近紅外土壤養(yǎng)分含量在線實時檢測系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著世界人口數(shù)量的劇增，人類對于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的需求也隨之大幅提高，而為了滿足這一要求，化肥及農(nóng)藥使用量急劇增加，已經(jīng)嚴(yán)重超過了土壤負(fù)荷能力，造成了土壤板結(jié)和肥力下降等很多嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此精細(xì)農(nóng)業(yè)的實施就顯得尤為重要，而精細(xì)農(nóng)業(yè)中的一個重要組成部分就是精細(xì)施肥。精細(xì)施肥的前提是實時準(zhǔn)確地獲取土壤中植物生長所須營養(yǎng)物質(zhì)的準(zhǔn)確含量，然后在施肥過程中再依據(jù)這些準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對化肥和農(nóng)藥的施加量進(jìn)行科學(xué)的配比，實現(xiàn)以最小的化學(xué)投入量獲得最大的產(chǎn)

2、出效益。
　　而目前對于土壤養(yǎng)分含量的測量方法主要有兩種：一種是目前使用最為廣泛也最準(zhǔn)確的化學(xué)分析方法，另一種是近年來剛剛發(fā)展起來但并不成熟的近紅外光譜分析法。實驗室化學(xué)檢測手段存在著檢測效率低下、成本高、檢測復(fù)雜和操作人為因素影響大等弊端，而近紅外光譜法目前僅停留在實驗室階段，存在著近紅外光譜儀器成本高昂、缺乏專用檢測儀器等缺點，導(dǎo)致近紅外檢測方法無法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)田間在線實時檢測的應(yīng)用。
　　本研究利用近紅外光譜法原理

3、實現(xiàn)土壤養(yǎng)分的田間在線實時準(zhǔn)確檢測，并分別針對近紅外檢測土壤養(yǎng)分中的在線檢測儀器設(shè)計、近紅外傳感器研制、光譜數(shù)據(jù)處理方法等幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。研究的主要內(nèi)容如下：
　　1．研究基于近紅外技術(shù)的土壤養(yǎng)分在線實時檢測終端儀器的設(shè)計與實現(xiàn)。在研究過程中針對檢測儀器中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行小型化設(shè)計，控制各部件尺寸，分別完成儀器的光路結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件程序的設(shè)計。在光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，確定了漫反射原理的檢測方式，采用了 Czerny-T

4、urner交叉復(fù)折式光路結(jié)構(gòu)和平面閃耀光柵實現(xiàn)光線的色散，以完成從近紅外復(fù)合光到近紅外單色光的轉(zhuǎn)換。然后通過光電轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，獲取土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù)，并研究了儀器的測量方法，考核了儀器的性能指標(biāo)。
　　2．依據(jù) MEMS技術(shù)研制了一種新型 PbS/CuPc復(fù)合集成一體的近紅外光敏傳感器。通過在玻璃基片上采用化學(xué)鍍膜法制備硫化鉛光電導(dǎo)型感知單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜法制備酞菁銅感知單元，實現(xiàn)了在一個玻璃基片上同時制

5、備兩種光敏材料以形成兩種不同原理的光敏傳感器，拓寬了近紅外光譜檢測范圍。通過采用一個復(fù)合集成式傳感器替代原有的多個傳感器組合，簡化了儀器結(jié)構(gòu)，解決了在線檢測儀器的小型化難題；同時研究敏感膜和傳感器芯片的制備方法；并分析了傳感器的光敏特性、敏感膜微觀結(jié)構(gòu)表征和環(huán)境溫度影響等關(guān)鍵參數(shù)。
　　3．采用網(wǎng)格采樣法研究了以東北黑土類型的土壤為試樣制備方法，利用化學(xué)檢測方法對所采集的試樣中有機質(zhì)和全氮含量進(jìn)行了測定，建立了土壤樣品的有機質(zhì)和全

6、氮含量的樣品庫。分別研究了窗口平滑法、S-G卷積法、小波分析法等不同方法對黑土類型的土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理效果并進(jìn)行對比，確定了以小波分析為最佳的黑土類型土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。
　　4．通過采用以小波分析為主體，融合了偏最小二乘、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘-支持向量機三種不同的預(yù)測模型建立方法，分別建立黑土類型土壤有機質(zhì)和全氮含量的預(yù)測模型。并通過模型的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差兩個參數(shù)對比不同建模方法的效果，分別確定了小波分析-最小二乘-支