基于VIS-NIR的播种沟内土壤水分测量传感器研究

作者：张东兴; 刘江; 杨丽; 崔涛; 和贤桃^*; 张天亮

来源：农业机械学报, 2021, 52(02): 218-226.

• 可见光-近红外
• 土壤含水率
• 传感器
• 精密播种
• 偏最小二乘回归

基于土壤水分的播深调整技术,需要对播种沟土壤水分进行测量,以便根据落种点处的土壤水分信息进行播种调节,改变播种策略。本文设计了一种可见光-近红外（Visible and near-infrared,VIS-NIR）式土壤水分传感器。使用高分辨率光谱仪采集不同水分梯度的土壤光谱数据,采用偏最小二乘回归法（Partial least squares regression,PLSR）进行建模分析,并结合多种数据降维方法进行变量筛选,得出不同土壤含水率的敏感波段分别在410、540、780、970 nm附近;通过对这4种波长进行组合建模分析,选择得出预测最优的VIS和NIR波长组合为410 nm和970 nm。采用这两种波长设计传感器,并进行实验室试验,结果表明:当传感器与被测土壤表面距离d较近时（0～3 mm）,测量精度和稳定性最好;当d为0～3 mm、土壤质量含水率处于0.69%～28.45%时,真实值与预测值之间决定系数R2达到0.81,均方根误差（RMSE）为2.90%;当土壤质量含水率处于0.69%～22%时,真实值与预测值之间R2提高至0.93,此时均方根误差降低为1.72%。通过析因试验得出,在显著性水平为0.05时,温度与光照强度对传感器正常工作没有明显影响。土槽试验表明,真实值与预测值之间R2为0.82,RMSE为1.23%,满足玉米等作物播种环节土壤水分的测量要求。

• 单位
  中国农业大学