iSCAN Multi-Sensor 多參數(shù)土壤理化性質(zhì)測(cè)繪系統(tǒng)

前言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是近年來(lái)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，也是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流。研究人員希望通過(guò)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的使用降低生產(chǎn)成本, 提高和穩(wěn)定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量, 增加經(jīng)濟(jì)收入, 減少環(huán)境污染。

土壤中的鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤緊實(shí)度、質(zhì)地結(jié)構(gòu)等，均不同程度影響土壤電導(dǎo)率變化。通過(guò)測(cè)定土壤電導(dǎo)率，可為分析產(chǎn)量、評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)能力、制定精準(zhǔn)施肥處方提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的樣方抽樣調(diào)查不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還由于抽樣密度過(guò)低不能真實(shí)反應(yīng)地塊土壤特性的時(shí)空變化，對(duì)于大尺度調(diào)查而言與機(jī)動(dòng)車輛相結(jié)合的拖曳式土壤電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)無(wú)疑是選擇。

iSCAN用于大面積土壤電導(dǎo)率（EC）、土壤有機(jī)質(zhì)（OM）、土壤溫度及土壤濕度勘查，既可以由拖拉機(jī)或皮卡進(jìn)行拖曳作業(yè)（需選配支架），又可安裝在播種機(jī)等農(nóng)機(jī)具上——在耕種作業(yè)的同時(shí)完成對(duì)農(nóng)用地的勘查，靈活而便捷；其中升級(jí)版iSCAN+附加土壤溫度和濕度傳感器（溫度和濕度是種子發(fā)芽和出苗非常重要的影響因子）。

通過(guò)實(shí)地原位測(cè)量土壤電導(dǎo)EC、OM值、溫度和濕度值，利用GPS定位和數(shù)據(jù)處理測(cè)繪軟件（收費(fèi)數(shù)據(jù)處理服務(wù)），可以繪制出土壤理化性質(zhì)分布圖，全面分析反映土壤質(zhì)地、鹽堿度、持水能力、陽(yáng)離子交換能力、根系深度等。適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、土壤調(diào)查和碳匯農(nóng)業(yè)（土壤碳儲(chǔ)量估算）的研究示范及土地管理和土地利用規(guī)劃等領(lǐng)域。

2017-2018年在美國(guó)4個(gè)州共計(jì)15塊土地，利用iSCAN系統(tǒng)進(jìn)行勘測(cè)，并與手持式設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到非常好的線性相關(guān)結(jié)果。

上圖為堪薩斯州40公頃地塊勘查地圖

主要特點(diǎn)

1. iSCAN可同時(shí)測(cè)繪土壤EC值、OM值，iSCAN+則多了土壤表層溫度和濕度值

2. 原野現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪：隨著機(jī)載系統(tǒng)在原野前行，即時(shí)獲取電導(dǎo)及地理坐標(biāo)（經(jīng)緯度），每公頃可以測(cè)量120-240個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)

3. 直接接觸法測(cè)量EC（Electrical Conductivity），測(cè)量基本不受周邊電磁影響，也不需要校準(zhǔn)，反映土壤質(zhì)地、鹽度特性

4. VIS-NIR雙波段光譜傳感器，可經(jīng)由數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提供土壤有機(jī)質(zhì)OM（Organic Matter）值，反映土壤氮礦化、土壤水滲透、根系生長(zhǎng)以及土壤持水能力

技術(shù)指標(biāo)

1. 雙波段VIS-NIR傳感器，原位測(cè)繪植物枯落物下層土壤表層光譜反射

2. 可見(jiàn)光波長(zhǎng)：660nm；近紅外波長(zhǎng)：940nm；光源：LED

3. 光譜檢測(cè)器：5.76mm光敏二極管

4. 除通過(guò)雙波段VIS-NIR光譜傳感器高密度原位測(cè)繪分析土壤OM值及其分布圖外，可一次同時(shí)測(cè)量繪制EC，iSCAN+可附加土壤溫度和濕度傳感器，并可實(shí)時(shí)記錄顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和分布圖

5. Garmin GPS 15X：差分GPS定位精度，優(yōu)于3米

6. 電子器件：NMEA 4X密封，*級(jí)防水接口

7. 數(shù)采：80 pin PIC 微處理器，1Hz采集率，背光顯示器，電源12VDC，5A

8. 測(cè)繪軟件即時(shí)顯示EC值及光譜反射，并將地理位置信息（經(jīng)緯度）及測(cè)量值下載到計(jì)算機(jī)上并自動(dòng)制作二維分布圖（光譜反射需經(jīng)由公司數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理分析形成SOM值）

9. EC測(cè)繪，可形成0－60cm的表層土壤電導(dǎo)測(cè)繪圖

10. OM測(cè)量深度：38－76mm

11. 長(zhǎng)度：農(nóng)機(jī)版145cm；拖曳版259cm

12. 寬度：農(nóng)機(jī)版31cm; 拖曳版127cm

13. 高度：110cm

14. 重量：147 kg

15. 測(cè)量速度：可達(dá)24km/hr

16. 工作溫度：-20－70°C

軟件界面

產(chǎn)地

美國(guó)

選配技術(shù)方案

1) 可選配作物表型分析模塊，同步分析作物葉綠素指數(shù)、花青素指數(shù)、類黃酮指數(shù)及N素狀態(tài)等

2) 可選配紅外熱成像研究土壤水分、溫度變化對(duì)呼吸影響

3) 可選配ECODRONE®無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載高光譜和紅外熱成像傳感器進(jìn)行時(shí)空格局調(diào)查研究

部分參考文獻(xiàn)

1. Adamchuk, V.I., J.W. Hummel, M.T. Morgan, S.K. Upadhyaya. 2004. On-the-go soil sensors for precision agriculture. Comput. Electron. Agric. 44:71–91.

2. Christy, C.D. 2008. Real-Time Measurement of Soil Attributes Using On-the-go Near Infrared Reflectance Spectroscopy. Computers and Electronics in Agriculture. 61:1. pp.10-19

3. Kitchen, N.R., S.T. Drummond, E.D. Lund, K.A. Sudduth, G.W. Buchleiter. 2003. Soil electrical conductivity and other soil and landscape properties related to yield for three coasting soil and crop systems. Agron. J. 95:483–495.

4. Kweon, G., E.D. Lund, and C.R. Maxton. 2013. Soil organic matter and cation-exchange capacity sensing with on-the-go electrical conductivity and optical sensors. Geoderma 199:80–89.

5. Lund, E.D. 2008. Soil electrical conductivity. p.137-146. In: S. Logsdon et al. (ed.) Soil Science Step by Step Field Analysis. SSSA, Madison, WI.

6. Lund, E.D., C.R. Maxton, T.J. Lund. 2015. Assuring data quality and providing actionable maps using a multi-sensor system. Proceedings of Global Workshop on Proximal Soil Sensing. Hangzhou China. 266-278.

7. Eric Lund, Chase Maxton. 2019. Comparing Organic Matter Estimations Using Two Farm Implement Mounted Proximal Sensing Technologies. 5TH GLOBAL WORKSHOP ON PROXIMAL SOIL SENSING. P35-40.

8. José Paulo Molin, Tiago Rodrigues Tavares. 2019. SENSOR SYSTEMS FOR MAPPING SOIL FERTILITY ATTRIBUTES: CHALLENGES, ADVANCES, AND PERSPECTIVES IN BRAZILIAN TROPICAL SOILS. Eng. Agríc. vol.39.