近红外反射土壤水分测量方法及主要仪器综述(3)
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【摘要】2.1 实验室商用仪器 1985 年,Kano 等人[24]设计了有两个固定滤光片、双通道检测器的土壤水分测定仪器,通过求积圆柱体和两个小窄带干涉滤光片1 800 nm 和
2.1 实验室商用仪器
1985 年,Kano 等人[24]设计了有两个固定滤光片、双通道检测器的土壤水分测定仪器,通过求积圆柱体和两个小窄带干涉滤光片1 800 nm 和1 940 nm 得到光谱反射强度,然后确定土壤水分含量,对于土壤含水率为5%-35%的粘壤土,测量的标准误差为1.9%。彭玉魁等人[25]采用美国Neotec 公司生产的51A 型近红外光谱分析仪对中国黄土区的土壤水分进行了分析评价,该仪器的旋转滤波系统装有6 个倾斜式滤光片,共计768 个波长点,扫描1 500-2 360 nm 近红外光谱区,分析结果表明红外光谱分析法与实验室化学分析法之间具有较高的相关性,具有快速、准确、低耗等优点。光栅扫描型仪器是近红外仪器的主流,与滤光片型仪器只能获得几个确定波长下的光谱数据不同,光栅扫描型仪器能够获取一定波长范围内的光谱图,通过化学计量学技术全谱校正和建模方法的应用,可以提取更多样品结构信息。Chang 等[26]利用光栅扫描型光谱仪对土壤样品的400-2 498 nm 波段范围进行光谱数据采集,测得土壤水分含量标准偏差为3.5%,均方根误差(RMSE)为2.0%。
孙建英等人[27]采用由美国Thermo Nicolet 公司生产的Antaris 型傅里叶变换近红外光谱仪,以中国北方潮土为研究对象对其进行土壤水分测量,该光谱测量仪配有光导纤维探头,可直接将探头插土壤中进行测定,该仪器的光谱测量范围为833-2 500 nm。采用傅里叶变换近红外光谱仪对采集的原始土样测量得到吸收光谱数据,进行相关分析后建立了土壤水分的预测模型,并为后期开发便携式土壤水分测量仪奠定基础。何挺等人[28]采用ASD Pro FR 地物光谱仪在波长为350-2 500 nm 的范围内分析了不同类型土壤的测试光谱数据,通过建立光谱与土壤含水率的定量关系以及探测土壤水分含量最为敏感的光谱特征,确定了土壤含水率与 1 450 nm 处的光谱吸收特征峰面积、位置和深度存在良好的线性回归关系。
2.2 便携式近端感应仪器
传统的商用近红外光谱仪器重量大,且体积较大,在一定环境条件下不容易接近被测样品,因此不适合用于野外现场监测。近端感应测量技术包括手持式测量系统,能够实现现场快速检测土壤特性。
从光源和探测改进方面提高仪器的便携性,Zhou 等[29]设计了一种基于LED 光源的反射式近红外土壤水分探测器,探测器由可以发出不同波段的LED 光源和光源探测器组成,可以用于野外实时监测土壤水分含量。Ben-Dor 等人[30]设计了一款手持式近红外光谱探测器,仪器首先被插入一个事先钻好的圆柱形孔中,当探测器的探头达到测试深度后,开启仪器并收集土壤的光谱数据,将收集到的土壤反射光信号通过光纤传输到数据采集系统中进行后续数据分析与处理,测量得到土壤剖面一些土壤参数。
Auer 和Bowie[31]研发了一种用于测量一定深度下土壤水分含量的仪器,能够实现土壤不受扰动且测量结果不受土壤类型和土壤质地影响。基于光谱技术,Kano 和Skaggs[24]开发了一种便携式仪器,并通过相关试验对该仪器性能进行了相关分析,但测量结果受到土壤类型以及土壤质地的影响。Hummel 等人[32]研发了一种实时的便携式光谱测量仪器,测量波长范围为400-1 700 nm,用于测量地下土壤的反射率,通过分析反射光谱确定土壤水分等相关土壤参数。
一些学者设计了近红外传感器,将其安装在牵引机上,作为行走式土壤含水率测量系统[33]。行走式田间实时测量仪器主要通过钢柄底部的滤光片而测量获得土壤的反射数据,测量结果可以指导农田灌溉作业。
3 结论
近红外反射光谱技术是一门涉及多学科交叉融合的研究领域,包括光谱学、数学、分析化学和仪器设计等。将近红外光谱法代替传统的土壤分析方法,对土壤测试领域的发展具有重要的意义,传统土壤分析方法取样和样品制备需要消耗大量的人力和物力。近端感应技术在土壤水分测量方面具有显著的优势,但在实际应用过程中仍存在影响测试结果的限制因素,如土壤表面植被、砾石、土壤盐分、土壤颜色和质地等,针对目前近红外反射光谱技术国内外的研究进展,提出以下几方面的展望建议。
3.1 模型发展
近红外光谱法对土壤水分的准确测量要依靠预测模型,因此必须应用化学计量学技术建模,从模型中找出相关的信息。因为样品的类型不同,要使样品的物理和化学特性包含在校正模型中,就必须应用不同的校正模型。目前,通用预测模型满足所有类型土壤水分的测量还难以实现,未来也是一个突破点和研究方向。
文章来源:《反射疗法与康复医学》 网址: http://www.fslfykfyx.cn/qikandaodu/2021/0726/540.html
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