基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法及裝置制造方法
【專利摘要】基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法及裝置，所述方法包括：采集土壤10個(gè)特征波長處光反射率值，特征波長為400nm、730nm、1026nm、1296nm、1544nm、1885nm、1912nm、2013nm、2205nm和2314nm；將土壤光反射率值轉(zhuǎn)換為土壤吸光度值；再將土壤特征波長處吸光度值通過多元線性回歸方程計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì)含量；裝置包括光譜采集裝置、嵌入式處理裝置，光譜采集裝置包括底座、樣品盒、圓柱形轉(zhuǎn)盤和固定在底盤上的支架，底座上表面固定樣品盒、內(nèi)部安裝嵌入式處理系統(tǒng)；轉(zhuǎn)盤通過支架立于樣品盒正上方。本發(fā)明有益效果是：快速檢測東北土壤有機(jī)質(zhì)含量，縮短檢測時(shí)間，降低成本。
【專利說明】基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤有機(jī)質(zhì)主要由生物遺體轉(zhuǎn)化降解形成的有機(jī)化合物組成，包括纖維素、脂肪類化合物、粗蛋白以及各種較簡單的降解產(chǎn)物和腐殖質(zhì)類高分子聚合物等，是土壤肥力的核心指標(biāo)之一。土壤有機(jī)質(zhì)含量的快速檢測對于精細(xì)農(nóng)業(yè)具有重要意義。東北黑土區(qū)是世界四大黑土帶之一，主要分布在松嫩平原東部地區(qū)。東北黑土有機(jī)質(zhì)含量高、土質(zhì)肥沃，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地。近年來，由于過度開發(fā)，東北黑土有機(jī)質(zhì)含量呈顯著下降趨勢，導(dǎo)致土壤肥力降低，并影響國家糧食安全，迫切需要對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測。傳統(tǒng)測定土壤有機(jī)質(zhì)含量的理化方法步驟復(fù)雜、費(fèi)用高、測試周期長、需用大量化學(xué)試齊U，不適合大規(guī)?？焖贉y定要求。
[0003]近年來，近紅外光譜技術(shù)正被越來越多地應(yīng)用于土壤養(yǎng)分測試。由于土壤有機(jī)質(zhì)對近紅外光譜具有選擇性吸收特性，選擇光譜特征波長不僅有利于簡化土壤光譜反演計(jì)算的復(fù)雜度，而且有利于提高預(yù)測模型的抗干擾性能。目前，還未見東北黑土有機(jī)質(zhì)光譜特征波長篩選結(jié)果的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對傳統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)測試方法步驟復(fù)雜、測試周期長、需用大量化學(xué)試劑等缺點(diǎn)，提供了一種基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量快速測定方法及裝置。
[0005]基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法，包括以下步驟:
[0006]I)采集東北黑土土壤樣品，然后將采集的樣品放入樣品盒內(nèi)，去除表面植物雜質(zhì)，并將表面撫平；
[0007]2)按下裝置的開始按鈕，轉(zhuǎn)動圓形轉(zhuǎn)盤依次將十個(gè)裝用濾光片的透光孔對準(zhǔn)土壤樣品，按下按鈕確認(rèn)相應(yīng)特征波長的輸入，并將每個(gè)透光孔相應(yīng)特征波長下采集的光反射率值R存入單片機(jī)中；十個(gè)透光孔對應(yīng)特征波長分別為400nm、730nm、1026nm、1296nm、1544nm、1885nm、1912nm、2013nm、2205nm、2314nm ；
[0008]3)嵌入式系統(tǒng)中的單片機(jī)自動通過公式A=-1og(R)，將步驟2)測定的土壤樣品的特征波長反射率值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的土壤吸光度值；
[0009]4)將步驟3)得出的土壤吸光度值代入土壤有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算公式:Y=33.99-35.38Χ400+140.18Χ730-482.96Χ1026+1162.37Χ1296-801.45Χ1544
[0010]-802.14Χ1885+192.81Χ1912_230.50Χ2(ι13_1266.59Χ2205+2072.25Χ2314 ;式中，Y 為土壤有機(jī)質(zhì)含量的模型計(jì)算值，單位為g/kg ;X400為波長400nm處的土壤吸光度值；X73(1為波長730nm處的土壤吸光度值；X1(I26為波長1026nm處的土壤吸光度值；X1296為波長1296nm處的土壤吸光度值；X1544為波長1544nm處的土壤吸光度值；X1885為波長1885nm處的土壤吸光度值；X1912為波長1912nm處的土壤吸光度值；X2(I13為波長2013nm處的土壤吸光度值；X22(I5為波長2205nm處的土壤吸光度值；X2314為波長2314nm處的土壤吸光度值。
[0011]所述的特征波長是通過連續(xù)投影算法獲得，所述的10個(gè)特征波長反映了東北黑土有機(jī)質(zhì)復(fù)雜化合物C-H、N-H和O-H基團(tuán)的伸縮和彎曲倍頻、組合頻振動特征吸收。其中730nm附近是水分子的伸縮振動二級倍頻吸收，1544nm附近是N-H基團(tuán)的一級倍頻吸收，2013nm附近是0-H基團(tuán)的合頻吸收，2314nm附近是C-H基團(tuán)的合頻吸收。
[0012]按照本發(fā)明所述的方法構(gòu)建的裝置，其特征在于:包括光譜采集裝置、嵌入式處理裝置，所述的光譜采集裝置包括底座、樣品盒、圓柱形轉(zhuǎn)盤和固定在底盤上的支架，所述的底座上表面固定樣品盒、內(nèi)部安裝嵌入式處理系統(tǒng)；所述的轉(zhuǎn)盤通過支架立于樣品盒正上方，轉(zhuǎn)盤的中心軸與樣品盒的中心軸垂直；所述的轉(zhuǎn)盤中心放置光源、側(cè)壁周向均勻設(shè)有多個(gè)用于透射光線的透光孔，每個(gè)透光孔內(nèi)對應(yīng)放置一塊濾波片，在光源一側(cè)平行位置上放置一個(gè)光敏傳感器；所述嵌入式處理裝置包括單片微處理器、IXD顯示屏、控制按鈕和電源；所述的單片微處理器與所述的LCD顯示屏、控制按鈕和光敏傳感器連接；所述的單片微處理器與電源相連。
[0013]所述的轉(zhuǎn)盤上設(shè)有10個(gè)透光孔，每個(gè)透光孔上對應(yīng)安裝一塊濾波片，10塊濾波片中心波長分別為 400nm、730nm、1026nm、1296nm、1544nm、1885nm、1912nm、2013nm、2205nm、2314nm。
[0014]所述的光源為鹵鎢燈，波長范圍包含350?2500nm。
[0015]所述的控制按鈕分為用于啟動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的開始按鈕和用于選擇特征波長的選擇按鈕。
[0016]使用時(shí)，按下開始按鈕，轉(zhuǎn)盤將裝用濾光片的透光孔對準(zhǔn)土壤樣品，按下按鈕確認(rèn)該波長的輸入，依次將十個(gè)透光孔對準(zhǔn)土壤樣品，將400nm、730nm、1026nm、1296nm、1544nm、1885nm、1912nm、2013nm、2205nm、2314nm十個(gè)特征波長的光反射率值存入單片機(jī)中，并在IXD顯示屏上顯示結(jié)果。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018](I)采用土壤光譜特征波長，可獲得相比于全波段光譜測量更快的檢測速度；(2)采用基于光譜特征波長的多元線性回歸計(jì)算方法，可使檢測儀器的設(shè)計(jì)更加簡單，價(jià)格更加低廉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例中建模集樣本的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)測值和計(jì)算值的散點(diǎn)分布圖。
[0020]圖2為實(shí)施例中預(yù)測集樣本的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)測值和計(jì)算值的散點(diǎn)分布圖。
[0021]圖3是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明
[0023]參照附圖:
[0024]基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量快速測定方法，包括以下步驟:[0025](I)收集具有代表性的東北黑土土壤樣品共90個(gè)，將樣品磨碎風(fēng)干后采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法獲取樣品有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)際值。將90個(gè)樣本按有機(jī)質(zhì)含量的高低進(jìn)行排序，然后按照2:1的比例，依次取出樣本分別作為建模集樣本和預(yù)測集樣本，如表1所示。
[0026]表1.90個(gè)東北黑土有機(jī)質(zhì)含量(單位:g/Kg)
【權(quán)利要求】
1.基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法，包括以下步驟: 1)采集東北黑土土壤樣品，然后將采集的樣品放入樣品盒內(nèi)，去除表面植物雜質(zhì)，并將表面撫平； 2)按下裝置的開始按鈕，轉(zhuǎn)動圓形轉(zhuǎn)盤依次將十個(gè)裝用濾光片的透光孔對準(zhǔn)土壤樣品，按下按鈕確認(rèn)相應(yīng)特征波長的輸入，并將每個(gè)透光孔相應(yīng)特征波長下采集的光反射率值R存入單片機(jī)中；十個(gè)透光孔對應(yīng)特征波長分別為400nm、730nm、1026nm、1296nm、1544nm、1885nm、1912nm、2013nm、2205nm、2314nm ； 3)嵌入式系統(tǒng)中的單片機(jī)自動通過公式A=-1og(R),將步驟2)測定的土壤樣品的特征波長反射率值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的土壤吸光度值； 4)將步驟3)得出的土壤吸光度值代入土壤有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算公式:Y=33.99-35.38Χ400+140.18Χ730-482.96Χ1026+1162.37Χ1296_801.45Χ1544
-802.14Χ腦+192.81Χ1912_230.50Χ2(Ι13_1266.59Χ2205+2072.25Χ2314 ;式中，Y 為土壤有機(jī)質(zhì)含量的模型計(jì)算值，單位為g/kg ;X400為波長400nm處的土壤吸光度值；X73(I為波長730nm處的土壤吸光度值；X1(I26為波長1026nm處的土壤吸光度值；X1296為波長1296nm處的土壤吸光度值；X1544為波長1544nm處的土壤吸光度值；X1885為波長1885nm處的土壤吸光度值；X1912為波長1912nm處的土壤吸光度值；X2(I13為波長2013nm處的土壤吸光度值；X22(I5為波長2205nm處的土壤吸光度值；X2314為波長2314nm處的土壤吸光度值。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光譜特征波長的東北黑土有機(jī)質(zhì)含量測定方法，其特征在于:所述的特征波長是通過連續(xù)投影算法獲得，所述的10個(gè)特征波長反映了東北黑土有機(jī)質(zhì)復(fù)雜化合物C-H、N-H和O-H基團(tuán)的伸縮和彎曲倍頻、組合頻振動特征吸收。其中730nm附近是水分子的伸縮振動二級倍頻吸收，1544nm附近是N-H基團(tuán)的一級倍頻吸收，2013nm附近是O-H基團(tuán)的合頻吸收，231`4nm附近是C-H基團(tuán)的合頻吸收。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法構(gòu)建的裝置，其特征在于:包括光譜采集裝置、嵌入式處理裝置，所述的光譜采集裝置包括底座、樣品盒、圓柱形轉(zhuǎn)盤和固定在底盤上的支架，所述的底座上表面固定樣品盒、內(nèi)部安裝嵌入式處理系統(tǒng)；所述的轉(zhuǎn)盤通過支架立于樣品盒正上方，轉(zhuǎn)盤的中心軸與樣品盒的中心軸垂直；所述的轉(zhuǎn)盤中心放置光源、側(cè)壁周向均勻設(shè)有多個(gè)用于透射光線的透光孔，每個(gè)透光孔內(nèi)對應(yīng)放置一塊濾波片，在光源一側(cè)平行位置上放置一個(gè)光敏傳感器；所述嵌入式處理裝置包括單片微處理器、IXD顯示屏、控制按鈕和電源；所述的單片微處理器與所述的LCD顯示屏、控制按鈕和光敏傳感器連接；所述的單片微處理器與電源相連。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)盤上設(shè)有10個(gè)透光孔，每個(gè)透光孔上對應(yīng)安裝一塊濾波片，10塊濾波片中心波長分別為400nm、730nm、1026nm、1296nm、1544nm、1885nm、1912nm、2013nm、2205nm、2314nm。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于:所述的光源為鹵鎢燈，波長范圍包含350~2500nmo
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于:所述的控制按鈕分為用于啟動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的開始按鈕和用于選擇特征波長的選擇按鈕。
【文檔編號】G01N21/31GK103528974SQ201310431834
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】楊海清, 祝旻, 史舟, 滕洪芬 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)