基于數(shù)據(jù)融合的土壤電導(dǎo)率測(cè)量方法

沈麗艷， 馬春龍

（1．上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2．長(zhǎng)春大學(xué)光華學(xué)院信息工程系，吉林長(zhǎng)春 130031）

0 引 言

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕作中，對(duì)土壤電導(dǎo)率的測(cè)量是很有意義的。土壤含有鹽、水、有機(jī)質(zhì)等多種成分，這些成分對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有決定性的作用，它可以通過(guò)測(cè)量土壤的電導(dǎo)率來(lái)分析求得，同時(shí)，土壤的電導(dǎo)率與農(nóng)作物的產(chǎn)量和肥料也有很大的聯(lián)系。

測(cè)量土壤電導(dǎo)率傳統(tǒng)的方法有兩種：一是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量；二是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的步驟是：第一，完成土壤浸提液的制備；第二，對(duì)制備好的土壤浸提液測(cè)量其電導(dǎo)率，這種方法是用土壤浸提液電導(dǎo)率的變化來(lái)描述土壤電導(dǎo)率的變化。這種測(cè)量電導(dǎo)率方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以把它做為評(píng)價(jià)土壤電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是不方便、過(guò)程麻煩，不具備實(shí)時(shí)性，與現(xiàn)代信息農(nóng)業(yè)要求測(cè)量的實(shí)時(shí)性、快速性不一致。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的方法主要有兩種：非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量。非接觸式測(cè)量的傳感器是利用電磁感應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的，接觸式測(cè)量則是采用電極式土壤電導(dǎo)率傳感器，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要在被測(cè)地塊采集待測(cè)土壤樣本，一般不需要擾動(dòng)土壤，測(cè)量時(shí)不會(huì)影響、傷害到農(nóng)作物，在農(nóng)作物生長(zhǎng)的各個(gè)時(shí)間段都能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行土壤電導(dǎo)率的測(cè)量，與現(xiàn)代信息農(nóng)業(yè)要求測(cè)量的實(shí)時(shí)性、快速性相統(tǒng)一。

國(guó)外測(cè)量土壤電導(dǎo)率的常用方法有車載接觸式測(cè)量設(shè)備，但該設(shè)備對(duì)土壤電導(dǎo)率的測(cè)量時(shí)機(jī)被局限在農(nóng)作物耕種前，在農(nóng)作物生長(zhǎng)的其它時(shí)期不能進(jìn)行測(cè)量，而且這樣的設(shè)備也不方便在大棚、溫室等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施中應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)測(cè)量土壤電導(dǎo)率常用的方法是使用便攜式電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，對(duì)于大面積的土壤測(cè)量來(lái)說(shuō)，需要測(cè)量很多點(diǎn)，然后求取平均值，這種辦法工作效率低、誤差大，而且數(shù)據(jù)也不能夠?qū)崟r(shí)采集。文中根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)融合理論設(shè)計(jì)了一種新的土壤電導(dǎo)率的測(cè)量方法［1－2］。

1 多傳感器土壤數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)

多傳感器土壤數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土壤數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)中，首先對(duì)每個(gè)傳感器的采集信息進(jìn)行預(yù)處理，各局部處理器分別處理各個(gè)傳感器提供的采集信息（即對(duì)信息進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及特征提取），并給出一個(gè)關(guān)于目標(biāo)的局部處理信息，然后將局部處理信息結(jié)果送到融合中心。融合中心的主要任務(wù)就是按照一定的融合算法處理所有局部信息結(jié)果，并給出最后的融合結(jié)果。

該系統(tǒng)多傳感器信息融合算法采用二級(jí)融合方式。一級(jí)融合采用單傳感器分批估計(jì)融合算法對(duì)同一傳感器的n次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以使單傳感器獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，二級(jí)融合采用自適應(yīng)加權(quán)融合算法對(duì)一級(jí)融合的結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，這樣，融合計(jì)算使土壤電導(dǎo)率測(cè)量值更加準(zhǔn)確。

2 單個(gè)傳感器分批估計(jì)融合

2.1 單個(gè)傳感器分批估計(jì)融合算法

單個(gè)傳感器的測(cè)量精度對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能影響是很大的，故應(yīng)對(duì)單個(gè)傳感器采集到的信息進(jìn)行計(jì)算處理。在工業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)信息處理工作中，一個(gè)參數(shù)可以有多個(gè)樣本觀測(cè)值，相對(duì)于系統(tǒng)的采樣頻率，傳感器采集到的信息通常是緩慢的、呈正態(tài)分布的。將傳感器采集到的等精度電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集的先后順序或者奇偶分成兩個(gè)組，由分批估計(jì)理論可以獲得測(cè)量電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的融合值，也就是局部決策值［3］。

2.2 單個(gè)傳感器融合值的確定

將單個(gè)傳感器的n個(gè)測(cè)量值x劃分成x11，x12，…，x1k和x21，x22，…，x2m，其中，k＋m＝n，（k，m≥2）。兩組樣本所對(duì)應(yīng)的平均值分別為：

樣品方差分別為：

x的融合值和方差是：

3 自適應(yīng)加權(quán)融合算法

3.1 自適應(yīng)加權(quán)融合算法的基本思想

假設(shè)n個(gè)傳感器對(duì)某一被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，每一個(gè)傳感器都有自己的加權(quán)因子。為使總均方誤差達(dá)到最小，根據(jù)每個(gè)傳感器所測(cè)得的檢測(cè)值采用自適應(yīng)加權(quán)融合算法，計(jì)算每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)因子，從而使融合后的測(cè)量值達(dá)到最優(yōu)。

3.2 確定最優(yōu)加權(quán)因子

假設(shè)n個(gè)傳感器的方差是需要估計(jì)的真值是X，各個(gè)傳感器的測(cè)量值分別是X1，X2，…，Xi，…，Xn，這樣測(cè)量值是互相獨(dú)立的，各個(gè)傳感器的加權(quán)因子是W1，W2，…，Wi，…，Wn，那么融合后的X∧值和加權(quán)因子滿足以下兩式：

總均方誤差為：

根據(jù)式（9）求總均方誤差σ2的最小值，該最小值是加權(quán)因子滿足式（8）約束條件的多元函數(shù)極值。根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出總均方誤差最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的加權(quán)因子［4－6］：

由此求出最小均方誤差為：

也就是說(shuō)，各個(gè)傳感器的權(quán)系數(shù)是由它們的測(cè)量方差唯一確定的，只要使各個(gè)傳感器的權(quán)的系數(shù)符合式（10），就可以使總均方誤差σ2達(dá)到最小，而且這時(shí)：

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該部分主要由C8051F040單片機(jī)系統(tǒng)、GPRS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)等組成。GPRS系統(tǒng)負(fù)責(zé)將主控中心和C8051F040單片機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、控制信息進(jìn)行傳遞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采樣現(xiàn)場(chǎng)電導(dǎo)率參數(shù)。把采集到的信號(hào)送給C8051F040處理，繼而通過(guò)GPRS模塊發(fā)射到主控中心計(jì)算機(jī)處理，主控中心系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合處理，以及信息的存儲(chǔ)、報(bào)表、打印等。數(shù)據(jù)采集控制RTU結(jié)構(gòu)如圖2所示［7－8］。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制RTU結(jié)構(gòu)

5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及分析

5.1 測(cè)試方法

在實(shí)驗(yàn)室建立10個(gè)實(shí)驗(yàn)土槽，用于模擬10塊土壤，每塊土壤上放置一塊數(shù)據(jù)采集RTU。

實(shí)驗(yàn)用的土壤里以均勻、充分?jǐn)嚢铻樵瓌t，加入限定量的氯化鉀（KCl），以便于改變被測(cè)土壤的電導(dǎo)率。利用電極法測(cè)量實(shí)驗(yàn)土壤浸提液的電導(dǎo)率作為標(biāo)定的依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)定土壤的電導(dǎo)率為0．285 0，0．370 0，0．449 0，0．569 0，0．650 0ms·cm－1，這些值都包含在農(nóng)田土壤電導(dǎo)率基本變化區(qū)域0．239 0～0．650 0ms·cm－1內(nèi)，具有一定的代表性［5－6］。根據(jù)我國(guó)北方常見農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，選擇土壤測(cè)量深度為20cm。

采用文中設(shè)計(jì)的測(cè)量方法和用傳統(tǒng)的算術(shù)平均值測(cè)量方法各測(cè)量5次，數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的測(cè)量

表2 采用傳統(tǒng)的算術(shù)平均值測(cè)量方法的測(cè)量值

5.2 結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的方法計(jì)算土壤電導(dǎo)率誤差減小了，因此，可以說(shuō)比算術(shù)平均值測(cè)量方法準(zhǔn)確，平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別降低了0．010 82%和2．742 08%。

6 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種測(cè)量土壤電導(dǎo)率的新方法，采用二級(jí)融合算法測(cè)量電導(dǎo)率的值。該計(jì)算方法使得土壤電導(dǎo)率的測(cè)量精度提高了，誤差減小了，并且能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)量土壤電導(dǎo)率，可以滿足田地多點(diǎn)測(cè)量的要求。

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