出品：科普中國

　　作者：徐琢頻（中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所）

　　監制：中國科普博覽

　　編者按：為展現智能科技動態，科普中國前沿科技項目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進展，回應種種關切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時代。

　　AI助農小助手名片

　　小助手：新型LIBS&NIRS數據融合模型

　　三大法寶：檢測樣本損傷小、檢測過程快速、檢測精度高

　　兩大關鍵技術：激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)和近紅外光譜技術(NIRS)

　　能量值：5顆星

　　證件照：

　　

　　（圖片來源：參考文獻[1]）

　　AI助農小助手自我介紹

　　很高興認識你，我是新型LIBS&NIRS數據融合模型，是中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所這個大家庭的成員之一，我適用于復合肥生產加工中的質量檢測，檢測內容包括復合肥的氮、磷、鉀含量，檢測速度快、精度高、環保無污染，是保障肥料生產加工質量的一項新利器。

　　復合肥及其傳統檢測方法

　　復合肥是含有兩種或兩種以上主要營養物質的混合肥料，作為世界上最大的肥料生產國和消費國，復合肥因其施肥過程方便、營養全面而備受我國農民青睞。復合肥在我國全部肥料產品結構中的占比逐年增加，自2019年起已占所有肥料使用量的50%以上。

田里的肥料

（圖片來源：veer圖庫）

　　主要元素(氮、磷、鉀)的含量是決定復合肥效率和價格的關鍵。不過，復合肥中元素成分的傳統檢測方法一般是濕化學法，即通過化學反應在液相中制備材料的方法，這些方法速度慢、操作復雜，并且不能同時檢測多種成分。此外，由于傳統方法的高檢測成本和低時效性，采樣數量非常有限，難以實現對整個生產批次的全面監控。因此，為了及時、有效、經濟地保證復合肥的生產加工質量，新的快速檢測方法的推出就勢在必行。

在種植前向土壤中灌入滲透肥料

（圖片來源：veer圖庫）

　　我的誕生

　　激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)和近紅外光譜技術(NIRS)是兩類有前景實現復合肥質量快速檢測的分析技術。

　　LIBS以分析激光脈沖燒蝕樣品表面產生的等離子體發射譜線為原理。當短波脈沖激光聚焦到樣品表面時會產生等離子體，等離子體在這一變化過程會發射光譜，LIBS技術正是通過分析這些光譜在各個波長處的強度來預測樣品的元素含量。由于幾乎所有的元素被激發時都會發出特征譜線，因此，LIBS可以分析大多數的元素。

　　NIRS以分析產品受到光照時在近紅外光譜區的吸收信號為對象。不同的分子結構和化學鍵在不同波長的近紅外光下具有不同的吸收特征，因此可以通過測量物質在近紅外區域的透射、反射光譜來獲取其化學組成信息。

　　復合肥中的主要元素均可利用兩種技術進行分析，不過，這兩種技術仍存在各自的局限性。其中，NIRS只擅長分析有機物，對肥料等產品中的無機物只能進行間接測定，其精度會受到影響；而LIBS在測量時也需要克服一些環境空氣中元素如氮元素等的干擾。因此，這些問題都需要通過適當的步驟改善。

　　由于LIBS和NIRS均為快速檢測技術，通過合理的算法和步驟，對復合肥的LIBS光譜和NIR光譜進行特定的處理、數據融合，即可實現兩種技術的優勢互補，我可以在不影響采集效率的情況下，有效提高分析精度，相比一般的光譜檢測技術更加先進可靠。

　　實現這項技術的具體手段多種多樣，不過總體上包括四個步驟：光譜采集、特征提取、數據融合、模型構建。

　　首先，利用兩種光譜儀獲得肥料的LIBS光譜和NIR光譜是必須的；其次，采用合適的特征提取算法對復合肥的LIBS光譜和NIR光譜進行處理，使得復合肥中包含關鍵信息的那部分光譜片段被保留下來，而其余的被剔除，從而降低了后續運算的復雜性，同時也消除了一些無關信號的干擾；再次，采用合適數據融合的方式將被提取了特征的LIBS光譜和NIR光譜合并成一份數據，這些被融合的光譜包含了LIBS和NIRS兩種技術的有益部分；最后，對被融合的復合肥LIBS&NIR光譜進行建模，利用一些線性或非線性算法構建光譜和待測組分的回歸方程。

　　上述的這一系列操作確定下來的模型最終會集成進軟件中，呈現給用戶。在復合肥質量檢測時，質檢人員只需要調用軟件中的相應模型，并對生產中的光譜進行采集，軟件即會計算出質檢人員所需要的復合肥質量指標，實現快速檢測。

　　小助手寄語

　　作為一項新晉的技術，我具有對檢測樣本損傷小、檢測過程快速、檢測精度高、環保無污染的優點，對于綠色農業、智能化農業生產，尤其對農業生產質量效率的提升都具有良好的支撐作用。

　　但目前我只能在肥料、蔬菜等有限幾種產品質檢中得到應用，挑戰主要在于相關的光譜檢測儀器的開發和銜接還未標準化，不足以在行業內大量推廣，不過，隨著該技術受到越來越多人的關注，我的市場勢必愈發成熟。

　　參考文獻：

　　[1] Zhuopin Xu, Xiaohong Li, Weimin Cheng, Guangxia Zhao, Liwen Tang, Yang Yang, Yuejin Wu, Pengfei Zhang, Qi Wang, Rapid and accurate determination methods based on data fusion of laser-induced breakdown spectra and near-infrared spectra for main elemental contents in compound fertilizers, Talanta, Volume 266, Part 1,2024.

　　報道鏈接：https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/imgText?id=7235755863235235840