土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法和裝置，所述方法利用雙曲線面鏡將土壤深度圓柱面光譜信號匯聚反射到光纖探頭上，再由光譜儀和計算機獲得土壤深度圓柱面全景光譜數(shù)據(jù)；所述裝置包括全景光譜采集裝置、水平調(diào)節(jié)架和光譜處理設(shè)備，所述全景光譜采集裝置包括雙曲線面鏡、聚焦透鏡、光纖探頭、內(nèi)燈罩、鹵鎢燈和外燈罩；所述水平調(diào)節(jié)架包括上述的水平板、三腳架；所述的全景光譜采集裝置的聚光透鏡和雙曲線面鏡懸掛在土坑內(nèi)；所述光譜處理設(shè)備包括計算機、與計算機相連的光譜儀。本發(fā)明的有益效果是：整個裝置設(shè)計簡單，制造成本低，能收集到土壤深度方向20cm內(nèi)圓柱面整體光譜信息，適合野外土壤有機質(zhì)分布狀況的快速測試。
【專利說明】土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組成部分，它能夠為植物提供營養(yǎng)，促進植物生長發(fā)育和改善土壤物理性質(zhì)等，對土壤形成、土壤肥力、環(huán)境保護及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著重要意義。傳統(tǒng)土壤測試采用實驗室化學(xué)方法，手續(xù)繁瑣、測試時間長、使用化學(xué)試劑對環(huán)境有污染。近年來，采用光譜技術(shù)對土壤進行理化測試，具有快速、不接觸、免試劑等優(yōu)點，具有很大的發(fā)展前景。目前，土壤光譜測試往往局限于直徑2-5cm圓形平面光照范圍，不能反映土壤深度方向組分變化情況。實際上，農(nóng)田土壤肥力主要集中在表層0-20cm深度空間，而且隨深度不同養(yǎng)分含量也不同。使用光譜單點測試法難以反映土壤深度方向整體養(yǎng)分含量。主要的技術(shù)難點在于如何獲取土壤深度光譜信號。
[0003]近年發(fā)展起來的全方位視覺傳感器ODVS (OmniDirectional Vision Sensors)能夠獲取全景圖像。這種ODVS攝像機主要由一個CXD攝像機和正對攝像頭的一個反光鏡組成。反光鏡面將水平方向一周的圖像反射給CCD攝像機成像，在一副圖像中可以獲得水平方向360度的環(huán)境信息。專利“全方位視覺裝置”(200510049989.6)介紹了利用雙曲線面鏡獲取全景圖像的方法?，F(xiàn)有的全方位視覺裝置只能拍攝自然光或人工輔助光條件下的全景圖像信息，缺乏光譜分辨能力。而現(xiàn)有的光譜儀只能獲取小范圍聚焦面的光譜信息，缺乏全景匯聚能力。因此，將全景光匯聚和光譜測試結(jié)合起來，能兼顧兩者優(yōu)點。目前，在這方面還鮮有文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決土壤表層一定深度范圍內(nèi)有機質(zhì)含量的快速檢測問題，本發(fā)明提供了一種能快速準(zhǔn)確的測定土壤表層的有機質(zhì)含量、并且操作方便、成本低廉的土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法及其裝置。
[0005]土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法，包括以下步驟:
[0006]I)在土壤表層挖出一個用于放置全景光譜采集裝置部分配件的圓柱體形土坑；
[0007]2)將全景光譜采集裝置的聚光透鏡安裝在懸掛在水平調(diào)節(jié)架下方的安裝架上，并且將聚光透鏡的中心與連桿上端固定、將雙曲線面鏡中心與連桿的下端固定，并且雙曲線面鏡的曲面朝向聚焦透鏡一側(cè)，其中，聚光透鏡、雙曲線面鏡、連桿的中軸線重合；
[0008]3)光纖探頭垂直位于插入聚光透鏡正上方的安裝架上，并將光纖探頭的光接收端位于所述聚焦透鏡的焦點處；
[0009]4)將水平調(diào)節(jié)架的三腳架張開后支撐于步驟I)的土坑周圍土壤地面上，通過調(diào)節(jié)螺母使得水平板處于水平方向，使得預(yù)先安裝在水平板底面上的鹵鎢燈發(fā)出的光線向下照射土坑內(nèi)，同時通過調(diào)整連桿，將全景光譜采集裝置的聚光透鏡和雙曲線面鏡懸掛于水平調(diào)節(jié)架下方的土坑內(nèi)；[0010]5)將內(nèi)燈罩覆蓋在光纖探頭的外部，并將鹵鎢燈通電，觀察光線是否完全照射在土壤深度圓柱面上，并通過上下移動內(nèi)燈罩，調(diào)節(jié)光線覆蓋范圍，同時避免光線直射雙曲線面鏡；
[0011 ] 5)放置外燈罩，將鹵鎢燈以下部分全部遮蔽起來，使外界光線不能進入土坑內(nèi)；
[0012]6)將光譜處理設(shè)備的傳輸光纖一頭與光纖探頭連接、另一頭與光譜儀連接，光譜儀通過USB電纜與計算機連接；
[0013]7)光譜儀和計算機上電，運行計算機中光譜采集軟件，實時采集土壤深度圓柱面光譜數(shù)據(jù)，計算機將采集的光譜信息通過數(shù)據(jù)處理軟件進行處理。
[0014]按照本發(fā)明所述的方法構(gòu)建的裝置，包括全景光譜采集裝置、水平調(diào)節(jié)架和光譜處理設(shè)備，其特征在于:所述的全景光譜采集裝置包括雙曲線面鏡、聚焦透鏡、光纖探頭、鹵鎢燈、內(nèi)燈罩和外燈罩，所述雙曲線面鏡固定在連桿的下端，所述聚焦透鏡固定在掛于水平調(diào)節(jié)架下方的安裝架上，聚焦透鏡中心與連桿上端連接，所述的雙曲線面鏡的曲面朝向聚焦透鏡一側(cè)；所述的光纖探頭垂直插在所述的安裝架的內(nèi)部，光纖探頭光接收端位于所述的聚焦透鏡的焦點處；所述鹵鎢燈安裝在水平板底面上的燈座上；所述內(nèi)燈罩、所述的外燈罩分別罩在光纖探頭、鹵鎢燈的外部；
[0015]所述水平調(diào)節(jié)架包括上述的水平板、三腳架，所述三腳架支撐于預(yù)挖的圓柱體形土坑周邊的土壤地面上；所述水平板通過調(diào)節(jié)螺母固定在所述的三腳架上；所述的全景光譜采集裝置的聚光透鏡和雙曲線面鏡懸掛在土坑內(nèi)；
[0016]所述光譜處理設(shè)備包括計算機、與計算機相連的光譜儀，所述的光譜儀通過傳輸光纖與所述的全景光譜采集裝置的光纖探頭連接；所述的計算機內(nèi)配有光譜采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。
[0017]所述的雙曲線面鏡的虛焦點與所述的聚焦透鏡的焦點重合。
[0018]所述的內(nèi)燈罩沿所述的安裝架外壁滑動。
[0019]所述的鹵鎢燈的功率20W。
[0020]所述的外燈罩和內(nèi)燈罩均為不透光材料制成。
[0021]所述的土坑的深度為20cm。
[0022]所述的光譜儀通過USB電纜與所述計算機相連。
[0023]所述的鹵鎢燈發(fā)出波長范圍350_2500nm的近紅外光。
[0024]工作原理:鹵鎢燈發(fā)出波長范圍350_2500nm的近紅外光，光線照射土壤深度圓柱面后，反射到雙曲線面鏡上，通過雙曲線面鏡再向上反射到光纖探頭光接收端的聚焦透鏡上，再由光線探頭和傳輸光纖的傳輸，土壤光信號進入光譜儀，最后通過計算機光譜分析和建模獲得土壤有機質(zhì)信息。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:整個裝置設(shè)計簡單，制造成本低，能收集到土壤中大量的有機質(zhì)光譜信息，操作方便，適用于基于光譜技術(shù)的土壤有機質(zhì)快速檢測手段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的透視圖(其中虛線代表光線)。
[0027]圖2是本發(fā)明的水平調(diào)節(jié)架的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明
[0029]參照附圖:
[0030]實施例1 土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法，包括以下步驟:
[0031]I)在土壤表層挖出一個用于放置全景光譜采集裝置I部分配件的圓柱體形土坑
4；
[0032]2)將全景光譜采集裝置I的聚光透鏡12安裝在懸掛在水平調(diào)節(jié)架2下方的安裝架18上，并且將聚光透鏡12的中心與連桿17上端固定、將雙曲線面鏡11中心與連桿17的下端固定，并且雙曲線面鏡11的曲面朝向聚焦透鏡12—側(cè)，其中，聚光透鏡12、雙曲線面鏡11、連桿17的中軸線重合；
[0033]3)光纖探頭13垂直位于插入聚光透鏡12正上方的安裝架18上，并將光纖探頭13的光接收端位于所述聚焦透鏡12的焦點處；
[0034]4)將水平調(diào)節(jié)架2的三腳架22張開后支撐于步驟I)的土坑4周圍土壤地面上，通過調(diào)節(jié)螺母23使得水平板21處于水平方向，使得預(yù)先安裝在水平板21底面上的鹵鎢燈14發(fā)出的光線向下照射土坑4內(nèi)，同時通過調(diào)整連桿17，將全景光譜采集裝置I的聚光透鏡12和雙曲線面鏡11懸掛于水平調(diào)節(jié)架2下方的土坑4內(nèi)；
[0035]5)將內(nèi)燈罩15覆蓋在光纖探頭13的外部，并將鹵鎢燈14通電，觀察光線是否完全照射在土壤深度圓柱面上，并通過上下移動內(nèi)燈罩15，調(diào)節(jié)光線覆蓋范圍，同時避免光線直射雙曲線面鏡11 ;
[0036]5)放置外燈罩16，將鹵鎢燈14以下部分全部遮蔽起來，使外界光線不能進入土坑4內(nèi)；
[0037]6)將光譜處理設(shè)備3的傳輸光纖33 —頭與光纖探頭13連接、另一頭與光譜儀32連接，光譜儀32通過USB電纜與計算機31連接；
[0038]7)光譜儀32和計算機31上電，運行計算機31中光譜采集軟件，實時采集土壤深度圓柱面光譜數(shù)據(jù)，計算機31將采集的光譜信息通過數(shù)據(jù)處理軟件進行處理。
[0039]實施例2按照實施例1所述的方法構(gòu)建的裝置，包括全景光譜采集裝置1、水平調(diào)節(jié)架2和光譜處理設(shè)備3，所述的全景光譜采集裝置I包括雙曲線面鏡11、聚焦透鏡12、光纖探頭13、鹵鎢燈14、內(nèi)燈罩15和外燈罩16，所述雙曲線面鏡11固定在連桿17的下端，所述聚焦透鏡12固定在掛于水平調(diào)節(jié)架2下方的安裝架18上，聚焦透鏡12中心與連桿17上端連接，所述的雙曲線面鏡11的曲面朝向聚焦透鏡12 —側(cè)；所述的光纖探頭13垂直插在所述的安裝架18的內(nèi)部，光纖探頭13光接收端位于所述的聚焦透鏡12的焦點處；所述鹵鎢燈14安裝在水平板21底面上的燈座上；所述內(nèi)燈罩15、所述的外燈罩16分別罩在光纖探頭13、鹵鎢燈14的外部；
[0040]所述水平調(diào)節(jié)架2包括上述的水平板21、三腳架22，所述三腳架22支撐于預(yù)挖的圓柱體形土坑4周邊的土壤地面上；所述水平板21通過調(diào)節(jié)螺母23固定在所述的三腳架22上；所述的全景光譜采集裝置I的聚光透鏡12和雙曲線面鏡11懸掛在土坑4內(nèi)；
[0041]所述光譜處理設(shè)備3包括計算機31、與計算機31相連的光譜儀32，所述的光譜儀32通過傳輸光纖33與所述的全景光譜采集裝置I的光纖探頭13連接；所述的計算機31內(nèi)配有光譜采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。[0042]所述的雙曲線面鏡11的虛焦點與所述的聚焦透鏡12的焦點重合。
[0043]所述的內(nèi)燈罩15沿所述的安裝架18外壁滑動。
[0044]所述的鹵鎢燈14的功率20W。
[0045]所述的外燈罩16和內(nèi)燈罩15均為不透光材料制成。
[0046]所述的土坑4的深度為20cm。
[0047]所述的光譜儀32通過USB電纜與所述計算機31相連。
[0048]所述的鹵鎢燈發(fā)出波長范圍350_2500nm的近紅外光。
[0049]工作原理:鹵鎢燈14發(fā)出波長范圍350_2500nm的近紅外光，光線照射土壤深度圓柱面后，反射到雙曲線面鏡11上，通過雙曲線面鏡11再向上反射到光纖探頭13光接收端的聚焦透鏡12上，再由光線探頭13和傳輸光纖33的傳輸，土壤光信號進入光譜儀32，最后通過計算機31光譜分析和建模獲得土壤有機質(zhì)信息。
[0050]本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.土壤深度圓柱面有機質(zhì)光譜采集方法，包括以下步驟: 1)在土壤表層挖出一個用于放置全景光譜采集裝置部分配件的圓柱體形土坑； 2)將全景光譜采集裝置的聚光透鏡安裝在懸掛在水平調(diào)節(jié)架下方的安裝架上，并且將聚光透鏡的中心與連桿上端固定、將雙曲線面鏡中心與連桿的下端固定，并且雙曲線面鏡的曲面朝向聚焦透鏡一側(cè)，其中，聚光透鏡、雙曲線面鏡、連桿的中軸線重合； 3)光纖探頭垂直位于插入聚光透鏡正上方的安裝架上，并將光纖探頭的光接收端位于所述聚焦透鏡的焦點處； 4)將水平調(diào)節(jié)架的三腳架張開后支撐于步驟I)的土坑周圍土壤地面上，通過調(diào)節(jié)螺母使得水平板處于水平方向，使得預(yù)先安裝在水平板底面上的鹵鎢燈發(fā)出的光線向下照射土坑內(nèi)，同時通過調(diào)整連桿，將全景光譜采集裝置的聚光透鏡和雙曲線面鏡懸掛于水平調(diào)節(jié)架下方的土坑內(nèi)； 5)將內(nèi)燈罩覆蓋在光纖探頭的外部，并將鹵鎢燈通電，觀察光線是否完全照射在土壤深度圓柱面上，并通過上下移動內(nèi)燈罩，調(diào)節(jié)光線覆蓋范圍，同時避免光線直射雙曲線面鏡; 5)放置外燈罩，將鹵鎢燈以下部分全部遮蔽起來，使外界光線不能進入土坑內(nèi)； 6)將光譜處理設(shè)備的傳輸光纖一頭與光纖探頭連接、另一頭與光譜儀連接，光譜儀通過USB電纜與計算機連接； 7)光譜儀和計算機上 電，運行計算機中光譜采集軟件，實時采集土壤深度圓柱面光譜數(shù)據(jù)，計算機將采集的光譜信息通過數(shù)據(jù)處理軟件進行處理。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法構(gòu)建的裝置，其特征在于:包括全景光譜采集裝置、水平調(diào)節(jié)架和光譜處理設(shè)備，所述的全景光譜采集裝置包括雙曲線面鏡、聚焦透鏡、光纖探頭、鹵鎢燈、內(nèi)燈罩和外燈罩，所述雙曲線面鏡固定在連桿的下端，所述聚焦透鏡固定在掛于水平調(diào)節(jié)架下方的安裝架上，聚焦透鏡中心與連桿上端連接，所述的雙曲線面鏡的曲面朝向聚焦透鏡一側(cè)；所述的光纖探頭垂直插在所述的安裝架的內(nèi)部，光纖探頭光接收端位于所述的聚焦透鏡的焦點處；所述鹵鎢燈安裝在水平板底面上的燈座上；所述內(nèi)燈罩、所述的外燈罩分別罩在光纖探頭、鹵鎢燈的外部； 所述水平調(diào)節(jié)架包括上述的水平板、三腳架，所述三腳架支撐于預(yù)挖的圓柱體形土坑周邊的土壤地面上；所述水平板通過調(diào)節(jié)螺母固定在所述的三腳架上；所述的全景光譜采集裝置的聚光透鏡和雙曲線面鏡懸掛在土坑內(nèi)； 所述光譜處理設(shè)備包括計算機、與計算機相連的光譜儀，所述的光譜儀通過傳輸光纖與所述的全景光譜采集裝置的光纖探頭連接；所述的計算機內(nèi)配有光譜采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:所述的雙曲線面鏡的虛焦點與所述的聚焦透鏡的焦點重合。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于:所述的內(nèi)燈罩沿所述的安裝架外壁滑動。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于:所述的鹵鎢燈的功率20W。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于:所述的外燈罩和內(nèi)燈罩均為不透光材料制成。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于:所述的土坑的深度為20cm。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于:所述的光譜儀通過USB電纜與所述計算機相連。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于:鹵鎢燈發(fā)出波長范圍350-2500nm的近紅外光`
【文檔編號】G01N21/25GK103528966SQ201310431840
【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, 羅威強, 史舟, 滕洪芬 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)