Clevere Herbsternte | Mehrnährstoffdünger identifizieren und mit Lichtgeschwindigkeit zwischen richtig und falsch unterscheiden

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xu Zhuopin (Institut für Intelligente Maschinen, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Trends in der intelligenten Technologie vorzustellen, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie zum Thema „Künstliche Intelligenz“ veröffentlicht, um einen Einblick in die neuesten Fortschritte der künstlichen Intelligenz zu geben und auf verschiedene Bedenken und Neugierde einzugehen. Lassen Sie uns gemeinsam das intelligente Zeitalter erkunden und begrüßen.

Visitenkarte des AI Farmer Assistant

Assistent: Neues LIBS&NIRS-Datenfusionsmodell

Drei Wunderwaffen: geringe Beschädigung der Prüflinge, schneller Prüfablauf, hohe Prüfgenauigkeit

Zwei Schlüsseltechnologien: Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) und Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)

Energiewert: 5 Sterne

Ausweisfoto:

(Bildquelle: Referenz [1])

Selbstvorstellung des AI Farming Assistant

Freut mich, Sie kennenzulernen. Ich bin ein neues LIBS&NIRS-Datenfusionsmodell und Mitglied des Institute of Intelligent Machinery, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften. Ich bin geeignet für die Qualitätskontrolle bei der Herstellung und Verarbeitung von Mehrnährstoffdüngern. Zu den Prüfinhalten zählen unter anderem der Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumgehalt von Mehrnährstoffdüngern. Es verfügt über eine schnelle Erkennungsgeschwindigkeit, hohe Genauigkeit, ist umweltfreundlich und frei von Umweltverschmutzung. Es handelt sich um ein neues Instrument zur Sicherung der Qualität bei der Düngemittelproduktion und -verarbeitung.

Mehrnährstoffdünger und seine traditionelle Nachweismethode

Mehrnährstoffdünger ist ein Mischdünger, der zwei oder mehr Hauptnährstoffe enthält. Als weltweit größter Düngemittelproduzent und -verbraucher ist Mehrnährstoffdünger bei chinesischen Landwirten aufgrund seines einfachen Düngeprozesses und seines umfassenden Nährstoffgehalts sehr beliebt. Der Anteil von Mehrnährstoffdüngern an der gesamten Düngemittelproduktstruktur meines Landes hat von Jahr zu Jahr zugenommen und macht seit 2019 mehr als 50 % des gesamten Düngemittelverbrauchs aus.

Dünger auf dem Feld

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Der Gehalt an Hauptelementen (Stickstoff, Phosphor und Kalium) ist ausschlaggebend für die Wirksamkeit und den Preis eines Mehrnährstoffdüngers. Bei den herkömmlichen Nachweismethoden für Elementbestandteile in Mehrnährstoffdüngern handelt es sich jedoch im Allgemeinen um nasschemische Verfahren, d. h. um Verfahren zur Herstellung von Materialien in der flüssigen Phase durch chemische Reaktionen. Diese Methoden sind langsam, kompliziert in der Handhabung und können nicht mehrere Komponenten gleichzeitig erkennen. Darüber hinaus ist die Anzahl der entnommenen Proben aufgrund der hohen Nachweiskosten und der geringen Aktualität herkömmlicher Methoden sehr begrenzt, was eine umfassende Überwachung der gesamten Produktionscharge erschwert. Um die Produktions- und Verarbeitungsqualität von Mehrnährstoffdüngern zeitnah, effektiv und wirtschaftlich sicherzustellen, ist die Einführung neuer Schnellnachweismethoden zwingend erforderlich.

Vor dem Pflanzen Dünger in den Boden injizieren

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Meine Geburt

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) und die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) sind zwei vielversprechende Analysetechniken zur schnellen Qualitätsbestimmung von Mehrnährstoffdüngern.

LIBS basiert auf der Analyse der Plasmaemissionslinien, die durch Laserpulsablation der Probenoberfläche erzeugt werden. Wenn ein kurzwelliger Pulslaser auf die Probenoberfläche fokussiert wird, wird Plasma erzeugt. Das Plasma emittiert während dieses Veränderungsprozesses ein Spektrum. Die LIBS-Technologie sagt den Elementgehalt der Probe voraus, indem sie die Intensität dieser Spektren bei verschiedenen Wellenlängen analysiert. Da fast alle Elemente bei Anregung charakteristische Spektrallinien aussenden, können mit LIBS die meisten Elemente analysiert werden.

NIRS analysiert das Absorptionssignal eines Produkts im nahen Infrarot-Spektralbereich, wenn es Licht ausgesetzt wird. Verschiedene Molekülstrukturen und chemische Bindungen weisen unterschiedliche Absorptionseigenschaften unter Nahinfrarotlicht unterschiedlicher Wellenlängen auf. Daher können Informationen zur chemischen Zusammensetzung einer Substanz durch Messung ihrer Transmissions- und Reflexionsspektren im nahen Infrarotbereich gewonnen werden.

Die Hauptbestandteile von Mehrnährstoffdüngern können mit beiden Techniken analysiert werden, allerdings weisen beide Techniken ihre eigenen Einschränkungen auf. Unter diesen eignet sich NIRS nur zur Analyse organischer Stoffe und kann anorganische Stoffe in Produkten wie Düngemitteln nur indirekt messen, was seine Genauigkeit beeinträchtigt. und LIBS muss während der Messung auch die Störungen einiger Elemente in der Umgebungsluft, wie beispielsweise Stickstoff, überwinden. Daher müssen diese Probleme durch geeignete Maßnahmen verbessert werden.

Da es sich bei LIBS und NIRS um Schnellerkennungstechnologien handelt, werden das LIBS-Spektrum und das NIR-Spektrum von Mehrnährstoffdüngern mithilfe geeigneter Algorithmen und Schritte gezielt verarbeitet und die Daten zusammengeführt, um die komplementären Vorteile der beiden Technologien zu nutzen. Ich kann die Analysegenauigkeit effektiv verbessern, ohne die Erfassungseffizienz zu beeinträchtigen. Im Vergleich zur allgemeinen Spektralerkennungstechnologie ist sie fortschrittlicher und zuverlässiger.

Es gibt viele konkrete Möglichkeiten, diese Technologie zu implementieren, aber im Allgemeinen umfasst sie vier Schritte: Spektralerfassung, Merkmalsextraktion, Datenfusion und Modellkonstruktion.

Zunächst müssen zwei Spektrometer verwendet werden, um das LIBS-Spektrum und das NIR-Spektrum des Düngemittels zu erhalten. Zweitens werden das LIBS-Spektrum und das NIR-Spektrum des Mehrnährstoffdüngers mithilfe eines geeigneten Algorithmus zur Merkmalsextraktion verarbeitet, sodass die Spektralfragmente, die Schlüsselinformationen zum Mehrnährstoffdünger enthalten, erhalten bleiben und der Rest eliminiert wird. Dadurch wird die Komplexität nachfolgender Vorgänge verringert und die Störung einiger irrelevanter Signale eliminiert. Drittens werden das LIBS-Spektrum und das NIR-Spektrum mit extrahierten Merkmalen mithilfe einer geeigneten Datenfusionsmethode zu einem Datensatz zusammengeführt. Diese fusionierten Spektren enthalten die nützlichen Teile sowohl der LIBS- als auch der NIRS-Technologien; Schließlich werden die LIBS- und NIR-Spektren des fusionierten Mischdüngers modelliert und einige lineare oder nichtlineare Algorithmen verwendet, um die Regressionsgleichung des Spektrums und der zu messenden Komponenten zu erstellen.

Das durch die oben genannte Reihe von Operationen ermittelte Modell wird schließlich in die Software integriert und dem Benutzer präsentiert. Bei der Qualitätsprüfung von Mehrnährstoffdünger müssen Qualitätsprüfer lediglich das entsprechende Modell in der Software aufrufen und das Spektrum in der Produktion erfassen. Anschließend berechnet die Software die von den Qualitätsprüfern geforderten Qualitätsindikatoren für Mischdünger und ermöglicht eine schnelle Prüfung.

Nachricht vom Assistenten

Als neue Technologie bietet sie die Vorteile geringer Beschädigung der Testproben, schneller Testvorgänge, hoher Testgenauigkeit sowie Umweltschutz und Vermeidung von Umweltverschmutzung. Es spielt eine wichtige unterstützende Rolle in der grünen Landwirtschaft, der intelligenten landwirtschaftlichen Produktion und insbesondere bei der Verbesserung der Qualität und Effizienz der landwirtschaftlichen Produktion.

Derzeit kann ich jedoch nur bei der Qualitätsprüfung einer begrenzten Anzahl von Produkten wie Düngemitteln und Gemüse eingesetzt werden. Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Entwicklung und Verbindung der entsprechenden Spektralerkennungsinstrumente noch nicht standardisiert ist, was für eine groß angelegte Förderung in der Branche nicht ausreicht. Da diese Technologie jedoch immer mehr Aufmerksamkeit erregt, wird mein Markt zwangsläufig reifer werden.

Quellen:

[1] Zhuopin Xu, Xiaohong Li, Weimin Cheng, Guangxia Zhao, Liwen Tang, Yang Yang, Yuejin Wu, Pengfei Zhang, Qi Wang, Schnelle und genaue Bestimmungsmethoden basierend auf der Datenfusion von laserinduzierten Abbauspektren und Nahinfrarotspektren für Hauptelementgehalte in Mehrnährstoffdüngern, Talanta, Band 266, Teil 1, 2024.