[發明專利]土壤含水率和含氮量監測方法、裝置、設備及存儲介質

有效

• 申請號: 202010099707.8
• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN111257374B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 石慶蘭;劉曉辰;梅樹立;范家林;石玉嬌;龍昱光;凌毅立
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;G01N27/22;G06F17/15
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 鄭朝然

1.一種土壤含水率和含氮量監測方法，其特征在于，包括：

測量待測土壤對應的電壓值、電阻值和電容值；

將所述電壓值、所述電阻值和所述電容值輸入土壤含水率和含氮量預測模型，輸出所述待測土壤對應的含水率和含氮量；

其中，所述土壤含水率和含氮量預測模型為，以監測到的土壤樣本的電壓值、電阻值和電容值為訓練樣本，以所述土壤樣本對應的含水率和含氮量為訓練標簽進行訓練得到。

2.根據權利要求1所述的土壤含水率和含氮量監測方法，其特征在于，所述方法還包括：

將采集得到的土壤進行烘干處理，得到土壤原始樣本；

將不同特定含量的尿素與水混合配成溶液，分別與特定含水率和含氮量的所述土壤原始樣本進行混合并攪拌均勻，配制成多組土壤待處理樣本，并測定所述多組土壤待處理樣本各自的含氮量；

將土壤水分測量傳感器安裝在所述土壤待處理樣本中，對所述多組土壤待處理樣本分別進行排空氣處理，得到多組所述土壤樣本；

對于多組土壤樣本中的每一組，間隔固定時間測量所述土壤樣本當前的電壓值、電阻值、電容值和含水率，直至所述土壤樣本的含水率下降至預設值。

3.根據權利要求2所述的土壤含水率和含氮量監測方法，其特征在于，所述間隔固定時間測量所述土壤樣本當前的電壓值、電阻值、電容值和含水率，包括：

對所述土壤樣本稱重，獲取所述土壤樣本當前的重量；

根據所述土壤樣本當前的重量和對應的土壤原始樣本的重量得到所述土壤樣本當前的含水率；

使用土壤水分測量傳感器，測量得到所述土壤樣本在當前土壤的含水率條件下，所述土壤水分測量傳感器的檢測電路輸出的電壓值；

使用電橋測試電路，測量得到所述土壤樣本在當前土壤的含氮量條件下，所述電橋測試電路輸出的電阻值和電容值。

4.根據權利要求2所述的土壤含水率和含氮量監測方法，其特征在于，對所述多組土壤待處理樣本分別進行排空氣處理，包括：

對于所述多組土壤待處理樣本中的每一組，分層裝入容器中，砸實每層待處理土壤樣本，直至所述土壤待處理樣本整體裝入所述容器中。

5.根據權利要求1所述的土壤含水率和含氮量監測方法，其特征在于，所述將所述電壓值、所述電阻值和所述電容值輸入土壤含水率和含氮量預測模型，輸出所述待測土壤對應的含水率和含氮量，包括：

將所述待測土壤對應的電壓值、電阻值和電容值由所述土壤含水率和含氮量預測模型的輸入層經過加權求和傳遞至所述土壤含水率和含氮量預測模型的隱藏層，隱藏層再通過激活函數將輸入層傳來的經過加權求和的值進行非線性變換后，作為所述土壤含水率和含氮量預測模型的輸出層的輸入數據，通過加權求和導入輸出層作為結果，輸出待測土壤對應的含水率和含氮量。

6.根據權利要求5所述的土壤含水率和含氮量監測方法，其特征在于，

所述輸入層的表達式為X＝[U,R,C]，U為土壤水分傳感器監測到的土壤樣本電壓值，R為土壤樣本電阻值，C為土壤樣本電容值；X表示m個樣本的Ui、Ri、Ci組成的m×3的輸入矩陣，其中i＝[1,…,m]；

所述隱藏層的表達式為Zi＝WiX+bi，式中Wi表示上層各神經元輸入到后一層各神經元中所做貢獻的n*k權值矩陣，n為上層神經元個數，k表示下層神經元個數，初始值為隨機值；bi表示每層的偏置量，其大小為m*k的矩陣，初始值為0；Zi表示根據兩層之間的權值Wi對上層神經元進行累加求和運算結果加上對應的偏置量bi的m*k矩陣；

所述激活函數的公式為Yi＝f(Zi)＝max(0,Zi)，f表示激活函數，Yi表示各層神經元對Zi進行非線性變換的Relu激活函數求解結果的m*k矩陣；

所述輸出層表達式為WCSpre＝W_i+1Y_i+b_i+1，WCSpre為X經過土壤含水率和含氮量預測模型計算的土壤含水率及含氮量預測值。