周金俊，夏云帆，繆 宏，戴 敏，張善文，張燕軍

(1.泰州櫻田農(nóng)機制造有限公司，江蘇 泰州 225500；2.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225100)

0 引 言

近年來，蔬菜栽培規(guī)模呈現(xiàn)急劇增長態(tài)勢,其中設(shè)施蔬菜的比例達70%, 設(shè)施蔬菜秸稈殘留問題日益突出, 處理不好將導(dǎo)致病蟲害防治的二次傳染,造成溫室園區(qū)的點源與面源污染,需引起重視[1]。設(shè)施蔬菜秸稈含水量高,采用傳統(tǒng)直接燃燒、能量化、飼料化、原料化等處置方法需要曬干,效益低,占地多,不適宜溫室區(qū)域作業(yè), 秸稈直接腐化還田可以大幅度減輕作業(yè)強度，節(jié)省多個中間運輸環(huán)節(jié)，還可提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)從業(yè)者的環(huán)保意識[2]。設(shè)施溫室環(huán)境適宜秸稈的腐化還田，需要基于溫室環(huán)境—土壤信息的高效節(jié)能智能化環(huán)控模型的溫室環(huán)境信息和還田秸稈腐化指標(biāo)數(shù)據(jù)管理、處理以及反饋平臺，實現(xiàn)通過溫室環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化精準(zhǔn)控制秸稈腐化還田效率與質(zhì)量。

1 溫室秸稈還田土壤狀態(tài)采集分析技術(shù)研究

針對溫室秸稈腐化還田環(huán)境下“土壤—秸稈—環(huán)境”關(guān)系復(fù)雜，環(huán)境干擾因素導(dǎo)致土壤信息時空變異大，在線實時檢測效率低、不準(zhǔn)確、過程繁瑣等問題，采用基于光電和波譜特性的光譜儀器與相應(yīng)田間作業(yè)裝備以及土壤參數(shù)快速獲取和分析技術(shù)，為了盡量減小環(huán)境光、儀器本身和土壤粒徑大小等因素影響，每個樣本采集多條光譜，取平均值作為這個樣本的光譜數(shù)據(jù)，從秸稈腐化還田過程中的土壤pH值、濕度、含氮量等參數(shù)的光譜特征著手，通過分析不同秸稈腐化還田土壤參數(shù)下的光譜特征變化，研究外界光照條件、溫度、濕度等復(fù)雜環(huán)境和原位土壤粒度干擾因素對光譜特征檢測及檢測精度的影響，融合外界信息參數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)正太變量變換、平滑去噪、異常篩選、光譜變換中倒數(shù)的對數(shù)微分等預(yù)處理方法[3]，分別對原始光譜進行一階微分、多元散射校正和變量標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，有效去除光譜噪聲，從而確定較優(yōu)的光譜數(shù)據(jù)。

釆用建模方法對這些預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進行建模分析，優(yōu)化處理采集光譜特征信息，并與對應(yīng)的實測值進行相關(guān)性分析，研究標(biāo)準(zhǔn)圖譜智能匹配與動態(tài)優(yōu)化技術(shù)，使用連續(xù)投影算法和遺傳最小二乘法，選擇特征波長并提取土壤樣品中感興趣區(qū)域的光譜，將第一主成分圖像信息和光譜信息作為灰度共生矩陣，將現(xiàn)場pH 值、濕度、氮含量等土壤參數(shù)與圖像信息數(shù)據(jù)和光譜信息數(shù)據(jù)相結(jié)合，創(chuàng)建預(yù)測/分類識別分析模型，開發(fā)秸稈腐化深還田土壤信息在線實時檢測裝置（如圖1 所示），以期實時準(zhǔn)確的獲取秸稈腐化深還田土壤pH 值、濕度與含氮量的參數(shù)信息，為秸稈可控還田與環(huán)境調(diào)控提供實時決策，技術(shù)路線如圖2 所示。

圖1 多源感知的土壤智能監(jiān)測裝置

圖2 秸稈腐化深還田土壤實時分析技術(shù)路線

2 多源感知的土壤智能監(jiān)測裝置

多源感知的溫室土壤智能監(jiān)測裝置包括車載移動模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)收集模塊、閾值處理模塊、控制裝置模塊、空氣檢測箱，其中，數(shù)據(jù)感知模塊傳感器包括可見—近紅外—中紅外光譜傳感器、溫度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤酸堿計，用于實時采集土壤的成分、溫度、濕度和酸堿度信息，車載式無線數(shù)據(jù)收發(fā)器用于收集感知區(qū)域內(nèi)的無線傳感器收集數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)收集模塊，以此研究溫室秸稈還田土壤有機質(zhì)、全氮、pH 值等實時分析方法，研究標(biāo)準(zhǔn)圖譜智能匹配與動態(tài)優(yōu)化技術(shù)，并結(jié)合基于衛(wèi)星遙感影像、地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)格和車載在線檢測等多源數(shù)據(jù)的土壤墑情信息檢測技術(shù)，開發(fā)融合設(shè)施溫室土壤環(huán)境大數(shù)據(jù)的土壤—作物信息一體化實時反饋決策系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)施溫室內(nèi)部土壤環(huán)境的多源信息實時獲取、分析與科學(xué)決策。

3 結(jié) 語

本文提出的采用基于多源信息融合的秸稈腐化深還田土壤實時分析技術(shù)可以大幅提高溫室土壤修復(fù)質(zhì)量與效率，同時集成創(chuàng)新研制的土壤智能監(jiān)測裝備，可以解決目前溫室土壤監(jiān)測處理難度大、成本高、速度慢、管理繁瑣以及智能化水平不高等問題，突破長期制約溫室土壤修復(fù)的重要科學(xué)瓶頸，提高溫室土壤提質(zhì)智能化水平和作業(yè)效率，有效減少溫室土壤的連作障礙與設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。