一种土壤养分检测方法、系统、设备、介质及产品

本申请涉及土壤理化参数快速检测，还涉及农业光学传感、偏振成像、多光谱检测及现场快速检测等，特别是涉及一种土壤养分检测方法、系统、设备、介质及产品。

背景技术：

1、土壤有机质、土壤有机碳和全氮等指标是土壤肥力评价、精准施肥、农田质量监测和农业生态管理中的重要依据。传统实验室化学测定方法精度较高，但通常需要采样、制样、试剂消耗和较长检测周期，难以满足田间快速检测和大批量样品筛查需求。为提高检测效率，基于可见光、近红外、短波红外、多光谱或高光谱的土壤参数反演技术已经得到广泛研究。

2、现有光谱检测方法通常通过土壤反射光谱或透射光谱中的吸收特征建立土壤有机质、土壤有机碳、全氮或含水率的统计模型、机器学习模型或深度学习模型。该类方法具有非接触、快速和可与成像设备集成等优点，但土壤是典型颗粒型浑浊介质，其光学响应不仅由化学组分吸收决定，还受到含水率、表面水膜、粒径分布、团聚体状态、孔隙结构、表观密度状态、粗糙度和样品厚度等物理因素影响。

3、上述物理结构因素会改变入射光在土壤中的传播路径、散射次数、有效光程和出射角度分布，使同一养分含量下的光谱响应出现明显差异，也可能使不同养分含量样品在特定条件下呈现相近的光谱特征。因此，仅依赖常规强度光谱进行养分反演时，模型常面临跨含水率、跨粒径、跨装样状态和跨现场环境泛化稳定性不足的问题。

4、偏振光学能够反映光与颗粒表面、粗糙界面和多次散射介质相互作用后的偏振保持、偏振消退和偏振调制特性。在土壤检测场景中，偏振信息更适合作为结构光学状态的表征通道，用于区分或补偿表面水膜、镜面反射、有效散射能力、样品厚度和内部结构变化带来的光学扰动。现有公开方案中，多数土壤光学检测仍以强度光谱为核心，缺少将反射偏振多光谱与透射偏振多光谱集成在同一装置内，并将其作为土壤养分反演辅助信息的系统化技术方案，现有单一强度光谱存在难以区分化学吸收与物理散射信息的问题。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种土壤养分检测方法、系统、设备、介质及产品，以解决跨含水率、跨粒径、跨装样状态和跨现场环境泛化稳定性不足以及单一强度光谱难以区分化学吸收与物理散射信息的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种土壤养分检测方法，包括：

4、依次开启顶部偏振多光谱照明模块和底部偏振多光谱照明模块，在各照明模式下，通过镜头端偏振分析器模块在多个偏振分析角下进行序列采集，获得同一土壤样品区域的双模式数据；所述双模式数据包括反射偏振多光谱数据和透射偏振多光谱数据；

5、根据所述双模式数据，提取常规光谱强度特征、反射偏振结构特征和透射偏振结构特征；

6、将所述常规光谱强度特征作为主反演特征，将所述反射偏振结构特征和所述透射偏振结构特征作为辅助变量，输入至养分反演模型，得到土壤养分预测值

7、第二方面，本申请提供了一种土壤养分检测系统，包括：

8、顶部偏振多光谱照明模块，设置于土壤样品上方，包括顶部多光谱光源和顶部光源端偏振器件，用于输出具有确定入射偏振方向的反射模式照明；

9、底部偏振多光谱照明模块，设置于土壤样品下方，包括底部多光谱光源和底部光源端偏振器件，用于输出具有确定入射偏振方向的透射模式照明；

10、镜头端偏振分析器模块，设置于成像镜头前方，用于选择分析偏振方向；

11、成像采集模块，用于获取土壤样品在不同波段和不同偏振分析角下的图像数据；

12、样品承载模块，用于容纳和固定土壤样品；

13、控制与同步模块，用于控制光源波段切换、偏振分析器角度切换和相机曝光；

14、数据处理与养分辅助反演模块，用于执行上述土壤养分检测方法。

15、第三方面，本申请提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述的土壤养分检测方法。

16、第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的土壤养分检测方法。

17、第五方面，本申请提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的土壤养分检测方法。

18、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有以下技术效果：

19、本申请通过依次开启顶部和底部偏振多光谱照明模块，并结合镜头端偏振分析器模块在多个偏振分析角下进行序列采集，获得同一土壤样品区域的反射偏振多光谱数据和透射偏振多光谱数据；利用反射光路对表层状态的敏感性和透射光路对内部传播状态的敏感性，对土壤表层与内部结构光学状态进行联合表征；进一步提取常规光谱强度特征、反射偏振结构特征和透射偏振结构特征，并输入养分反演模型得到土壤养分预测值，有助于降低含水率、粒径、装样状态和现场快速检测条件变化对养分预测的干扰，并有助于区分与养分含量相关的光谱强度响应和物理散射扰动。

1.一种土壤养分检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的土壤养分检测方法，其特征在于，获得同一土壤样品区域的双模式数据，包括：

3.根据权利要求1所述的土壤养分检测方法，其特征在于，根据所述双模式数据，提取常规光谱强度特征、反射偏振结构特征和透射偏振结构特征，包括：

4.根据权利要求1所述的土壤养分检测方法，其特征在于，所述养分反演模型为结构补偿融合模型，所述结构补偿融合模型包括光谱特征编码分支、反射偏振特征编码分支、透射偏振特征编码分支、结构补偿门控融合层、结构状态辅助层和养分输出层；

5.一种土壤养分检测系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的土壤养分检测系统，其特征在于，所述顶部偏振多光谱照明模块包括8个反射中心波段的窄带光源；

7.根据权利要求5所述的土壤养分检测系统，其特征在于，所述样品承载模块包括石英承载窗口和3 mm定厚间隔结构，反射模式与透射模式共用同一成像镜头和同一视场。

8.一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-4中任一项所述的土壤养分检测方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一项所述的土壤养分检测方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一项所述的土壤养分检测方法。