iSCAN Multi-Sensor 多參數(shù)土壤理化性質測繪系統(tǒng)

前言

  精準農(nóng)業(yè)是近年來國際農(nóng)業(yè)科學研究的熱點領域，也是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流,。研究人員希望通過精準農(nóng)業(yè)技術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)量和質量, 增加經(jīng)濟收入, 減少環(huán)境污染,。

  土壤中的鹽分、水分,、有機質含量,、土壤緊實度、質地結構等,，均不同程度影響土壤電導率變化,。通過測定土壤電導率，可為分析產(chǎn)量,、評價土壤生產(chǎn)能力,、制定精準施肥處方提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的樣方抽樣調(diào)查不僅費時費力,，還由于抽樣密度過低不能真實反應地塊土壤特性的時空變化,，對于大尺度調(diào)查而言與機動車輛相結合的拖曳式土壤電導率測量系統(tǒng)無疑是最佳選擇。

  iSCAN用于大面積土壤電導率（EC）,、土壤有機質（OM）,、土壤溫度及土壤濕度勘查，既可以由拖拉機或皮卡進行拖曳作業(yè)（需選配支架）,，又可安裝在播種機等農(nóng)機具上——在耕種作業(yè)的同時完成對農(nóng)用地的勘查,，靈活而便捷；其中升級版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）,。

  通過實地原位測量土壤電導EC,、OM值、溫度和濕度值,，利用GPS定位和數(shù)據(jù)處理測繪軟件（收費數(shù)據(jù)處理服務）,，可以繪制出土壤理化性質分布圖，全面分析反映土壤質地,、鹽堿度,、持水能力、陽離子交換能力,、根系深度等,。適用于精準農(nóng)業(yè),、土壤調(diào)查和碳匯農(nóng)業(yè)（土壤碳儲量估算）的研究示范及土地管理和土地利用規(guī)劃等領域。

  2017-2018年在美國4個州共計15塊土地,，利用iSCAN系統(tǒng)進行勘測,，并與手持式設備數(shù)據(jù)進行比對，得到非常好的線性相關結果,。

上圖為堪薩斯州40公頃地塊勘查地圖

主要特點

• iSCAN可同時測繪土壤EC值,、OM值，iSCAN+則多了土壤表層溫度和濕度值
• 原野現(xiàn)場測繪：隨著機載系統(tǒng)在原野前行,，即時獲取電導及地理坐標（經(jīng)緯度）,，每公頃可以測量120-240個樣點數(shù)據(jù)
• 直接接觸法測量EC（Electrical Conductivity），測量基本不受周邊電磁影響,，也不需要校準,，反映土壤質地、鹽度特性
• VIS-NIR雙波段光譜傳感器,，可經(jīng)由數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)處理提供土壤有機質OM（Organic Matter）值,，反映土壤氮礦化、土壤水滲透,、根系生長以及土壤持水能力

技術指標

1. 雙波段VIS-NIR傳感器,，原位測繪植物枯落物下層土壤表層光譜反射

2. 可見光波長：660nm；近紅外波長：940nm,；光源：LED

3. 光譜檢測器：5.76mm光敏二極管

4. 除通過雙波段VIS-NIR光譜傳感器高密度原位測繪分析土壤OM值及其分布圖外,，可一次同時測量繪制EC，iSCAN+可附加土壤溫度和濕度傳感器,，并可實時記錄顯示測量數(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，軍工級防水接口

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

9. EC測繪，可形成0－60cm的表層土壤電導測繪圖

10. OM測量深度：38－76mm

11. 長度：農(nóng)機版145cm,；拖曳版259cm

12. 寬度：農(nóng)機版31cm; 拖曳版127cm

13. 高度：110cm

14. 重量：147 kg

15. 測量速度：可達24km/hr

16. 工作溫度：-20－70°C

軟件界面

產(chǎn)地：美國

選配技術方案

• 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
• 可選配紅外熱成像研究土壤水分,、溫度變化對呼吸影響
• 可選配ECODRONE?無人機平臺搭載高光譜和紅外熱成像傳感器進行時空格局調(diào)查研究

部分參考文獻

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 contrasting 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.