引用格式：唐超礼, 李浩, 王儒敬, 王乐, 黄青, 王大朋, 张家宝, 陈翔宇. 非接触电导检测土壤养分离子的谱峰自动识别方法[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(1): 36-45.
DOI： 10.12133/j.smartag.SA202309028
Citation:TANG Chaoli, LI Hao, WANG Rujing, WANG Le, HUANG Qing, WANG Dapeng, ZHANG Jiabao, CHEN Xiangyu. Automatic Identification Method for Spectral Peaks of Soil Nutrient Ions Using Contactless Conductivity Detection[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(1): 36-45.
DOI： 10.12133/j.smartag.SA202309028
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非接触电导检测土壤养分离子的
谱峰自动识别方法
唐超礼1， 李浩1，3， 王儒敬2，3*， 王乐1，3， 黄青2，3，4， 王大朋2，3， 张家宝3， 陈翔宇2，3*
（1.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽淮南 232001，中国；2.中国科学院合肥物质科学研究院，智能机械研究所，安徽省智慧农业工程实验室，安徽合肥 230031，中国；3.中科合肥智慧农业协同创新研究院，农业传感器与智能感知安徽省技术创新中心，安徽合肥 231131，中国；4. 中国科学技术大学，安徽合肥 230026，中国）
摘要：
［目的/意义］电容耦合非接触式电导检测（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection, C4D）在农业土壤养分离子检测方面发挥着重要作用。对C4D信号中离子特征峰的有效识别，有利于后续对离子特征峰的定性和定量分析，为加强农业土壤养分管理提供依据。然而，C4D信号的特征峰检测仍然存在无法自动精准识别、人工操作复杂、效率低等缺点。
［方法］提出一种基于连续小波变换结合粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）和最大类间方差法（Otsu）的谱峰自动识别算法，旨在实现准确、高效、自动化的C4D信号峰识别。采用C4D检测样品溶液，得到离子谱图信号，对谱图信号进行连续小波变换，得到小波变换系数矩阵。通过搜索小波变换系数矩阵极值，识别出脊线和谷线。将小波系数矩阵转换为灰度图像，结合PSO和Otsu寻找最佳阈值，进一步对灰度图像的背景和目标分割，再结合原始谱图中的脊谷线识别谱图中的特征峰。
［结果与讨论］测试含有41、61和102个峰的数据集，以受试者工作特性（Receiver Operating Characteristic, ROC）曲线和度量值作为评估峰值检测算法性能的准则。与其他方法相比，基于连续小波变换结合粒子群优化的最大类间方差法分割图像（Continuous Wavelet Transform Combined with Particle Swarm Optimization of Otsu to Segment Image, CWTSPSO）的谱峰自动识别算法的ROC曲线均保持在0.9以上，度量值分别为0.976、0.915和0.969。CWTSPSO能够有效检测出更多弱峰和重叠峰，同时检测出更少的假峰，有利于提升C4D信号的谱峰识别率和精准性。
［结论］本研究提出的CWTSPSO能为非接触式电导检测农业土壤养分离子信号分析提供有力支持。
关键词： 非接触式电导检测；连续小波变换；粒子群优化算法；最大类间方差法；谱峰识别
图1 连续小波变换小波选择
Fig. 1 Continuous wavelet transform wavelet selection
图2 仿真C4D信号脊线和谷线查找
Fig. 2 Simulation C4D signal ridge and valley line search
图3 仿真C4D信号峰识别过程
Fig. 3 Simulation of C4D signal peak recognition process
图4 标准离子溶液和农田土壤浸提液谱图峰识别
Fig. 4 Peak detection in standard ion solution and soil leachate spectra
图5 仿真C4D信号峰3种峰值检测方法（CWTSPSO， MSPD和CWT-IS）的ROC曲线
Fig. 5 ROC curves of three peak detection methods （CWTSPSO，MSPD and CWT-IS） of Simulation of C4D
图6 农田土壤样品溶液谱图峰识别
Fig. 6 Spectral peak identification of farmland soil samples in solution
作者简介
唐超礼 教授
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