农业信息技术--农业信息采集省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、农业信息技术农业信息技术第1页第二章第二章 农业信息采集农业信息采集&计算机数据采集管理系统概述&农田生物信息采集与处理&农田气候信息采集与处理&土壤信息采集与处理&设施农业环境监控与管理&农业感官智能分析技术 3第2页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构二、数据采集管理系统基本功效第3页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构第4页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构（一）信号调理器（一）信号调理器被采集生物与环境特征变量（物理、被采集生物与环境特征变量（物理、化学、生物量等）经过传感器转换为化学、生物量等）经过传感器

2、转换为方便处理电量（普通为电压、电流、方便处理电量（普通为电压、电流、电阻和脉冲量）电阻和脉冲量）信号信号。通常系统采集信号多为模拟信号，且通常系统采集信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统本身和外界为多元弱信号，易受系统本身和外界干扰，需要在系统前端添加干扰，需要在系统前端添加信号调理信号调理电路电路（滤波器、变换器、前级放大器、（滤波器、变换器、前级放大器、隔离电路），实现阻抗变换、信号变隔离电路），实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、隔离保护等功效。换、滤波、放大、隔离保护等功效。第5页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构（二）数据采集器（二）数据采集器 多

3、路开关多路开关MUX测量测量放大器放大器采样保持器采样保持器S/H数模转换器数模转换器A/D完成多路信息采集、放完成多路信息采集、放大和数字化处理大和数字化处理Analoguetodigital第6页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构（三）微机（三）微机I/OI/O接口（接口（I/O I/O，是，是input/outputinput/output缩写，缩写，即输入输出端口）即输入输出端口）n微机接口是计算机与外界进行信息交换通道和窗口。微机接口是计算机与外界进行信息交换通道和窗口。n采集器输出数字信号经总线送给微机接口，再经采集器输出数字信号经总线送给微机接口，再经

4、I/OI/O通道送通道送给微机处理。给微机处理。第7页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构n将微机输出数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机输出将微机输出数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机输出统计和对外界设备自动控制。统计和对外界设备自动控制。（四）数模转换器（四）数模转换器第8页第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统经典结构n负责调度数据采集系统各应用程负责调度数据采集系统各应用程序模块，并与系统外部设备及时序模块，并与系统外部设备及时交换信息。交换信息。n监控程序在在线状态下，能接收监控程序在在线状态下，能接收来自键盘或接口操作命令，并解来自键

5、盘或接口操作命令，并解释、执行，实现系统硬、软件资释、执行，实现系统硬、软件资源管理。源管理。（五）应用软件与监控程序（五）应用软件与监控程序应用软件应用软件监控程序监控程序监控程序监控程序是计算机数据是计算机数据采集管理系统采集管理系统灵魂，有了应灵魂，有了应用软件才能充用软件才能充分发挥采集系分发挥采集系统功效统功效第9页第一节 计算机数据采集管理系统概述二、数据采集管理系统基本功效时钟功效时钟功效信息采集功效信息采集功效 数据数据处理处理功效功效 数据数据存放存放功效功效 控制功效控制功效 自诊疗功效自诊疗功效 信息输出功效信息输出功效 定时采集、实时采集；单项采集、多项采集定时采集、实

6、时采集；单项采集、多项采集 数字滤波、数字滤波、A/DA/D转换、标度转换、线性化处理等转换、标度转换、线性化处理等数据运算、数据变换、图形处理等数据运算、数据变换、图形处理等 预处理预处理二次处理二次处理存放实时采集数据和历史数据存放实时采集数据和历史数据 超限报警、状态自检、自动复位等超限报警、状态自检、自动复位等 图形显示、报表打印、硬拷贝等图形显示、报表打印、硬拷贝等 能够实现现场环境调控，实现生产管理自动化能够实现现场环境调控，实现生产管理自动化 系统定时采集、分时操作都按时钟节拍进行系统定时采集、分时操作都按时钟节拍进行 第10页第二节 农田生物信息采集与处理 一、农田生物系统信息

7、二、农田生物信息采集与处理系统 三、农田生物弱信息增强技术四、农田生物多元信息提取技术 五、农田生物宏观形态结构信息提取 第11页第二节 农田生物信息采集与处理 一、农田生物系统信息（一）农田生物信息类型（一）农田生物信息类型 l农作物生理功效信息农作物生理功效信息l农作物结构信息农作物结构信息 l农作物病虫草害信息农作物病虫草害信息 微观结构微观结构宏观结构宏观结构 第12页第二节 农田生物信息采集与处理 一、农田生物系统信息（二）农田生物信息特点与研究方法（二）农田生物信息特点与研究方法 层次性层次性 多元性多元性 弱信息弱信息 时空分布时空分布 随空间和时随空间和时间不停发生间不停发生动

8、态改变动态改变 重视实时性重视实时性和空间分布和空间分布差异差异 采取弱信息采取弱信息提取与恢复提取与恢复技术，使弱技术，使弱信息变强信息变强 包含于复杂包含于复杂环境信息中环境信息中 各种组分信各种组分信息叠加息叠加 多组分信息多组分信息分离技术，分离技术，利用化学计利用化学计量学方法量学方法 物种不一样、物种不一样、生长有异、生长有异、结构有别结构有别 微观微观：光谱光谱/波波谱谱/色谱色谱/质谱；质谱；宏观宏观：感官定感官定性性/图形图像方图形图像方法法第13页第二节 农田生物信息采集与处理 二、农田生物信息采集与处理系统（一）系统组成（一）系统组成 农田生物信息采集与处理系统由硬件和软

9、件两部分组成。农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。1 1硬件部分硬件部分第14页1）信息检测系统 l图像传感器图像传感器 l光谱传感器光谱传感器 l生理信息传感器生理信息传感器 l试验室分析仪器试验室分析仪器 1 1硬件部分硬件部分第15页2）信号调理系统 n农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息负载到含有某种能量（如光、电、热、声、磁等）负载到含有某种能量（如光、电、热、声、磁等）模拟量上即为模拟信号。模拟量上即为模拟信号。n模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提升模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提升信噪比。信噪比。n信号调

10、理系统包含：信号调理系统包含：滤波器、积分器、调制解滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。调器、锁相放大器和厢车式积分器等。1 1硬件部分硬件部分第16页3）计算机硬件系统 l接口电路接口电路 l计算机计算机 l计算机输入输出设备计算机输入输出设备 1 1硬件部分硬件部分第17页经过对农田生物信息综合处理，能够发觉农田生态系统更深层经过对农田生物信息综合处理，能够发觉农田生态系统更深层次东西，依据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，方便实次东西，依据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，方便实现农田管理办法优化。现农田管理办法优化。2 2软件部分软件部分1）信息预处理软件方法：

11、方法：数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均法、数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均法、傅里叶变换滤波法、小波变换等。傅里叶变换滤波法、小波变换等。2）信息提取软件n弱信息弱信息-计算机差谱技术、计算机导数技术；计算机差谱技术、计算机导数技术；n多元信息多元信息-应用化学计量学多组分分析方法所编制软件有：应用化学计量学多组分分析方法所编制软件有：逐步逐步回归分析法（回归分析法（SRA）、主成份回归法（）、主成份回归法（PCR）、偏最小二乘法）、偏最小二乘法（PLS）等。）等。n纹理特征信息纹理特征信息-利用逐步判别法、主成份分析法、聚类分析法等。利用逐步判别法、主成份分析法、聚类分析法等。3

12、）信息综合处理、模拟和优化软件第18页（二）系统功效（二）系统功效 二、农田生物信息采集与处理系统 第二节 农田生物信息采集与处理 1.1.农田生物信息检测农田生物信息检测 l微观形态结构和组分信息检测微观形态结构和组分信息检测l宏观形态结构信息检测宏观形态结构信息检测 l生理功效信息检测生理功效信息检测 l间接信息取得间接信息取得 2 2生物信息检测信号调理生物信息检测信号调理l信噪比信噪比l噪声起源噪声起源 l信号调理信号调理 第19页三、农田生物弱信息增强技术第二节 农田生物信息采集与处理 1 1系统背景消除与降低系统背景消除与降低l差谱技术差谱技术l导数光谱技术导数光谱技术 2 2随机

13、背景消除与降低随机背景消除与降低l数字滤波技术数字滤波技术l傅里叶变换滤波傅里叶变换滤波 l小波变换小波变换 第20页四、农田生物多元信息提取技术 第二节 农田生物信息采集与处理 n方法方法：化学计量学方法化学计量学方法 n操作操作：经过经过1 1组待测成份含量已知标准样品，对它们进行组待测成份含量已知标准样品，对它们进行光谱区全程扫描，然后经过计算机快速处理数据，建立样品光谱区全程扫描，然后经过计算机快速处理数据，建立样品组分含量与样品光谱之间数学关系，再测出未知样品中待测组分含量与样品光谱之间数学关系，再测出未知样品中待测组分光谱，就能够确定其中待测成份含量。组分光谱，就能够确定其中待测成

14、份含量。第21页第二节 农田生物信息采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息提取（一）计算机图像处理技术概念（一）计算机图像处理技术概念 n计算机图像处理是在计算机中把图像用数字信号形式表示，计算机图像处理是在计算机中把图像用数字信号形式表示，并依据需要进行各种处理，称为数字图像处理。并依据需要进行各种处理，称为数字图像处理。n所谓数字图像，就是图像各点灰度值二维数组，把它表示为所谓数字图像，就是图像各点灰度值二维数组，把它表示为f(x,y)，则，则f(i,j)表示图像表示图像f位于（位于（i,j）处象素同时，还表示该）处象素同时，还表示该点灰度。点灰度。n所以任何图像都能够用多个二维数组表示

15、。所以任何图像都能够用多个二维数组表示。第22页第二节 农田生物信息采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息提取（一）计算机图像处理技术概念（一）计算机图像处理技术概念 类别类别描述形式描述形式描述对象二值图像二值图像f(x,y)=0,1文字、线条图、指纹等文字、线条图、指纹等浓淡图像浓淡图像0f(x,y)2n1黑白照片、普通 n=68彩色图像彩色图像fi(x,y),i=R,G,B以三基色表示彩色图像多光谱图像多光谱图像fi(x,y),i=1,2,m遥感图像，普通 m=48立体图像立体图像fL,fR由左、右视点得到同一物体象对动态图像动态图像（时间序列）（时间序列）ft(x,y),t=t1,t

16、2,tn动态分析、动画制作等动态分析、动画制作等数字图像类别数字图像类别 第23页第二节 农田生物信息采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息提取（二）图像输入方法（二）图像输入方法n照片、胶片或实地拍摄电视图像等一系列模拟图像，在输入计算照片、胶片或实地拍摄电视图像等一系列模拟图像，在输入计算机过程中，由输入设备（用数码摄影机和数码摄像机拍摄为数字机过程中，由输入设备（用数码摄影机和数码摄像机拍摄为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（XN）个象素，）个象素，然后将这些点阵灰度信息（包含色彩信息）数字化然后将这些点阵灰度信息（包含色彩信息

17、）数字化n每一象元灰度值是从每一象元灰度值是从0到到255中某一个值，而彩色信息是将自然界中某一个值，而彩色信息是将自然界各种颜色分解成红（各种颜色分解成红（R）、绿（）、绿（G）、蓝（）、蓝（B）3种基色，每种基种基色，每种基色又分成色又分成0到到255个不一样数量级，几乎全部颜色都可用个不一样数量级，几乎全部颜色都可用RGB三基三基色含量多少来反应，农田生物色度信息就是用色含量多少来反应，农田生物色度信息就是用RGB三基色不一样三基色不一样数量级合成来表示。数量级合成来表示。第24页（三）图像处理方法（三）图像处理方法第二节 农田生物信息采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息提取 1 1

18、二值图像处理法二值图像处理法2 2图像变换和图像质量改进图像变换和图像质量改进3 3图像特征提取图像特征提取l几何形状结构信息提取几何形状结构信息提取l纹理特征信息提取纹理特征信息提取 l颜色特征信息提取颜色特征信息提取 第25页第三节 农田气候信息采集与处理 一、农田气候信息采集与处理系统普通组成二、农田气候信息采集处理系统硬件组成 三、农田气候信息采集处理系统应用软件 第26页第三节 农田气候信息采集与处理 一、农田气候信息采集与处理系统普通组成 第27页第三节 农田气候信息采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统硬件组成 n气候信息采集模块气候信息采集模块n数据通信输出模块数据通信输出模

19、块n单片机功效扩展模块单片机功效扩展模块第28页第三节 农田气候信息采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统硬件组成（一）信息采集模块（一）信息采集模块数据采集器有数据采集器有15161516个数据通个数据通道，由多路开关分时选通，完道，由多路开关分时选通，完成空气温度、空气湿度、光辐成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量射、地面风速以及土壤热通量等气候信息采集。等气候信息采集。第29页第三节 农田气候信息采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统硬件组成（二）数据通信输出模块（二）数据通信输出模块采集处理系统为方便数据处理、数据存放和图形显示，设置了数据采集处理系统为方便数据处理

20、、数据存放和图形显示，设置了数据通信输出通道，经过通信输出通道，经过RS232C串行通信总线（适宜于串行通信总线（适宜于30m内）和内）和20mA电流环（远距离），将数据送入系统主机，方便对数据作深电流环（远距离），将数据送入系统主机，方便对数据作深入处理、分析。入处理、分析。（三）系统功效扩展模块（三）系统功效扩展模块为了适应农田气候信息采集、存放、处理需要，增强单片机系为了适应农田气候信息采集、存放、处理需要，增强单片机系统功效，系统外扩展了程序存放器、数据存放器、输入统功效，系统外扩展了程序存放器、数据存放器、输入/输出口输出口以及定时器以及定时器/计数器。计数器。第30页第三节 农田气

21、候信息采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统硬件组成（四）农田自动气象站实例（四）农田自动气象站实例澳大利亚澳大利亚MEAMEA自动气象站自动气象站 英国英国DeltaTWS自动气象站自动气象站第31页三、农田气候信息采集处理系统应用软件 第三节 农田气候信息采集与处理 第32页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测二、土壤养分成份监测 三、智能化农田节水浇灌监控系统 第33页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测 lTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统l负压计土壤湿度监测系统负压计土壤湿度监测系统l中子土壤湿度仪中子土壤湿度仪l电阻电阻/电容式土壤湿度监测系统电容式土壤湿

22、度监测系统lFDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统l土壤水分遥感监测土壤水分遥感监测第34页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测（一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 nTDR系统类似一个短波雷达系统系统类似一个短波雷达系统n经过测定电磁波沿插入土壤探针传输经过测定电磁波沿插入土壤探针传输时间来测定土壤介电常数，进而计算时间来测定土壤介电常数，进而计算整个探针长度土层土壤平均体积含水整个探针长度土层土壤平均体积含水量量n能够直接、快速、方便、可靠地同时能够直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐情况独立监测土壤水盐情况n测定结果几乎与土壤类型、密度、温测定结果几

23、乎与土壤类型、密度、温度等原因无关度等原因无关n无需埋设中子管无需埋设中子管n缺点是仪器价格昂贵缺点是仪器价格昂贵TDRTDR法特点法特点 第35页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测（一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 TDRTDR系统组成系统组成 输出幅度稳定、输出幅度稳定、频率可调频率可调（20MHz1GHz）系列阶跃）系列阶跃脉冲信号脉冲信号显示器并实现脉冲显示器并实现脉冲幅度和脉冲延迟时幅度和脉冲延迟时间测量间测量输出时标脉冲，控制阶跃脉冲产生器与接输出时标脉冲，控制阶跃脉冲产生器与接收器同时，方便在显示器上显示和测量收器同时，方便在显示器上显示和测量应

24、用脉冲调制技术，应用脉冲调制技术，将接收到高频反射脉将接收到高频反射脉冲信号变换为低频脉冲信号变换为低频脉冲信号，送往示波器冲信号，送往示波器显示、测量显示、测量第36页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测（一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 n将长度为将长度为L波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒始端波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒始端传输到终端，并在探头周围产生一个电磁场，因为波导棒终端处于开传输到终端，并在探头周围产生一个电磁场，因为波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。检测脉冲从输入到路状态，脉冲信号受反射又沿

25、波导棒返回到始端。检测脉冲从输入到反射回时间以及反射时脉冲幅度衰减，能够反应出土壤电导率，继而反射回时间以及反射时脉冲幅度衰减，能够反应出土壤电导率，继而计算土壤水盐含量。计算土壤水盐含量。n土壤水盐电磁测定是基于土壤介电性质。土壤水盐电磁测定是基于土壤介电性质。n介电常数又与土壤水分含量多少有亲密关系。介电常数又与土壤水分含量多少有亲密关系。TDRTDR监测土壤水盐原理监测土壤水盐原理 第37页第四节 土壤信息采集与处理 TDRTDR土壤水分测定系统应用土壤水分测定系统应用 一、土壤含水量监测（一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 n常见常见TDR土壤水分测定系统有土壤水分

26、测定系统有Trase土壤水分测定土壤水分测定系统、系统、Trime土壤水分测定系统等。土壤水分测定系统等。n不一样型号不一样型号TDR土壤水分测定系统通常有土壤水分测定系统通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不一样等不一样长度波导探头可供选择长度波导探头可供选择;n能够分别采取插入式、埋入式和管道式探头测定能够分别采取插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不一样深度土壤含水量表土层和土壤剖面不一样深度土壤含水量,剖面剖面湿度最深可达湿度最深可达3m。n假如与多路盒相连能够连接多个探头，实现多点假如与多路盒相连能够连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测

27、。土壤水分同时监测。第38页第四节 土壤信息采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统（二）负压计土壤湿度监测系统 一、土壤含水量监测 n土壤含水量与毛管力之间含有土壤含水量与毛管力之间含有一定函数关系，毛管力改变能一定函数关系，毛管力改变能够反应土壤含水量改变。够反应土壤含水量改变。n负压计，又称张力计，以测量负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤土壤负压（张力）来显示土壤水分情况水分情况第39页第四节 土壤信息采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统（二）负压计土壤湿度监测系统 一、土壤含水量监测 n负压计包含一个多孔陶瓷杯和一个液压计。负压计包含一个多孔陶瓷杯和一个液压计。n陶瓷

28、杯埋于所测土壤中，负压计内部水分经过陶瓷杯埋于所测土壤中，负压计内部水分经过陶瓷杯上微孔同土壤水分进行交换而使内外水陶瓷杯上微孔同土壤水分进行交换而使内外水势渐趋平衡，因为水分渗透和渗出使负压计读势渐趋平衡，因为水分渗透和渗出使负压计读数发生改变，仪器上所指示负压值即代表土壤数发生改变，仪器上所指示负压值即代表土壤水势，能够直接反应土壤水分能为植物吸收利水势，能够直接反应土壤水分能为植物吸收利用程度，同时又可换算为土壤含水率。用程度，同时又可换算为土壤含水率。第40页第四节 土壤信息采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统（二）负压计土壤湿度监测系统 一、土壤含水量监测 n负压计结构简单、易于制

29、造、价钱廉价、使用方便，能够在不一样测负压计结构简单、易于制造、价钱廉价、使用方便，能够在不一样测点多处埋设，可进行连续屡次观察。点多处埋设，可进行连续屡次观察。n但需要提前测定土壤水分特征曲线来换算土壤含水量，安装前要注水但需要提前测定土壤水分特征曲线来换算土壤含水量，安装前要注水除气、密封和标定，需要除气、密封和标定，需要12d土壤吸力平衡过程才能正常观察土壤吸力平衡过程才能正常观察n测试土壤吸力范围为测试土壤吸力范围为00.86105Pa，土壤干燥、吸力大于，土壤干燥、吸力大于0.86105Pa时会使陶瓷杯击穿，因而不适合于干旱土地，适合用于浇灌地、喷灌时会使陶瓷杯击穿，因而不适合于干旱

30、土地，适合用于浇灌地、喷灌和滴灌田。和滴灌田。n同时，负压计易于受环境温度影响，仪器稳定性较差，观察结果含有同时，负压计易于受环境温度影响，仪器稳定性较差，观察结果含有滞后性，往往不能及时反应土壤水分情况。滞后性，往往不能及时反应土壤水分情况。第41页第四节 土壤信息采集与处理（三）中子土壤湿度仪（三）中子土壤湿度仪 一、土壤含水量监测 n利用中子热化原理，快中子源发出中利用中子热化原理，快中子源发出中子在碰到氢原子后，失去部分动能转子在碰到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器依据测出慢中子数化成慢中子，仪器依据测出慢中子数量计算出土壤含水量。量计算出土壤含水量。n土壤含水量愈多，快中子转

31、化为慢中土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子数量也愈多，仪器能够将计数器计子数量也愈多，仪器能够将计数器计数转换为土壤含水量值。数转换为土壤含水量值。第42页第四节 土壤信息采集与处理（三）中子土壤湿度仪（三）中子土壤湿度仪 一、土壤含水量监测 n中子仪由探头和计数器组成。中子仪由探头和计数器组成。n探头由快中子源和一个三氟化硼慢中子探头由快中子源和一个三氟化硼慢中子检测器组成检测器组成n计数器用来监测土壤散射慢中子通道。计数器用来监测土壤散射慢中子通道。n中子仪使用方法较为简单，只需将探头中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预设测量孔某一位置，即可测出该插入预设测量孔某一位置，即可测出该位置

32、（点）周围土壤含水量。位置（点）周围土壤含水量。n沿测孔上下移动即可测定不一样深度土沿测孔上下移动即可测定不一样深度土层土壤含水量，可测量多达层土壤含水量，可测量多达30m深土壤深土壤剖面含水量。剖面含水量。第43页第四节 土壤信息采集与处理（三）中子土壤湿度仪（三）中子土壤湿度仪 一、土壤含水量监测 n中子仪法特点是能快速、周期性重复测定深层土壤含水量而中子仪法特点是能快速、周期性重复测定深层土壤含水量而不破坏土壤，但当土壤有机质含量高时测定精度差，且仪器不破坏土壤，但当土壤有机质含量高时测定精度差，且仪器价格较贵，需要提前埋设铝管，造成设备成本较高，同时价格较贵，需要提前埋设铝管，造成设备

33、成本较高，同时30cm表土层因辐射危害健康，需要采取其它方法测定。表土层因辐射危害健康，需要采取其它方法测定。n当前主要采取手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化当前主要采取手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。监测仪。第44页第四节 土壤信息采集与处理（四）电阻（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统电容式土壤湿度监测系统一、土壤含水量监测 n经过测量埋入土壤中经过测量埋入土壤中感湿元件电阻值得到感湿元件电阻值得到感湿元件湿度，从而感湿元件湿度，从而间接求得土壤湿度间接求得土壤湿度n测量结果易受土壤盐测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性分影响，且有滞后性n依据土壤介电常数依据土壤介电常

34、数随土壤湿度改变原随土壤湿度改变原理来测定土壤湿度理来测定土壤湿度n受土壤盐分影响较受土壤盐分影响较小小电阻式土壤湿度传感器电阻式土壤湿度传感器电容式土壤湿度传感器电容式土壤湿度传感器第45页第四节 土壤信息采集与处理（四）电阻（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统电容式土壤湿度监测系统一、土壤含水量监测 n如石膏块土壤水分测定系统，经过测量石膏块内两个电极间电如石膏块土壤水分测定系统，经过测量石膏块内两个电极间电阻能够显示含水量。阻能够显示含水量。n石膏块永久埋入土壤中，寿命为石膏块永久埋入土壤中，寿命为35年，适合用于干燥土壤环年，适合用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围境（张力计无法

35、使用），测量范围3100kPa。第46页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测（五）（五）FDRFDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 nFDR频域反射仪是一个用于测量土壤水分频域反射仪是一个用于测量土壤水分仪器，它利用电磁脉冲原理，依据电磁波仪器，它利用电磁脉冲原理，依据电磁波在介质中传输频率来测量土壤表观介电常在介质中传输频率来测量土壤表观介电常数数,从而得到土壤容积含水量。从而得到土壤容积含水量。nFDR含有简便安全、快速准确、定点连续、含有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点，在土壤自动化、宽量程、少标定等优点，在土壤干旱条件下测定结果误差小于干旱条件下测

36、定结果误差小于TDR。nFDR探针类似于探针类似于TDR。nThetaprobe土壤水分测量土壤水分测量系统，其传感器测量范围系统，其传感器测量范围是是5%55%体积湿度，准体积湿度，准确度为确度为2%。第47页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测（六）土壤水分遥感监测（六）土壤水分遥感监测 n利用卫星遥感监测土壤水分方法含有宏观、高时效、经济、视利用卫星遥感监测土壤水分方法含有宏观、高时效、经济、视野广、周期快和动态条件好等特点野广、周期快和动态条件好等特点n成为区域性土壤水分和农作物干旱监测与评定主要伎俩成为区域性土壤水分和农作物干旱监测与评定主要伎俩n遥感技术能够快速、大面积与

37、多时相地取得地面信息，且含有遥感技术能够快速、大面积与多时相地取得地面信息，且含有简便、不破坏环境特点，而且其监测点点俱到简便、不破坏环境特点，而且其监测点点俱到,较轻易画出土壤较轻易画出土壤不一样含水量区域之间界限，便于对不一样含水量区域面积统不一样含水量区域之间界限，便于对不一样含水量区域面积统计和分析，已成为一个监测土壤含水量全新方法。计和分析，已成为一个监测土壤含水量全新方法。第48页第四节 土壤信息采集与处理 一、土壤含水量监测（六）土壤水分遥感监测（六）土壤水分遥感监测 n若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分植物反射和土壤反射光谱

38、，找出土壤含水量与多谱植物反射和土壤反射光谱，找出土壤含水量与多谱段反射率关系，确定土壤含水量。段反射率关系，确定土壤含水量。n裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包含：裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包含：一是经过热红外遥感方法获取热图像数据推算地一是经过热红外遥感方法获取热图像数据推算地表温度时空分布，二是确定土壤水分含量与地表表温度时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间定量关系，推算土壤湿度地域分布。温度之间定量关系，推算土壤湿度地域分布。n另外，还可采取微波遥感土壤水分和应用另外，还可采取微波遥感土壤水分和应用NOAAAVHRR数据探测土壤水分。数据探测土壤水分。第49页

39、二、土壤养分成份监测 第四节 土壤信息采集与处理（一）土壤养分连续流动分析（一）土壤养分连续流动分析n连续流动分析技术（连续流动分析技术（Continuous-FlowAnalysis-CFA）将样品显）将样品显色与检测合为一体，使浸提样品检测效率成倍提升色与检测合为一体，使浸提样品检测效率成倍提升n德国布朗卢比企业推出德国布朗卢比企业推出AutoAnalyzer3系统，由自动进样器、蠕系统，由自动进样器、蠕动泵、化学分析盒、检测器和计算机等动泵、化学分析盒、检测器和计算机等5个独立部分组成个独立部分组成第50页二、土壤养分成份监测 第四节 土壤信息采集与处理（一）土壤养分连续流动分析（一）土

40、壤养分连续流动分析n能进行在线消解、在线溶剂萃取、在线蒸馏、在线过滤、能进行在线消解、在线溶剂萃取、在线蒸馏、在线过滤、氧化还原、在线离子交换、自动稀释、自动进样，氧化还原、在线离子交换、自动稀释、自动进样，WINDOWS下全计算机自动系统控制软件，结果自动报下全计算机自动系统控制软件，结果自动报表打印，多功效化学分析盒，高低量程转换，不用装电表打印，多功效化学分析盒，高低量程转换，不用装电子除气泡装置子除气泡装置n大量应用于海水、自来水、地表水、污水、烟草、土壤、大量应用于海水、自来水、地表水、污水、烟草、土壤、植株、肥料、食品等样品自动检测植株、肥料、食品等样品自动检测第51页二、土壤养分

41、成份监测 第四节 土壤信息采集与处理（一）土壤养分连续流动分析（一）土壤养分连续流动分析第52页二、土壤养分成份监测 第四节 土壤信息采集与处理（二）土壤养分成份监测（二）土壤养分成份监测ISFETISFET法法 n化学量传感器是继物理量传感器之后兴起另一类传感器。化学量传感器是继物理量传感器之后兴起另一类传感器。n化学量传感器传感对象包含离子与分子。化学量传感器传感对象包含离子与分子。n离子传感器是能把溶液中离子活度转换为电位或电流等电信号传感离子传感器是能把溶液中离子活度转换为电位或电流等电信号传感器。器。n离子传感器基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上离子识别材离子传感器基本原理是离子

42、识别，利用固定在敏感膜上离子识别材料有选择性地结合被传感离子，从而发生膜电位或膜电流改变。料有选择性地结合被传感离子，从而发生膜电位或膜电流改变。第53页二、土壤养分成份监测 第四节 土壤信息采集与处理 nISFET（IonSensitiveFieldEffectTransistor）即离子敏场效应晶体管或称离）即离子敏场效应晶体管或称离子选择性场效应管是常见离子传感器子选择性场效应管是常见离子传感器nISFET是由是由ISE敏感膜和敏感膜和MOSFET场效应晶体场效应晶体管组合而成、对离子含有一定选择性新型半管组合而成、对离子含有一定选择性新型半导体器件，能在被测离子作用下产生对应漏导体器件

43、，能在被测离子作用下产生对应漏源电流源电流IDS，以显示该种离子浓度，以显示该种离子浓度（二）土壤养分成份监测（二）土壤养分成份监测ISFETISFET法法 第54页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测 n其离子主要探测元件为固态或液态离子敏感膜，选择不一样敏感其离子主要探测元件为固态或液态离子敏感膜，选择不一样敏感膜，能够测定不一样离子浓度。膜，能够测定不一样离子浓度。nISFET主要主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl、F、Br、I、CN、Ag+、S2、NH4+等几个。等几个。n也能够将也能够将H、K、Na、Cl等离子敏感膜集成在一个芯片上，等离子敏感膜集成在一个芯片上，经过

44、模拟开关使经过模拟开关使4个个ISFET输出信号，分别测定离子浓度。输出信号，分别测定离子浓度。n对于土壤营养监测来说，对于土壤营养监测来说，ISFET器件技术关键是在于离子选择性敏器件技术关键是在于离子选择性敏感膜研制。感膜研制。n能够将多能够将多ISFET传感器集成到传感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系统中）系统中进行土壤营养成份监测。也能够用进行土壤营养成份监测。也能够用ISFET连续检测土壤连续检测土壤pH值。值。（二）土壤养分成份监测（二）土壤养分成份监测ISFETISFET法法 第55页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测（三）土壤养分测试

45、仪（三）土壤养分测试仪 n如国产土壤养分测定仪如国产土壤养分测定仪TPY-6，可，可测定土壤速效氮、速效磷、有效测定土壤速效氮、速效磷、有效钾、全氮、全磷、全钾、有机质钾、全氮、全磷、全钾、有机质含量、土壤酸碱度及土壤含盐量含量、土壤酸碱度及土壤含盐量（定量）等指标，含有存放和打（定量）等指标，含有存放和打印功效。印功效。n国内外已研制出适宜于野外使用众多型号土壤养分和肥国内外已研制出适宜于野外使用众多型号土壤养分和肥料快速测定设备。料快速测定设备。第56页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测（三）土壤养分测试仪（三）土壤养分测试仪 n国外生产国外生产Rqflex便携式反射光度计便

46、携式反射光度计土壤养分测定仪，利用反土壤养分测定仪，利用反射分光光度计原理，用于各种有机物质和无机离子快速测定，测射分光光度计原理，用于各种有机物质和无机离子快速测定，测试种类包含氨态氮、硝态氮、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、硫酸盐、试种类包含氨态氮、硝态氮、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、硫酸盐、钙、氯、铬、钴、铜、铝、铁、铅、镁、锰、钼、镍、过氧化物、钙、氯、铬、钴、铜、铝、铁、铅、镁、锰、钼、镍、过氧化物、pH、酒石酸、甲醛、维生素、酒石酸、甲醛、维生素C、葡萄糖等。、葡萄糖等。n可在原地实时测量，数据随机存贮，可在原地实时测量，数据随机存贮，可方便用户即时决议。可方便用户即时决议。n仪器主要包含显色试纸

47、、含仪器校正仪器主要包含显色试纸、含仪器校正和控制功效条形码、反射光度计表头和控制功效条形码、反射光度计表头三个部分三个部分第57页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测（三）土壤养分测试仪（三）土壤养分测试仪 n利用可见和近红外光谱技术，结合数据利用可见和近红外光谱技术，结合数据挖掘和融合技术，研制而成光谱法土壤挖掘和融合技术，研制而成光谱法土壤养分分析仪，是一个新型土壤养分快速养分分析仪，是一个新型土壤养分快速测试分析方法，不破坏样品，不需要化测试分析方法，不破坏样品，不需要化学试剂，不需要前处理，即可实现了土学试剂，不需要前处理，即可实现了土壤养分实时快速测试。壤养分实时快速测

48、试。n能够测试土壤、肥料、植株中全量和速能够测试土壤、肥料、植株中全量和速效氮、磷、钾；效氮、磷、钾；有机质和酸碱度，可有机质和酸碱度，可溶性含盐量以及腐殖酸含量溶性含盐量以及腐殖酸含量第58页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测（四）土壤盐分监测（四）土壤盐分监测 n大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率专门仪器。大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率专门仪器。n土壤电导率数据包含了土壤含盐量、土壤水分、有机质含量、土壤电导率数据包含了土壤含盐量、土壤水分、有机质含量、土壤压实度、质地结构、空隙度等土壤理化信息。土壤压实度、质地结构、空隙度等土壤理化信息。n接触式土壤电导率传感器是一

49、个电极式传感器，采取电流电接触式土壤电导率传感器是一个电极式传感器，采取电流电压四端法，将恒流电源、电压表、电极和土壤组成回路，用车压四端法，将恒流电源、电压表、电极和土壤组成回路，用车辆牵引并集成辆牵引并集成GPS系统，用于测定土壤电导率。系统，用于测定土壤电导率。第59页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测（四）土壤盐分监测（四）土壤盐分监测 n如美国如美国Veris企业企业Veris3100大地电导仪，有大地电导仪，有6个犁刀式电极，用车辆牵个犁刀式电极，用车辆牵引并集成引并集成GPS系统，可同时取得系统，可同时取得030.5cm和和091.5cm土壤电导率，土壤电导率，每隔

50、每隔1s统计一组数据，统计在闪存中，经过配置专门数据处理与分析统计一组数据，统计在闪存中，经过配置专门数据处理与分析软件，就可得到农田土壤电导率分布图。软件，就可得到农田土壤电导率分布图。第60页第四节 土壤信息采集与处理 二、土壤养分成份监测（四）土壤盐分监测（四）土壤盐分监测 n非接触式土壤电导率传感器，如加拿大非接触式土壤电导率传感器，如加拿大Geonics企业企业EM38大地电导仪，大地电导仪，重量较轻，长度也仅重量较轻，长度也仅1m，能以极好灵敏度快速地进行勘查。，能以极好灵敏度快速地进行勘查。n主其要工作原理是在电导仪后端有一个小型发射线圈，它能够产生一主其要工作原理是在电导仪后端