專利名稱：全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種野外土壤有機(jī)質(zhì)含量快速檢測(cè)的裝置和方法，尤其是涉及一種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤的重要組成部分，其含量是土壤持久性肥力的重要標(biāo)志，獲取農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量及其空間分布信息對(duì)指導(dǎo)實(shí)施農(nóng)田精準(zhǔn)管理、農(nóng)田土壤肥力評(píng)價(jià)等工作具有重要意義。
目前，常規(guī)測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量的化學(xué)分析方法通常周期長(zhǎng)、成本高，并且很難在田間直接測(cè)定，不能滿足快速有效監(jiān)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)空間分布和制圖的需要。地面高光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)具有快速、簡(jiǎn)便、非接觸、不破壞等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得廣泛關(guān)注?；趯?shí)驗(yàn)室高光譜測(cè)定有機(jī)質(zhì)方法的研究始于上世紀(jì)六十年代，發(fā)展較為成熟，獲得廣泛認(rèn)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)對(duì)東阿肯色州三角洲地區(qū)的土樣進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量與紅光波段的反射率具有較強(qiáng)的相關(guān)性，決定系數(shù)R2達(dá)0. 609。程街亮(土壤高光譜遙感信息提取與二向反射模型研究.博士論文，杭州浙江大學(xué)，2008)在對(duì)浙江省平湖市所采集的77個(gè)水稻土樣品進(jìn)行單相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，利用568nm處的光譜反射率值建立的一元回歸方程對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)效果較好。但是此方法仍然存在很多不足一是一系列土壤樣品的采集、烘干、研磨及過(guò)篩等處理導(dǎo)致了土壤光譜測(cè)量的滯后性；二是忽略了土壤空間變異性，從而降低了土壤高光譜反演的精度。土壤有機(jī)質(zhì)的野外高光譜測(cè)量很好解決了上述問(wèn)題。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)發(fā)明了一種叫做3S-HeD的侵入式光學(xué)傳感器獲取土壤剖面的光譜特性進(jìn)行土壤分類研究。劉煥軍等(黑土有機(jī)質(zhì)含量額外高光譜預(yù)測(cè)模型.光譜學(xué)與光譜分析.第30卷第12期，2010年12月)以田間原狀黑土野外實(shí)測(cè)高光譜反射率為研究對(duì)象，分析黑土反射光譜特征，并建立了黑土有機(jī)質(zhì)高光譜預(yù)測(cè)模型。但是，野外土壤高光譜研究由于采樣及獲取光譜信息方法的原因?qū)е聰?shù)據(jù)不具有全面性，且高穩(wěn)定、高精度土壤預(yù)測(cè)物理模型和統(tǒng)計(jì)模型的算法尚不成熟。傳統(tǒng)的美國(guó)ASD地面光譜儀所帶光纖探頭每次只能獲取一小塊土斑的反射光譜信息，不能反映土層有機(jī)質(zhì)的整體特性，具有一定的局限性。在上述研究中，關(guān)于利用全景環(huán)帶高光譜技術(shù)檢測(cè)野外測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量的方法和裝置的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有土壤有機(jī)質(zhì)檢測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、周期長(zhǎng)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的裝置和方法，將全景探頭伸入環(huán)形洞中，可以一次性獲取圓形土洞360°圓周向洞壁土壤的反射光譜信息，同時(shí)采用PLSR-ANN結(jié)合的模型反演得到精度高且全面的土壤有機(jī)質(zhì)含量和分布狀況。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一、一種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的裝置在圓形的底座上開(kāi)有中心孔，支柱垂直固定在底座上,底座下面安裝固定螺釘和調(diào)節(jié)螺釘并為等邊三角形布置，玻璃水平泡固定在底座上面，第一橫梁和第二橫梁的一端孔從下至上分別固定在支柱上，第一橫梁和第二橫梁的另一端分別開(kāi)有孔，兩孔與底座中 心孔同軸，光纖探頭連接桿穿過(guò)第一橫梁和第二橫梁的另一端孔，光纖探頭連接桿下端安裝全景環(huán)帶光纖探頭，全景環(huán)帶光纖探頭外裝有朝下的微型激光測(cè)距儀探頭，微型激光測(cè)距儀探頭通過(guò)電纜與帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)連接，光纖探頭連接桿上端開(kāi)有安裝延長(zhǎng)桿的凹槽，帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)分別裝在第二橫梁上面，傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪與光纖探頭連接桿側(cè)面齒條的相嚙合，使光纖探頭連接桿帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭在底座中心孔中作垂直方向的上、下移動(dòng)，全景環(huán)帶光纖探頭通過(guò)電纜與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。所述的延長(zhǎng)桿側(cè)面有齒條，延長(zhǎng)桿的一端凸起插入光纖探頭連接桿上端的凹槽內(nèi)鎖緊成一體。所述的傳動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上的齒輪和棘輪棘爪機(jī)構(gòu)組成。二、一種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的方法，該方法的步驟如下I. I)裝置定位將裝置移動(dòng)到待測(cè)土壤的垂直圓形土洞上方，將裝置底座中心孔與土洞頂端完全對(duì)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)裝置底座兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，使裝置底座水平；I. 2)全景環(huán)帶光纖探頭定位微型激光測(cè)距儀讀數(shù)清零；施放棘輪棘爪制動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)光纖探頭連接桿帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭作垂直向下移動(dòng)，當(dāng)微型激光測(cè)距儀顯示的距離讀數(shù)比全景環(huán)帶光纖探頭機(jī)身長(zhǎng)度剛好大Icm時(shí)，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)電源，此時(shí)全景環(huán)帶光纖探頭所處位置為光譜數(shù)據(jù)測(cè)試起始位置；從此處開(kāi)始，根據(jù)測(cè)試需要，通過(guò)施加在步進(jìn)電機(jī)上的脈沖信號(hào)自動(dòng)控制全景環(huán)帶光纖探頭的光譜測(cè)試位置；I. 3)獲取光譜數(shù)據(jù)在每個(gè)光譜測(cè)試位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制光譜儀測(cè)試光譜，光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。其數(shù)據(jù)處理的步驟如下2. I)高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理(a)每個(gè)光譜測(cè)試位置采集10次共10條光譜曲線，算術(shù)平均后得到該位置的原始光譜曲線，去除邊噪聲較大的邊緣波段35(T399nm和245f2500nm ； (b)采用小波變換對(duì)原始光譜進(jìn)行去噪處理；2. 2)確定不同土壤類型通過(guò)土壤剖面特性判斷土壤類型；2. 3)建立預(yù)測(cè)模型(a)首先建立偏最小二乘回歸模型(PLSR)，從原始變量中提取PLSR模型因子Tl和Ul的線性組合，再建立原始變量對(duì)Tl的方程，最后建立回歸方程；(b)利用PLSR提到的20個(gè)主分量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸入節(jié)點(diǎn)，建立了一個(gè)含20個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、14個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)、I個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的20-14-1三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；2. 4)偏最小二乘回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度評(píng)價(jià)對(duì)模型精度參數(shù)預(yù)測(cè)均根方差(RMSE)、決定系數(shù)R2、測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差的比值RPD進(jìn)行比較評(píng)估，評(píng)價(jià)偏最小二乘回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的精度；2. 5)偏最小二乘回歸建模在Unscrambler X10. I中完成，高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、偏最小二乘回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度評(píng)價(jià)通過(guò)MatlabR2009a編程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明是利用全景環(huán)帶高光譜測(cè)試技術(shù)能一次性采集一個(gè)垂直的、直徑很小的圓柱形土洞內(nèi)位于同一高度的360度圓周向洞壁土壤高光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)建立預(yù)測(cè)模型建模，能夠快速測(cè)試野外土壤有機(jī)質(zhì)含量。


圖I是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖。圖2是延長(zhǎng)桿立體圖。圖3是圖I的平面結(jié)構(gòu)圖。圖4不同土壤有機(jī)質(zhì)含量水平獲得的反射光譜曲線圖。圖5采用PLSR建模方法預(yù)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)果精度檢驗(yàn)圖。圖6采用PLSR-ANN建模方法預(yù)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)果精度檢驗(yàn)圖。圖中1、底座,2、主支柱,3、第一橫梁,4、傳動(dòng)系統(tǒng),5、第二橫梁,6、緊固螺釘,7、光纖探頭主連接桿頂端凹槽，8、底座水平調(diào)節(jié)螺釘，9、玻璃水平泡，10、全景環(huán)帶光纖探頭定位孔，11、全景環(huán)帶光纖探頭，12、微型激光測(cè)距儀探頭，13、帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)，14、光纖探頭連接桿，15、延長(zhǎng)桿、16、固定孔，17、凸起，18、固定螺釘。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I、圖2、圖3所示，在圓形的底座I上開(kāi)有中心孔10，支柱2垂直固定在底座I上，底座I下面安裝固定螺釘18和調(diào)節(jié)螺釘8并為等邊三角形布置，玻璃水平泡10固定在底座I上面，玻璃水平泡10位于兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘8圓心連線的中間位置，第一橫梁3和第二橫梁5的一端孔從下至上分別固定在支柱2上，第一橫梁3和第二橫梁5的另一端分別開(kāi)有孔，兩孔與底座I中心孔10同軸，光纖探頭連接桿14穿過(guò)第一橫梁3和第二橫梁5的另一端孔，光纖探頭連接桿14下端安裝全景環(huán)帶光纖探頭11，全景環(huán)帶光纖探頭11外裝有朝下的微型激光測(cè)距儀探頭12，微型激光測(cè)距儀探頭12通過(guò)電纜與帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)13連接，光纖探頭連接桿14上端開(kāi)有安裝延長(zhǎng)桿15的凹槽7，凹槽7側(cè)面開(kāi)有三個(gè)孔，帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)13和傳動(dòng)系統(tǒng)4分別裝在第二橫梁5上面，傳動(dòng)系統(tǒng)4中的齒輪與光纖探頭連接桿14側(cè)面齒條的相嚙合，使光纖探頭連接桿14帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭11在底座I中心孔10中作垂直方向的上、下移動(dòng)，全景環(huán)帶光纖探頭11通過(guò)電纜與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。所述的延長(zhǎng)桿15側(cè)面有齒條，延長(zhǎng)桿15的一端凸起17，凸起17側(cè)面開(kāi)有三個(gè)固定孔16，延長(zhǎng)桿15的一端凸起17插入環(huán)帶相機(jī)連接桿14上端的凹槽7內(nèi)，用三個(gè)緊固螺釘6鎖緊成一體。所述的傳動(dòng)系統(tǒng)4由步進(jìn)電機(jī)、安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上的齒輪和棘輪棘爪機(jī)構(gòu)組成。該方法的步驟如下I)裝置定位將裝置移動(dòng)到待測(cè)土壤的垂直圓形土洞上方，將裝置底座圓孔與土洞頂端完全對(duì)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)裝置座兩個(gè)水平調(diào)節(jié)螺釘，使裝置底座水平；2)全景環(huán)帶光纖探頭定位微型激光測(cè)距儀讀數(shù)清零；施放棘輪棘爪制動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)光纖探頭連接桿帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭作垂直向下移動(dòng)，當(dāng)微型激光測(cè)距儀顯示的距離讀數(shù)比全景環(huán)帶光纖探頭機(jī)身長(zhǎng)度剛好大Icm時(shí)，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)電源，此時(shí)全景環(huán)帶光纖探頭所處位置為光譜數(shù)據(jù)測(cè)試起始位置；從此處開(kāi)始， 根據(jù)測(cè)試需要，通過(guò)施加在步進(jìn)電機(jī)上的脈沖信號(hào)自動(dòng)控制全景環(huán)帶光纖探頭的光譜測(cè)試位置。3)獲取光譜數(shù)據(jù)在每個(gè)光譜測(cè)試位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制光譜儀測(cè)試光譜，光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。在進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)，將帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)13的距離計(jì)數(shù)清零，將延長(zhǎng)桿15的凸起17與光纖探頭連接桿14的凹槽7配合，用3個(gè)緊固螺釘6通過(guò)三個(gè)固定孔16將二者緊固在一起。松開(kāi)傳動(dòng)系統(tǒng)4中的棘爪，松開(kāi)傳動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)裝置，給傳動(dòng)系統(tǒng)4的步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)反射脈沖，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光纖探頭連接桿14作垂直向下移動(dòng)，帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭11垂直向下移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中，帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)13接收微型激光測(cè)距儀探頭12傳遞過(guò)來(lái)的距離信息，當(dāng)帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)13上的顯示屏讀數(shù)剛好大于全景環(huán)帶光纖探頭11的長(zhǎng)度Icm時(shí)，關(guān)閉傳動(dòng)系統(tǒng)4步進(jìn)電機(jī)的電源，此時(shí)由于重力作用，全景環(huán)帶光纖探頭11、兩個(gè)光纖探頭連接桿14和延長(zhǎng)桿15會(huì)自由下落，正是由于重力作用，傳動(dòng)系統(tǒng)的棘爪會(huì)自動(dòng)嚙合棘輪，產(chǎn)生一個(gè)反作用力，阻止全景環(huán)帶光纖探頭11、兩個(gè)光纖探頭連接桿14和延長(zhǎng)桿15繼續(xù)垂直向下移動(dòng)，此時(shí)的位置即進(jìn)行全景環(huán)帶攝影的初始位置。給傳到系統(tǒng)4的步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)正向電脈沖，使光纖探頭連接桿14和延長(zhǎng)桿15作垂直向上移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭11向上作垂直移動(dòng)，移動(dòng)的距離由脈沖的大小決定。全景環(huán)帶光纖探頭11在離土洞底部Icm開(kāi)始，進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的測(cè)試，測(cè)試位置根據(jù)需要而定。全景環(huán)帶光纖探頭11通過(guò)光纖與光譜儀相連，光譜儀與計(jì)算機(jī)通過(guò)電纜相連，并由電腦控制完成每一次光譜數(shù)據(jù)采集，光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以電腦硬盤中。數(shù)據(jù)處理的步驟如下I)光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理每個(gè)測(cè)試位置采集10條光譜曲線，取其算術(shù)平均值，算術(shù)平均后的曲線視為該測(cè)試位置的原始光譜曲線，去除邊噪聲較大的邊緣波段35(T399nm和2451 2500nm ；采用小波變換方法去噪，具體如下首先對(duì)原始光譜進(jìn)行小波變換得到高頻和低頻小波系數(shù)，再通過(guò)閾值法去除小波系數(shù)中被認(rèn)為是噪聲的元素(濾波)或者高頻元素(平滑)，最后將處理后的小波系數(shù)進(jìn)行逆變換得到濾波后的光譜信號(hào)。處理過(guò)程由Matlab R2009a實(shí)現(xiàn)。按照有機(jī)質(zhì)含量高低進(jìn)行分級(jí)，然后將每個(gè)級(jí)別內(nèi)所有土壤光譜曲線求其平均，得到不同有機(jī)質(zhì)含量下光譜反射曲線(見(jiàn)圖4)。2)確定不同土壤類型通過(guò)土壤剖面特性大致判斷土壤類型。3 ) PLSR-ANN預(yù)測(cè)模型計(jì)算①偏最小二乘回歸法(PLSR):設(shè)有m個(gè)自變量X1,X2,…，Xm，p個(gè)因變量Y1, Y2,…，Yp，共i (i=l,…，n)個(gè)觀測(cè)值數(shù)據(jù)集。T、U分別為從自變量和因變量中提取的因子，稱為偏最小二乘因子。從原始變量中提取第一對(duì)因子T1和U1的線性組合T1=WiaXAUJHqWumXm=WZX; (I)U1= 0 L1X1+ 0 L2X2+...+ 0 !,A = 0 / X (2)其中co/為模型效應(yīng)權(quán)重，9 /為因變量權(quán)重，為保證兩者相關(guān)程度最大，因子協(xié)方差可由相應(yīng)的因子得分向量的內(nèi)積計(jì)算，轉(zhuǎn)化為求條件極值問(wèn)題；其次建立初始變景對(duì)T1的方程
權(quán)利要求
1.ー種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壌有機(jī)質(zhì)含量的裝置，其特征在于在圓形的底座(I)上開(kāi)有中心孔(10)，支柱(2)垂直固定在底座(I)上，底座(I)下面安裝固定螺釘(18)和調(diào)節(jié)螺釘(8)并為等邊三角形布置，玻璃水平泡(10)固定在底座(I)上面，第一橫梁(3)和第二橫梁(5)的一端孔從下至上分別固定在支柱(2)上，第一橫梁(3)和第二橫梁(5)的另一端分別開(kāi)有孔，兩孔與底座(I)中心孔(10)同軸，光纖探頭連接桿(14)穿過(guò)第一橫梁(3 )和第二橫梁(5 )的另一端孔，光纖探頭連接桿(14)下端安裝全景環(huán)帶光纖探頭(11)，全景環(huán)帶光纖探頭(11)外裝有朝下的微型激光測(cè)距儀探頭(12)，微型激光測(cè)距儀探頭(12)通過(guò)電纜與帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)(13)連接，光纖探頭連接桿(14)上端開(kāi)有安裝延長(zhǎng)桿(15)的凹槽(7)，帶顯示屏微型激光測(cè)距儀主機(jī)(13)和傳動(dòng)系統(tǒng)(4)分別裝在第二橫梁(5)上面，傳動(dòng)系統(tǒng)(4)中的齒輪與光纖探頭連接桿(14)側(cè)面齒條的相嚙合，使光纖探頭連接桿(14)帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭(11)在底座(I)中心孔(10)中作垂直方向的上、下移動(dòng)，全景環(huán)帶光纖探頭(11)通過(guò)電纜與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壌有機(jī)質(zhì)含量的裝置，其特征在于所述的延長(zhǎng)桿(15)側(cè)面有齒條，延長(zhǎng)桿(15)的一端凸起(17)插入光纖探頭連接桿(14)上端的凹槽(7)內(nèi)鎖緊成一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壌有機(jī)質(zhì)含量的裝置，其特征在于所述的傳動(dòng)系統(tǒng)(4)由步進(jìn)電機(jī)、安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上的齒輪和棘輪棘爪機(jī)構(gòu)組成。
4.ー種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壌有機(jī)質(zhì)含量的方法，其特征在干，該方法的步驟如下 I.I)裝置定位將裝置移動(dòng)到待測(cè)土壤的垂直圓形土洞上方，將裝置底座中心孔與土洞頂端完全對(duì)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)裝置底座兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，使裝置底座水平； I.2)全景環(huán)帶光纖探頭定位微型激光測(cè)距儀讀數(shù)清零；施放棘輪棘爪制動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)光纖探頭連接桿帶動(dòng)全景環(huán)帶光纖探頭作垂直向下移動(dòng)，當(dāng)微型激光測(cè)距儀顯示的距離讀數(shù)比全景環(huán)帶光纖探頭機(jī)身長(zhǎng)度剛好大Icm時(shí)，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)電源，此時(shí)全景環(huán)帶光纖探頭所處位置為光譜數(shù)據(jù)測(cè)試起始位置；從此處開(kāi)始，根據(jù)測(cè)試需要，通過(guò)施加在步進(jìn)電機(jī)上的脈沖信號(hào)自動(dòng)控制全景環(huán)帶光纖探頭的光譜測(cè)試位置； 1.3)獲取光譜數(shù)據(jù)在每個(gè)光譜測(cè)試位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制光譜儀測(cè)試光譜，光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壌有機(jī)質(zhì)含量的方法，其特征在于，其數(shù)據(jù)處理的步驟如下 . 2.I)高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理(a)每個(gè)光譜測(cè)試位置采集10次共10條光譜曲線，算木平均后得到該位置的原始光譜曲線，去除邊噪聲較大的邊緣波段35(T399nm和2451 2500nm ；(b)采用小波變換對(duì)原始光譜進(jìn)行去噪處理； . 2.2)確定不同土壤類型通過(guò)土壤剖面特性判斷土壤類型； . 2.3)建立預(yù)測(cè)模型Ca)首先建立偏最小ニ乘回歸模型，從原始變量中提取PLSR模型因子Tl和Ul的線性組合，再建立原始變量對(duì)Tl的方程，最后建立回歸方程；(b)利用PLSR提到的20個(gè)主分量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸入節(jié)點(diǎn)，建立了ー個(gè)含20個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、14個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)、I個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的20-14-1三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型； ·2.4)偏最小ニ乘回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度評(píng)價(jià)對(duì)模型精度參數(shù)預(yù)測(cè)均根方差、決定系數(shù)R2、測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差的比值RPD進(jìn)行比較評(píng)估，評(píng)價(jià)偏最小ニ乘回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)野外土壌有機(jī)質(zhì)含量的精度；·2.5)偏最小ニ乘回歸建模在Unscrambler X10. I中完成，高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、偏最小ニ乘回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度評(píng)價(jià)通過(guò)Matlab R2009a編程實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種全景環(huán)帶高光譜快速檢測(cè)野外土壤有機(jī)質(zhì)含量的裝置和方法。支柱垂直固定在底座上，兩根橫梁的一端孔固定在支柱上，光纖探頭連接桿穿過(guò)兩根橫梁的另一端孔，下端安裝全景環(huán)帶光纖探頭和微型激光測(cè)距儀探頭，探頭與激光測(cè)距儀主機(jī)連接，激光測(cè)距儀主機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)分別裝在上面橫梁上，傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪與環(huán)帶相機(jī)連接桿側(cè)面齒條的相嚙合在底座中心孔中移動(dòng)，相機(jī)與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。將裝置移動(dòng)到待測(cè)土壤的垂直圓柱形土洞上方，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)將全景環(huán)帶光纖探頭垂直下移到圓形土洞中光譜數(shù)據(jù)測(cè)試位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制光譜儀進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，利用小波變換方法進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)去噪預(yù)處理，用PLSR-ANN方法建立模型，預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)含量。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102680413SQ20121017168
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者劉翔, 史舟, 周煉清, 李曦 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)