基于LIBS技术的土壤分类研究.pdf
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1、第卷 第期 年 月沈 阳 理 工 大 学 学 报 收稿日期:基金项目:辽宁省博士科研启动基金计划项目()辽宁省教育厅科学研究面上重点项目()作者简介:刘志忠()男硕士研究生通信作者:李业秋()男副教授研究方向为激光器件与激光光谱及其应用文章编号:()基于 技术的土壤分类研究刘志忠赵 吉周晨阳赵静怡李 倩李业秋(.沈阳理工大学 理学院沈阳 .吉林省计量测试仪器与技术重点实验室长春)摘 要:不同种类土壤中常量元素含量不同对应的激光诱导击穿光谱()特征谱线强度不同以此为分类依据采用 技术和支持向量机()相结合研究土壤分类问题 对八种不同种类土壤进行研究并基于 建立土壤分类模型 采集土壤中六种常量元素
2、、的 光谱将上述元素谱线的峰值强度归一化后作为特征变量划分训练集与测试集进行分类模型训练 八种土壤分类准确率的算术平均值达到.表明 技术用于土壤分类具有较好的效果 技术具有快速检测、多元素同时分析等优点为土壤分类和土壤普查提供一种新的可行方法关 键 词:激光诱导击穿光谱支持向量机土壤分类中图分类号:.文献标志码:./.(.):()().:土壤分类是土壤科学领域的重要研究内容之一是土壤资源评价和建立土壤分类系统的基础土壤分类与保护土壤环境、因地制宜守住耕地红线、加快农业现代化发展密切相关 我国有土壤系统分类和土壤发生分类两种分类标准目前应用最广泛的是土壤发生分类其根据不同类型土壤在形成因素、成土
3、过程和土壤性质而划分 由于不同类型土壤中元素含量存在差异这些差异在光谱上表现明显 因此光谱学分析 在土壤研究领域得到广泛的应用和发展刘焕军等利用土壤反射光谱进行土壤分类研究采用原子吸收光谱法检测土壤中重金属浓度张晨芳等采用电感耦合等离子体质谱法测定土壤中的微量与痕量元素 等采用氮气微波电感耦合大气压等离子体法()研究了不同气氛条件下土壤中重金属的含量激光诱导击穿光谱()是一种崭新的元素分析技术具有精确度高、检测快速、微损、原位检测和多元素同时检测等优点其原理是通过高能激光脉冲聚焦于样品表面瞬间烧蚀气化样品表面产生高温等离子体通过分析原子或离子的特征发射谱线获得样品所含元素及含量信息 技术在土壤
4、重金属和营养元素定量分析领域有着广泛的应用 本文以土壤中常量元素的 为研究对象提取土壤元素的特征谱线结合支持向量机()算法进行土壤分类方法研究 探索基于土壤元素 进行土壤分类的可行性为实现土壤快速分类、建立土壤分类系统和为国家土壤普查提供理论依据 实验部分.样品制备实验土壤样品包括四种国家标准土壤样品、以及云南砖红土、安徽褐土、安徽红土、辽宁黑土共计八种土壤 土壤经过烘干、粗筛、研磨和细筛(目)后每次称取.使用 粉末压片机(公 司 型)制 成 直 径.、厚度 的土壤薄片 每种土壤压制出 个土壤样品薄片共制作 个土壤样品.实验设备 装置如图 所示主要包括:固体激光器(公司型)激发波长 能量 频率
5、 脉宽 光谱仪(公司 型)光栅刻度为 光谱范围 延时时间 门宽 增强电荷耦合器件(公司 型)光收集器(公司 型)吹扫系统(自制)图 装置示意图.实验方法激光脉冲通过反射镜经石英平凸透镜(焦距 )聚焦到土壤样品表面 土壤样品放置在三维移动平台上光收集器以 夹角采集样品表面激发产生的等离子体等离子体信号经光谱仪分光后由 进行信号放大最后在计算机中光谱仪配套软件()上显示光谱信息 吹扫系统设置为匀速以减少前一激光脉冲烧蚀土壤表面产生的细小土壤颗粒对后续激光脉冲的影响提高光谱信号的稳定性对每个土壤样品中的六种元素(、)分别采集 组 光谱提取六种元素的特征谱线强度构建 维光谱数据矩阵 个土壤样品共组成
6、维光谱数据矩阵沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷 结果与讨论.谱线的选择不同种类的土壤由于地域不同形成过程各有差异其元素含量也有所差异 四种标准土壤中样品的元素含量见表 由表 可知四种标准土壤中的同种元素含量 各 不 相 同 对 应 的 光 谱 图 如 图 所示表 四种标准土壤样品的元素含量(质量分数)()国标编号.图 四种标准土壤不同波段范围内的 光谱.由图 可见土壤元素含量不同其对应特征谱线差异明显这为激光诱导击穿光谱技术用于土壤分类提供了可能性 为提高土壤分类精度通常采集多种土壤中常量元素特征谱线进行多元素谱线交叉分析但人为分析误差大且工作量大 本文使用机器学习算法进行特征谱线差异分
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- 基于 LIBS 技术 土壤 分类 研究
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