农田土壤地膜残留量检测设备及方法

本发明属于农业，尤其涉及一种农田土壤地膜残留量检测设备及方法。

背景技术：

1、地膜覆盖具有保温、保墒、蓄水、防病抗虫和抑制杂草等优点，具有显著的增产效果。我国农用地膜覆盖面积大、应用范围广，但废弃在农田里的地膜长年积累会改变土壤物理结构，阻碍土壤水肥运移和空气流通，造成种子腐烂、阻断营养运输，威胁土壤生物生存，影响作物的生长生育，最终，会导致作物减产和品质降低。

2、现阶段，我国农田残膜各监测要素相对分散，缺少长期、连续、定点和整合的监测数据，也没有实现农田残膜监测的现代化、标准化、信息化。其中一个至关重要的原因是地膜残留原位监测过程还停留在纯人力手工作业阶段，该过程费时费力，并且容易受到土壤湿度及天气条件的影响，急需采用自动化设备提高工作效率。另一方面，在后续的地膜残片捡拾和收集过程中，不同操作人员在进行后续残膜识别、捡拾、清洗和称重时也会存在一定的人为主观及系统性误差，影响最终测试结果的精确程度。

技术实现思路

1、针对相关技术中存在的不足之处，本发明第一方面提供了一种农田土壤地膜残留量检测设备，包括：

2、行进装置；

3、掘土碎土单元，其安装于所述行进装置上，并位于所述行进装置的前侧，所述掘土碎土单元通过第一升降机构可升降地连接至所述行进装置；

4、多级推土挡板，其安装于所述行进装置上，并位于所述行进装置的后侧，所述多级推土挡板通过第二升降机构可升降地连接至所述行进装置；

5、所述多级推土挡板包括：

6、第一侧板和第二侧板；

7、至少一个挡板，所述挡板设置在所述第一侧板和所述第二侧板之间，所述挡板在所述第一侧板和所述第二侧板之间均匀分布，沿远离所述行进装置的方向，所述挡板的底部依次降低；

8、检测单元，其设于所述行进装置上，位于所述多级推土挡板的上方；所述检测单元被配置成：

9、在所述行进装置按照设定路线移动过程中，实时采集被检地块位于所述多级推土挡板中土壤的对应层图像；

10、分析单元，其与所述检测单元连接；所述分析单元被配置成：

11、接收所述检测单元采集的所述图像，并根据预定的分析规则处理所述图像，以获得对应层土壤地膜残留量；

12、所述分析规则为：

13、处理所述对应层图像获得像素特征，根据以下模型计算对应层的实际地膜残留面积si；

14、

15、依据对应层的实际地膜残留面积si按照以下模型计算对应层土壤地膜残留量mi；

16、mi＝ai×si×th×ρ；

17、其中，i∈{1,2,3}，用于区分第一层图像、第二层图像和第三层图像；

18、

19、检测单元传感器长度为l1，检测单元传感器宽度为w1，检测单元焦距为f，检测单元分辨率为h×v，第i层图像中第j个地膜图像长度方向像素个数为nlij，第i层图像中第j个地膜图像宽度方向像素个数为nwij，th为地膜厚度，地膜密度为ρ，地膜使用年份为y。

20、在本技术其中一些实施例中，所述掘土碎土单元包括：

21、第一安装架，其与所述第一升降机构连接；

22、深耕刀，其设置在所述第一安装架上；所述深耕刀的刀片直径为d1，30cm≤d1≤35cm；

23、松土刀，其设置在所述第一安装架上；所述松土刀的刀片直径为d2，30cm≤d2≤35cm；

24、所述松土刀位于所述深耕刀靠近所述行进装置的一侧，并且所述松土刀的刀轴与所述深耕刀的刀轴间的距离为l，1.5×(d1+d2)≤l≤2.5×(d1+d2)；

25、挡泥板，其可升降地安装在所述第一安装架上，并位于所述深耕刀和所述松土刀的上方。

26、在本技术其中一些实施例中，所述检测单元包括：面阵相机；

27、所述挡板共有n个，第一挡板的底部最高，第n挡板的底部最低；

28、所述第n挡板底部距离地表的距离为hn，hn≤0.5dof，其中dof为所述面阵相机的景深。

29、在本技术其中一些实施例中，两个相邻的所述挡板间距离为d，d大于20㎝；

30、所述挡板包括：相连接的第一板和第二板，所述第一板和所述第二板构成v型，所述v型开口朝向靠近所述行进装置一侧，所述v型夹角为α，30°≤α≤60°。

31、本技术第二方面提供一种农田土壤地膜残留量检测方法，基于前文所述的农田土壤地膜残留量检测设备，包括如下步骤：

32、第一层土壤翻耕步骤：第一升降机构将掘土碎土单元移动至第一翻耕位置，以使翻耕深度为10厘米，设定前进翻耕参数和前进速度；第二升降机构将多级推土挡板升降至第一推平位置；

33、所述行进装置带动所述掘土碎土单元按照预定路线对被检地块进行开沟和碎土，开沟宽度w米，开沟长度为l米；

34、所述行进装置带动所述多级推土挡板对所开沟内碎土进行多级推平；

35、第一层土壤采集步骤：设定所述检测单元距离地面距离为wd，设定后退翻耕参数和后退速度；

36、所述行进装置带动所述检测单元按照所述预定路线采集所述被检地块位于所述多级推土挡板中的土壤第一层图像；

37、第一层土壤分析步骤：所述检测单元将获得的第一层图像输出至分析单元，所述分析单元根据预定的分析规则处理所述第一层图像，以获得第一层土壤地膜残留量m1。

38、在本技术其中一些实施例中，所述农田土壤地膜残留量检测方法还包括如下步骤：

39、第二层土壤翻耕步骤：所述第一升降机构将所述掘土碎土单元移动至第二翻耕位置，以使翻耕深度为20厘米，设定前进翻耕参数和前进速度；所述第二升降机构将所述多级推土挡板升降至第二推平位置；

40、所述行进装置带动所述掘土碎土单元按照预定路线对被检地块进行开沟和碎土，开沟宽度w米，开沟长度为l米；

41、所述行进装置带动所述多级推土挡板对所开沟内碎土进行多级推平；

42、第二层土壤采集步骤：设定所述检测单元距离地面距离为wd+10厘米，设定后退翻耕参数和后退速度；

43、所述行进装置带动所述检测单元按照所述预定路线采集所述被检地块位于所述多级推土挡板中土壤的第二层图像；

44、第二层土壤分析步骤：所述检测单元将获得的第二层图像输出至所述分析单元，所述分析单元根据预定的分析规则处理所述第二层图像，以获得第二层土壤地膜残留量m2。

45、在本技术其中一些实施例中，所述农田土壤地膜残留量检测方法还包括如下步骤：第三层土壤翻耕步骤：第一升降机构将掘土碎土单元移动至第三翻耕位置，以使翻耕深度为30厘米，设定前进翻耕参数和前进速度；所述第二升降机构将所述多级推土挡板升降至第三推平位置；

46、所述行进装置带动所述掘土碎土单元按照预定路线对被检地块进行开沟和碎土，开沟宽度w米，开沟长度为l米；

47、所述行进装置带动所述多级推土挡板对所开沟内碎土进行多级推平；

48、第三层土壤采集步骤：设定所述检测单元距离地面距离为wd+20厘米，设定后退翻耕参数和后退速度；

49、所述行进装置带动所述检测单元按照所述预定路线采集所述被检地块位于所述多级推土挡板中土壤的第三层图像；

50、第三层土壤分析步骤：所述检测单元将获得的第三层图像输出至所述分析单元，所述分析单元根据预定的分析规则处理所述第三层图像，以获得第三层土壤地膜残留量m3。

51、在本技术其中一些实施例中，所述分析规则为：

52、处理对应层图像获得像素特征，依据所述像素特征根据以下模型计算对应层的实际地膜残留面积si；

53、

54、依据对应层的实际地膜面积si按照以下模型计算对应层的土壤地膜残留量mi；

55、mi＝ai×si×th×ρ；

56、其中，i∈{1,2,3}，用于区分第一层图像、第二层图像和第三层图像；

57、

58、检测单元传感器长度为l1，检测单元传感器宽度为w1，检测单元焦距为f，检测单元分辨率为h×v，第i层图像中第j个地膜图像长度方向像素个数为nlij，第i层图像中第j个地膜图像宽度方向像素个数为nwij，th为地膜厚度，地膜密度为ρ，地膜使用年份为y。

59、在本技术其中一些实施例中，所述农田土壤地膜残留量检测方法还包括：

60、总土壤地膜残留量获取步骤：总土壤地膜残留量mz通过以下模型计算获得；

61、

62、土壤地膜单位残留量获取步骤：

63、依据总土壤地膜残留量mz按照以下模型计算土壤地膜单位残留量mz；

64、

65、在本技术其中一些实施例中，所述农田土壤地膜残留量检测方法还包括：

66、翻耕残余地膜获取步骤：翻耕结束后，在所述掘土碎土单元的翻耕刀和碎土刀上收集的残留地膜，清洗吹干后称重获得翻耕残余地膜质量c；

67、总土壤地膜残留量获取步骤：总土壤地膜残留量mz通过以下模型计算获得；

68、

69、土壤地膜单位残留量获取步骤：

70、依据总土壤地膜残留量mz按照以下模型计算土壤地膜单位残留量mzavg；

71、

72、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

73、该农田土壤地膜残留量检测设备可将土壤内部掩埋的地膜翻耕到表面，土块内部包裹的残留地膜被裸露，并且翻耕深度可深入土壤，翻耕次数可以为多次，因而将土壤内部的地膜也纳入检测范围，检测结果更加符合土壤实际状况。本实施例提供的农田土壤地膜残留量检测设备，掘土碎土单元位于行进装置的前侧，掘土碎土单元深入土壤，将一定翻耕深度的土块挖出，并对挖出的土块进行破碎处理，使得土块内包裹的地膜暴露；多级推土挡板位于行进装置的后侧，可将翻耕出的土壤推平，并将暴露的地膜推平，便于后续地膜数据采集。多级推土挡板其阶梯状分布的挡板，在行进装置前进时，逐级对破碎的土块进行推平，将不同高度地膜沿着行进装置前进方向逐渐展开。