分析 | 手持式LIBS 及多變項回歸方法對精準農業

精準農業(Precision Agriculture)又稱精準農作(Precision farming)是指利用現在技術進行精細耕作,其生產決策當中主要仰賴在田野中獲取的地點數據,使用此系統可以在施用種子、化肥、農藥或灌溉時對於「多少?」,「哪裡?」, 以及「何時?」等問題給出比較精確的答案。

手持式雷射導引光譜儀(Handheld Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是目前最具潛力可用於現場確定各種土壤參數分析設備。

此次研究工作,透過有潛力的 手持式LIBS 檢測評估土壤主要營養元素Ca,K,Mg,N,P和微量營養元素Mn,Fe總質量分率。除此之外,還可監控其他土壤參數,例如土壤腐殖質含量,土壤pH值和植物有效磷(P)含量。由於土壤基質會影響到各元素定量分析,因此LIBS使用不同多變項回歸方法進行方法建立、校準和預測。這些包括淨最小平方迴歸法(PLSR),最小絕對值收斂和選擇算子、套索算法(Lasso)和高斯過程回歸法(GPR)

 

Property Minimum Value Maximum Value
SOC 0.25% 6.73%
SIC(From CaCO3) 0.01% 1.49%
Sand 9.58% 91.93%
Silt 4.00% 66.00%
Clay 3.90% 45.50%
Total Nitrogen 0.02% 1.98%
Cation-Exchange Capacity 1.87% 32.72%

所有元素當中鈣(Ca),鉀(K),鎂(Mg)和鐵(Fe)預測結果最好;由於此次研究土壤中錳元素(Mn)含量比較低,氮(N)和磷(P)分析線數較少且強度較弱產生誤差,使其他元素所獲得測定係數較低。

研究結果土壤參數並非單一元素影響或可被預測,例如酸鹼值(pH)。最小絕對值收斂和選擇算子、套索算法(Lasso)和高斯過程回歸法(GPR)結果優於淨最小平方迴歸法(PLSR)。

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