矫雷子等：基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究（2020年第2期）

引文格式

　

矫雷子, 董大明, 赵贤德, 田宏武. 基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究[J]. 智慧农业（中英文）, 2020, 2 (2): 59-66.

JIAO Leizi, DONG Daming, ZHAO Xiande, TIAN Hongwu. Near-field telemetry detection of soil nutrient based on modulated near-infrared reflectance spectrum[J]. Smart Agriculture, 2020, 2 (2): 59-66.  (in Chinese with English abstract)

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基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究

矫雷子, 董大明*, 赵贤德, 田宏武

（国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097）

摘要: 土壤养分作为农业生产的重要指标，含量过少会降低农作物产量，过多则会造成环境污染。因此，快速、准确检测土壤养分对于精准施肥和提高作物产量具有重要意义。基于取样和化学分析的传统方法能够全面准确地检测土壤养分，但检测过程中土壤的取样及预处理过程繁琐、操作复杂、费时费力，不能实现土壤养分的原位快速检测。本研究基于调制近红外光谱，提出了一种土壤养分主动式近场遥测方法，可有效避免土壤反射自然光的干扰。该方法使用波长范围1260~1610 nm的8通道窄带激光二极管作为近红外光源，通过测量8通道激光光束的土壤反射率，建立土壤养分中氮（N）关于土壤反射率的计量模型，实现了N的快速检测。在74组已知N含量的土壤样品中，选取54组作为训练集，20组作为预测集。基于一般线性模型，对训练集中土壤N含量与土壤反射率的定量化参数进行训练，筛选显著波段后的计量模型R2达到0.97。基于建立的计量模型，预测集中土壤N含量预测值与参考值的决定系数R2达到0.9，结果表明该方法具有土壤养分现场快速检测的能力。

关键词: 土壤氮素；近红外光谱；近场遥测；锁相放大；光电探测

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图1　基于调制近红外的土壤养分近场遥测原理框图

Fig. 1  Schematic diagram of soil nutrient near-field telemetry based on modulated near-infrared spectroscopy

注：1.采集传输板 2.光电探测板 3.采集传输板 4.光机结构探头 5.激光二极管窗口 6.透镜 7.电源开关 8.水平仪 9.充电口

图2　基于调制近红外土壤养分检测系统实物图

Fig. 2  Detection system for soil nutrient based on modulated near-infrared spectroscopy

图3　8通道激光二极管工作时系统电信号的暗噪声

Fig. 3  Electronic dark noises of the system when 8-channel laser diodes are working

图4　8通道激光二极管照射标准漫反射板的反射光对应电信号随时间变化的曲线

Fig. 4  Curves of electronic signal corresponding to the reflected light intensity of 8-channel laser diodes illuminating the standard diffuse reflector

图5　土壤样品测试

Fig. 5  Soil sample testing

图6　土壤样品氮含量与8个波段反射率的GLM训练的结果

Fig. 6  GLM analysis results about nitrogen content of soil samples and reflectance of 8-channel laser diodes

图7　预测集土壤氮含量参考值与预测值相关系数

Fig. 7 The correlation coefficient between the referenced and predicted values of soil N content

来源：《智慧农业（中英文）》2020年第2期