农业信息技术chapter2农业信息采集

1、农业信息技术农业信息技术第二章第二章 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& 农田生物信息的采集与处理& 农田气候信息的采集与处理& 土壤信息的采集与处理& 设施农业环境监控与管理 & 农业感官智能分析技术 3第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构二、数据采集管理系统的基本功能第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构（一）信号调理器（一）信号调理器被采集的生物与环境特征变量（物理、被采集的生物与环境特征变量（物理、化

2、学、生物量等）经过传感器转换为化学、生物量等）经过传感器转换为方便处理的电量（一般为电压、电流、方便处理的电量（一般为电压、电流、电阻和脉冲量）电阻和脉冲量）信号信号。通常系统采集的信号多为模拟信号，通常系统采集的信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统自身和外且为多元弱信号，易受系统自身和外界干扰，需要在系统前端添加界干扰，需要在系统前端添加信号调信号调理电路理电路（滤波器、变换器、前级放大（滤波器、变换器、前级放大器、隔离电路），实现阻抗变换、信器、隔离电路），实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、隔离保护等功号变换、滤波、放大、隔离保护等功能。能。第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数

3、据采集管理系统的典型结构（二）数据采集器（二）数据采集器 多路开关多路开关MUXMUX测量测量放大器放大器采样保持器采样保持器S/HS/H数模转换器数模转换器A/DA/D完成多路信息的采集、完成多路信息的采集、放大和数字化处理放大和数字化处理Analoguetodigital第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构（三）微机（三）微机I/OI/O接口（接口（ I/O I/O ，是，是input/outputinput/output的缩写，的缩写， 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的通道和窗口。微机接口是计算机与外界进行信息交换的通

4、道和窗口。n 采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经I/OI/O通道通道送给微机处理。送给微机处理。 第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构n 将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机的将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机的输出记录和对外界设备的自动控制。输出记录和对外界设备的自动控制。 （四）数模转换器（四）数模转换器第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构n 负责调度数据采集系统的各应负责调度数据采集系统的各应用程序模块，并与系统的外部用程序模块，并与系统的外部设备及

5、时交换信息。设备及时交换信息。n 监控程序在在线状态下，能接监控程序在在线状态下，能接收来自键盘或接口的操作命令，收来自键盘或接口的操作命令，并解释、执行，实现系统硬、并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。软件资源的管理。（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是计算机数据是计算机数据采集管理系统采集管理系统的灵魂，有了的灵魂，有了应用软件才能应用软件才能充分发挥采集充分发挥采集系统的功能系统的功能第一节 计算机数据采集管理系统概述二、数据采集管理系统的基本功能 时钟功能时钟功能 信息采集功能信息采集功能 数据数据处理处理功能功能 数据数据存储存储功能功能 控制功能

6、控制功能 自诊断功能自诊断功能 信息输出功能信息输出功能 定时采集、实时采集；单项采集、多项采集定时采集、实时采集；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储实时采集的数据和历史数据存储实时采集的数据和历史数据 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 可以实现现场环境的调控，实现生产管理自动化可以实现现场环境的调控，实现生产管理自动化 系统定时采集、分时操作

7、都按时钟的节拍进行系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行 第二节 农田生物信息的采集与处理 一、农田生物系统的信息二、农田生物信息采集与处理系统 三、农田生物弱信息的增强技术四、农田生物多元信息的提取技术 五、农田生物宏观形态结构信息的提取 第二节 农田生物信息的采集与处理 一、农田生物系统的信息 （一）农田生物信息的类型（一）农田生物信息的类型 l 农作物生理功能信息农作物生理功能信息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 第二节 农田生物信息的采集与处理 一、农田生物系统的信息 （二）农田生物信息的特点与研究方法（二）

8、农田生物信息的特点与研究方法 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断发生间不断发生动态变化动态变化 注重实时性注重实时性和空间分布和空间分布差异差异 采用弱信息采用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的环境信息的环境信息中中 多种组分信多种组分信息的叠加息的叠加 多组分信息多组分信息分离技术，分离技术，运用化学计运用化学计量学方法量学方法 物种不同、物种不同、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

9、图像方图形图像方法法第二节 农田生物信息的采集与处理 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 实验室分析仪器实验室分析仪器 1 1硬件部分硬件部分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，其信农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息负载到具有某种能量（如光、电、热、声、息负载到具有某种能量（如光、电、热、声、磁等）的模拟量上即

10、为模拟信号。磁等）的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，提模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提高信噪比。高信噪比。n 信号调理系统包括：信号调理系统包括： 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硬件部分硬件部分通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深层次的东西，根据需要，开发信息综合处理模拟优

11、化软件，以层次的东西，根据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，以便实现农田管理措施的优化。便实现农田管理措施的优化。2 2软件部分软件部分1）信息预处理软件方法：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的软件有：应用化学计量学多组分分析方法所编制的软件有： 逐逐步回归分析法（步回归分析法（SRASRA）、主成分回归法（）、主成分回

12、归法（PCRPCR）、偏最小二乘法）、偏最小二乘法（PLSPLS）等。）等。n 纹理特征信息纹理特征信息-利用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等。利用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等。3）信息综合处理、模拟和优化软件（二）系统功能（二）系统功能 二、农田生物信息采集与处理系统 第二节 农田生物信息的采集与处理 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的信息检测微观形态结构和组分的信息检测l 宏观形态结构的信息检测宏观形态结构的信息检测 l 生理功能的信息检测生理功能的信息检测 l 间接信息的获得间接信息的获得 2 2生物信息检测信号的调理生物信息检测信号的

13、调理l 信噪比信噪比l 噪声来源噪声来源 l 信号调理信号调理 三、农田生物弱信息的增强技术第二节 农田生物信息的采集与处理 1 1系统背景的消除与降低系统背景的消除与降低l 差谱技术差谱技术l 导数光谱技术导数光谱技术 2 2随机背景的消除与降低随机背景的消除与降低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 四、农田生物多元信息的提取技术 第二节 农田生物信息的采集与处理 n 方法方法： 化学计量学方法化学计量学方法 n 操作操作： 通过通过1 1组待测成分含量已知的标准样品，对它们进组待测成分含量已知的标准样品，对它们进行光谱区的全程扫描，然后通过计

14、算机快速处理数据，建立行光谱区的全程扫描，然后通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的数学关系，再测出未知样品样品组分含量与样品光谱之间的数学关系，再测出未知样品中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成分的含量。中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成分的含量。 第二节 农田生物信息的采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息的提取 （一）计算机图像处理技术的概念（一）计算机图像处理技术的概念 n 计算机图像处理是在计算机中把图像用数字信号的形式表达，计算机图像处理是在计算机中把图像用数字信号的形式表达，并根据需要进行各种处理，称为数字图像处理。并根据需要进行各种处理，称为数字图像处

15、理。n 所谓数字图像，就是图像各点的灰度值的二维数组，把它表所谓数字图像，就是图像各点的灰度值的二维数组，把它表示为示为f(x,y) ，则，则f(i,j)表示图像表示图像f位于（位于（i,j）处象素的同时，还）处象素的同时，还表示该点的灰度。表示该点的灰度。n 因此任何图像都可以用多个二维数组表示。因此任何图像都可以用多个二维数组表示。 第二节 农田生物信息的采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息的提取 （一）计算机图像处理技术的概念（一）计算机图像处理技术的概念 类别类别描述形式描述形式描述的对象描述的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

16、浓淡图像0f(x,y)2n1黑白照片、一般黑白照片、一般 n=68彩色图像彩色图像fi(x,y),i=R,G,B以三基色表示的彩色图像以三基色表示的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，一般遥感图像，一般 m=48立体图像立体图像fL,fR由左、右视点得到的同一物体的象对由左、右视点得到的同一物体的象对动态图像动态图像（时间序列）（时间序列）ft(x,y),t=t1,t2,tn动态分析、动画制作等动态分析、动画制作等数字图像的类别数字图像的类别 第二节 农田生物信息的采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息的提取 （二）图像输入方法（二）图像输入方法n 照片、胶片

17、或实地拍摄的电视图像等一系列模拟图像，在输入照片、胶片或实地拍摄的电视图像等一系列模拟图像，在输入计算机的过程中，由输入设备（用数码照相机和数码摄像机拍计算机的过程中，由输入设备（用数码照相机和数码摄像机拍摄的为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列摄的为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（XN）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数字化数字化n 每一象元的灰度值是从每一象元的灰度值是从0到到255中的某一个值，而彩色信息是将中的某一个值，而彩色信息是将自然界的各种颜色分解成红（自然界的各种颜色分解成红（R）、绿（

18、）、绿（G）、蓝（）、蓝（B）3种基色，种基色，每种基色又分成每种基色又分成0到到255个不同的数量级，几乎所有颜色都可用个不同的数量级，几乎所有颜色都可用RGB三基色的含量多少来反映，农田生物色度信息就是用三基色的含量多少来反映，农田生物色度信息就是用RGB三三基色不同数量级的合成来表示。基色不同数量级的合成来表示。 （三）图像处理方法（三）图像处理方法第二节 农田生物信息的采集与处理 五、农田生物宏观形态结构信息的提取 1 1二值图像处理法二值图像处理法2 2图像变换和图像质量的改善图像变换和图像质量的改善3 3图像的特征提取图像的特征提取l 几何形状结构信息的提取几何形状结构信息的提取l

19、 纹理特征信息的提取纹理特征信息的提取 l 颜色特征信息的提取颜色特征信息的提取 第三节 农田气候信息的采集与处理 一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 三、农田气候信息采集处理系统应用软件 第三节 农田气候信息的采集与处理 一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成 第三节 农田气候信息的采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 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块n 单片机功能扩展模块单片机功能扩展模块第三节 农田气候信息的采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 （一）信息采集模块（一）信息采

20、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的采集。等气候信息的采集。 第三节 农田气候信息的采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 （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、数据存储和图形显示，设置了数据采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道，通过通信输出通道，通过RS232C串行通信总线（适宜于串行通信总线（适宜于30m内）和内）和20

21、mA电流环（远距离），将数据送入系统主机，以便对数据作进电流环（远距离），将数据送入系统主机，以便对数据作进一步的处理、分析。一步的处理、分析。 （三）系统功能扩展模块（三）系统功能扩展模块为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入/输输出口以及定时器出口以及定时器/计数器。计数器。 第三节 农田气候信息的采集与处理 二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 （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MEA

22、MEA自动气象站自动气象站 英国英国DeltaT 的的WS自动气象站自动气象站三、农田气候信息采集处理系统应用软件 第三节 农田气候信息的采集与处理 第四节 土壤信息的采集与处理 一、土壤含水量的监测二、土壤养分成分的监测 三、智能化农田节水灌溉监控系统 第四节 土壤信息的采集与处理 一、土壤含水量的监测 l TDR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度监测系统 l FDR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 第四节 土壤信息的采集与

23、处理 一、土壤含水量的监测 （一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 n TDR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 通过测定电磁波沿插入土壤的探针传通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来测定土壤介电常数，进而计播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算整个探针长度土层土壤平均体积含水量水量n 可以直接、快速、方便、可靠地同时可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况独立监测土壤水盐状况n 测定结果几乎与土壤类型、密度、温测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关度等因素无关n 无需埋设中子管无需埋设中子管n 缺点是仪器价格昂

24、贵缺点是仪器价格昂贵 TDRTDR法的特点法的特点 第四节 土壤信息的采集与处理 一、土壤含水量的监测 （一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 TDRTDR系统的组成系统的组成 输出幅度稳定、输出幅度稳定、频率可调频率可调（20MHz1GHz）的系列阶跃脉冲的系列阶跃脉冲信号信号 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的测量间的测量 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步，以便在显示器上显示和测量收器同步，以便在显示器上显示和测量 应用脉冲调制技术，应用脉冲调制技术，将接收到的高频反射将接收到的高频反射脉冲

25、信号变换为低频脉冲信号变换为低频脉冲信号，送往示波脉冲信号，送往示波器显示、测量器显示、测量 第四节 土壤信息的采集与处理 一、土壤含水量的监测 （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的波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒的的波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，并在探头周围产生一个电磁场，由于波导棒终端始端传播到终端，并在探头周围产生一个电磁场，由于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。检测脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的

26、衰减，可以反映出从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。 n 土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。n 介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。TDRTDR监测土壤水盐的原理监测土壤水盐的原理 第四节 土壤信息的采集与处理 TDRTDR土壤水分测定系统的应用土壤水分测定系统的应用 一、土壤含水量的监测 （一）（一）TDRTDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 n 常见的常见的TDR土壤水分测定系统有土壤水分测定系统有Tr

27、ase土壤水分土壤水分测定系统、测定系统、Trime土壤水分测定系统等。土壤水分测定系统等。n 不同型号的不同型号的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等不同长等不同长度的波导探头可供选择度的波导探头可供选择;n 可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量,剖剖面湿度最深可达面湿度最深可达3m。n 如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测。点土壤水

28、分同时监测。 第四节 土壤信息的采集与处理 （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、土壤含水量的监测 n 土壤含水量与毛管力之间具土壤含水量与毛管力之间具有一定的函数关系，毛管力有一定的函数关系，毛管力变化能够反映土壤含水量变变化能够反映土壤含水量变化。化。n 负压计，又称张力计，以测负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况土壤水分状况 第四节 土壤信息的采集与处理 （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、土壤含水量的监测 n 负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。

29、n 陶瓷杯埋于所测的土壤中，负压计内部的水分陶瓷杯埋于所测的土壤中，负压计内部的水分通过陶瓷杯上的微孔同土壤水分进行交换而使通过陶瓷杯上的微孔同土壤水分进行交换而使内外水势渐趋平衡，由于水分渗入和渗出使负内外水势渐趋平衡，由于水分渗入和渗出使负压计读数发生变化，仪器上所指示的负压值即压计读数发生变化，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。率。 第四节 土壤信息的采集与处理 （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、土壤含水量的监

30、测 n 负压计结构简单、易于制造、价钱便宜、使用方便，可以在不同测负压计结构简单、易于制造、价钱便宜、使用方便，可以在不同测点多处埋设，可进行连续多次观测。点多处埋设，可进行连续多次观测。n 但需要提前测定土壤水分特性曲线来换算土壤含水量，安装前要注但需要提前测定土壤水分特性曲线来换算土壤含水量，安装前要注水除气、密封和标定，需要水除气、密封和标定，需要12d的土壤吸力平衡过程才能正常观测的土壤吸力平衡过程才能正常观测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，适用于灌时会使陶瓷杯

31、击穿，因而不适合于干旱土地，适用于灌溉地、喷灌和滴灌田。溉地、喷灌和滴灌田。n 同时，负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差，观测结果同时，负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差，观测结果具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况。具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况。 第四节 土壤信息的采集与处理 （三）中子土壤湿度仪（三）中子土壤湿度仪 一、土壤含水量的监测 n 利用中子热化原理，快中子源发出的利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出土壤含水量。子数

32、量计算出土壤含水量。n 土壤含水量愈多，快中子转化为慢中土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。的计数转换为土壤含水量值。 第四节 土壤信息的采集与处理 （三）中子土壤湿度仪（三）中子土壤湿度仪 一、土壤含水量的监测 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的慢中子通道。计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。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

33、预设的测量孔某一位置，即可测出插入预设的测量孔某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。该位置（点）周围的土壤含水量。n 沿测孔上下移动即可测定不同深度土层沿测孔上下移动即可测定不同深度土层的土壤含水量，可测量多达的土壤含水量，可测量多达30m深的土深的土壤剖面含水量。壤剖面含水量。 第四节 土壤信息的采集与处理 （三）中子土壤湿度仪（三）中子土壤湿度仪 一、土壤含水量的监测 n 中子仪法的特点是能快速、周期性的反复测定深层土壤含水中子仪法的特点是能快速、周期性的反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

34、器价格较贵，需要提前埋设铝管，导致设备成本较高，同仪器价格较贵，需要提前埋设铝管，导致设备成本较高，同时时30cm表土层因辐射危害健康，需要采用其它方法测定。表土层因辐射危害健康，需要采用其它方法测定。n 目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。监测仪。 第四节 土壤信息的采集与处理 （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、土壤含水量的监测 n 通过测量埋入土壤中通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿从而间接求得土壤

35、湿度度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 根据土壤介电常根据土壤介电常数随土壤湿度变数随土壤湿度变化的原理来测定化的原理来测定土壤湿度土壤湿度n 受土壤盐分的影受土壤盐分的影响较小响较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四节 土壤信息的采集与处理 （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、土壤含水量的监测 n 如石膏块土壤水分测定系统，通过测量石膏块内两个电极间的如石膏块土壤水分测定系统，通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。电阻可以显示含水量。n 石膏块永久埋

36、入土壤中，寿命为石膏块永久埋入土壤中，寿命为35年，适用于干燥土壤环境年，适用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围（张力计无法使用），测量范围3100kPa。 第四节 土壤信息的采集与处理 一、土壤含水量的监测 （五）（五）FDRFDR土壤水分测定系统土壤水分测定系统 n FDR 频域反射仪是一种用于测量土壤水频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数表观介电常数, 从而得到土壤容积含水量。从而得到土壤容积含水量。n FDR具有简便安全、快速准确、定点连

37、续、具有简便安全、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壤干旱条件下测定结果误差小于TDR。n FDR的探针类似于的探针类似于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%的体积湿度，的体积湿度，精确度为精确度为2%。第四节 土壤信息的采集与处理 一、土壤含水量的监测 （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的方法具有宏观、高时效、经济、利用卫星遥感监测土壤水分的方法具有宏观、高时效、经济、视野广、周期快和动态条件好等

38、特点视野广、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估的重要手段成为区域性土壤水分和农作物干旱监测与评估的重要手段n 遥感技术可以迅速、大面积与多时相地获得地面信息，且具有遥感技术可以迅速、大面积与多时相地获得地面信息，且具有简便、不破坏环境的特点，而且其监测点点俱到简便、不破坏环境的特点，而且其监测点点俱到, 较容易画出土较容易画出土壤不同含水量区域之间的界线，便于对不同含水量区域面积的壤不同含水量区域之间的界线，便于对不同含水量区域面积的统计和分析，已成为一种监测土壤含水量的全新方法。统计和分析，已成为一种监测土壤含水量的全新方法。 第四节 土壤信息的采集与处理

39、一、土壤含水量的监测 （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，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的关系，确定土壤含水量。段反射率的关系，确定土壤含水量。n 裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法获取的热图像数据推算一是通过热红外遥感方法获取的热图像数据推算地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间的定量关系，推算

40、土壤湿度的地区地表温度之间的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。分布。n 此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用此外，还可采用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。二、土壤养分成分的监测 第四节 土壤信息的采集与处理 （一）土壤养分的连续流动分析（一）土壤养分的连续流动分析n 连续流动分析技术（连续流动分析技术（Continuous-Flow Analysis-CFA）将样品显色）将样品显色与检测合为一体，使浸提样品的检测效率成倍提高与检测合为一体，使浸提样品的检测效率成倍提高n 德国布朗卢比公司推出的德国布朗卢比公司推出的AutoAnalyzer 3系统，由

41、自动进样器、系统，由自动进样器、蠕动泵、化学分析盒、检测器和计算机等蠕动泵、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二、土壤养分成分的监测 第四节 土壤信息的采集与处理 （一）土壤养分的连续流动分析（一）土壤养分的连续流动分析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，多功能化学分析盒，高低量程转换，不用装电表打印，多功能化学分析盒，

42、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、食品等样品的自动检测植株、肥料、食品等样品的自动检测 二、土壤养分成分的监测 第四节 土壤信息的采集与处理 （一）土壤养分的连续流动分析（一）土壤养分的连续流动分析二、土壤养分成分的监测 第四节 土壤信息的采集与处理 （二）土壤养分成分监测（二）土壤养分成分监测ISFETISFET法法 n 化学量传感器是继物理量传感器之后兴起的另一类传感器。化学量传感器是继物理量传感器之后兴起的另一类传感器。n 化学量传感器的传感对象包括离子与分子。

43、化学量传感器的传感对象包括离子与分子。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的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的传感器。传感器。n 离子传感器的基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上的离子离子传感器的基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电流的改变。流的改变。 二、土壤养分成分的监测 第四节 土壤信息的采集与处理 n ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor）即离子敏场效应晶体管或称离子选择性

44、场即离子敏场效应晶体管或称离子选择性场效应管是常见的离子传感器效应管是常见的离子传感器n ISFET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的、对离子具有一定选择性的管组合而成的、对离子具有一定选择性的新型半导体器件，能在被测离子作用下产新型半导体器件，能在被测离子作用下产生相应的漏生相应的漏源电流源电流IDS，以显示该种离子，以显示该种离子的浓度的浓度 （二）土壤养分成分监测（二）土壤养分成分监测ISFETISFET法法 第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 n 其离子的主要探测元件为固态或液态的离子敏感膜，选择不同的其离子的主要探测元件为

45、固态或液态的离子敏感膜，选择不同的敏感膜，可以测定不同的离子浓度。敏感膜，可以测定不同的离子浓度。n ISFET主要主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl、F、Br、I、CN、Ag+、S2、NH4+等几种。等几种。n 也可以将也可以将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，通过模拟开关使通过模拟开关使4个个ISFET输出信号，分别测定离子的浓度。输出信号，分别测定离子的浓度。n 对于土壤营养监测来说，对于土壤营养监测来说，ISFET器件的技术关键是在于离子选择性器件的技术关键是在于离子选择性敏感膜的研制。敏感膜的研制。n 可以将多可以将多ISFET传感器集

46、成到传感器集成到FIA（Flow Injection Analysis）系统中）系统中进行土壤营养成分的监测。也可以用进行土壤营养成分的监测。也可以用ISFET连续检测土壤连续检测土壤pH值。值。 （二）土壤养分成分监测（二）土壤养分成分监测ISFETISFET法法 第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （三）土壤养分测试仪（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，可测定土壤速效氮、速效磷、有可测定土壤速效氮、速效磷、有效钾、全氮、全磷、全钾、有机效钾、全氮、全磷、全钾、有机质含量、土壤酸碱度及土壤含盐质含量、土壤酸碱度及土壤含盐量（定量）等

47、指标，具有存储和量（定量）等指标，具有存储和打印功能。打印功能。 n 国内外已研制出适宜于野外使用的众多型号的土壤养分国内外已研制出适宜于野外使用的众多型号的土壤养分和肥料快速测定设备。和肥料快速测定设备。第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （三）土壤养分测试仪（三）土壤养分测试仪 n 国外生产的国外生产的Rqflex 便携式反射光度计便携式反射光度计土壤养分测定仪，利用土壤养分测定仪，利用反射分光光度计原理，用于多种有机物质和无机离子的快速测定，反射分光光度计原理，用于多种有机物质和无机离子的快速测定，测试的种类包括氨态氮、硝态氮、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、硫酸测试的种类包括氨

48、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、过氧盐、钙、氯、铬、钴、铜、铝、铁、铅、镁、锰、钼、镍、过氧化物、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，可方便用户即时决策。可方便用户即时决策。n 仪器主要包括显色试纸、含仪器校正仪器主要包括显色试纸、含仪器校正和控制功能的条形码、反射光度计表和控制功能的条形码、反射光度计表头三个部分头三个部分第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （三）土壤养分测试仪（三）土壤养分测试仪 n 利

49、用可见和近红外光谱技术，结合数利用可见和近红外光谱技术，结合数据挖掘和融合技术，研制而成的光谱据挖掘和融合技术，研制而成的光谱法土壤养分分析仪，是一种新型土壤法土壤养分分析仪，是一种新型土壤养分快速测试分析方法，不破坏样品，养分快速测试分析方法，不破坏样品，不需要化学试剂，不需要前处理，即不需要化学试剂，不需要前处理，即可实现了土壤养分的实时快速测试。可实现了土壤养分的实时快速测试。n 可以测试土壤、肥料、植株中全量的可以测试土壤、肥料、植株中全量的和速效的氮、磷、钾；和速效的氮、磷、钾； 有机质和酸碱有机质和酸碱度，可溶性含盐量以及腐殖酸的含量度，可溶性含盐量以及腐殖酸的含量 第四节 土壤信

50、息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （四）土壤盐分的监测（四）土壤盐分的监测 n 大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率的专门仪器。大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率的专门仪器。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种电极式传感器，采用电流接触式土壤电导率传感器是一种电极式传感器，采用电流电压四端法，将恒流电源、电压表、电极和土壤构成回路，电压四端法，将恒流电源、电压表、电极和土壤构成回路，用车辆牵

51、引并集成用车辆牵引并集成GPS系统，用于测定土壤电导率。系统，用于测定土壤电导率。第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （四）土壤盐分的监测（四）土壤盐分的监测 n 如美国的如美国的Veris公司的公司的Veris3100大地电导仪，有大地电导仪，有6个犁刀式电极，用车个犁刀式电极，用车辆牵引并集成辆牵引并集成GPS系统，可同时获得系统，可同时获得030.5cm和和091.5cm的土壤电的土壤电导率，每隔导率，每隔1s记录一组数据，记录在闪存中，经过配备的专门数据处记录一组数据，记录在闪存中，经过配备的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。理与分析软件，就可得到

52、农田土壤电导率分布图。第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （四）土壤盐分的监测（四）土壤盐分的监测 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公司的公司的EM38大地电导大地电导仪，重量较轻，长度也仅仪，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，它可以产生主其要工作原理是在电导仪后端有一个小型发射线圈，它可以产生一个随时间变化的初级磁场，这个磁场在大地中诱导出微小电子涡一个随时间变化的初级磁场，这个磁场在大地中诱导出微小电子涡流，而其前端

53、有一个小型接受线圈，这个接受器既接受发射线圈产流，而其前端有一个小型接受线圈，这个接受器既接受发射线圈产生的磁场，又接受由初级磁场诱导出的次级磁场，通过测量诱导出生的磁场，又接受由初级磁场诱导出的次级磁场，通过测量诱导出的次级磁场来测量大地电导率。其主磁场强度和副磁场强度比值与的次级磁场来测量大地电导率。其主磁场强度和副磁场强度比值与电导率呈线性关系。电导率呈线性关系。第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 （四）土壤盐分的监测（四）土壤盐分的监测 n 正常进行测定时，只要把仪器放在地上，就可记录土壤含盐量。正常进行测定时，只要把仪器放在地上，就可记录土壤含盐量。n 也可以把它安

54、装在木制滑桥上，以步行速度在地上拖着走，并用也可以把它安装在木制滑桥上，以步行速度在地上拖着走，并用DSA70数采将数据上连续记录下来，（大约每隔数采将数据上连续记录下来，（大约每隔0.3m记一次数），在一小时以记一次数），在一小时以内记下内记下3000个数据，从而完成密集数据采集，探测深度达个数据，从而完成密集数据采集，探测深度达1.5m。n 配套配套Map图形软件可以绘制土壤含盐量地理轮廓图像。图形软件可以绘制土壤含盐量地理轮廓图像。 （五）土壤样品自动化采集系统（五）土壤样品自动化采集系统 第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 n 土壤样品自动化采集系统系统土壤样品自动化

55、采集系统系统由取样管、导向器、液压油缸、由取样管、导向器、液压油缸、采样头定位器、移动滑道、底采样头定位器、移动滑道、底座加强套、液压动力单元、动座加强套、液压动力单元、动力单元固定座、立柱导向固定力单元固定座、立柱导向固定器、支撑底座、立柱及器、支撑底座、立柱及GPS导向导向记录系统组成。记录系统组成。（五）土壤样品自动化采集系统（五）土壤样品自动化采集系统 第四节 土壤信息的采集与处理 二、土壤养分成分的监测 n 将系统固定在皮卡外侧槽的顶部，通过液压油缸固定架移动滑道将将系统固定在皮卡外侧槽的顶部，通过液压油缸固定架移动滑道将取土系统向外滑出，调整好土壤取样的深度，利用系统提供的两根取土

56、系统向外滑出，调整好土壤取样的深度，利用系统提供的两根辅助固定杆将系统固定在皮卡货物箱的顶部，然后使液压油缸处于辅助固定杆将系统固定在皮卡货物箱的顶部，然后使液压油缸处于直列状态。直列状态。n 将液压动力单元上的两条动力线直接连接在拖拉机电瓶上，按动控将液压动力单元上的两条动力线直接连接在拖拉机电瓶上，按动控制按键上的制按键上的“上升上升”和和“下降下降”按钮即可完成土壤的取样工作。土按钮即可完成土壤的取样工作。土壤样品取出后放在塑料袋内保存，将壤样品取出后放在塑料袋内保存，将GPS取样点坐标记录在土壤样取样点坐标记录在土壤样品袋标签上。品袋标签上。 三、智能化农田节水灌溉监控系统 第四节 土

57、壤信息的采集与处理 （一）系统构成（一）系统构成 n 多路传感器多路传感器n 系统信息采集主机、系统信息采集主机、微机及外设等微机及外设等 三、智能化农田节水灌溉监控系统 第四节 土壤信息的采集与处理 1 1传感器传感器 （一）系统构成（一）系统构成 n 水势水势n 水位水位n 温度温度n 离子总浓度离子总浓度n 相对湿度相对湿度 2 2系统主机系统主机n 程控多路开关阵列程控多路开关阵列n 衡流源衡流源n 隔离变送放大器隔离变送放大器n 12位位A/D变换器变换器三、智能化农田节水灌溉监控系统 第四节 土壤信息的采集与处理 （二）系统功能（二）系统功能1 1信息采集信息采集 2 2信息处理与

58、显示信息处理与显示3 3信息管理信息管理4 4灌溉管理灌溉管理第五节 设施农业环境监控与管理一、温室环境监控与管理二、果蔬贮藏环境监控与管理一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理n 温室要求对温室内温度、湿度、光照、温室要求对温室内温度、湿度、光照、CO2等环境因子进行等环境因子进行监控，需要采集环境信息和实现实时控制。监控，需要采集环境信息和实现实时控制。n 计算机监控系计算机监控系统软硬件构成统软硬件构成如图如图 温室环境监测系统软件界面温室环境监测系统软件界面 一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理温室环境监测系统状态显示界面（一）温室环境监测系统状态显示界面

59、（一） 一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理温室环境监测系统状态显示界面（二）温室环境监测系统状态显示界面（二） 一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理温室环境监测系统环境因子变化曲线图温室环境监测系统环境因子变化曲线图 一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理（一）温室环境监测系统（一）温室环境监测系统 1 1温度、湿度监测温度、湿度监测2 2光合有效辐射的监测光合有效辐射的监测3 3COCO2 2浓度监测浓度监测温室环境监测系统传感器组成温室环境监测系统传感器组成 一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理（二）温室环境控制系统（二）温室

60、环境控制系统 n计算机根据传感器的实计算机根据传感器的实际测量与事先设定的目际测量与事先设定的目标值进行比较标值进行比较n然后决定温室环境的控然后决定温室环境的控制过程，控制相应机构制过程，控制相应机构进行温度调节（加热、进行温度调节（加热、冷却）、湿度调节（加冷却）、湿度调节（加湿、去湿）、光照调节湿、去湿）、光照调节（补光、遮荫）、（补光、遮荫）、CO2浓度调节（通风、人工浓度调节（通风、人工增施增施CO2）等）等 温室环境温室环境控制系统控制系统示意图示意图 一、温室环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理温室环境监控管理系统温室环境监控管理系统 二、果蔬贮藏环境监控与管理第五节 设施农业环境监控与管理（一）果蔬冷库储藏方法与