一种LIBS与NIRS光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法

一种libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法
技术领域
1.本发明属于光学与土壤养分检测领域，更具体地，涉及一种libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法。


背景技术：

2.土壤为作物生长提供各种营养元素，其养分丰缺对作物生长状况和产量有重要影响。为了满足人口增长对粮食产量的需求，化肥在农业种植中得以大量应用。由于缺少满足实际生产需求的土壤养分快速检测技术，生产中常采用过量使用化肥来保障作物长势和产量。据资料统计，2015年我国化肥使用量约6000万吨，但施用化肥的实际利用率不足40％。大量未经作物吸收利用的化肥通过径流损失和淋溶损失进入湖泊、河口和地下等水资源中，造成严重的水体富营养化等农业面源污染。因此，研究适用于实际农业生产的高精度土壤养分检测技术，对于指导科学精准施肥、提高化肥利用率和减少农业面源污染均有重要意义。
3.传统的农化分析方法测量土壤养分虽然检测精度高，但具有操作专业性强、消耗时间长和化学试剂污染样品等缺点。尽管原子吸收光谱(aas)、电感耦合等离子体原子发射光谱(icp-aes)、电感耦合等离子体-发射光谱(icp-oes)和电感耦合等离子体质谱(icp-ms)等方法的检测精度较高和分析速度较快，但其需要复杂的样本前处理且设备价格昂贵，不宜于大面积推广使用。大量研究结果表明，激光诱导击穿光谱(libs)和近红外光谱(nirs)在土壤养分分析中具有较好的潜力，两种光谱分析技术均具有操作简单、无需复杂样品前处理和检测速度快等优点。但由于土壤基体构成复杂，土壤含水率和有机质等有机物含量的差异性对其libs检测产生严重的基体效应，导致土壤养分libs检测的精度及稳定性难以满足实际生产需求。另外，nirs对土壤氮、含水率和有机质等指标有较好的检测性能，但难以实现土壤中磷和钾等元素指标的测量。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，为了彻底消除土壤基体效应对其养分libs检测的干扰，本发明提供了一种libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法，充分利用nirs提供的丰富基体信息对土壤养分libs检测特征谱线进行校正，从根本上消除样本内部基体化学成分含量差异引起的基体效应对其养分libs检测的影响，为实现土壤养分高精度快速稳定检测提供一种新装备及方法。另外，该检测系统及方法采取同步获取样本的libs与nirs光谱信息，不仅具有操作简单和检测效率高等优点，也有效减小样品时空变化对其检测精度的影响。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统，包括：
6.样品台，位于所述样品台上方的libs采集装置、光学组件、样品移动装置和样品池
组件，以及位于所述样品台下方的nirs采集装置；
7.所述样品池组件底部封闭且透光，用于放置待测样品；
8.所述样品移动装置与样品池组件连接，用于移动所述样品池组件，使从所述待测样品表面射出的光经所述光学组件后被所述libs采集装置采集；
9.所述nirs采集装置包括m个卤素灯、光源支撑架和光纤准直镜探头，m个所述卤素灯在所述光源支撑架上等角度均匀分布且其光源中心连成一个圆，所述光纤准直镜探头位于所述圆的圆心所在的竖直线上；m≥2；
10.所述样品台上开设有孔，所述孔、光纤准直镜探头以及光学组件同轴，以保证所述libs采集装置和nirs采集装置采集的光谱数据来自同一样品。
11.进一步地，所述光源中心形成圆的直径l与任一所述光源中心到光源支撑架上表面的距离h满足l＝2h；光纤准直镜探头的上表面与光源支撑架下底面之间的距离s和任一所述光源中心与光源支撑架下底面之间的距离h满足0.65h≤s≤h；光源支撑架内径d和所述圆的直径l满足1.2l≤d≤1.6l。
12.进一步地，所述样品池组件包括样品池框架、第一透光玻璃和第二透光玻璃，所述第一透光玻璃和第二透光玻璃与样品池框架形成底部封闭且透光的样品池，待测土壤置于所述第一透光玻璃上，标准白板置于所述第二透光玻璃上。
13.进一步地，所述libs检测装置包括libs光谱仪、激光器、数字延时器、libs检测光纤和libs检测探头，其中，激光器和libs光谱仪的外触发输入口分别与数字延时器的输出口t1和t2通过数字信号线连接，libs检测探头固定在光学组件上，libs检测光纤一端与libs光谱仪连接，libs检测光纤的另一端与libs检测探头连接。
14.进一步地，所述光学组件包括光学镜片固定支架、第一聚焦凸镜、二向色镜和第二聚焦凸镜；其中，二向色镜与水平面呈45
°
夹角固定安装在光学镜片固定支架中部，二向色镜的中心与激光器出光口平齐；第一聚焦凸镜和第二聚焦凸镜均水平固定安装在光学镜片固定支架上，且分别位于二向色镜正上方和正下方。
15.进一步地，所述系统还包括up2控制板、开关电源和步进电机驱动器；
16.其中，开关电源分别为up2控制板、卤素灯和步进电机驱动器提供直流电压；up2控制板分别与libs光谱仪、nirs光谱仪和数字延时器连接，up2控制板的gpio输出口与步进电机驱动器连接在一起；步进电机驱动器与步进电机连接。
17.进一步地，所述样品移动装置包括丝杠滑台、联轴器、步进电机和样品池组件连接板，其中，样品池组件连接板一端与丝杠滑台的滑块连接，样品池组件连接板的另一端与样品池框架连接，步进电机主轴与丝杠滑台丝杠通过联轴器连接。
18.第二方面，本发明提供了一种libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测方法，包括：
19.s1，采用标准加入法分别向相同养分含量已知的土壤样本中添加不同基体化学物质，制备不同新样本；对各所述新样本进行libs检测和nirs检测，获取对应的libs以及nirs光谱数据；
20.s2，基于所述libs光谱数据，以基体化学物质的含量为自变量，以各养分特征谱线强度为因变量，拟合不同基体化学物质的含量与各养分特征谱线强度之间的线性关系，并将各线性关系对应的斜率作为相应基体化学物质对相应养分的基体效应谱线强度校正系
数；
21.s3，基于所述nirs光谱数据，建立光谱预测模型，所述光谱预测模型用于预测各所述基体化学物质的含量；
22.s4，利用s2中各所述基体效应谱线强度校正系数以及s3中预测的各基体化学物质的含量，对libs检测得到的相应养分特征谱线强度进行校正；构建校正后的相应养分特征谱线强度与养分含量参考值之间的定标曲线；
23.s5，获取待测土壤的libs以及nirs光谱数据，利用所述光谱预测模型预测所述待测土壤中各基体化学物质的含量，结合各所述基体效应谱线强度校正系数，得到所述待测土壤中校正后的各养分特征谱线强度；根据各所述定标曲线，得到所述待测土壤中各养分含量。
24.进一步地，所述s4中，校正后的相应养分特征谱线强度表示为：
[0025][0026]
其中，i
jc
为校正后的第j种养分特征谱线强度，i
j0
为进行libs检测直接获取的第j种养分特征谱线强度，k
ij
为第i种基体化学物质对第j种养分的基体效应谱线强度校正系数，q
niri
为所述光谱预测模型预测得到的第i种基体化学物质的含量，n为产生基体效应的基体化学物质种类总数。
[0027]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0028]
(1)本发明提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统，通过合理布局，能够保证libs采集装置和nirs采集装置同步采集，并且采集的光谱数据来自同一样品，从而有效减小样品时空变化对其检测精度的影响。
[0029]
(2)本发明设计的m个卤素灯在光源支撑架上等角度均匀分布且其光源中心连成一个圆，光纤准直镜探头位于该圆的圆心所在的竖直线上，该设计结构紧凑，易保证光源照射焦点聚集在样品下表面和光纤探头的检测距离，非常适合检测设备开发，并且该设计可有效隔绝外界环境光对检测的干扰。
[0030]
(3)本发明提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测方法，通过拟合不同基体化学物质的含量与各养分特征谱线强度之间的线性关系，结合建立预测各基体化学物质的含量的光谱预测模型，对libs检测得到的相应养分特征谱线强度进行校正，有效消除基体效应对光谱检测的干扰，实现土壤养分的高精度稳定检测。
附图说明
[0031]
图1为本发明提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统的主视结构示意图；
[0032]
图2为本发明提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统的俯视结构示意图；
[0033]
图3为本发明提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统的轴测结构示意图；
[0034]
图4为本发明提供的样品池组件的主视结构示意图；
[0035]
图5为本发明提供的样品池组件的剖视图；
[0036]
图6为本发明提供的nirs光源及检测组件主视结构示意图；
[0037]
图7为本发明提供的nirs光源及检测组件俯视结构示意图；
[0038]
图8为本发明提供的nirs光源及检测组件轴测结构示意图；
[0039]
图9为本发明提供的nirs光源及检测组件剖视图；
[0040]
图10为本发明提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测方法的流程示意图；
[0041]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0042]
1.libs光谱仪，2.光谱仪支撑板，3.libs检测装置，4.激光器，5.激光器支撑板，6.数字延时器，7.样品池组件连接板，8.开关电源，9.控制装置，10.地脚，11.nirs光谱仪，12.nirs检测光纤，13.nirs检测装置，14.nirs光源及检测组件，15.丝杠滑台，16.样品移动装置，17.步进电机，18.联轴器，19.光学组件，20.光学镜片固定支架，21.libs检测探头，22.libs检测光纤，23.机箱，24.伸缩支撑架，25.触控单元，26.触控屏，27.up2控制板，28.步进电机驱动器，29.样品台，30.固定底座，31.样品池组件，32.第二聚焦凸镜，33.二向色镜，34.第一聚焦凸镜，35.连接过渡件，36.待测土壤，37.样品池框架，38.标准白板，39.第一透光玻璃，40.第二透光玻璃，41.光源支撑架，42.底盖，43.光纤准直镜探头，44.卤素灯。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0044]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0045]
实施例一
[0046]
参阅图1，结合图2至图9，本实施例提供的libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测系统包括：libs采集装置3、nirs采集装置13、光学组件19、样品移动装置16、控制装置9、样品池组件31、触控单元25、机箱23、样品台29和地脚10等；四个地脚10位于整个检测系统的最下方，机箱23位于地脚10的正上方，地脚10与机箱23通过螺栓连接固定在一起；样品台29位于机箱23内部的中下部，样品台29与机箱23通过螺栓连接在一起；libs检测装置3位于机箱23的内部，样品台29的左上方；光学组件19位于机箱23的内部，样品台29的右上方；样品池组件31位于光学组件19的正下方，样品台29的上方；样品移动装置16位于样品池组件31的正后方，样品台29的上方；控制装置9位于机箱23内部，样品台29的左下方；nirs检测装置13位于机箱23内部，样品台29的右下方；触控单元25位于机箱23的外部右侧。
[0047]
libs检测装置3包括libs光谱仪1、激光器4、数字延时器6、光谱仪支撑板2、激光器支撑板5、libs检测光纤22和libs检测探头21，数字延时器6水平放置于样品台29左侧，激光器支撑板5位于数字延时器6正上方且通过螺栓连接固定在机箱23后壁板上，激光器4水平放置于激光器支撑板5上，光谱仪支撑板2位于激光器4正上方且通过螺栓连接固定在机箱23后壁板上，libs光谱仪1水平放置于光谱仪支撑板2上，激光器4和libs光谱仪1的外触发
输入口分别与数字延时器6的输出口t1和t2通过数字信号线连接在一起，libs检测探头21通过螺纹固定在光学组件19上，libs检测光纤22一端与libs光谱仪1通过螺纹连接在一起，libs检测光纤22的另一端通过螺纹与libs检测探头21连接在一起。
[0048]
nirs检测装置13包括nirs光谱仪11、nirs检测光纤12和nirs光源及检测组件14，nirs光谱仪11水平放置于机箱23底板上，nirs光源及检测组件14通过螺栓连接固定在样品台29检测窗口的正下方，nirs检测光纤12的一端与nirs光源及检测组件14通过螺纹连接在一起，nirs检测光纤12的另一端与nirs光谱仪11通过螺纹连接在一起。
[0049]
其中，nirs光源及检测组件14包括卤素灯44、光源支撑架41、光纤准直镜探头43和底盖42，卤素灯44通过螺栓连接固定在光源支撑架41上，卤素灯44的数量为4个且在光源支撑架41上呈等角度均匀分布，光纤准直镜探头43通过螺纹连接固定在光源支撑架41上，光纤准直镜探头43与nirs检测光纤12的一端通过螺纹连接在一起，底盖42与光源支撑架41通过螺栓连接在一起。
[0050]
光源支撑架41上相对的两光源中心距l与光源中心到nirs光源及检测组件14上表面的距离h满足l＝2h，光纤准直镜探头43的上表面与光源支撑架41下底面之间的距离s和光源中心与光源支撑架41下底面之间的距离h满足0.65h≤s≤h，光源支撑架41内径d和相对的两光源中心l满足1.2l≤d≤1.6l。
[0051]
光学组件19包括光学镜片固定支架20、第一聚焦凸镜34、二向色镜33、第二聚焦凸镜32和连接过渡件35，连接过渡件35的一端通过螺栓与光学镜片固定支架20连接在一起，连接过渡件35的另一端通过螺栓连接固定在机箱23内部的后壁板上，二向色镜33通过螺钉与水平面呈45
°
夹角固定安装在光学镜片固定支架20中部，二向色镜33的中心与激光器4出光口平齐，第一聚焦凸镜34通过螺钉固定水平安装在光学镜片固定支架20的二向色镜33正上方，第二聚焦凸镜32通过螺钉固定水平安装在光学镜片固定支架20的二向色镜33正下方。
[0052]
样品池组件31包括样品池框架37、第一透光玻璃39、第二透光玻璃40、标准白板38和待测土壤36，第一透光玻璃39通过玻璃胶粘接在样品池框架37的左侧底部，第二透光玻璃40通过玻璃胶粘接在样品池框架37的右侧底部，第一透光玻璃39和第二透光玻璃40与样品池框架37形成底部封闭且透光的样品池，标准白板38置于样品池右端，待测土壤36置于样品池左端。
[0053]
样品移动装置16包括丝杠滑台15、联轴器18、步进电机17和样品池组件连接板7，丝杠滑台15通过t型螺栓连接固定在机箱23内部后壁板上，样品池组件连接板7一端通过螺栓与丝杠滑台15的滑块连接在一起，样品池组件连接板7的另一端通过螺栓与样品池框架37连接在一起，步进电机17通过螺栓连接固定在丝杠滑台15上，步进电机17主轴与丝杠滑台15丝杠通过联轴器18连接在一起。
[0054]
控制装置9包括up2控制板27、开关电源8和步进电机驱动器28，开关电源8通过螺栓连接固定在机箱23底板左侧，up2控制板27通过铜立柱固定安装在机箱23底板上，up2控制板27位于开关电源8右侧，步进电机驱动器28通过螺栓连接固定在机箱23底板上，步进电机驱动器28位于up2控制板27的正后方，开关电源8通过导线分别为up2控制板27、触控屏26、卤素灯44和步进电机驱动器28提供直流电压，up2控制板27通过数据线分别与libs光谱仪1、nirs光谱仪11和数字延时器6连接在一起，up2控制板27的gpio输出口通过杜邦线与步进电
机驱动器28连接在一起，up2控制板27通过hdmi接口视频线和usb接口信号线与触控屏26连接在一起，步进电机驱动器28通过导线与步进电机17连接在一起。
[0055]
触控单元25包括触控屏26、伸缩支撑架24和固定底座30，固定底座30通过螺栓连接固定在机箱23右侧壁板的外侧，伸缩支撑架24一端通过转动副与固定底座30连接在一起，伸缩支撑架24另一端通过螺栓与触控屏26固定连接在一起。
[0056]
实施例二
[0057]
参阅图10，本发明还提供了一种libs与nirs光谱同步采集的土壤养分快速检测方法，包括：
[0058]
s1，采用标准加入法分别向相同养分含量已知的土壤样本中添加不同基体化学物质，制备不同新样本；对各所述新样本进行libs检测和nirs检测，获取对应的libs以及nirs光谱数据；
[0059]
s2，基于所述libs光谱数据，以基体化学物质的含量为自变量，以各养分特征谱线强度为因变量，拟合不同基体化学物质的含量与各养分特征谱线强度之间的线性关系，并将各线性关系对应的斜率作为相应基体化学物质对相应养分的基体效应谱线强度校正系数；
[0060]
s3，基于所述nirs光谱数据，建立光谱预测模型，所述光谱预测模型用于预测各所述基体化学物质的含量；
[0061]
s4，利用s2中各所述基体效应谱线强度校正系数以及s3中预测的各基体化学物质的含量，对libs检测得到的相应养分特征谱线强度进行校正；构建校正后的相应养分特征谱线强度与养分含量参考值之间的定标曲线；
[0062]
s5，获取待测土壤的libs以及nirs光谱数据，利用所述光谱预测模型预测所述待测土壤中各基体化学物质的含量，结合各所述基体效应谱线强度校正系数，得到所述待测土壤中校正后的各养分特征谱线强度；根据各所述定标曲线，得到所述待测土壤中各养分含量。
[0063]
进一步地，所述s4中，校正后的相应养分特征谱线强度表示为：
[0064][0065]
其中，i
jc
为校正后的第j种养分特征谱线强度，i
j0
为进行libs检测直接获取的第j种养分特征谱线强度，k
ij
为第i种基体化学物质对第j种养分的基体效应谱线强度校正系数，q
niri
为所述光谱预测模型预测得到的第i种基体化学物质的含量，n为产生基体效应的基体化学物质种类总数。
[0066]
需要说明的是，上述检测方法可以应用于实施例一所提的检测系统，也可以应用于现有的检测系统。
[0067]
下面，以上述检测方法应用于实施例一所提的检测系统为例，详细说明上述检测方法。包括以下步骤：
[0068]
步骤1：参数优化及设定，选取待测养分含量较高的土壤样本压缩后放置于样品池组件左边的样品槽中，将标准白板38放置于样品池组件31右边的白板槽中；通过触控屏26操控将样品池组件中标准白板38移动至样品台29检测窗口处，开启nirs检测光源，选取
nirs光谱最大反射峰值强度为65000时的积分时间为nirs检测的积分时间，平均扫描次数和滑动平均宽度均设置为3；根据设定好的nirs采集参数，采集nirs光源开启时的光谱数据保存为白参考，采集nirs光源关闭时的光谱数据保存为黑参考；再利用触控屏26操控将样品池组件31中压缩土壤移动至样品台检测窗口处，使样品匀速向右移动，分别采集不同激光能量、延迟时间和门宽参数条件下的libs光谱数据，对照原子光谱图库确定待测养分的特征谱线，计算各种参数条件下获取libs光谱数据的信噪比，根据信噪比确定libs检测的最佳激光能量、延迟时间和门宽等参数并进行设定；按照上述参数优化及设定即可进行光谱数据获取，连续长时间光谱检测需进行nirs光谱漂移校正；
[0069]
步骤2：基体效应谱线强度校正系数计算，依次采用标准加入法向相同待测养分浓度土壤样本中添加水分、有机质和有机碳等造成严重基体效应的化学物质制备不同样本，再利用传统化学分析方法测定各样本含水率、有机质和有机碳等基体化学物质含量的参考值；将制备的样本进行压缩制样放置于样品池组件31左边的样品槽中，通过控制样品移动装置16驱动样品池组件31匀速向右移动，同时获取样本的libs和nirs光谱数据；建立土壤含水率、有机质和有机碳等化学物质含量与待测养分特征谱线强度之间的线性关系，其斜率k
ij
即为基体效应谱线强度校正系数；
[0070]
步骤3：nirs检测土壤基体信息，采用plsr和mlr等算法分别建立步骤2中获取土壤样本nirs光谱数据与其含水率、有机质和有机碳等基体成分的光谱预测模型；
[0071]
步骤4：土壤养分libs检测特征谱线强度校正，根据步骤3中建立的土壤nirs预测模型快速测定土壤样本含水率、有机质和有机碳等基体含量q
niri
，利用步骤2中计算得到的基体效应谱线强度校正系数对土壤养分libs检测特征谱线强度i
j0
进行校正，其特征谱线强度校正算法如下：
[0072][0073]
步骤5：土壤养分定标曲线构建，实际采集一批土壤样本，将采集的土壤样本压缩后置于样品池组件31左侧样品槽内，在步骤1设定的各种光谱采集条件参数下，获取各土壤样本的libs和nirs光谱数据，根据步骤4利用nirs光谱快速获取的基体信息对土壤养分libs检测特征谱线强度进行校正，从而得到各样本libs检测特征谱线校正后的强度i
jc
，采用国家标准中规定的化学分析方法测定各样本待测养分指标含量参考值，再构建校正特征谱线强度i
jc
与养分指标含量参考值之间的定标曲线；
[0074]
步骤6：模型及校正算法嵌入软件系统，将步骤3中建立的土壤基体nirs检测模型、步骤4中的特征谱线校正算法和步骤5中的定标曲线分别嵌入到检测系统的软件界面中；
[0075]
步骤7：土壤样本养分检测，将待测样本压缩后置于样品池组件31左侧的样品槽中，通过触控屏26操作检测系统软件界面同步获取样品libs与nirs光谱数据，利用软件界面中嵌入的土壤基体nirs检测模型快速预测出样本各基体化学成分含量，再将各基体化学成分含量代入特征谱线校正算法程序中，从而得出待测样本特征谱线强度的校正值，最后将特征谱线强度校正值代入软件程序嵌入的定标曲线中，从而快速得出土壤样本待测养分的含量。
[0076]
进一步地，步骤1中nirs光谱漂移校正为每连续采集nirs光谱4小时，通过操控触
控屏26驱动样品移动装置16使样品池组件31中的标准白板38移动至样品台29检测窗口处，重新采集一次白参考数据并保存覆盖原来的白参考数据。
[0077]
进一步地，步骤2中造成严重基体效应的化学物质并不局限于水、有机质和有机碳等常见指标，可根据不同地区土壤进行确定，选取的主要依据是不同土壤样品中化学成分含量具有显著性差异的基体化学物质。
[0078]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。