土壤水分对近红外光谱实时检测土壤全氮的影响研究

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1、第33卷，第3期光谱学与光谱分析Vo1．33，No．3，pp677—6812013年3月SpectroscopyandSpectralAnalysisMarch，2013土壤水分对近红外光谱实时检测土壤全氮的影响研究安晓飞，李民赞，郑立华，刘玉萌，孙红“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室，中国农业大学，北京100083摘要利用近红外光谱技术实时预测土壤全氮含量是精细农业的研究热点之一，但是由于土壤水分在近红外波段的吸收系数较高，影响了土壤全氮含量的实时预测精度。使用布鲁克MATRIX_I傅里叶近红外光谱分析仪对不同土壤水分的土壤样本进行了近

2、红外光谱扫描，定性和定量的分析了土壤水分对近红外光谱的影响，并提出了一种消除土壤水分对土壤全氮含量预测影响的方法。近红外光谱扫描结果显示在同一全氮含量水平下，随着土壤水分含量的增加，光谱吸光度呈逐渐上升的趋势，且变化趋势为非线性。通过对1450和1940m两个水分吸收波段的差分处理，设计了水分吸收指数MAI(moistureabsorbanceindex)，再对土壤按照水分含量梯度进行分类，提出了相应的修正系数。修正后的6个土壤全氮特征波段处(940，1050，1100，1200，1300和1550nm)的土壤吸光度值作为建模自变量，使用BP神经网

3、络建立了土壤全氮预测模型，模型的Rc，Rv，RMSEC，RMSEP和RPD分别达到了0．86，0．81，0．06，0．05和2．75；与原始吸光度所建模型相比较模型精度得到了显著提高。实验结果表明本方法可以有效地消除土壤水分对近红外光谱检测土壤全氮含量预测的影响，为土壤全氮含量实时预测提供了理论和技术支持。关键词土壤水分影响；近红外光谱技术；土壤全氮；精细农业中图分类号：0657．3；$151．9文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000—0593(2013)03—0677—05虽然土壤水分对近红外光谱影响的研究取得了一些进引言展

4、，不同的学者对土壤部分参数(土壤有机质、速效磷、速效钾)预测建模进行了详细的分析和细致的探索。但是土壤水近红外光谱分析方法具有快速、高效、无损和适合在线分对于土壤全氮预测影响的研究还较少。此外，大部分研究分析等优点。近年来，采用近红外光谱技术实时获取土壤养集中在水分对光谱的影响，并没有给出具体的消除影响的方分信息，成为了国内外学者研究的热点rl]。土壤全氮(soil法。因此，开展土壤水分对近红外光谱检测土壤全氮的影响totalnitrogen，STN)是最重要的土壤养分之一，许多研究探研究是非常必要的。索了使用近红外光谱技术检测土壤全氮含量的模型，

5、模型精度达到了相当高的水平[5]。但是，这些研究也存在一些问1实验部分题，主要表现在土壤粒度和土壤水分(soilmoisturecontent，SMC)会对土壤全氮含量预测带来严重干扰。Bowers，中国农业大学上庄实验站位于北京市海淀区上庄镇辛力Bogrekci，Brichlemyer和Minasnyc。等对土壤水分对近红屯村，占地66．67hmz。本研究中土壤采自实验站玉米田地外光谱检测土壤参数的影响做出了分析，并提出了一些消除土壤，采集范围为东经116．10365082。一116．10374239。，方法。Minasny使用外部参数正交化消除

6、了土壤有机质预测北纬40．075829492。一4O．075844864。，土壤类型属于褐土过程中水分的影响，并讨论了参数最优的问题；Bogrekci对土质，具有很强的代表性。采样深度为除表层土壤后1～2O土壤速效磷预测过程中土壤水分的影响进行了分析；Jamescm，采样质量为1．0～1．5kg。对土壤有机质和pH进行了预测，使用偏最小二乘(PLSR)实验采用德国布鲁克公司生产的MATRIX_I型傅里叶的方法建立了土壤有机质和pH的预测模型，模型显示水分变换近红外光谱分析仪，仪器带有旋转样本池，可以直接将对土壤有机质的影响较小，对土壤pH的影响较大

7、。少许土壤放人样本池中进行测量。光谱测量范围、分辨率和收稿日期：2012—08—17。修订日期：2012-11-18基金项目：国家自然科学基金重点项目(61134O11)和国家科技支撑项目(2011BAD21B01)资助作者简介：安晓飞，1986年生，中国农业大学博士研究生e-mail：anxiaofei@cau．edu．ca*通讯联系人e-mail：limz@cau．edu．ci1678光谱学与光谱分析第33卷扫描次数可以根据需要自己设置。光谱仪的光谱测量范围设Table1Statisticsofsoilsamples定为12798～3599cm

8、-(781～2779nm)；分辨率为4cm_。；波数精度为0．1cm-；扫描次数为32次[1。土壤全氮测量使用瑞典福斯公司