第二章农业信息采集与处理

农业信息技术与信息管理系统电气信息工程学院徐雷钧第二章农业信息采集与处理

计算机数据采集管理系统概述农业信息的传递与处理

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）传感器传感器是根据各种物理、化学、生物学的定律及效应，把感受的被测量转换成可用输出信号的装置。传感器是现代农业信息采集系统的首要部件，是实现农业现代化测量与自动控制的首要环节。传感器基本类型：电阻式传感器：应用金属的应变效应，半导体的压阻效应，电阻的稳定效应，光电效应等，获得传感元件电阻值变化。常用来测量力，温度，光强，湿度，气体浓度等。电感式传感器：利用电磁感应原理，将非电量变化转换成线圈自感或互感变化的装置。常用来测量力、振动、转速、流量，应变等。电容式传感器：通过改变电容的间隙，电容的极板面积和电容的介电常数实现测量。用于位移，加速度，压力，振动，湿度等。数字式传感器：利用莫尔条纹，改变互感，拾磁信号，数字编码等转换原理实现测量。用来进行角位移和线位移的测量。电动势式传感器：根据热电效应，电磁效应，霍尔效应，光电效应等原理把被测量转换为电动势信号输出。用于测量温度，加速度，光强等。压电式传感器：以介质材料的压电效应为基础，在外力作用下表面产生电荷的原理。用于测量压力，应力，加速度等。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传感器选择原则：传感器类型：根据传感器使用条件和农业信息的特点如信号传输方式，测量方式，传感器来源等选择。线性范围和量程：确保传感器的线性范围及量程能够满足测量要求。灵敏度：灵敏度反应传感器输出量对输入量变化的反应能力。在传感器线性范围内，选择高灵敏度且信噪比较高的。精度：传感器输出与被测量的对应程度，精度越高，越能真实反应被测量，但成本也越高。频率响应特性：传感器的频率响应特性取决于被测量的频率范围，保证不失真测量。稳定性和可靠性：分别保证在规定工作条件下长时间使用，性能保持不变的能力和不超过极限的情况下特性保持不变的能力。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）信号调理器被采集的生物与环境特征变量（物理、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、电阻和脉冲量）信号。模拟信号和数字信号：数字信号：高低电平表示两种状态，有开关和脉冲两种；模拟信号：随时间变化的连续信号，分为直流、时域、频域信号。通常系统采集的信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统自身和外界干扰，需要在系统前端添加信号调理电路（滤波器、变换器、前级放大器、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信息的放大：仪用放大器和隔离放大器。三运放仪用放大电路双运放仪用放大电路光电耦合隔离放大器三运放仪用放大器第一节计算机数据采集管理系统概述双运放仪用放大器第一节计算机数据采集管理系统概述光电耦合隔离放大器第一节计算机数据采集管理系统概述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）数据采集器多路开关MUX测量放大器采样保持器S/H模数转换器A/DAnalogue－to－digital第一节计算机数据采集管理系统概述多路开关MUX采样保持器S/HAD7822内部结构第一节计算机数据采集管理系统概述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（四）微机I/O接口微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经I/O通道送给微机处理。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。（五）数模转换器第一节计算机数据采集管理系统概述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，并与系统的外部设备及时交换信息。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，并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。（六）应用软件与监控程序应用软件监控程序是计算机数据采集管理系统的灵魂，有了应用软件才能充分发挥采集系统的功能二、数据采集管理系统的基本功能时钟功能信息采集功能数据处理功能数据存储功能控制功能自诊断功能信息输出功能定时采集、实时采集；单项采集、多项采集数字滤波、A/D转换、标度转换、线性化处理等数据运算、数据变换、图形处理等预处理二次处理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系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行第一节计算机数据采集管理系统概述水温控制系统第一节计算机数据采集管理系统概述语音小车控制第一节计算机数据采集管理系统概述水质监测电路第一节计算机数据采集管理系统概述水质监测电路第一节计算机数据采集管理系统概述第一节计算机数据采集管理系统概述第二节农业信息的传递与处理一、农业信息的调制与解调缓变信号调制解调系统信号源低频放大器调制器高频放大器检波解调高频震荡器调幅调频调相测量信号：第二节农业信息的传递与处理载波信号：调幅波信号：解调：检波过程调幅：调幅波形第二节农业信息的传递与处理调频：第二节农业信息的传递与处理解调：频率检波，鉴频调相：第二节农业信息的传递与处理相位随测量信号的频率变化相加型相敏检测电路第二节农业信息的传递与处理二、农业信息的处理技术（一）信号时域分析（二）信号频域分析（三）数字化滤波处理（一）信号时域分析（1）相关分析

定量表示信号x(t)与其时移信号的相似程度。第二节农业信息的传递与处理自相关互相关（一）信号时域分析（2）概率密度分析

了解信号幅值大小的分布情况第二节农业信息的传递与处理

（二）信号频域分析

以频率或角频率为变量描述信号幅值、相位的变化规律。采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。

第二节农业信息的传递与处理

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz傅里叶变换X(t)=

sin(2πnft)0t0f时域分析与频域分析的关系第二节农业信息的传递与处理

信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。

时间幅值频率时域分析频域分析时域和频域的对应关系第二节农业信息的传递与处理

131Hz147Hz165Hz175Hz周期信号的频谱分析第二节农业信息的传递与处理

周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：

x(t)=x(t+nT)任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集的傅里叶级数:傅里叶级数的表达形式：第二节农业信息的传递与处理

变形为：第二节农业信息的传递与处理

式中:傅里叶级数的复数表达形式：T――周期，T=2π/ω0；ω0――基波圆频率；f0=ω0/2π频域分析1-方波信号的合成与分解第二节农业信息的传递与处理

频域分析2-手机和弦铃声的合成第二节农业信息的传递与处理

非周期信号的频谱分析第二节农业信息的传递与处理

非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。

与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期T∞，基频fdf，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为X(f)df，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。

另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。第二节农业信息的传递与处理

（三）数字化滤波处理

定义：用数字设备，通过一定的算法，对信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号。

特点：数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。第二节农业信息的传递与处理

当

时，M就是IIR滤波器的阶数，表示系统中反馈环的个数。由于反馈的存在，IIR滤波器的脉冲响应为无限长，因此得名。若

，则系统的脉冲响应的长度为N+1，故而被称作FIR滤波器。

IIR滤波器与FIR滤波器系统函数：第二节农业信息的传递与处理

IIR滤波器的优点：可以直接利用模拟滤波器设计的成果进行设计，因为模拟滤波器本身就是无限长冲激响应的。设计过程如下：首先根据滤波器参数要求设计对应的模拟滤波器（如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等），然后通过映射（如脉冲响应不变法、双线性映射等等）将模拟滤波器变换为数字滤波器，从而确定IIR滤波器的参数。IIR滤波器的缺点：存在反馈，其稳定性得不到保证；反馈可能使滤波器的数字运算发生溢出。FIR滤波器的优点：不存在系统极点，FIR滤波器是绝对稳定的系统；而且确保线性相位，这在信号处理中非常重要；此外，由于不需要反馈，实现比IIR滤波器简单。FIR滤波器的缺点：性能不如同样阶数的IIR滤波器。引入计算机辅助设计，FIR滤波器的设计得到极大的简化。因此，FIR滤波器比IIR滤波器应用更广。第二节农业信息的传递与处理

第三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、农田生物宏观形态结构信息的提取一、农田生物系统的信息（一）农田生物信息的类型农作物生理功能信息农作物结构信息农作物病虫草害信息微观结构宏观结构第三节农田生物信息的采集与处理第三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层次性多元性弱信息时空分布随空间和时间不断发生动态变化注重实时性和空间分布差异采用弱信息提取与恢复技术，使弱信息变强包含于复杂的环境信息中多种组分信息的叠加多组分信息分离技术，运用化学计量学方法物种不同、生长有异、结构有别微观：光谱/波谱/色谱/质谱；宏观：感官定性/图形图像方法第三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．硬件部分第三节农田生物信息的采集与处理1）信息检测系统:图像传感器;光谱传感器;生理信息传感器;实验分析仪图像传感器1．硬件部分安装在野外，并与计算机联机，采集作物群体和个体的形态结构信息。一般用于监测农田作物的形态结构特征，以便对病虫草害、栽培措施等进行模式识别，也可以获得作物生长发育的状态信息。为了能立体观察物体，可以使用2台摄像机或采用镜面反射获得三维结构信息。光谱传感器第三节农田生物信息的采集与处理反射光谱包含了丰富的物质结构及其组成信息。通过测定作物反射光谱可以获得作物生育阶段信息和叶绿素等各种色素、蛋白质、淀粉等物质含量的信息，预测作物生物学产量与经济产量，监测作物病虫害发生规律。图示为安装在田间的与计算机联机的可见光、近红外光分光装置可以实现波长在0.4μm～2.5μm范围内连续扫描、定时扫描，实现准确的遥测数据采集。1．硬件部分光谱分布第三节农田生物信息的采集与处理生理信息传感器第三节农田生物信息的采集与处理LI-6400P便携式光合作用测定系统作物的产量与生理活动，如光合速率与呼吸速率、田间温度、光照强度等的变化关系密切，测定仪可以实现随时观测田间作物的生理信息的变化1．硬件部分实验室分析仪器第三节农田生物信息的采集与处理室内分析仪器按原理可分为：光谱分析仪器、色谱分析仪器、电化学分析仪器及其它仪器。这些仪器都可与计算机联机，实现分析数据的自动采集与处理。1．硬件部分第三节农田生物信息的采集与处理2）信号调理系统农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息附载到具有某种能量（如光、电、热、声、磁等）的模拟量上即为模拟信号。模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提高信噪比。信号调理系统包括：滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器等。1．硬件部分第三节农田生物信息的采集与处理3）计算机硬件系统接口电路计算机计算机输入输出设备1．硬件部分2．信息处理软件系统第三节农田生物信息的采集与处理通过信息检测系统检测到的各种图谱、图像信息，拥有复杂的背景，需要用各种软件来实现对有用信息的处理与提取。具体包括：（1）信息预处理软件：去除或降低原始信息中的高频随机噪声以及消除或降低图形和图像中的随机噪声，校正辐射量畸变和几何畸变，使图像质量得到改善。（2）信息提取软件：包括弱信息提取软件如计算机导数技术和多元信息提取软件如主成分回归法以及图像纹理特征处理如聚类分析法软件等。（3）信息综合处理、模拟和优化软件。（二）系统功能二、农田生物信息采集与处理系统1.农田生物信息检测微观形态结构和组分的信息检测宏观形态结构的信息检测生理功能的信息检测间接信息的获得2．生物信息检测信号的调理信噪比噪声来源信号调理第三节农田生物信息的采集与处理第三节农田生物信息的采集与处理植物生理及环境监测系统叶片光合与速腾速率测量三、农田生物弱信息的增强技术1．系统背景的消除与降低差谱技术导数光谱技术2．随机背景的消除与降低数字滤波技术傅里叶变换滤波小波变换第三节农田生物信息的采集与处理第三节农田生物信息的采集与处理四、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。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f(x,y)，则f(i,j)表示图像f位于（i,j）处象素的同时，还表示该点的灰度。因此任何图像都可以用多个二维数组表示。第三节农田生物信息的采集与处理四、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类别描述形式描述的对象二值图像f(x,y)=0,1文字、线条图、指纹等浓淡图像0≤f(x,y)≤2n—1黑白照片、一般n=6～8彩色图像｛fi(x,y)｝,i=R,G,B以三基色表示的彩色图像多光谱图像｛fi(x,y)｝,i=1,2,…,m遥感图像，一般m=4～8立体图像fL,fR由左、右视点得到的同一物体的象对动态图像（时间序列）｛ft(x,y)｝,t=t1,t2,…,tn动态分析、动画制作等数字图像的类别第三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摄的为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（X×N）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数字化每一象元的灰度值是从0到255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（R）、绿（G）、蓝（B）3种基色，每种基色又分成0到255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RGB三基色不同数量级的合成来表示。第三节农田生物信息的采集与处理（三）图像处理方法五、农田生物宏观形态结构信息的提取1．二值图像处理法2．图像变换和图像质量的改善3．图像的特征提取几何形状结构信息的提取纹理特征信息的提取颜色特征信息的提取第四节农田气候信息的采集与处理气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。农田气候一般指距农田地面几米内的空间气候，是各种动物、植物和微生物赖以生存的空间气候。农田气候要素包括太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等，随时间、地点、空间发生变化，对农田作物生长、发育与产量形成影响巨大。农田气候信息采集与处理，以便对农业生态环境进行模拟、调节和控制。一、农田气候信息采集与处理系统的硬件构成二、农田气候信息采集处理系统应用软件一、农田气候信息采集与处理系统的硬件构成第四节农田气候信息的采集与处理农田气候信息采集处理系统（即自动气象站）是一个功能扩张的单片机应用系统，是一种按设定的要求对多项气象要素自动进行采集、处理、存储和编制报表的地面气象观测设备。3部分组成：气候信息采集模块数据通信输出模块单片机功能扩展模块1.信息采集模块第四节农田气候信息的采集与处理（1）土壤热通量信息采集（2）空气温度信息采集（3）空气湿度信息采集（4）太阳辐射信息采集（5）日照时数信息采集（6）风速与风向信息采集（7）降雨信息采集（8）气压信息采集（9）蒸发信息采集各类气象要素测量传感器第四节农田气候信息的采集与处理第四节农田气候信息的采集与处理各类气象要素测量传感器土壤热通量信息采集热流计（应用于保温性能的测试）——热流传感器：1914年，德国的Henky教授用10cm的软木板测量啤酒厂内地板的热流1924年，Schmidt设计了由绕在橡胶带上的热电堆组成的带状热流传感器用来测量带有保温层的管道的热流密度。

1939年，为克服制作多点热电堆的困难，Gier和Boelter用在康铜丝上电镀银的方法制成了热流传感器用的热电堆（或称：线绕热阻式）。1969年前后，随着对高精度热流测量的需求，提出了利用半导体材料制作热流传感器的感测元件：热电堆。2002年，出现具有更高测量精度的薄膜热流传感器，以满足航空航天和军事科学的更高精度测量需要，使对微小热量变化的测量成为了可能。第四节农田气候信息的采集与处理空气温度信息采集温度传感器——接触式、非接触式（按测量方式）热敏电阻、热电偶（按传感器材料）接触式：温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。非接触式：用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。第四节农田气候信息的采集与处理热敏电阻用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。体积小，响应快，但是线性度差。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。非线性关系，简单可靠，精度低。

第四节农田气候信息的采集与处理空气湿度信息采集湿敏元件——电阻式、电容式湿敏电阻：在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。灵敏度高，线性度和互换性差。湿敏电容：用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。灵敏度高，互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。第四节农田气候信息的采集与处理太阳辐射信息采集辐射传感器：热电型传感器，基于辐射的热效应，通过热电元件测定温差电动势来计算辐射能。能量感知元件：一般为涂覆有高吸收率涂层（发射率在0.94以上的黑色涂层）的热流传感器。滤波元件：按所需波长范围选择通过的电磁波。第四节农田气候信息的采集与处理日照时数信息采集直接辐射表、双金属片日照传感器与旋转式日照传感器

用来测量太阳每天在垂直于其光线的平面上的直接辐射强度≧120W/m2(±10%)的时间长度，其感光波长范围为0.3～3微米。由高透光学玻璃罩、感光元件、信号处理电路、时钟运算电路、表体等部分组成。经过校正的辐射感光元件将环境中的辐射值传递给传感器内部的信号处理电路，处理器一旦判断信号大于120W/m2即开始计时，计时为累加方式，直至当天24点时刻后自动清零。在此期间，外界可随时向传感器获取累计日照时数值。第四节农田气候信息的采集与处理风速与风向信息采集风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

风向传感器的变换器采用精密导电塑料电位器，当风向发生变化，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴芯转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出。

第四节农田气候信息的采集与处理降雨信息采集翻斗式雨量传感器：由承雨器部件和计量部件等组成。承雨口采用国际标准口径Φ200mm。计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，其功能是将以mm计的降雨深度转换为开头信号输出。

第四节农田气候信息的采集与处理气压信息采集气压传感器：主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。

数字气压传感器：利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂两端的输出电压与施加的压力成正比。应用：测量海拔高度，当前用于智能手机中导航第四节农田气候信息的采集与处理蒸发信息采集蒸发传感器：由超声波传感器和不锈钢圆筒架两部分组成。根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测，转换成电信号输出。第四节农田气候信息的采集与处理2.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，设置了数据通信输出通道，通过RS－232－C串行通信总线（适宜于30m内）和20mA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。第四节农田气候信息的采集与处理3.系统功能扩展模块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/输出口以及定时器/计数器。二、农田气候信息采集处理系统应用软件第四节农田气候信息的采集与处理第五节土壤信息的采集与处理

土壤信息主要是表征土壤状况和性质的一系列参数。对某一特定土壤而言：

土壤质地、结构、有机质含量等参数，基本固定不变，一般不必多次测定；

土壤含水量、含盐量以及土壤养分含量等参数，随时间不断变化，需要多次动态采集及测定。本节重点介绍以下两方面：二、土壤养分成分的监测一、土壤含水量的测定1.烘干称重法：国际上普遍采用的经典土壤水分测定方法，即用土钻等取湿土样称重后放入烘箱，在105～110℃条件下烘干6～8h至恒重，湿土重与烘干土重之差即为水重，水重与烘干土重的比值即为土壤水分含量。优点是对设备要求低，结果可靠。作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在。缺点是费时、费力，综合费用高；破坏土壤，深层取样困难，受土壤空间变异性影响也比较大。因此，需要研究和使用自动化程度较高的各种快速、连续定位土壤水分测定系统来代替烘干法第五节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的测定第五节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的测定

2.TDR土壤水分测定系统

时域反射仪TDR（TimeDomainReflectometry）是一种测定土壤电磁量的方法，类似一个短波雷达系统。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，进而计算整个探针长度土层土壤平均体积含水量。

TDR系统主要部件包括阶跃脉冲信号产生器、接收器、示波器、时间控制电路和波导棒等。

测量原理：土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。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。第五节土壤信息的采集与处理优点：直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况，测定结果与土壤类型、密度、温度等因素无关，无需埋设中子管。缺点：仪器价格昂贵。第五节土壤信息的采集与处理二、负压计土壤湿度监测系统

负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况。负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。负压计瓷头埋设于土壤中某一深度后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，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物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。3.负压计土壤湿度监测系统

优点：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。缺点：不适合于干旱土地，适用于灌溉地、喷灌和滴灌田；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。第五节土壤信息的采集与处理3.负压计土壤湿度监测系统第五节土壤信息的采集与处理4.中子土壤湿度仪利用中子热化原理，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。土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。中子仪由探头和计数器组成。探头由快中子源和一个三氟化硼慢中子检测器组成。计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。使用方法：将探头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。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30m深的土壤剖面含水量。第五节土壤信息的采集与处理优点：能快速、周期性的反复测定深层土壤含水量而不破坏土壤，缺点：当土壤有机质含量高时测定精度差；仪器价格较贵；需要提前埋设铝管，导致设备成本较高；同时30cm表土层因辐射危害健康，需要采用其它方法测定。4.中子土壤湿度仪电阻/电容式土壤湿度监测系统分别采用电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器。前者通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度，测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性。后者根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度，受土壤盐分的影响较小。如石膏块土壤水分测定系统，如图，通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。石膏块永久埋入土壤中，寿命为3～5年，适用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围3～100kPa。5.电阻/电容式土壤湿度监测系统第五节土壤信息的采集与处理FDR(FrequencyDomainReflectometry)频域反射仪利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数,从而得到土壤容积含水量。FDR的探针类似于TDR。优点：FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定，在土壤干旱条件下测定结果误差小于TDR。如图为Thetaprobe

土壤水分测量系统，其传感器测量范围是5%～55%的体积湿度，精确度为2%。第五节土壤信息的采集与处理6.FDR土壤水分测定系统第五节土壤信息的采集与处理7.SWR型系列土壤水分传感器由中国农业大学研制，主要由100MHz信号源，一节同轴传输线和一个四针不锈钢探头组成。信号源产生无线电波，该波沿着传输线传送到探头，由于探头的阻抗与传输线的阻抗不匹配，一部分信号将反射回信号源，在传输线上，入射波与反射波叠加形成驻波，在传输线上各点的电压幅值存在变化。因此，通过测量传输线上的驻波率来测量体积含水率。优点：测量精度高，响应速度快，土质影响小，应用地区广泛，密封性好，可长期埋入土壤中使用，不受腐蚀。二、土壤养分成分的监测第五节土壤信息的采集与处理1.土壤养分的连续流动分析土壤养分的测定方法一般是将土样取回后，称取一部分浸提或消煮，加入有关试剂显色或屏蔽待测组分的影响组分，然后用比色计等检测仪器测定。传统的分析方法是逐个手动显色和检测，工作效率较低。连续流动分析技术（Continuous-FlowAnalysis-CFA）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。德国布朗卢比公司推出的AutoAnalyzer3系统第五节土壤信息的采集与处理由自动进样器、蠕动泵、化学分析盒、检测器和计算机等5个独立部分组成，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，WINDOWS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，不用装电子除气泡装置，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。第五节土壤信息的采集与处理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。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流的改变。

ISFET（IonSensitiveFieldEffectTransistor）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，是由ISE敏感膜和MOSFET场效应晶体管组合而成的、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生相应的漏—源电流IDS，以显示该种离子的浓度。其离子的主要探测元件为固态或液态的离子敏感膜，选择不同的敏感膜，可以测定不同的离子浓度。ISFET主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl－、F－、Br－、I－、CN－、Ag+、S2－、NH4+等几种。也可以将H＋、K＋、Na＋、Cl－等离子敏感膜集成在一个芯片上，通过模拟开关使4个ISFET输出信号，分别测定离子的浓度。2.土壤养分成分监测——ISFET法第五节土壤信息的采集与处理1.硅钨酸PVC膜；2.SiN4；3.SiO2；4.沟道；5．绝缘树脂；6.参比电极B：P-Si基体；S：源极；D：漏极ISFET离子敏场效应晶体管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敏感膜的研制。可以将多ISFET传感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系统中进行土壤营养成分的监测。也可以用ISFET连续检测土壤pH值。第五节土壤信息的采集与处理利用可见和近红外光谱技术，结合数据挖掘和融合技术的光谱法土壤养分分析仪，不破坏样品，不需要化学试剂，不需要前处理，即可实现土壤养分的实时快速测试。可以测试土壤、肥料、植株中全量的和速效的氮、磷、钾；有机质和酸碱度，可溶性含盐量以及腐殖酸的含量。3.光谱法土壤养分分析仪第五节土壤信息的采集与处理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。大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率的专门仪器。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，用车辆牵引并集成GPS系统，用于测定土壤电导率。如美国的Veris

公司的Veris3100大地电导仪4.土壤盐分的监测非接触式土壤电导率传感器，如加拿大Geonics

公司的EM38大地电导仪，重量较轻，长度也仅1m，能以极好灵敏度快速地进行勘查。工作原理：在电导仪后端的小型发射线圈，能产生一个随时间变化的初级磁场，在大地中诱导出微小电子涡流，而其前端的小型接受线圈，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电导率呈线性关系。正常进行测定时，把仪器放在地上记录土壤含盐量。也可以安装在木制滑桥上，以步行速度在地上拖着走，完成密集数据采集，探测深度达1.5m，配套Map图形软件可以绘制土壤含盐量地理轮廓图像。第五节土壤信息的采集与处理4.土壤盐分的监测5.土壤样品自动化采集系统（用于取样后实验室测定）土壤样品自动化采集系统由取样管、导向器、液压油缸、采样头定位器、移动滑道、底座加强套、液压动力单元、动力单元固定座、立柱导向固定器、支撑底座、立柱及GPS导向记录系统组成。第五节土壤信息的采集与处理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。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“上升”和“下降”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GPS取样点坐标记录在土壤样品袋标签上第六节设施农业环境监控与管理设施农业是指在采用各种材料建成的、具有一定的温度和其它环境因子调控设施的半封闭式空间里进行农业生产的方法，分为设施栽培和设施养殖两大类。设施农业环境通常包括温室、畜禽舍、农产品干燥及储藏设施、果蔬分级及包装设施。设施农业的功能因种类不同而异，主要是调节环境和提高作业效率。一、温室环境监控与管理第六节设施农业环境监控与管理温室是用人工方法模拟温度、湿度、光照、空气成分和风速等生态因子，创造一个适宜生物生长、繁育的良好生态环境，实现农业生物一年四季均衡生产。包括日光温室和人工光照室。温室要求对温室内温度、湿度、光照、CO2等环境因子进行监控，因此需要采集环境信息和实现实时控制。温室环境监测系统软件界面温室环境监测系统环境因子变化曲线图第六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（1）温度、湿度监测。温、湿度的监测是选择集成温度传感器组成干湿球表综合进行的，一个温度传感器称为干球，另一个相同的温度传感器感应部位包有湿润纱布称为湿球，干球直接监测环境温度，根据干湿球温度差值计算相对湿度。（2）光合有效辐射的监测。光合有效辐射的测量需要选择光量子传感器，它由硅太阳能电池和匹配滤光片系统组成，在光的照射下，输出变化十分微弱的电流（约几个微安）信号，光电流与辐射强度呈线性关系。（3）CO2浓度监测。温室内的CO2浓度日变化较剧烈。CO2气体对4.28μm的红外光有强烈的吸收，而对3.9μm的红外光基本不吸收，利用双波长的光分别通过气室，由红外探测器检测两束光的光强变化，即可得到气室中CO2浓度。第六节设施农业环境监控与管理1.温室环境监测系统温室计算机自动控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境的控制过程，控制相应机构进行温度调节（加热、冷却）、湿度调节（加湿、去湿）、光照调节（补光、遮荫）、CO2浓度调节（通风、人工增施CO2）等。温室控制属于多参数控制，一般以温度控制为主，同时辅以湿度、光照和CO2浓度的控制。计算机自动控制的温室生产实现了自动化和规模化，劳动生产率得到提高。但这种控制方式只是通过改变温室环境设定来调节温室环境气候，未涉及温室作物生长的内在规律，难以对作物生长状况的改变做出及时反应。进一步向智能化控制方向发展。第六节设施农业环境监控与管理1.温室环境控制系统第六节设施农业环境监控与管理二、果蔬贮藏环境监控与管理第六节设施农业环境监控与管理果蔬贮藏能延缓果蔬的成熟过程，保持果蔬原有的品质和新鲜状态，实现新鲜果蔬周年均衡供应。冷库（ColdStorage），又称冷藏库，是利用降温设施创造适宜的湿度和低温条件的仓库，是加工、贮存产品的场所，能摆脱气候的影响，延长果蔬产品的贮存期限，以调节市场供应。1.果蔬冷库储藏方法与原理果蔬冷库贮藏方法包括自然冷源贮藏、机械制冷贮藏和气调贮藏三类。自然冷源储藏是利用地窖、水井、冰川和雪山等天然相对低温环境储藏果蔬产品，设备简单，成本低，但储藏保鲜期短，难以人工有效调控储藏环境。机械制冷储藏是利用机械压缩机制冷形成低温环境储藏果蔬产品，储藏保鲜期长，但设备昂贵，耗能多，成本高。气调储藏是指在适宜低温条件下，通过改变贮藏环境气体成分、相对湿度，营造低氧(一般O2含量为l％~5％)和适当CO2浓度，减少果蔬中营养物质的损耗，增加环境气体中的相对湿度，以降低果蔬的蒸腾作用，抑制果实乙烯合成与催熟作用，从而减轻或避免某些生理病害的发生，最大程度地创造了果蔬贮藏最佳环境，成本相对较低，储藏保鲜周期较长。2.果蔬贮藏环境监控管理系统果蔬贮藏环境监控管理系统，是一个二级计算机监控管理系统，由智能监控站、通信总线、调控设备与管理计算机组成。第六节设施农业环境监控与管理第七节农业感官智能分析技术传感器技术是信息技术的主体技术之一，从本质上讲它要解决的问题是如何实现对人类自身感觉器官功能的模仿和拓展。这些感觉器官包括物理传感方式的视觉、听觉、触觉、平衡器官和生物、化学传感方式的嗅觉、味觉等。一、机器视觉技术及其应用二、电子鼻技术及其应用三、电子舌技术及其应用1.机器视觉的概念、原理与发展一、机器视觉技术及其应用第七节农业感官智能分析技术机器视觉是指利用计算机模拟人眼的视觉功能，从图像或图像序列中提取信息，对客观世界的三维景物和物体进行形态和运动识别,最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉的核心是图像获取和处理，输入是某种形式的图像、多视点图像或者图像序列，输出是景物内容的符号描述并对图像数据做出有用的解释，通常采用64级以上灰度表示图像量化的像元特征，其目标就是用机器来解释、模拟、重现和处理人的视觉。2.机器视觉系统构成及其关键技术第七节农业感官智能分析技术机器视觉系统由图像采集、图像处理和分析、输出或显示等三部分组成。典型的机器视觉系统包括光源、