一种土壤质量评价方法

本发明涉及土壤评价，具体为一种土壤质量评价方法。

背景技术：

1、土壤质量评价是指按一定的原则、方法和标准，对土壤质量进行综合评定的过程，其内涵涵盖土壤肥力质量、环境质量及健康质量等多维度，它是环境质量评价体系中的一种单要素评价，土壤质量评价包括土壤自身质量评价和动态评价，评价方法主要包括指数法、动态评价法、生命周期评价及综合评价法等。常通过构建最小数据集计算土壤质量指数进行定量评价。

2、但是，现有的土壤质量评价方法无法快速判定土壤质量，需要人工取样和勘探等手段获取数据后，最终完成评价土壤质量，因此效率低，且遇到人工不方便进去的环境时，无法实现人工取样和勘探获取数据。

技术实现思路

1、本发明提供了一种土壤质量评价方法，具备快速评价土壤质量的有益效果。

2、本发明提供如下技术方案：一种土壤质量评价方法，包括以下步骤：

3、s1、通过无人机对目标土壤区域巡航拍摄，采用遗传算法进行全局路径规划，结合动态窗口法实现局部实时避障，生成覆盖全域的高分辨率多光谱图像数据集；

4、s2、对所述多光谱图像数据集多模态ai分析，采用yolov8目标检测算法识别作物种类和杂草分布，利用mask r-cnn进行像素级语义分割计算植被覆盖率，基于ndvi/ndre植被指数公式量化叶绿素含量和生物量；

5、s3、通过vision transformer深度预测模型从rgb图像中重建作物三维冠层结构，获取株高、叶面积指数形态学参数，综合判断植物生长胁迫状态并反推土壤肥力质量等级；

6、s4、构建作物生长周期数据库，将步骤s2与s3识别的作物种类与测量的形态学参数输入长短期记忆网络时序预测模型，结合历史气象数据预测理论生长曲线，通过随机森林分类器精准识别当前物候期，将实际生长状态与理论标准状态进行偏差分析，动态优化土壤质量评估结果。

7、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：建立无人机下洗气流的计算流体力学模型，通过高速摄像头捕捉植物茎秆在可控风力作用下的弯曲形变数据；

8、将观测形变与欧拉-伯努利梁理论模型进行对比，采用粒子群优化算法进行逆向参数辨识，反解出植物茎秆的抗弯刚度和弹性模量，建立植物力学特性与土壤支撑力的关联模型。

9、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：采用模型预测控制算法协调无人机位置、姿态和旋翼转速，在植物冠层形成定向气流通道，实施定点定量精准喷洒模拟降雨；

10、通过红外拍摄获取灌溉前的土壤表面温度分布图像，结合理查兹方程和卡尔曼滤波算法反演土壤饱和导水率和有效孔隙度，完成土壤结构质量的判定与优化。

11、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：三维扫描，获取每株植物的空间位置坐标、茎秆粗细参数、高度信息以及茎秆弹性模量数据，构建植物群体的三维数字孪生模型；

12、基于所述三维数字孪生模型，采用流固耦合仿真算法计算无人机在不同悬停高度和旋翼转速下产生的下洗气流场分布，结合欧拉-伯努利梁理论模型，预测每株植物茎秆在特定风力作用下的弯曲角度和形变轨迹；

13、根据预设的液体流动滑道目标路径，采用多目标优化算法确定最优的无人机悬停位置、飞行高度和旋翼转速参数组合，使得下洗气流能够将若干株植物的茎秆按照预定的弯曲程度和方向吹动聚拢，形成一条连续的且具有一定坡度的茎秆滑道结构；

14、控制无人机按照确定的参数组合进行悬停作业，实时监测植物茎秆的聚拢状态，通过反馈控制算法动态调整旋翼转速，确保茎秆聚拢形成的滑道满足液体流动的导流要求；

15、在茎秆滑道形成后，控制无人机沿滑道上方进行精准喷洒作业，使喷洒的液体沿聚拢的茎秆滑道定向流动，实现液体对植物根茎区域的集中输送。

16、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：所述理查兹方程公式为：

17、

18、其中，为体积含水量，为时间，为土壤导水率函数，为基质势，为重力势；

19、基于土壤饱和导水率和有效孔隙度建立土壤水分特征曲线的van genuchten模型，计算公式为：

20、

21、其中，为残余含水量，为饱和含水量，、和为土壤水分特征曲线参数；

22、建立卡尔曼滤波状态空间模型，将理查兹方程离散化作为状态方程，将土壤表面温度观测值作为观测方程，公式分别为：

23、

24、

25、其中，为状态向量包括土壤含水量剖面和温度场分布，为控制输入包括灌溉量和气象条件，和为分别为过程噪声和观测噪声，为热红外相机观测到的土壤表面温度。

26、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：初始化卡尔曼滤波器的状态向量和协方差矩阵，采用无迹卡尔曼滤波处理非线性系统，迭代执行：

27、预测步骤，根据理查兹方程预测下一时刻的土壤含水量和温度场分布；

28、更新步骤，将预测的土壤表面温度与热红外相机实测温度进行对比，计算卡尔曼增益，更新状态向量和参数估计值；

29、收敛判断，当土壤饱和导水率和有效孔隙度的估计值变化小于预设阈值时，停止迭代。

30、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：将观测形变与欧拉-伯努利梁理论模型进行对比，采用粒子群优化算法进行逆向参数辨识，反解出植物茎秆的抗弯刚度和弹性模量，包括以下步骤：

31、建立欧拉-伯努利梁的控制方程，公式为：

32、

33、其中，为弹性模量，为截面惯性矩，为挠度函数，为分布载荷，为挠度的四阶导数；

34、定义适应度函数，公式为：

35、

36、其中，为对n个离散测量点求和，为在位置处的实测挠度，为在位置处给定抗弯刚度时的理论挠度；

37、随后采用粒子群优化算法最小化适应度函数，公式为：

38、

39、

40、其中，为惯性权重，为学习因子，和为随机数，为粒子在第k代的位置向量，为粒子在第k代的速度向量，为粒子自身历史最优位置，为全局最优位置。

41、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：植物力学特性与土壤支撑力的关联模型包括：

42、采用winkler地基梁模型描述土壤对植物根系的支撑作用，计算公式为：

43、

44、其中，为winkler弹性系数，为茎秆中心线挠度，为外部分布载荷；

45、通过回归分析建立抗弯刚度与土壤物理参数的多元线性关系。

46、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：基于植物的冠层密度分布实施变剂量喷洒策略，其中喷洒流量计算公式为：

47、

48、其中，为基础喷洒流量，为调节系数，为局部面积指数，实现定点定量精准喷洒模拟降雨。

49、作为本发明所述土壤质量评价方法的一种可选方案，其中：计算无人机旋翼下洗气流吹弯植物茎秆的临界风速，计算公式为：

50、

51、其中，为植物茎秆材料的屈服强度，为茎秆截面惯性矩，为风阻系数，为空气密度，为茎秆迎风面积，为茎秆有效高度，为截面最外层到中性轴的距离；

52、通过改变旋翼下洗气流速度场调整植物根系形态，所述旋翼下洗气流速度场计算公式为：

53、

54、其中，为空气密度，为旋翼盘面积，为径向距离，为轴向距离，为衰减系数，为旋翼半径，为指数衰减项。

55、本发明具备以下有益效果：

56、1、该土壤质量评价方法，通过提供非接触、大面积探测深层土壤结构的方法，单次飞行即可完成传统方法需要大量人力和时间才能完成的工作，所获得的饱和导水率和有效孔隙度是评价土壤通气性、保水性和健康状况的核心指标，并且支持定期重复监测，可以动态跟踪土壤质量的变化。

57、2、该土壤质量评价方法，无需破坏植株或采样土壤，即可获得植物和土壤的关键力学参数，能够对田间每株植物进行单独评估，反映真实田间变异，并且成功将宏观可见的植物动态与微观/地下难以测量的土壤物理性质联系起来，以此优化土壤质量评价结果。

58、3、该土壤质量评价方法，通过随机森林分类器，基于当前形态学参数，精准识别作物所处的物候期，比较实际生长状态与理论标准状态的偏差，动态修正土壤肥力质量评估结果，提高评价的准确性。