專利名稱：土壤特性的觀測裝置和土壤特性的觀測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測定土壤特性的土壤特性觀測裝置和土壤特性的觀測方法，特別是，涉及收集有關農場內立體土壤特性分布的信息的土壤特性觀測裝置。
背景技術：
近年來，從保護環(huán)境和提高效益的觀點出發(fā)，為了使與供生產農作物的農場單位面積相對應的農業(yè)生產資料，肥料或飼料等的投入量最小，正在普遍地引進精密農耕法。
在精密農耕法中，把規(guī)模比較大的農場區(qū)分為多個區(qū)域，在考慮到每一個區(qū)域中不同的土壤特性(土壤特性的差異)的前提下，對每一個區(qū)域有關的施肥和撒播農藥等進行最恰當?shù)墓芾怼?br> 要實施這樣的精密農耕法，就必須取得能正確反映每一個區(qū)域的有關土壤特性差異的信息。
例如，在5,044,756號美國專利公報中所記載的裝置，是用車輛之類牽引，在規(guī)定深度的土壤中大致水平地移動。在移動的過程中，把特定波長的光線照射到土壤中，同時檢測其反射光線，根據(jù)其反射光線的特性，就能對土壤中所含有的有機物和水分進行實時的定性和定量的觀測。
將各區(qū)域的相應信息與，例如，過去所積累的數(shù)據(jù)信息或者地理上不同的其他農場的有關數(shù)據(jù)信息進行比較，就能靈活運用這些信息，找到適合于各個區(qū)域的土壤特性的最佳管理方法(確定施肥量和農藥的撒播量等)。為此，希望對與各區(qū)域相應的數(shù)據(jù)信息進行標準化(統(tǒng)一的標準)，以便能與在時間上，地理上不同的地域所取得的土壤特性的有關數(shù)據(jù)信息進行比較。要使數(shù)據(jù)信息標準化，例如，就要采集反映土壤的物理-化學特性的多種參數(shù)進行公式化(函數(shù)化)，用以作為評價土壤性質的指標。此時，例如，當從農業(yè)生產的所謂優(yōu)勢的觀點出發(fā)來評價土壤特性時，作為對這種土壤特性定義用的指標中，不可缺少的參數(shù)，按照上述公報所記載的裝置，除了所觀測到的有機物含量和含水量(含水率)之外，還有粘土含量和土壤密度等等。
可是，粘土含量和土壤密度等這些參數(shù)，反映在土壤物理特性的很多方面(例如，土壤的硬度和導電率等)，用光學分析方法進行定量分析是很困難的，所以必須另外采用具有能檢測土壤硬度和導電率的功能的傳感器。
可是，當采用不同檢測原理的傳感器，在實時下檢測多個參數(shù)時，因為安裝位置的限制，是在各傳感器互相隔開的位置上檢測土壤中有關的各種特性的。這樣，就不能保證檢測出來的各種特性是同一個試樣的特性。
此外，包括上述公報中所記載的裝置在內，當掌握農場內的土壤特性的分布時，在使用在現(xiàn)場直接測定(檢測)反映土壤特性的參數(shù)的裝置的情況下，檢測元件與試樣(土壤)之間的關系容易受到外界的影響而產生誤差。例如，在使檢測元件與土壤接觸的情況下進行檢測時，很容易產生檢測元件與土壤之間接觸壓力的變化，另一方面，當使檢測元件在離開土壤的狀態(tài)下進行檢測時，又容易產生檢測元件與土壤之間距離的變化，所以，這些在外在因素影響下所取得的數(shù)據(jù)的精度和再現(xiàn)性都是很差的。

發(fā)明內容
本發(fā)明就是有鑒于以上的實際情況而作出的，其目的是提供一種土壤特性的觀測裝置，它能夠高效率地取得農場內有關土壤特性的分布情況的，高精度的數(shù)據(jù)信息，對農場進行統(tǒng)籌管理。
為了達到上述目的，按照本發(fā)明的一種觀測土壤特性的土壤特性觀測裝置，它具有下列裝置能使切削面與任意深度的土壤接觸，在對土壤邊切削邊行進的過程中，在與上述切削面行進方向相反方向上形成觀測空間的土壤切削裝置；檢測裝置；距離識別裝置；以及距離對應裝置；上述檢測裝置測定位于上述觀測空間與土壤的界面上的觀測面的土壤特性；上述距離識別裝置識別從上述檢測裝置到上述測面之間的距離；上述距離對應裝置根據(jù)上述距離識別裝置所識別的距離，讓上述檢測裝置來處理所檢測到的有關土壤特性的信息。
借助于上述結構的裝置，根據(jù)上述距離識別裝置所識別的距離，上述檢測裝置就能對所檢測到的與土壤特性有關的信息進行處理。這樣，如果能夠在從上述檢測裝置到上述觀測面的距離相等的情況下(在最適當?shù)姆秶臈l件下)取得數(shù)據(jù)信息，那么就能把這些數(shù)據(jù)信息進行分組。因此，關于上述檢測裝置所檢測出來的土壤的特性(作為具有確定其分析精度的條件的，在檢測元件與檢測對象之間的距離是重要的特性，例如，從土壤的反射光線的分光光譜之類的土壤光學特性)，就能夠取得精度和再現(xiàn)性都很高的數(shù)據(jù)信息。
此外，上述距離對應裝置通常都具有下列各部分根據(jù)上述距離識別裝置所識別的距離來識別上述土壤切削面的凹凸狀態(tài)的凹凸狀態(tài)識別裝置；根據(jù)上述凹凸狀態(tài)識別裝置所識別的凹凸狀態(tài)，對用上述檢測裝置所檢測到的有關土壤特性的信息進行分組的分組處理裝置。
此時，對上述有關土壤特性的信息的分組，例如上述凹凸狀態(tài)，也可以是把用上述檢測裝置在對土壤特性的檢測條件有利的情況下所檢測到的信息，進行使用性很強的分組篩選處理。
此外，在包含上述土壤特性的觀測點在內的規(guī)定區(qū)域中，在所有規(guī)定的次數(shù)內，在識別上述距離時，利用所識別的距離的平均值，分散程度(或標準偏差)，或者對所識別的距離的變化所評定的凹凸的非對稱性這些指標，可以對這些指標的一部分或者全部進行考核，對上述信息進行分組。
借助于這樣的構成，就能對，例如，凹凸狀態(tài)類似的土壤面，或者凹凸狀態(tài)較好的土壤面上檢測到的關于土壤特性的信息，進行分組處理，對用上述土壤特性檢測裝置所檢測到的土壤特性(作為決定分析精度的條件，檢測元件與檢測對象之間的距離是重要的特性)，就能取得精度和重復性更高的數(shù)據(jù)信息。
此外，在上述檢測裝置所檢測出來的土壤特性中，最好還包含根據(jù)來自上述觀測面的反射光的光學特性。
此外，按照本發(fā)明的另一種觀測土壤特性的觀測裝置，它具有使其切削面與任意深度的土壤接觸，對土壤邊切削邊行進的土壤切削裝置，以及檢測裝置，上述檢測裝置主要檢測與上述切削面接觸的土壤的電氣特性。
本文中所謂的電氣特性，例如包括，導電率，電阻，電容，介電常數(shù)等等。
此時，上述檢測導電率的檢測裝置中的檢測元件(例如，電極元件)，最好設置在上述土壤切削裝置前端的附近。
使用上述構成，由于能直接而且連續(xù)地檢測與上述土壤切削裝置的切削面接觸的土壤的導電率或者介電常數(shù)，因此，就能在廣大的區(qū)域內，對土壤的電器特性，更進一步對與電器特性有關的各種土壤特性，高效率地取得精確的數(shù)據(jù)信息。
此外，上述檢測裝置必須要有露出在上述切削面上，相互之間絕緣的至少一對電極。
此外，上述檢測裝置最好具有能向上述一對電極加載規(guī)定頻率的交流電壓的電壓加載裝置。
在上述電極表面上不發(fā)生電極反應，所以輸出信號的特性在很長的時間，甚至經(jīng)過幾年也難于會發(fā)生變化。因此，才能夠長期一貫地檢測出可靠性極高的有關土壤的導電率和介電常數(shù)的數(shù)值。
此外，上述加載電壓的裝置，最好具有在上述一對電極上加載規(guī)定頻率的交流電壓的第一電壓加載裝置，和加載其頻率與第一電壓加載裝置所加載的交流電壓不同電壓的第二電壓加載裝置。
借助于上述構成，基于上述第一電壓加載裝置所加載的交流電壓，測定流過預定電路內的電流特性，除了能掌握與土壤切削裝置的切削面接觸的土壤的導電率之外，還基于上述第二電壓加載裝置所加載的交流電壓，能測定在其他電路內流動的電流的特性，從而掌握與土壤切削裝置的切削面接觸的土壤的其他電氣特性(例如介電常數(shù))。因此，用一對電極就能掌握關于上述土壤切削裝置的切削面接觸的土壤的多種不同的電氣特性。
此外，另一個發(fā)明的一種觀測土壤特性的土壤特性觀測裝置，它具有對任意深度土壤的邊切削邊行進的刃狀的土壤切削裝置和檢測裝置，上述檢測裝置在上述土壤切削裝置行進的過程中，能檢測出與行進方向相反的一面上的作用力。
借助于上述構成，通過在與上述土壤切削裝置行進方向相反一側上的作用力就能檢測出存在于上述土壤切削裝置前方的土壤作用于上述土壤切削裝置的切削面(特別是前端部)上的荷載，換言之，就是能檢測出土壓(土壤阻力)來。此外，上述土壓還與土壤的硬度有相當大的關系。即，隨著上述土壤切削裝置的行進，能夠依次檢測出處于前方的土壤的硬度。
此外，像直接檢測受到前方土壤的土壓(阻力)的薄膜式壓力傳感元件那樣，就沒有必要在檢測上述土壓時，在土壤切削裝置的切削面上，或者在切削面(表面)附近設置傳感器元件。換言之，在上述土壤切削裝置的切削面與變形量檢測裝置的檢測元件之間形成了比較厚的一層，就能確保對于因為與土壤接觸而對上述土壤切削裝置的切削面形成的沖擊，以及該切削面的磨損，確保充分的耐用性。
此外，另一個發(fā)明也是觀測土壤特性的土壤特性觀測裝置，它主要具有下列裝置能使切削面與任意深度的土壤接觸，在對土壤邊切削邊行進過程中，在上述切削面行進方向的相反方向上形成觀測空間的土壤切削裝置；檢測裝置；檢測條件識別裝置，制分組信息制成裝置；上述檢測裝置至少測定下列土壤特性中的一種位于上述觀測空間與土壤的界面上的觀測面的土壤特性，或者與上述切削面接觸的土壤特性；上述檢測條件識別裝置識別在上述檢測裝置檢測多種土壤特性的過程中的檢測條件；上述分組信息制作裝置根據(jù)用上述檢測條件識別裝置所識別的檢測條件，對上述多種土壤特性制作成與大致相同的土壤試樣相對應的成組數(shù)據(jù)信息組。
所謂“大致相同”，不僅完全相同，例如，它也意味著用上述土壤切削裝置所切削下來的土壤中互相對持的的土壤表面(表層的土壤)。此外，所謂“檢測條件”，也可以包括，例如，為檢測各參數(shù)用的傳感器元件的布置方式的差異。
借助于這種構成，就能把作為土壤特性的檢測數(shù)值的在任意觀測點上獲得的多個數(shù)據(jù)，作為與大致相同的土壤試樣相對應的信息，正確而且高效率地進行綜合。這樣，就能根據(jù)土壤特性在地域廣闊的地理上的分布，高效率地收集對制作普遍性很高的資料圖有用的信息。
此外，在上述檢測條件識別裝置所識別的檢測條件中，上述多種土壤特性優(yōu)選包含對上述多種土壤特性所檢測出來的時間，以及上述土壤切削裝置的行進速度。
借助于上述構成，就能夠將上述多種參數(shù)作為與同樣的土壤試樣相對應的信息，進行正確而且高效率的綜合。
此外，在上述觀測面上所存在的土壤的特性中，優(yōu)選至少包括下列土壤的光學特性和熱力學特性中的一種例如，紅外線的光譜，可見光光譜，攝像，溫度等。
此外，上述檢測裝置最好能對上述觀測面上存在的土壤的特性，以及與上述切削面接觸的土壤的特性都能進行測定。
在上述與切削面接觸的土壤的特性中，最好至少包含土壤下列電氣特性和力學特性中的一種例如，土壤的電氣特性，土壤的硬度等。
此外，上述檢測裝置可以從大致相同的土壤試樣中檢測上述存在與觀測面上的土壤的特性，和與上述切削面接觸的土壤的特性。
此外，上述土壤特性觀測裝置還具有比較裝置，該比較裝置基于上述觀測面上所存在的土壤的特性和與上述切削面接觸的土壤的特性中的至少一種特性，對其它特性的可靠性進行比較。此處所說的“特性的可靠性”，指的是上述檢測裝置所檢測出的特性的可靠性。
借助于上述構成，可以根據(jù)與這些土壤特性相關的某兩種不同的特性，定量地掌握例如土壤的含水率，有機物的含量等，同一土壤特性，從而提高所獲得的與這些土壤特性相關的數(shù)據(jù)信息的可靠性。
此外，此處所謂的同一種土壤特性，不僅是指完全相同的特性，也可以是大致相同的土壤特性，或者類似的土壤特性。
此外，上述土壤特性觀測裝置據(jù)具有通信裝置和處理裝置，上述通信裝置能把關于本土壤特性觀測裝置現(xiàn)在所處的位置的信息作成來自外部的通信息而獲得，上述處理裝置優(yōu)選能把上述通信信息與上述檢測裝置所檢測得到的土壤特性作為相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)信息。
借助于上述構成，就能夠高效率地把在各觀測點上所獲得的與土壤特性有關的數(shù)據(jù)信息，與它在農場內所處的正確位置相對，并對其進行管理。
按照本發(fā)明的土壤特性檢測方法的要點是，使切削面與任意深度的土壤接觸，在對土壤邊切削邊行進的過程中，在與上述切削面行進的方向相反的一側形成觀測空間，根據(jù)從上述檢測裝置到上述觀測面之間的距離，對用檢測裝置所檢測到的、與位于上述觀測空間與土壤的界面之間的觀測面的土壤特性有關的信息進行處理。
借助于這一方法，就能夠對用上述檢測裝置所檢測到的與土壤特性有關的信息，進行與距離相對應的處理。這樣，例如，在從檢測裝置到觀測面之間的距離相同的情況下(在條件最適當?shù)姆秶鷥葪l件下所取得的)取得數(shù)據(jù)信息時，就能夠對這些數(shù)據(jù)信息進行分組化。因此，對于用上述檢測裝置所測得的土壤特性(作為決定其分析精度的條件，是檢測元件與檢測對象之間的距離是重要的特性，例如，來自土壤的反射光的分光光譜等那樣的土壤光學特性)，就能獲得精度和再現(xiàn)性都很高的數(shù)據(jù)信息。
按照本發(fā)明的另一種土壤特性檢測方法的要點是，使切削面與任意深度的土壤接觸，在對土壤邊切削邊行進的過程中，檢測出與上述切削面接觸的土壤的電氣特性。
此處所謂的電氣特性，包括，例如，導電率，電阻，電容，介電常數(shù)等等。
借助于上述方法，由于能直接而且連續(xù)地檢測出與上述切削面接觸的土壤的導電率或者介電常數(shù)，所以就能在廣闊在范圍內對土壤的電氣特性，更進一步，能對與電氣特性有關的各種土壤特性，高效率地獲得精確的數(shù)據(jù)信息。
此外，借助于本發(fā)明的另一種土壤特性觀測方法的要點是，使切削面與任意深度的土壤接觸，在對土壤邊切削邊行進的過程中，檢測出作用在與上述切削面的行進方向相反的另一面上的力。
按照這種方法，就能夠通過作用在與上述切削面的行進方向相反的另一面上的力，檢測出土壤加載在切削面上的載荷，換言之，就能夠檢測出土壓(阻力)。此外，這一土壓與上述土壤的硬度有很高的相關性。即，隨著上述切削面的行進，能夠依次檢測出存在于前方的土壤的硬度。
以上所說的各種構成可以在可能的范圍內進行各種組合。


圖1是表示本發(fā)明第一實施例的觀測系統(tǒng)的大致構成的示意圖；圖2是表示第一實施例的土壤特性觀測裝置的示意側視圖；
圖3是第一實施例的土壤特性觀測裝置的傳感部分內部結構的示意的側剖視圖；圖4是第一實施例中構成傳感部分的一部分的鏟刃部分外觀的俯視圖；圖5是第一實施例中的土壤特性觀測裝置的控制部分的電氣結構的框圖；圖6是第一實施例中的檢測電路的功能框圖；圖7是第一實施例中用于把有關土壤特性的數(shù)據(jù)信息與取得信息的位置和所觀測土壤面的深度一同記錄下來的基本順序的流程圖；圖8是第一實施例中用于概略說明裝在傳感部分中的各種傳感器的輸出信號是怎樣進行處理的構思說明圖；圖9是第一實施例中對有關土壤光譜和土壤導電率的信息進行綜合處理的順序的流程圖；圖10是第一實施例中對有關土壤光譜和土壤導電率的信息進行綜合處理的順序的流程圖；圖11是本發(fā)明第二實施例的土壤特性檢測裝置的傳感部分內部結構的示意的側剖視圖；圖12是第二實施例中對土壤位移傳感器的輸出信號進行指標化的信號處理部分的功能框圖；圖13是第二實施例中在多個觀測點上所取得的有關土壤位移狀態(tài)的三種指標的直方圖；圖14是第二實施例中，根據(jù)在多個觀測點上的土壤位移狀態(tài)的三種指標，用于選擇供應給分光譜解析用的數(shù)據(jù)信息的處理順序的流程圖；圖15是第二實施例中，根據(jù)在多個觀測點上所取得的平均位移，位移的分散和非對稱性所作成的頻度圖；圖16是本發(fā)明的第三實施例的，把土壤切削部分與其周圍的部位與計算機合并的模式的示意圖；圖17是表示本發(fā)明的第四實施例中，用于綜合根據(jù)各種傳感器的檢測信號的數(shù)據(jù)信息的處理順序的流程圖；
圖18是表示本發(fā)明的土壤特性檢測裝置的另一種實施例的略圖；圖19是表示本發(fā)明的土壤特性檢測裝置的另一種實施例的略圖；圖20是表示本發(fā)明的土壤特性檢測裝置的另一種實施例的略圖。
具體實施例方式
第一實施例下面，參照

將本發(fā)明的土壤特性觀測裝置具體化了的的第一實施例。
(檢測系統(tǒng)的概要)圖1中，概略表示了本實施例的觀測系統(tǒng)。
如圖1所示，檢測系統(tǒng)1由拖拉機等車輛2牽引，它由待進行農作物生產的耕種的農場3內移動的土壤特性觀測裝置10，以及為掌握土壤特性觀測裝置10的正確位置用的GPS(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星所組成。在土壤特性觀測裝置10上備有GPS天線11，土壤特性觀測裝置10通過該GPS天線11，從GPS衛(wèi)星200接收位置信息的信號(有關地面上土壤特性檢測裝置10的位置的信號)，以識別自身當前的位置。如圖1中的虛線所處，假設把農場3劃分為多個區(qū)域，每一個區(qū)域都獨立地決定有關土壤特性所取得的信息的管理，適合于農作物生長的施肥，以及農藥的投入量。
(土壤特性觀測裝置的結構和功能)下面，說明土壤特性觀測裝置的結構和功能。
圖2是概略地說明由車輛(拖拉機)牽引的土壤特性觀測裝置10的結構的側視圖。
如圖2所示，土壤特性觀測裝置10由下列各部件構成通過支承框架12a、12b、12c、12d連接在拖拉機2后部的臺架13；裝載在臺架13上的控制部分(包括計算機)30；以及安裝在臺架13后端下部的土壤切削部分50。在控制部分30的上方安裝了GPS天線11。土壤切削部分50具有支承連接在臺架13下部的支桿51，和固定在支桿51下部，在土壤的預定深度中(地表面以下)大致呈水平地行進的傳感部分52。支桿51的行進方向的前端，為了減小土壤的抵抗力，做成V字形。另外，在傳感部分的前端具有切削土壤用的鏟刃(鏟子部分)53，在內部還裝有檢測土壤特性的各種傳感器(圖中未表示)。安裝在土壤切削部分50外部的鹵素燈40的作用是，作為在傳感部分52內部形成的觀測空間(圖中未表示)中，作為用于對下面所說的各種傳感器(圖中未表示)的檢測對象(土壤)進行照明的光源。安裝在臺架13側面的支承臂14，借助于使得設置在其前端部分上的測試輪15與地面接觸，所以與支承框架12a、12b、12c、12d一起，使臺架13與地表面保持水平狀態(tài)。此外，測試輪15和臺架13之間的距離是可以調整的，借助于調整該距離，就能夠調整土壤中傳感部分52的位置(深度)。在同一個臺架13的側面，在比支承臂14更靠前的預定部位13a上，安裝成能以部位13a為中心自由搖動的搖臂16，使得設在其前端部的，深度測定用的自由轉輪17與地面接觸。在安裝搖臂16的部位上，安裝著電位計(旋轉角度傳感器)18，它能輸出與搖臂16相對于臺架13的旋轉相位相對應的信號。根據(jù)旋轉角度傳感器18所輸出的信號，就能求出深度測定用的自由轉輪17的接地表面與臺架13之間的距離D1，以及傳感部分52的底面(檢測土壤面)與地表面L1之間的距離，換言之，就是求得觀測土壤面L2的深度D2。此外，設置在臺架13前端部分的犁刀19，通過把土壤切削部分50前方的地面切開，可以減小把傳感部分52引導到地表以下所需要的力量(土壤切削部分50所受到的土壤的抗力)。此外，還具有切割蒿草之類的雜草，防止其纏繞在支桿51上的作用。此外，安裝在拖拉機2上的顯示操作部分20與控制部分30電連接，借助于操作者輸入操作，或者與自動控制部分30之間的通信，把控制部分30所存儲的數(shù)據(jù)信息適當?shù)仫@示出來。
(傳感部分的結構)圖3a是概略地表示傳感部分內部構造的側剖視圖。
如3a所示，傳感部分52與相當于沿著行進方向的前端部的鏟子部分53，以及與相當于后端部(位置與前端部相反)光學傳感器的收藏部分60大不相同。鏟子部分53一邊在上下方向切開其刀刃前方的土壤，一邊行進的同時，在它的后方還形成了與地平面L1同樣呈水平的觀測土壤面L2。在光學傳感器收藏部分60中，裝有可見光的聚光纖(可見光傳感器)61，近紅外線的聚光纖(紅外線傳感器)62，CCD(Charge Coupled Device)照相機63，溫度傳感器64，以及照明用的光纖65A、65B。此外，這些部件61～65被設置成與檢測土壤面L2隔開距離，在各部件61～65與觀測土壤面L2之間形成了規(guī)定的觀測空間S1。此外，在光學傳感器的收藏部分的內部(在觀測空間S1的后方)，光學傳感器的收藏部分60的后部60a呈開放的狀態(tài)(檢測空間S1的后方向外開放)，以便不使土壤積存起來。
此時，照明用的光纖65A、65B是選擇性地讓鹵素燈40(見圖2)所供給的光中具有特定波長范圍(例如，400nm～2400nm左右)的光線透過，用這種光來照射觀測土壤面L2?？梢姽鈧鞲衅?1，從借助于照明用的光纖65A、65B照射在觀測土壤面L2上的光的反射光中，有選擇地收集可見光的波長范圍為，例如，400nm～900nm的光。紅外線傳感器62同樣也是從借助于照明用的光纖65A、65B照射在檢測土壤面L2上的光的反射光中，有選擇地收集近紅外線的波長范圍，例如，900nm～1700nm的光。CCD(Charge Coupled Device)照相機63對檢測土壤面L2進行照相。溫度傳感器64檢測檢測土壤面L2的溫度(放射熱)。
此外，可見光傳感器61，紅外線傳感器62，CCD照相機以及照明用的光纖65A、65B，各自的前面(朝向檢測土壤的面)都用光學窗(例如石英玻璃)66覆蓋。干燥后的空氣通過送風管67經(jīng)常地吹在光學窗66上。借助于這種干燥空氣的作用，能防止光學窗的模糊。
此外，在觀測空間S1的前方，凸出地設置在傳感部分52的底面上的第一均衡板68a和第二均衡板68b可使用鏟子部分所切削的土壤均等，并且由于對在鏟子部分53后方所形成的土壤的切削面(與傳感部分52相對的面)的凹凸進行平滑，從而使觀測土壤面L2保持了平坦。圖3b是從土壤表面向上方看第一均衡板68a和第二均衡板68b的設置部位的放大后的平面圖。如圖3b所示，第一均衡板68a具有V字形，它在使前方的土壤向兩側方向分開的同時，還使其變得平坦。此外，在第二均衡板68b的前端部，并排配置了許多梳板。第二均衡板68b的作用是使得由第一均衡板68a所形成的土壤表面更加平滑。
在鏟子部分53的后部與光學傳感器收藏部分60之間設有土壤硬度傳感器100。土壤硬度傳感器100由下列部件構成設置在鏟子部分53后部的活塞101；設置在光學傳感器收藏部分60前部的氣缸102；以及容納在氣缸102內部的檢測元件(負載傳感器)103。在活塞101上形成了沿著它徑向的橢圓形通孔101a。固定在氣缸102內的插銷102a插入孔101a內，以限制氣缸102內的活塞101的旋轉，此外，還防止活塞101從氣缸102中拔出來。在活塞101的底端部分101b與氣缸102的開口端102b之間，設有大約1mm左右的間隙G。即，容納在氣缸102內的活塞101可沿著箭頭X方向在間隙G的范圍內作往復運動。在氣缸102的開口端102b的外圓周(間隙G的外圓周)上，圍著一圈尿烷制作的密封圈102c，以防止土壤侵入間隙G和氣缸102內。負載傳感器103與電子控制裝置電連接，在其上設有能產生與活塞101的推壓力相對應的檢測信號的變形測量儀(圖中未表示)。多個碟形彈簧102d從氣缸102向著活塞101的方向推壓負載傳感器103。具有這種構成的土壤硬度傳感器100中，活塞101根據(jù)鏟子部分53從前方所受到的土壓(與土壤硬度有關的一個參數(shù))，對負載傳感器103進行推壓，并借助于在負載傳感 103內的變形測量儀所產生的與這個推壓力相對應的檢測信號，依次檢測出鏟子部分53所受到的來自前方土壤的土壓。此時，因為活塞101的動作被限制在規(guī)定的范圍內，所以對負載傳感器103所加載的推壓力不會超過規(guī)定的數(shù)值。即，氣缸102的內壁和由于活塞101而處于與外部隔離狀態(tài)的負載傳感器103，能將鏟子部分53所受到的來自前方土壤的土壓作為對著鏟子部分53的行進方向的變形量，長期恒定(在確保充分的持久性的基礎上)正確地檢測出來。
圖4是表示鏟子部分53的外觀的俯視圖。如圖3和圖4所共同表示的，在鏟子部分53的上表面埋設表面電極55。在表面電極55的外圓周的周圍設有為隔開電極55和鏟子部分53用的絕緣部件56。表面電極55與用導電材料做成的鏟子部分53的上表面53a構成一對電極，形成了能同時檢測出與鏟子部分53的上表面53a(包括表面電極55)接觸的土壤的導電率與介電常數(shù)的電氣特性傳感器57。
如果處于土壤中的傳感部分52的行進速度等各種條件是恒定的，則鏟子部分53所受到的來自土壤的土壓就能顯示出與此種土壤硬度很高的相關性。
(計算機與其周邊器件的電氣構成)圖5是裝在控制部分30內部的計算機及其外圍設備之間的電氣構成的框圖。
計算機150在其內部具有中央處理器(CPU)，讀出專用存儲器(ROM)，隨機存取存儲器(RAM)，備用RAM 34，以及定時計數(shù)器等等，并且還有用母線將上述各部分連接起來的邏輯運算電路。
具有這種構成的計算機150，通過分光部分，輸入來自設置在光學傳感器收納部60內的可見光傳感器61和紅外線傳感器62的檢測信號，并對這些信號進行處理。分光部分70由可見光用的分光部分71和近紅外線的分光部分72構成。分光部分71、72是具有光電二極管線性矩陣的多通道式光譜儀。見光用的分光部分71在400～900nm的波長范圍內，具有256個能個別地高速檢測出相應波長的光強度的頻道，而近紅外線的分光部分72則在900～1700nm的波長范圍內，具有128個能個別地高速檢測出相應波長的光強度的頻道。此外，計算機150還能輸入來自設置在同一個光學傳感器收納部60內的溫度傳感器64的檢測信號，和來自CCD照相機63的攝像數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)信息(信號)進行處理。此外，計算機150還輸入來自設置在鏟子部分52中的電氣特性傳感器57和土壤硬度傳感器100的檢測信號，并對這些信號進行處理。此外，計算機150還輸入來自安裝在搖臂16上的旋轉角度傳感器18的檢測信號，并對這些信號進行處理。此外，計算機150還通過GPS天線11輸入從GPS衛(wèi)星200發(fā)送來的信號，并對這些信號進行處理。
計算機150根據(jù)來自顯示操作部分20的信號，對從上述各部分輸入的信號(數(shù)據(jù)信息)進行處理，或者，自動對這些信號進行處理，與此同時，在該顯示操作部分20的屏幕上顯示處理的情況和數(shù)據(jù)信息。此外，根據(jù)來自顯示操作部分20的指令信號，或者自動地，把上述處理的結果作為記錄用的數(shù)據(jù)信息存儲在外部存儲裝置(例如，卡片存儲器等)75中。
(導電率和介電常數(shù)的檢測電路的基本構成)圖6是把與鏟子部分53的上表面53a接觸的土壤的導電率和介電常數(shù)成比例的信號，作為電氣特性傳感器57的檢測信號，分別輸出到計算機150中的檢測電路的功能框圖。
如圖6所示，在導電率檢測電路57中，從振幅可變的信號發(fā)射部分向電極55、53a加載頻率為4kHz的交流電壓。在檢測各電極55、53a的電壓振幅的過程中，借助于將規(guī)定的振幅控制電壓輸入到振蕩器中，控制振蕩器的輸出電壓，使加載在各電極55、53a上的電壓振幅恒定。計算機150在對電阻R兩端的電壓實際數(shù)值(與土壤的導電率成比例)在規(guī)定時間內進行平均化處理之后，將其存儲下來。
此時，當使用直流電壓構成檢測電路時，由化學反應(電極反應)的生成物會積存在電極表面上，長期延續(xù)下去，就很難進行穩(wěn)定性高的測電。此外，在使用上述那樣的交流電壓時，由于電極反應而產生的影響最小，所以發(fā)明者們認為可望得到電壓振幅盡可能小的結果。
此外，當采用在兩個電極上通過恒定的電流的構成時，由于在兩個電極上所加的電壓要隨著土壤導電率的大小而變化，所以要考慮電極反應程度的變化，因此，發(fā)明者們認為，在此情況下也很難進行穩(wěn)定性很高的導電率的測定。
對此，在介電常數(shù)檢測電路57b中，除了在導電率檢測電路57a上通入低頻交流電壓之外，還與此重疊加載高頻的交流電壓。在上述電路57b中，把電極55、53a看成電容器的極板，以此來檢測與兩個電極55，53a接觸的土壤的介電常數(shù)。
而且，由于各個電極55、53a都配置在作為土壤的切削面的鏟子部分53的上表面，傳感部分52被限定為設置在土壤里始終要與土壤接觸。因此，就能正確而且穩(wěn)定性很高地測定土壤的電氣特性。
另外，高頻截止濾波器防止了向導電率檢測電路57a中混入高頻，而低頻截止濾波器防止了向介電常數(shù)檢測電路57b中混入低頻。
在本實施例中可以使用，為了檢測土壤的導電率，如果加載交流電壓的話，例如，可以使用通過加載由反復加載方形波或三角形波之類的正負電壓所形成的波形圖形構成的電壓來檢測土壤導電率的裝置。不過，在通過同一組電極來檢測土壤的導電率和介電常數(shù)的實施例中，即，在導電率檢測電路與介電常數(shù)檢測電路中共用同一組電極的裝置中，一般都希望用交流電壓。
此外，即使采用把用于檢測土壤導電率的電極組(加載高頻交流電壓的電極組)，和用于檢測土壤介電常數(shù)的電極組分開配置在鏟子部分53的上表面53a上的裝置，也能夠取得與上述實施例同樣的效果。把高頻用的電極與低頻用的電極分開設置的裝置結構，雖然在搭載性方面不如上述實施例中所使用的裝置的結構(導電率檢測電路與介電常數(shù)檢測電路共同使用同一組電極的裝置結構)好，但應該看到，在能使得檢測電路簡單化這一方面，還是有優(yōu)越性的。
下面，詳細說明具有上述那些硬件結構的土壤特性檢測裝置10是按照什么樣的控制邏輯來取得農場3內的有關土壤特性的數(shù)據(jù)信息的，以及如何管理這些信息的。
(用于取得有關土壤特性的數(shù)據(jù)信息的基本程序)圖7是把根據(jù)傳感部分52中具有的來自各種傳感器的檢測信號的數(shù)據(jù)信息，與取得這些數(shù)據(jù)信息的位置和觀測土壤面的深度，一起記錄下來的基本程序的流程圖。本程序在計算機150啟動后，由該計算機150每隔一定的時間進行一次。
當按照本程序進行處理時，首先，計算機150在步驟S101中判斷是否有取得數(shù)據(jù)信息的要求。即，計算機150預先存儲應取得有關土壤的數(shù)據(jù)信息的時刻，或者在農場內的位置等條件，判斷是否有當前時間點符合這些條件的時刻。此外，在操作者用手動方式向顯示操作部分輸入預定的指令信號(取得信息開始的信號)的情況下，計算機150就可以判斷為有取得數(shù)據(jù)信息的要求。在步驟S101中的判斷為否定時，計算機150就立刻退出本程序。
另一方面，當上述步驟S101中的判斷為肯定時，計算機150就根據(jù)來自GPS衛(wèi)星200的信號，掌握其土壤特性觀測裝置的位置(步驟S102)，接著，取得基于光學傳感器容納部分60內的各種傳感器61、62、63、64，和鏟子部分53內的各種傳感57、100的檢測信號的數(shù)據(jù)信息，并對這些數(shù)據(jù)信息進行運算處理(例如累計和平均)(步驟S103)。然后，把運算處理的數(shù)據(jù)信息與通過至前一程序已經(jīng)取得的數(shù)據(jù)信息的來歷相對照，再進行加工處理(步驟S104)。
例如，假定每隔0.05秒進行一次本程序。此時，每次經(jīng)過3秒的間隔之后，若把控制邏輯電路的構成為在一秒鐘內獲得數(shù)據(jù)信息，在這一秒鐘中能取得120個左右的數(shù)據(jù)信息。計算機150就對這120個(組)數(shù)據(jù)信息進行平均化處理，加工成1個(組)數(shù)據(jù)信息后加以管理。
此后，計算機150將在上述步驟S104中所獲得的數(shù)據(jù)信息，作為與來自GPS衛(wèi)星200的位置信息，和觀測土壤面L2的深度相對應的數(shù)據(jù)信息，存儲在外部存儲裝置75中(步驟S105)，結束本程序中的處理工作。
本實施例中的土壤特性觀測裝置10基本上按照這樣的控制邏輯，連續(xù)地取得農場3內部各區(qū)域中的有關土壤特性的數(shù)據(jù)信息，并存儲下來。
下面，對上述基本程序的處理中特別是步驟S104中的處理，即，對各種傳感器的檢測信號運算處理所得到的數(shù)據(jù)信息的加工處理進行詳細說明。
(基于各種傳感器的信號的數(shù)據(jù)綜合)圖8是說明如何處理安裝在傳感部分52中的各種傳感器的輸出信號的簡圖。
如圖8所示，計算機150具有這樣的作為第一推算裝置的功能，即，對通過檢測土壤的光學特性的檢測裝置，即通過可見光傳感器61和紅外線傳感器62所獲得的數(shù)據(jù)信息進行處理，推算出土壤的有機物SOM(Soil Organic matter)含量，PH值，硝酸狀態(tài)的氮氣(NO3-N)，導電率ECa和水分(含水率)等等。
上述計算機150還具有作為第二推算裝置的功能，即，對通過檢測土壤的電氣特性或者力學特性的檢測裝置，即通過電氣特性傳感器57和土壤硬度傳感器100所獲得的數(shù)據(jù)信息進行處理，推算出導電率ECa和水分(含水率)等等。
此處，例如土壤的導電率ECa和水分(含水率)，除了可通過檢測土壤的光學特性的檢測裝置之外，也可以通過電氣的或者力學的檢測特性的檢測裝置來獲得。在本實施例的土壤特性檢測裝置10中，對于通過不同的檢測裝置所獲得的有關同一種觀測項目(例如，導電率ECa和含水率)的數(shù)據(jù)信息，可以對這些數(shù)據(jù)信息進行互相比較，采用可靠性最高的數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)信息的綜合處理。
(有關土壤光譜和土壤導電率的信息的綜合處理)圖9是表在對有關土壤特性的數(shù)據(jù)信息的處理中，對關于土壤光譜和土壤導電率的信息進行綜合處理的具體順序(程序)的流程圖。其中，按照這一流程圖的處理順序，包含了借助于土壤特性觀測裝置10的計算機150進行處理的這一環(huán)節(jié)，例如前面的基本程序(圖7)中的步驟S104。
在按該程序的處理過程中，計算機150首先在步驟S201中，對于農場3內某一個觀測點上的土壤所獲得的最新數(shù)據(jù)信息進行選擇，作為供給綜合處理用的數(shù)據(jù)信息。然后，根據(jù)設置在光學傳感器容納部分60內的可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所檢測到的信號，推算各觀測點的土壤的含水率，另一方面，根據(jù)電氣特性傳感器57(介電常數(shù)檢測電路57b)的檢測信號，用另一種途徑推算各觀測點上土壤的含水率。
在步驟S202中，對根據(jù)可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所檢測到的信號所推算出來的含水率(以下稱之為根據(jù)光學特性的含水率)WP，與根據(jù)電氣特性傳感器57的檢測信號在各觀測點上獲得的土壤含水率(以下稱之為根據(jù)電氣特性的含水率)WE進行比較，計算出比在各觀測點上的土壤含水率可靠性更高的含水率(以下稱之為適用含水率)WM。
下面，說明適用含水率的計算方法的一個例子。
即，如果根據(jù)光學特性的含水率WP與根據(jù)電氣特性的含水率WE之間的偏差在規(guī)定的范圍內，就使用兩個含水率WP、WE的平均值作為適用含水率WM。另一方面，當上述偏差超過規(guī)定值時，則采用在地理上與該觀測點最接近的另一個觀測點上所獲得的數(shù)據(jù)信息(含水率WP、WE)，來計算適用含水率WM。
在接著的步驟S203中，根據(jù)導電率Eca和在上述步驟S202中所獲得的適用含水率WM，推算土壤溶液的導電率Ecw。而導電率Eca則根據(jù)電氣特性傳感器57(導電率檢測電路57a)的檢測信號進行計算。
經(jīng)過上述步驟S203之后，計算機150便結束本程序的處理工作。
本程序的處理工作結束之后，計算機150便返回圖7中的步驟S105中的處理，把此次所獲得的適用含水率WM和土壤溶液的導電率Ecw，作為制訂表示農場3內的這些參數(shù)WM、Ecw的分布狀態(tài)圖的數(shù)據(jù)信息，存儲在外部存儲裝置75中。
此外，也可以在農場3內的觀測工作完成之后，例如，按照圖10中所示的處理程序作為基本程序(圖7)獨立地進行處理，來代替上述圖9中的處理程序。
下面，說明圖10中的處理程序。本程序既可以通過計算機150來進行，也可以根據(jù)保存在外部存儲裝置75中的數(shù)據(jù)信息通過其他控制裝置來進行。此外，在進行本程序之前，先在農場3內N個觀測點中從n(n＜N)個觀測點上采集實際土壤試樣，使用實驗室內的分析儀器預先測定這些土壤試樣的導電率和含水率，并作為標準數(shù)據(jù)信息保存在外部存儲裝置75中。
在本程序中，例如，計算機150首先在步驟S301中把在農場3內N個地點上所獲得的數(shù)據(jù)信息作為供應給綜合處理用的數(shù)據(jù)信息。
在步驟S302中，除了根據(jù)設置在光學傳感器容納部分60內的可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所檢測到的信號，推算出各觀測點上的土壤含水率之外，還根據(jù)電氣特性傳感器57(介電常數(shù)檢測電路57b)的檢測信號，另外推算出各觀測點上的土壤含水率。
在步驟S303中，在供給綜合處理用的N個數(shù)據(jù)群中，對上述取得標準數(shù)據(jù)信息的土壤試樣的采樣位置，以及在同一位置上所獲得的數(shù)據(jù)群，對于根據(jù)可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所檢測到的信號推算出來的含水率(以下稱之為根據(jù)光學特性的含水率)WP，和根據(jù)電氣特性傳感器57的檢測信號在各觀測點上獲得的土壤含水率(以下稱之為根據(jù)電氣特性的含水率)WE進行鑒定，以確定哪一個數(shù)據(jù)具有更高的相關性。然后，在根據(jù)光學特性的含水率WE和根據(jù)電氣特性的含水率WE中，與標準(參考)數(shù)據(jù)信息的含水率(以下稱之為標準含水率)WS相比，確定采用其中顯示更高相關性的數(shù)據(jù)信息，作為農場中的土壤含水率(采用含水率)。
在步驟S304中，借助于采用含水率與標準含水率的對比，對于n個數(shù)據(jù)信息，確定從在步驟S303中所采用的采用含水率(WP或WE)計算出正確含水率的計算方法(例如，可采用顯示兩者之間的關系的遞歸式作為計算的公式)。
接著，在步驟S305中，對于這一次在步驟S301中所選擇的N個數(shù)據(jù)信息，用與在上述步驟S303中確定的含水率的推算方法相同的推算方法，把所取得的采用含水率(WP或WE)作為各觀測點上的土壤含水率(適用含水率)WM來使用。
在步驟S306中，基于導電率ECa和適用含水率WM，推算出土壤溶液的導電率Ecw。其中，導電率ECa是根據(jù)電氣特性傳感器57(導電率的檢測電路57a)的檢測信號計算出來的。
經(jīng)過上述步驟S306之后，計算機150便結束本程序的處理工作。
本程序的處理工作結束之后，計算機150便返回圖7中的步驟S105中的處理，把此次所獲得的適用含水率WM和土壤溶液的導電率ECw，作為制訂表示農場內的這些參數(shù)WM、Ecw的分布狀態(tài)圖的數(shù)據(jù)信息，存儲在外部存儲裝置75中，這與前面說明的處理程序(圖9)相同。
不限于土壤溶液的導電率，例如，對于有機物的含量和特定的無機鹽類的含量等等土壤中所含的其他參數(shù)，也可以使用與上述程序(圖9或圖10)同樣的控制結構，以另一種途徑從土壤的電氣特性和光學特性，把這些參數(shù)推算出來。而且，如果對各種推算的結果進行相互比較，就能夠取得關于農場內特定土壤特性的分布的可靠性很高的數(shù)據(jù)信息，能取得與本實施例同等的，或者以其為標準的效果。
如上所述，借助于本實施例中的土壤特性觀測裝置10，邊用拖拉機2牽引邊用土壤切削部分50有效地切削土壤，在其后方隨著形成了觀測空間S1(檢測土壤面L2)。而且，設置在土壤切削部分50前部的鏟子部分53具有，在通過由它自己切削的土壤的切削面時，能夠通過設置在該鏟子部分53的前端部分上的電氣特性傳感器57，直接檢測出土壤的電氣特性(例如，土壤的導電率和介電常數(shù))，此外，還能通過在離開鏟子部分53的前端部分一定長度的后方所設置的土壤硬度傳感器100，高效率地檢測出土壤的力學特性(例如，土壓和土壤硬度)的功能。
一方面，設置在土壤切削部分50的后部的傳感部分52，具有檢測土壤的光學特性(例如，近紅外線的光譜，可見光光譜，攝像)，和熱力學特性(例如，土壤表面的溫度)的功能。借助于這樣的構成，這種土壤特性觀測裝置幾乎能在同時連續(xù)地觀測出同一個土壤試樣的各種特性。此外，由于對于同一個土壤試樣的各種特性能和來自GPS衛(wèi)星的信息合在一起進行管理，所以就能高效率地獲得農場內各種土壤特性的正確分布的資料，能用于繪制地圖。
此外，借助于本實施例中的土壤特性觀測裝置10，由于能夠根據(jù)用鏟子部分(第一檢測裝置)所獲得的土壤特性(例如，含水率WP)，和用傳感部分(第二檢測裝置)52所獲得的土壤特性(例如，含水率WE)，分別推算出有關土壤特性的單獨(同一)的參數(shù)(例如土壤溶液的導電率和有機物含量等)，就能通過分別獲得的參數(shù)進行相互比較，作為有關該土壤特性的有關單獨的參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，可靠性更高的數(shù)據(jù)信息。
在本實施例中，雖然電氣特性傳感器57是在與被檢測物體土壤接觸的一組電極之間把電壓，來檢測出土壤的導電率和介電常數(shù)的，但也可以根據(jù)同樣的原理，來檢測土壤的其他電氣特性，例如土壤的電容量等等。
第二實施例下面，對本發(fā)明的土壤特性觀測裝置具體化的第二實施例與上述第一實施例的主要不同點加以說明。
第二實施例中的土壤特性觀測裝置，其基本硬件的構成大致與上述第一實施例相同。因此，對于具有同樣構造和功能的部件，都采用同樣的名稱和標號，并不再重復說明。
本實施例中的土壤特性觀測裝置也是對土壤特性的各種數(shù)據(jù)信息進行綜合處理的裝置，同樣可以使用與適用于第一實施例中的裝置基本相同的控制邏輯框圖(圖7、圖9、圖10)。
不過，在第二實施例中的土壤特性觀測裝置的傳感部分(容納光學傳感器的部分)中，具有測定各種傳感器與土壤的觀測面之間的距離的土壤位移傳感器，在形成關于土壤特性的數(shù)據(jù)信息的過程中，所以，在能夠反映各種傳感器與土壤中的觀測面之間的距離這一點上，與上述第一實施例有區(qū)別。
(傳感部分的構成)圖11是關于第二實施例的土壤特性觀測裝置的傳感部分內部構成的示意側剖視圖。
在圖11中，在土壤特性觀測裝置10’的光學傳感器容納部分60內，在紅外線傳感器62與照明用光纖65B之間，設有土壤位移傳感器(激光距離計)69。土壤位移傳感器69中具有將特定波長(例如780nm)的激光照射在測定對象(土壤觀測面L2)上的激光照射部分69a，以及檢測來自土壤觀測面L2的反射光的受光部分69b，具有用三角測量的原理測定激光照射部分69a與土壤觀測面L2之間的距離D3的功能。土壤位移傳感器69與光學傳感器容納部分60內的其他傳感器61～64一樣，與控制部分內的計算機150電連接(參見圖5)，隨著距離D3的微小變動，換言之，隨著土壤觀測面L2的變化，連續(xù)地向上述計算機150輸出信號。計算機150則根據(jù)土壤位移傳感器69輸出的信號，把土壤觀測面L2的凹凸狀態(tài)指標化，并判斷該信號作為與所獲得的觀測點相對應的數(shù)據(jù)信息的可靠性。
在本實施例中，雖采用了激光距離計69作為土壤位移傳感器，但，也可以使用像以LED作為光源的距離計，以及超聲波距離計等等，具有測量與對象物之間的距離的功能的其它距離計。
(土壤位移傳感器信號處理部分的電氣構成)圖12是說明把土壤位移傳感器69的輸出信號指標化之后，向計算機150發(fā)送的信號處理部分的電氣構成和功能的功能框圖。
如圖12所示，土壤位移傳感器69輸出的信號，在通過除噪音濾波器，濾掉其高頻成分(噪音)之后，作為三種指標(平均距離、凹凸指標1、凹凸指標2)數(shù)值化之后，傳送給計算機150。
此處的平均距離，相當于觀測期間(例如，1秒鐘)所檢測出來的距離D3的平均值(平均距離)。為了產生與平均距離相對應的信號，在觀測期間內，對土壤位移傳感器69的輸出信號(除去噪音之后)進行積分，并進行A/D變換。
此外，凹凸指標1相當于土壤位移傳感器69的輸出信號的頻率成分中與1Hz～10Hz的成分相對應的(比較大的)凹凸數(shù)(在作為測定對象的土壤觀測面上所檢測到的數(shù)量)。為了產生與凹凸指標1相對應的信號，在觀測期間內，要把土壤位移傳感器69的輸出信號(除去噪音后)中的頻率成分為1Hz～10Hz的信號取出來，對其整流后進行積分，再進行A/D變換。
此外，凹凸指標2相當于土壤位移傳感器69的輸出信號的頻率成分中與10Hz以上的成分相對應的(比較小的)凹凸數(shù)(在作為檢測對象的土壤觀測面上所檢測到的數(shù)量)。為了產生與凹凸指標2相對應的信號，在檢測期間內，要把土壤位移傳感器69的輸出信號(除去噪音后)中的頻率為10Hz以上的信號取出來，對其整流后進行積分，再進行A/D變換。
也可以采用把土壤位移傳感器69的輸出直接進行A/D變換，然后以在計算機150中進行計算處理的方式來求出各種指標，以代替上述除去噪音，取出特定頻率的成分，整流以及積分等一系列處理結束之后再進行A/D變換的方式。
(有關土壤的位移狀態(tài)的指標的選定，以及數(shù)據(jù)信息的選擇)圖13中表示了在多個觀測點上所得到的平均距離，凹凸指標1和凹凸指標2各自的頻度圖的例子。
在本實施例的土壤特性檢測裝置10’中，在這些頻度圖的橫坐標(各種指標的大小)上設定了規(guī)定的分析范圍，僅把平均距離，凹凸指標1和凹凸指標2在各頻度圖上的分析范圍內的觀測點上得到的數(shù)據(jù)信息(通過可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所得到的數(shù)據(jù)信息)，選擇為對土壤特性(光學特性)進行比較詳細的分析(分光光譜解析)用的數(shù)據(jù)信息，存儲在外部存儲裝置75中。
此處，對于平均距離在頻度圖上的分析范圍(A1)，例如，可以設定在以全部數(shù)據(jù)(平均距離)的平均值為中心的規(guī)定范圍內。此外，對于上述凹凸指標1在頻度圖上的分析范圍(B1)，可以設定在設該凹凸指標2的最小值為“0”的規(guī)定范圍內。此外，對于上述凹凸指標2在頻度圖上的分析范圍(C1)，優(yōu)選設定在設該凹凸指標2的最小值為比“0”稍微大一些的值的規(guī)定范圍內。在凹凸指標2為“0”的情況下，意味著在土壤觀測面L2上沒有微小的凹凸，近似于鏡面的狀態(tài)，在這樣的狀態(tài)下，土壤觀測面L2上的照明光的反射光不會漫射，而且很適合于分光光譜的分析。
圖14是根據(jù)各觀測點上的有關土壤位移狀態(tài)的三種指標(平均距離，凹凸指標1，凹凸指標2)，用于選擇供應給分光光譜解析用的數(shù)據(jù)信息的處理順序(程序)的流程圖。
本實施例中的程序是在規(guī)定數(shù)量的觀測點上對土壤特性進行檢測之后，由計算機150來實施。
在按本程序進行處理時，計算機150首先在步驟S401中，對處理對象的全部數(shù)據(jù)信息(例如，在此之行進行檢測的全部觀測點上所獲得的數(shù)據(jù)信息)引入土壤觀測面的平均距離，凹凸指標1，凹凸指標2，繪出頻度圖。
然后，如圖13中所說明的那樣，對各頻度圖設定其分析范圍(步驟S402)，僅把全部土壤觀測面的平均距離、凹凸指標1、凹凸指標2在各頻度圖上分析范圍內的觀測點上所獲得的數(shù)據(jù)信息(關于土壤的光學的信息)，視為可靠性很高的信息，而存儲在外部存儲裝置75上(步驟S403)，供更詳細的分析用。
(與土壤位移狀態(tài)指標的選定有關的其他處理方式)在上述第二實施例中，把平均距離、凹凸指標1和凹凸指標2這三種指標繪制成頻度圖，根據(jù)各個指標是否處于頻度圖上規(guī)定的分析范圍內，就能判斷各觀測點所得到的數(shù)據(jù)信息(通過可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所獲得的數(shù)據(jù)信息)的可靠性。
同樣，也可以繪制其他指標的頻度圖，再根據(jù)這些頻度圖來判斷從各觀測點所獲得的數(shù)據(jù)信息(通過可見光傳感器61和紅外線傳感器62等所獲得的數(shù)據(jù)信息)的可靠性。
下面，對能應用土壤特性檢測裝置10’的其他處理方式的例子加以說明。
在其他處理方式的例子中，在各個觀測點的各個時段中所獲得的數(shù)據(jù)信息都要引入有關土壤位移狀態(tài)的三種指標的概念平均位移m，位移的離散度v，以及非對稱性s。這些指標，可以借助于，對例如圖12中的數(shù)據(jù)記錄器所記錄的土壤位移時的一系列信號進行分析后得到。
首先，把距離D3的最佳數(shù)值與實際距離D3之間的差別定義為位移。所謂平均位移m，是指在各觀測點上的觀測期間所獲得的位移的平均值。而位移的離散度v是在各觀測點上的觀測期間所獲得的位移的分散情況。此外，所謂非對稱性s是表示平均位移m與位移d之間的差乘以3的倍數(shù)，即“α·(m-d)3；但α為系數(shù)”。
圖15是表示由在多個觀測點上所獲得的平均位移m，位移的離散度v，以及非對稱性s所繪制的頻度圖的一個例子。
把在平均位移的頻度圖上的分析范圍(A2)，設定在以全部數(shù)據(jù)的平均值為中心的規(guī)定的范圍內。在位移的離散度v的頻度圖上的分析范圍(B2)，最好設定在比該位移的離散度v的最小值“0”稍大一些的值規(guī)定的范圍內。當位移的離散度v為“0”時，表示土壤觀測面L2連微小的凹凸都沒有，幾乎是呈鏡面的狀態(tài)，在這樣的狀態(tài)下，土壤觀測面L2上的照明光的反射光就不會漫射，反而不適合于分光光譜的分析。
此外，在非對稱性s的頻度圖上的分析范圍(C2)，則設定以最佳值(最小值)為“0”的規(guī)定范圍內。
這樣，在把平均位移m，位移的離散度v，以及非對稱性s用作土壤位移狀態(tài)的指標情況下，按照在先前圖14中所說明的處理程序大致同樣的控制邏輯，只把所有各種指標m、v、s在頻度圖上的分析范圍內的觀測點上所獲得的數(shù)據(jù)信息(與土壤的光學特性有關的信息)，視為具有高度可靠性的信息，把它存儲在外部存儲裝置75中，以供更加詳細地分析。
如上所述，借助于本實施例中的土壤特性檢測裝置10’，就能夠連續(xù)而且穩(wěn)定地取得與土壤觀測面的凹凸狀態(tài)的變化無關，而與土壤的光學特性或者熱力學特性有關的，可靠性很高的數(shù)據(jù)信息。
第三實施例下面，對本發(fā)明的土壤特性檢測裝置具體化的第三實施例，以與上述第二實施例之間的不同點為中心，進行說明。
第三實施例中的土壤特性檢測裝置，其基本硬件的構成大致與上述第二實施例相同。即，第三實施例中的土壤特性檢測裝置也在光學傳感器容納部分中具有土壤位移傳感器，能夠測定設置在該光學傳感器容納部分中的各種傳感器與土壤觀測面之間的距離。此外，該第三實施例中的土壤特性檢測裝置中，關于土壤特性的各種數(shù)據(jù)信息的綜合處理，也可以使用與適用于第一和第二實施例中的裝置基本相同的控制邏輯框圖(參見7、圖9、圖10等)。
只是，該第三實施例中的土壤特性檢測裝置，具有根據(jù)土壤位移傳感器的輸出信號，把對土壤的傳感部分(鏟子的刃部)的進入角進行反饋控制的功能，這一點是與第一和第二實施例不同之處。
圖16是表示把構成本發(fā)明的土壤特性檢測裝置第三實施例的一部分土壤切削部分及其周圍的部件與計算機合并的模式的示意圖。
如圖16所示，該第三實施例中的土壤特性檢測裝置具有在臺架13下面的驅動裝置80，驅動裝置80根據(jù)來自計算機150的指令信號進行操作。借助于使把一端支承在支桿51上的搖桿81作自由往復運動，來控制和驅動土壤切削部分50，以軸50a為中心作相對于臺架13的搖擺運動，從而能調節(jié)傳感部分52(鏟子刃部53)相對于土壤的進入角β。計算機150根據(jù)設置在光學傳感器容納部分60內的土壤位移傳感器(激光測距計)69的輸出信號，使驅動裝置80動作，對反饋的信息進行控制，使傳感器69的受光部分與土壤觀測面L2之間的距離(檢測土壤光學特性的各種傳感器61、62等與土壤觀測面L2之間的距離)D3，保持最佳值。
這樣，借助于本實施例中的土壤特性檢測裝置10”，連續(xù)而且而穩(wěn)定地獲得與土壤觀測面凹凸狀態(tài)的變化無關的，與土壤的光學特性和熱力學特性有關的，可靠性很高的數(shù)據(jù)信息。
在圖16中所示的構成中，是借助于調節(jié)傳感部分52的進入角β，來使得距離D3為最佳數(shù)值的，但，也可以采用，例如，能控制臺架13與地表面L1之間的距離變化的驅動裝置等，以使距離D3為最佳數(shù)值。
此外，驅動裝置80的驅動方式，可采用液壓驅動方式，電動機驅動方式，以及其他各種驅動方式。
第四實施例下面，以與上述第一到第三實施例例間的不同點為中心，本發(fā)明土壤特性檢測裝置具體化的第四實施例加以說明。
第四施例中的土壤特性檢測裝置，其基本硬件的構成大致與上述各實施例相同。此外，該第四實施例中的土壤特性檢測裝置在綜合處理有關土壤特性的各種數(shù)據(jù)信息時，也可以使用與適用于上述各實施例中的裝置基本相同的控制邏輯框圖(參見圖7、圖9、圖10等)。
包括第四實施例在內，本發(fā)明的各個實施例中的土壤特性檢測裝置使用如下構成，其具有能獲得與土壤特性有關的數(shù)據(jù)信息，沿著土壤觀測面以不同方式布置的許多傳感器，并且，這些傳感器將檢測到的有關各種土壤特性的數(shù)據(jù)信息，個別地輸送出去的裝置。
在這里，實際上，各種傳感器在任意時間點上個別地輸出的檢測信號并不是與土壤觀測面上的同一個部位相對應。
例如，假定土壤觀測面L2上的電器特性傳感器和紅外線傳感器之間的距離是60cm，而傳感部分的行進速度保持為30cm/秒。在此情況下，與紅外線傳感器在任意時刻輸出的檢測信號相對應的土壤觀測面，是與電器特性傳感器在2秒鐘(60cm÷30cm/秒)之前輸出的檢測信號相對應的土壤觀測面。
因此，在本實施例中的土壤特性檢測裝置中，根據(jù)在該裝置中所設置的各種傳感器的位置關系(正確的說，是成為各種傳感器的檢測對象的土壤的位置關系)，以及傳感部分的行進速度，借助于計算出對同一個土壤式樣所獲得的各種數(shù)據(jù)信息的取得時間的差別，對數(shù)據(jù)信息進行分組，隨時對同一個土壤式樣的各種信息(與土壤特性有關的數(shù)據(jù)信息)進行綜合和管理。也就是說，對存在于土壤觀測面中的土壤的特性，和與鏟子部分53的上表面53a的電極接觸的土壤的特性，基本上是在大致為同一塊土壤式樣上檢測的，所以能將其作為一組數(shù)據(jù)來管理。
下面，參照流程圖，對上述數(shù)據(jù)信息進行成組處理的具體順序加以說明。
圖17是表示根據(jù)各種傳感器的檢測信號，對所取得的土壤特性信息進行綜合處理用的處理順序(程序)的流程圖。按照該流程圖的處理順序，其中包含了借助于土壤特性檢測裝置10等計算機150進行處理的這一環(huán)節(jié)，例如，先前的基本程序(圖7)中的步驟S104。
當按本程序進行處理時，計算機150首先在步驟S501中引進根據(jù)光學傳感器60的各種傳感器的檢測信號的數(shù)據(jù)信息。
在步驟S502中，根據(jù)光學傳感器容納部分60和鏟子部分53之間的位置關系，和傳感部分的行進速度，計算出所取得的數(shù)據(jù)信息的延時。
在步驟S503中，考慮到上述步驟S502中計算出來的時間，從根據(jù)電器特性傳感器57和土壤硬度傳感器100的檢測信號的數(shù)據(jù)信息的來歷，篩選出與根據(jù)光學傳感器容納部分60內的各種傳感器的檢測信號的數(shù)據(jù)信息相對應的數(shù)據(jù)信息。然后，把與兩種數(shù)據(jù)信息作為與同一塊土壤試樣有關的數(shù)據(jù)信息分組化，進行匯總管理。
這樣，即使因為傳感器元件的配置，或者因為作為實際檢測對象的土壤面(例如，土壤切削面與土壤觀測面L2之間的差別)不同，使得在任意時段內所檢測的土壤試樣(檢測對象)不同時，作為有關各種土壤特性的數(shù)據(jù)信息的集合，也能確實取得與大致為同一塊土壤試樣相對應的數(shù)據(jù)信息，并對其進行匯總管理。
也可以使用能調節(jié)各傳感器取得數(shù)據(jù)的開始時刻的控制結構，以便相對距離不同的各種傳感器對同一個試樣進行檢測，以此來代替按照上述程序的控制結構。
此外，如圖18中的鏟子部分的俯視圖中所示，也可以在鏟子部分53的上表面53a上設置圍繞著絕緣部件的兩種電極55a、55b，采用能檢測出這兩個電極之間的土壤導電率和介電常數(shù)的裝置構成，以此來代替把鏟子部分53的上表面53a作為電極使用的，上述各種實施例中的電器特性傳感器57的構成。
此外，同樣，如圖19中的鏟子部分的俯視圖所示，在鏟子部分53的上表面53a上設置了周圍圍著絕緣材料的4種電極55c、55d、55e、55f，并把一對電極作為檢測電壓的端子(例如，電極55c、55d)使用，把另一對電極作為電流檢測端子(例如，電極55e、55f)使用，也可以用這四個端子來檢測土壤的電器特性。
又如圖20中的支桿局部側視圖所示，沿著支桿51的外周(在土壤中的不同深度上)，排列各個周圍用絕緣材料51a、51b、51c、51d包圍的電極51e、51f、51g、51h，可以利用這些電極來構成檢測不同深度上的土壤電器特性的裝置。
如上所述，按照本發(fā)明，可以把在任意觀測點上檢測到的作為與土壤特性有關的檢測值的多個數(shù)據(jù)，作為與同一個土壤試樣相對應的信息，對其進行正確而且高效率的綜合。于是，除了能顯示出廣大的區(qū)域內的土壤特性在地理上的分布情況之外，還能高效率地收集用于繪制有極高的代表性的數(shù)據(jù)圖起決定作用的信息。
權利要求
1.一種觀測土壤特性的土壤特性觀測裝置，其特征在于，它包括下列各種裝置能使切削面接觸到任意深度的土壤，在對土壤邊切削邊行進中，在上述切削面行進方向的反方向上形成觀測空間的土壤切削裝置；檢測裝置；檢測條件識別裝置；以及分組信息制作裝置，上述檢測裝置至少檢測下列土壤特性中的一種位于上述觀測空間與土壤的界面上的觀測面的土壤特性，或者與上述切削面接觸的土壤特性，上述檢測條件識別裝置在上述檢測裝置檢測多種土壤特性的過程中識別其檢測條件，上述分組信息制作裝置根據(jù)用上述檢測條件識別裝置所識別的檢測條件，對上述多種土壤特性制作與大致相同的土壤試樣相對應的數(shù)據(jù)信息組。
2.如權利要求1所述的土壤特性觀測裝置，其特征在于，在由上述檢測條件識別裝置所識別的檢測條件中，包含檢測上述多種土壤特性的時刻，以及上述土壤切削裝置的行進速度。
3.如權利要求1所述的土壤特性觀測裝置，其特征在于，上述檢測裝置對上述觀測面上存在的土壤的特性，以及與上述切削面接觸的土壤的特性都進行檢測。
4.如權利要求3所述的土壤特性觀測裝置，其特征在于，上述檢測裝置從大致相同的土壤試樣中檢測上述存在于觀測面上的土壤的特性，和與上述切削面接觸的土壤的特性。
5.如權利要求4所述的土壤特性觀測裝置，其特征在于，上述土壤特性觀測裝置具有比較裝置，上述比較裝置能根據(jù)上述觀測面上的土壤的特性和與上述切削面接觸的土壤的特性至少一種的特性，對另一種特性的可靠性進行比較。
6.如權利要求1所述的土壤特性觀測裝置，其特征在于，上述土壤特性觀測裝置具有通信裝置；以及處理裝置，上述通信裝置獲得關于本土壤特性觀測裝置現(xiàn)在所處的位置的信息，作為來自外部的通信信息；上述處理裝置把上述通信信息與上述檢測裝置所檢測得到的土壤特性作為相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)信息進行處理。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種土壤特性的檢測裝置，它能夠高效率地取得農場內有關土壤特性的分布情況的，高精度的數(shù)據(jù)信息，對農場進行統(tǒng)籌管理。本發(fā)明的土壤特性檢測裝置的構成包括下列裝置連接在拖拉機后部的臺架；裝載在臺架上的控制部分(計算機)；安裝在臺架后端下部的土壤切削部分50，借助于拖拉機之類的車輛的牽引，能對農場內土壤特性的分布進行實時檢測。在控制部分的上方安裝有GPS天線。土壤切削部分50具有支承和連接在臺架下部的支桿51，以及固定在支桿51的下部，能在土壤中預定的深度上大致水平地行進的傳感部分52。控制部分能對作為檢測對象的土壤特性，以及布置方式各不相同的傳感器57、61、62、63、64、100等所檢測到的信號，制作成與同一個土壤試樣相對應的數(shù)據(jù)信息的信息組。
文檔編號A01B79/00GK1644013SQ200410085048
公開日2005年7月27日 申請日期2002年7月4日 優(yōu)先權日2001年7月6日
發(fā)明者澀澤榮, 大友篤, 平子進一 申請人:農工大Tlo株式會社