一种基于土表温度识别的盐碱地盐分分析方法

1.本发明涉及盐碱地盐分分析技术领域，尤其涉及一种基于土表温度识别的盐碱地盐分分析方法。


背景技术：

2.土壤盐碱化导致了土壤浅层固化板结，不适宜农作物耕种，使得土地无法得到有效的开发，大量挤占了现有的土地资源。
3.现有研究表明，蒸发作用驱动土壤孔隙水和盐分向土壤表面运移，导致盐分在土壤表面集结，甚至沉淀，而析出的沉淀盐又改变了浅层土壤的结构，进而影响了土壤蒸发，因此，了解盐碱土土壤蒸发的过程和机理是开展土壤盐碱化治理的关键。现有技术中探究土壤蒸发对盐分沉淀影响的实验，主要采用环刀来采集土样，后继采用水溶法溶解后，测定土水混合物的盐浓度，进而得到土样含盐量。这种方法对蒸发要素和土表盐分的量化存在着测定步骤繁琐、采集信息分散、采集数据不连续等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有方法对蒸发要素和土表盐分的量化存在着测定步骤繁琐、采集信息分散、采集数据不连续等问题，而提出的一种基于土表温度识别的盐碱地盐分分析方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种基于土表温度识别的盐碱地盐分分析方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：组装设备：准备好所需传感器，包括温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、太阳辐射传感器、土壤含水率传感器、土壤盐分传感器和光学雨量传感器；
8.土壤盐分传感器、土壤含水率传感器埋设于盐碱地土壤的不同深度处，温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、太阳辐射传感器和光学雨量传感器都固定安装在刚性三角架上，固定在距离盐碱地表面1m高处，所有传感器都通过串行接口的方式连接于arduino开发板，蓄电池、太阳能供电板通过正负极导线连接到内置于arduino开发板中的电源管理芯片；arduino开发板通过光学雨量传感器的检测结果向接受控制模块发送命令控制太阳能供电板和蓄电池的开关，光学雨量传感器的检测结果显示无雨时由arduino开发板发送指令打开太阳能供电板开关并关闭蓄电池开关，光学雨量传感器的检测结果显示有雨时由arduino开发板发送指令关闭太阳能供电板并打开蓄电池开关；
9.采用多传感器集成并搭建远程控制和传输平台，实现数据的多源同步采集、处理与呈现。采用太阳能电池实现无源供电，并设计有蓄电池作为储能仪器，保障装置在阴雨天的正常工作，保证野外土壤条件数据和蒸发规律监测数据连续获取。
10.步骤s2：程序调试：由步骤s1构成的采集终端对土壤条件及影响蒸发率的各数据同步采集,并进行程序的调试与相关参数初始化；
11.优选的，所述步骤s2中，构建基于arduino的采集系统实现实时监测，其中arduino
基于开放原始码simple i/o介面版构建，对arduino的编程是通过arduino编程语言和arduino开发环境来实现的，利用arduino采集系统实现对土壤条件及影响蒸发率的各大数据的同步采集并进行编程调试，将同步采集的数据进行整合(将收集的数据按照一定的结构进行组织，方便处理与分享)、共享，实现对多源数据的连续监测，其中所述编程调试需实地进行，由专业人员对盐碱地进行数据采集，通过penman模型计算出初始化的参数并应用于程序。
12.步骤s3：信息采集：将步骤s1组装好的采集终端放置于所需检测的盐碱地并固定，各个传感器对所述盐碱地进行信息采集；
13.具体地，所述步骤s3中，将组装好的采集终端放置于需检测的盐碱地并使用脚钉进行固定，温湿度传感器检测得到地表温度、湿度，气压传感器检测得到地表气压，风速风向传感器检测得到气流流速、流向，太阳辐射传感器检测得到太阳辐射强度、土壤含水率传感器检测得到土壤含水率，土壤盐分传感器检测得到土表沉淀盐量，光学雨量传感器检测雨量值；并采集所述盐碱地的地表图片，且同种信息采集多组数据；
14.步骤s4：数据分析及计算：将采集到的信息通过arduino开发板进行数据分析、计算、处理和参数修正，并采用红外热成像实现土表面的温度识别；
15.优选的，所述步骤s4中，通过arduino开发板将采集到的信息进行筛选，删除重复数据，利用测得的多个土壤条件参数、气象条件参数，利用蒸发模型进行分析计算，并运用机器视觉的土表温度识别算法得出所述盐碱地土表的蒸发强度，其中所述蒸发模型为参数自修正的penman模型，自修正依靠前馈参数的自回归实现。
[0016][0017]
式中:e0为参考作物蒸发蒸腾量(mm
·
d-1
)，即为蒸发强度；δ为平均气温时饱和水汽压随温度的变化率(kpa
·
℃-1
)；rn为净辐射(mj
·
m-2
d-1
)；g为土壤热通量(mj
·
m-2
d-1
)；r为湿度表常数(kpa
·
℃-1
)；t为热力学温度(k)；u2为2m高处的平均风速(m
·
s-1
)；ea为达到平均气温时的饱和水汽压(kpa),可查表获取；ed为达到平均气温时的实际水气压(kpa)。
[0018]
步骤s4中，通过arduino开发板的图像识别技术将采集到的图像信息进行处理(转化为灰度图、增强对比度、寻找图像分割阈值、图像黑白二值化)、分析(统计白色区域百分比，白色区域百分比反映土表含盐量)。通过计算机功能代替人类自动处理、分辨图像物理信息，同时采用红外热成像实现土表面的温度识别并自动形成温度识别图片，并通过arduino开发板将筛选后的信息、计算出的信息以及所述盐碱地的地表图片信息使用统一计算机语言进行整合，将整合后的数据存储进数据库，由数据库提取同种信息的所有数据，并将数据发送至客户端；
[0019]
步骤s5：数据呈现及共享：通过arduino开发板建立共享连接，将整合后的信息数据发送至数据库，客户端通过数据库获得盐碱地信息；
[0020]
步骤s6：人工控制和实时监测：通过客户端开发程序实现实时监测，并人工使用客户端向采集设备传递控制指令，通过控制采集终端的接受控制模块对设备进行运行状态控制；
[0021]
优选的，所述步骤s5中，arduino开发板将温度识别图片与原盐碱地的图片以图层
的形式进行叠加和分离，并进行选择性的对比分析，将所述盐碱地地表温度以等温线的形式标出高温区和低温区，并呈现温度的极值，通过无线设备在arduino开发板与客户端之间建立共享连接，并通过共享设备将整合后的数据、对比分析数据以及所述盐碱地地表温度数据实时共享给客户端，由专业人员通过客户端获取所述盐碱地土壤数据及环境数据从而取得α值初始值，取α值经验值为0.01，α为发面反射率，α值在程序运行时进行自修正，同时应用数学建模软件对现有多要素的连续观测资料进行分析，计算得出所述盐碱地的边界条件，并计算出准确的蒸发率；
[0022]
优选的，所述步骤s6中，人工通过客户端获取所述盐碱地的数据，并通过客户端向arduino开发板发送控制命令，arduino开发板接收到命令将控制命令转化为适配的语言发送给接受控制模块，接受控制模块通过采集不同位置信息数据并将数据发送至arduino开发板，由arduino开发板通过算法模型分析得出盐碱地土壤表面温度与土壤条件和土壤蒸发速率、盐分沉淀析出速率之间的相关性实现对所述盐碱地进行实时监控。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
本发明通过设置的传感器获得数据，再通过计算得到准确的蒸发率，大大降低后期数据处理的时间，通过基于机器视觉技术和盐碱地土表温度识别算法进行土表温度的识别实现对盐碱地盐分分析。
具体实施方式
[0025]
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0026]
一种基于土表温度识别的盐碱地盐分分析方法，包括以下步骤：
[0027]
步骤s1：组装设备：准备好所需传感器，包括信为t118温湿度传感器、基恩士ap-c30数字气压传感器、建大仁科八方位测量70cm对插式风向仪、阳光气象tbq-2太阳辐射传感器、北京华益瑞科技有限公司的ec-5土壤含水率传感器、贝尔分析仪器ecs-5020数字盐度传感器和精讯畅通光学雨量传感器；
[0028]
土壤盐分传感器、土壤含水率传感器埋设于盐碱地土壤的不同深度处，温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、太阳辐射传感器和光学雨量传感器都固定安装在刚性三角架上，固定在距离盐碱地表面1m高处，所有传感器都通过串行接口的方式连接于arduino开发板，蓄电池、太阳能供电板通过正负极导线连接到内置于arduino开发板中的电源管理芯片；arduino开发板通过光学雨量传感器的检测结果向接受控制模块发送命令控制太阳能供电板和蓄电池的开关，光学雨量传感器的检测结果显示无雨时由arduino开发板发送指令打开太阳能供电板开关并关闭蓄电池开关，光学雨量传感器的检测结果显示有雨时由arduino开发板发送指令关闭太阳能供电板并打开蓄电池开关；
[0029]
步骤s2：程序调试：由步骤s1构成的采集终端对土壤条件及影响蒸发率的各数据同步采集,并进行程序的调试与相关参数初始化；
[0030]
步骤s3：信息采集：将步骤s1组装好的采集终端放置于所需检测的盐碱地并固定，各个传感器对所述盐碱地进行信息采集；
[0031]
将组装好的采集终端放置于需检测的盐碱地并使用脚钉进行固定，温湿度传感器检测得到地表温度、湿度，气压传感器检测得到地表气压，风速风向传感器检测得到气流流
速、流向，太阳辐射传感器检测得到太阳辐射强度、土壤含水率传感器检测得到土壤含水率，土壤盐分传感器检测得到土表沉淀盐量，光学雨量传感器检测雨量值；并采集所述盐碱地的地表图片，且同种信息采集多组数据。
[0032]
步骤s4：数据分析及计算：将采集到的信息通过arduino开发板进行数据处理、分析、计算和参数修正，并采用红外热成像实现土表面的温度识别；
[0033]
对采集到的图像信息进行处理包括转化为灰度图、增强对比度、寻找图像分割阈值和图像黑白二值化操作，数据分析是统计白色区域百分比，白色区域百分比反映土表含盐量。
[0034]
通过arduino开发板将采集到的信息进行筛选，删除重复数据，利用测得的多个土壤条件参数、气象条件参数，利用蒸发模型进行分析计算，并运用机器视觉的土表温度识别算法得出所述盐碱地土表的蒸发强度，其中所述蒸发模型为参数自修正的penman模型，自修正依靠前馈参数的自回归实现。
[0035]
步骤s5：数据呈现及共享：通过arduino开发板建立共享连接，将整合后的信息数据发送至数据库，客户端通过数据库获得盐碱地信息；arduino开发板将温度识别图片与原盐碱地的图片以图层的形式进行叠加和分离，并进行选择性的对比分析；将所述盐碱地地表温度以等温线的形式标出高温区和低温区，并呈现温度的极值，通过无线设备在arduino开发板与客户端之间建立共享连接，并通过共享设备将整合后的数据、对比分析数据以及所述盐碱地地表温度数据实时共享给客户端，由专业人员通过客户端获取所述盐碱地土壤数据及环境数据从而取得α值初始值，取α值经验值为0.01，α为发面反射率，α值在程序运行时进行自修正，同时应用数学建模软件对现有多要素的连续观测资料进行分析，计算得出所述盐碱地的边界条件，并计算出准确的蒸发率。
[0036]
步骤s6：人工控制和实时监测：通过客户端开发程序实现实时监测，并人工使用客户端向采集设备传递控制指令，通过控制采集终端的控制模块对设备进行运行状态控制。
[0037]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。