，以便工作人员及时处理，查找原因并及时解决，以保障传输精度，避免数据失真
[0062]
数据监测装置，包括：
[0063]
温度采集模块，用于对土壤的温度进行监测，通过温度采集模块对划分的土壤监测点位进行土壤温度监测，以此获得土壤温度监测数据；
[0064]
湿度采集模块，用于对土壤的湿度进行监测，通过湿度采集模块对划分的土壤监测点位进行土壤湿度监测，以此获得土壤湿度监测数据；
[0065]
有机碳采集模块，用于对土壤的有机碳储量进行监测，通过有机碳采集模块对划分的土壤监测点位进行土壤有机碳储量监测，以此获得土壤有机碳储量监测数据。
[0066]
具体的，通过温度采集模块对划分的土壤监测点位土壤的温度进行监测，根据采集的温度监测数据，分析监测点位的温度对土壤有机碳含量变化的影响，通过湿度采集模块对划分的土壤监测点位土壤的湿度进行监测，即采集土壤湿容重、土壤容重和土壤中水密度数据，根据采集的湿度监测数据，分析监测点位的土壤含水量对土壤有机碳含量变化的影响，通过有机碳采集模块对划分的土壤监测点位土壤的有机碳量储量进行检测，即采集不同景观类型面积、土壤有机碳密度、土壤有机碳含量、土层厚度、土壤容重和直径》2mm的砾石含量，根据有机碳储量监测数据，分析土壤有机碳含量的变化。
[0067]
所述处理分析单元，包括：
[0068]
温度监测数据分析模块，用于通过数据分析程序对所获得的土壤温度监测数据进行分析处理，得到土壤温度，将温度分析结果传输至远程监测中心；
[0069]
湿度监测数据分析模块，用于通过数据分析程序对所获得的土壤湿度监测数据进行分析处理，得到土壤含水量，将湿度分析结果传输至远程监测中心；
[0070]
有机碳储量监测数据分析模块，用于通过数据分析程序对所获得的土壤有机碳储量监测数据进行分析处理，得到土壤有机碳储量，将有机碳储量分析结果传输至远程监测中心。
[0071]
所述处理分析单元实施过程，包括以下步骤：
[0072]
当处理分析单元接收土壤监测设备采集的土壤温度监测数据、湿度监测数据和有机碳储量监测数据，通过温度监测数据分析模块对温度监测数据进行处理分析，通过湿度监测数据分析模块对湿度监测数据进行处理分析，通过有机碳储量监测数据分析模块对有机碳监测数据进行处理和分析，通过对土壤温度、湿度和有机碳数据的处理分析并得到结果，并将结果传输至远程监测中心。
[0073]
所述计算土壤监测点位的土壤温度通过温度计采集，根据土壤监测点位实时采集的数据进行标定得到。
[0074]
计算土壤监测点位的土壤含水量的公式为：
[0075]
θ＝(ρ'b-ρb)/ρw
[0076]
其中，θ是土壤监测点位的含水量，单位是cm3，ρ'b是土壤湿容重，ρb土壤容重，ρw是土壤中水密度，ρ'b、ρb和ρw根据土壤监测点位实时采集的数据进行标定得到。
[0077]
计算土壤监测点位的土壤有机碳储量的公式为：
[0078]
m＝ax dsoc
[0079]
c*d*r*(1-d)
[0080]
其中，m(kg)是土壤有机碳储量，a(m2)是不同景观类型面积，dsoc(kg/m2)为土壤有机碳密度，c(％)为土壤有机碳含量，d(m)为土层厚度，r(kg/m3)为土壤容重，d为直径》2mm的砾石含量，单位为体积比，a、dsoc、c、d、r和d根据土壤监测点位实时采集的数据进行标定得到。
[0081]
具体的，温度监测数据分析模块对采集的土壤温度监测数据进行处理分析，通过温度计采集土壤的实时温度，根据温度监测数据分析将采集的实时温度与大数据库内实现存储的正常温度数据进行比对，分析出采集的温度是否处于正常范围内，若不属于正常范围，则计算出两者之间的误差，得出的正常结果或者误差结果均传输至远程监测中心供工作人员进行查看；湿度监测数据分析模块对采集的土壤湿度监测数据进行处理分析，通过公式计算出土壤含水量，根据含水量数据与大数据库内实现存储的正常湿度数据进行比对，分析出采集的土壤湿度是否处于正常范围内，若不属于正常范围，则计算出两者之间的误差，得出的正常结果或者误差结果均传输至远程监测中心供工作人员进行查看；有机碳储量监测数据分析模块对采集的土壤有机碳监测数据进行处理分析，通过公式计算出土壤有机碳储量，根据采集的有机碳储量与大数据库内实现存储的正常有机碳储量数据进行比对，分析采集的有机碳监测数据是否存在变化，并将分析的结果传输至远程监测中心供工作人员进行查看，工作人员查看有机碳储量是否存在变化，如若发生变化可根据土壤的温度和湿度的分析结果，从而分析是因温度还是湿度改变了土壤呼吸的强度，进而导致了土
壤有机碳含量发生了变化，上述过程，实现了对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解，便于工作人员实时了解土壤环境质量对土壤有机碳含量的影响，即工作人员可实时查看有机碳含量的变化，并且可直观查看导致有机碳储量变化的因素，使监测结果更具实际意义。
[0082]
所述大数据库，包括：
[0083]
数据存储模块，用于存储现有的土壤数据，即正常的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，并且经过处理分析单元得出的结果也存储在数据存储模块内。
[0084]
需要说明的是，大数据库内的数据均通过数据存储模块进行存储，处理分析单元可从数据存储模块内调取事先存储的正常的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据与采集的数据作比对，也可定期或者不定期的对数据存储模块内用作比对的数据进行更新，而经过处理分析单元比对出的结果也上传至数据存储模块内进行存储，便于工作人员通过远程监测中心从大数据库中调取查看。
[0085]
综上所述，通过土壤监测设备对土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行采集，并将所采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，通过无线传输技术传输分别传输至处理分析单元，通过处理分析单元对采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行处理分析并得出结果，是将采集的土壤的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据，与大数据库内事先存储的正常的温度数据、湿度数据和有机碳储量数据进行比对，根据比对，可比对处采集土壤的温度、湿度和有机碳储量是否处于正常范围，将比对出的结果传输至远程监测中心和大数据库，实现对土壤环境质量的实时监测和土壤环境质量状况的实时了解，根据比对结果，工作人员可查看有机碳储量的变化，并且可查看导致有机碳储量变化的因素，使监测结果更具实际意义。
[0086]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。