用于檢測土壤特性的系統和方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]在將種子種植在具有最優土壤特性的土壤中、為種子提供最優數量的水分和養分并提供其它條件時，農業種植操作就有效地操作。土壤特性(例如土壤成分、土壤密度、養分存在性、腐殖質存在性等)在不同地方是各不相同的，無論是在全球范圍(例如，從一個地理區域到另一個地理區域)還是在本地范圍(例如，從同一土地面積的一處到另一處)內都是如此。此外，來自自然源或人造灌溉系統的土壤水分存在也因地而異。
[0002]—般而言，單一的農業種植操作涉及在許多英畝的土地上根據設定模式種植特定類型的種子(例如，以行來種植玉米地)。在用于農業種植操作的土地面積上，土壤特性經常會有不同。盡管土壤特征不同，但在用于種植操作的整塊土地面積上，一般都是以相同的方式種植種子。此外，許多農業種植操作利用人造輸送系統供應水分、養料、肥料和/或其它化學物質以及土壤添加劑。輸送系統被埋入土壤中或置于土壤表面上。當農業裝備翻動土壤以播種、收獲作物以及耕作土壤材料時，輸送系統就處于被破壞或摧毀的風險。

【發明內容】

[0003]一個示例性實施例涉及一種土壤檢測和種植裝置。該裝置包括車輛和耦合到該車輛的控制器。該裝置還包括耦合到所述車輛的種植設備，該種植設備被配置為將種子或植物種植到土壤材料中。該裝置包括耦合到該車輛的地面穿透雷達傳感器。地面穿透雷達土壤傳感器被配置為掃描土壤材料達到土壤材料表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷達土壤傳感器被進一步配置為向控制器提供有關土壤材料的固有特性的傳感器反饋信號。該控制器被配置為基于所述反饋信號來指示將種子或植物置入土壤材料中。
[0004]另一示范性實施例涉及一種土壤檢測裝置。該裝置包括耦合到接地驅動車輛的外殼。該裝置還包括耦合到所述外殼上的控制器。該裝置包括耦合到外殼的地面穿透雷達土壤傳感器。地面穿透雷達土壤傳感器被配置為掃描土壤材料達到土壤材料表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷達土壤傳感器被進一步配置為向控制器提供有關土壤材料的固有特性的傳感器反饋信號。該裝置還包括耦合到所述外殼上的位置傳感器。位置傳感器被配置成向控制器提供位置反饋信號。所述控制器被配置為基于傳感器反饋信號和位置反饋信號創建土壤材料的地圖。
[0005]另一示例性實施例涉及一種基于空氣的土壤檢測裝置。該裝置包括航空器和耦合到所述航空器的控制器。該裝置還包括耦合到所述航空器的土壤傳感器。所述土壤傳感器配置為掃描土壤材料達到所述土壤材料的表面之下的指定深度，以探測(locate)灌溉系統的包含在所述土壤材料之內的或在所述土壤材料的表面上的至少一部分，其中所述土壤傳感器被進一步配置為向所述控制器提供與所述灌溉系統的檢測到的所述部分有關的傳感器反饋信號。該裝置包括耦合到所述航空器的位置傳感器。所述位置傳感器被配置為向所述控制器提供位置反饋信號。所述控制器被配置為基于傳感器反饋信號和位置反饋信號創建包括了所述灌溉系統的所述部分的位置的土壤材料的地圖。
[0006]另一示例性實施例涉及一種操作包括控制器的車輛的方法。該車輛被配置為映射土壤特性和種植種子或植物。該方法包括通過耦合到該車輛的地面穿透雷達單元測定土壤材料的固有土壤特性，其中所述地面穿透雷達單元被配置為掃描土壤材料達到土壤材料表面之下的指定深度，并且其中所述地面穿透雷達單元被進一步配置為向控制器提供有關固有土壤特性的傳感器反饋信號。該方法還包括，響應于所述固有土壤特性，指示耦合到所述車輛的種植機構種植種子或植物。
[0007]另一示例性實施例涉及使用具有控制器的車輛映射土壤特性的方法。該方法包括通過所述車輛的用戶輸入接收運行參數。該方法還包括通過車輛路徑導航車輛。該方法還包括通過耦合到所述車輛的地面穿透雷達單元檢測土壤材料的固有土壤特性，其中所述地面穿透雷達單元被配置為掃描土壤材料達到土壤材料表面之下的指定深度，且其中所述地面穿透雷達單元被進一步配置為向所述車輛的控制器提供傳感器反饋信號。該方法包括通過耦合到所述車輛的位置傳感器跟蹤所述車輛的位置。該方法進一步包括創建所述車輛經過的土地區域的地圖，其中所述地圖包括檢測到的固有土壤特性，其中所述地圖被配置為以后更新為包括種植的植物或種植的種子的位置。
[0008]前面的概述只是說明性的，并無意于以任何方式進行限制。除了以上描述的說明性的方面、實施例和特征外，通過參考附圖和下面的詳細說明，進一步的方面、實施例和特征也將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0009]圖1是種植在土壤中的玉米的示例性的圖。
[0010]圖2A是根據示例性實施例的土壤檢測和種植系統。
[0011]圖2B是土壤檢測和種植系統的控制器的框圖。
[0012]圖3是根據示例性實施例的映射土壤特性和種植種子的方法的流程圖。
[0013]圖4A是根據示例性實施例的獨立的土壤檢測和映射系統。
[0014]圖4B是獨立的土壤檢測和映射系統的控制器的框圖。
[0015]圖4C是根據示例性實施例的映射土壤特性的方法的流程圖。
[0016]圖5A是根據示例性實施例的獨立的種植系統。
[0017]圖5B是獨立的種植系統的控制器的框圖。
[0018]圖5C是根據示例性實施例的種植種子的方法的流程圖。
[0019]圖6A是根據示例性實施例的固定土壤特性檢測系統。
[0020]圖6B是固定土壤特性檢測系統的系統示意圖。
[0021]圖7是根據示例性實施例的空中土壤特性檢測系統。
【具體實施方式】
[0022]在下面的詳細說明中，參考了附圖，這些附圖形成了說明書的一部分。在附圖中，除非上下文另有指示，否則類似的符號通常標識相似的部件。在詳細說明、附圖和權利要求中描述的說明性實施例并不意味著是限制性的。可以使用其它實施例，可以進行其它改變，而不偏離在這里提出的主題的精神或范圍。
[0023]參考圖1，其示出了農業種植操作的橫截面。玉米101被種植在土壤102中。農業生長操作利用輸送管103。輸送管103為土壤102提供水、殺蟲劑、營養物和/或其它化學品。輸送管103位于土壤102的表面之下的不同距離處，或位于土壤102的表面上。此夕卜，在不同的位置，土壤102的組成和特性不同。例如，土壤102可以含有不同數量的巖石104、土壤水分105、養分、殺蟲劑、腐殖質和其它元素或物體。最優的種子放置是隨著沿土壤102的表面的位置而變化的。例如，農民不希望在地下巖石的中間種植種子，但希望在某一深度種植種子，以使得植物的根系將達到在土壤102中所含的地下水或在輸送管103的滲濾距離內。此外，理想的是，種植種子以使得農業機械(例如，播種機、耕作機、聯合收割機等)將不會損害放置的輸送管103。
[0024]參考圖2，其示出了根據示范性實施例的土壤特性映射和種植系統200。系統200包括地面驅動車輛201和種植設備202。雖然系統200示出種植設備202是通過車輛201拖曳的，但種植設備202可以被集成到車輛201中。車輛201包括GPS接收器203和被示為地面穿透雷達單元204的地面或土壤傳感器。GPS接收器203接收來自GPS衛星205的信號，并且被配置為提供用于跟蹤車輛201的位置的反饋信號。雷達單元204利用地面穿透雷達來確定土壤206的固有特性和非固有特性。示例性固有土壤特性可包括土壤材料的組合物、土壤的水特性(例如，多少水被包含在土壤中以及水位于多深的位置處)、在土壤材料中的腐殖質的存在、土壤材料的密度、土壤材料的孔隙率和土壤206可具有的其它任何固有特性。示例性非固有土壤特性可以包括土壤206的存在、土壤206的深度、埋在土壤206中的物體(例如，巖石、木材、礦床、管道等)以及土壤206的其它任何非固有特性。種植設備202包括播種機207。播種機207被配置為在土壤206中挖洞或溝，在洞或溝中放置種子，并用已移動的土壤材料覆蓋種子。播種機207是深度可調整的，使得種子可以埋在土壤206內的不同深度處。播種機207是可控制的，使得種子可以以不同密度放置(例如，在單位種植面積上放置指定數目的種子、按粒種植等)。系統200通常被配置為通過雷達單元204檢測土壤特性并基于所檢測到的土壤特性調整種植設備202。此外，系統200被配置為通過將來自GPS接收器203的位置數據與來自雷達單元204的土壤特征數據配對來產生土壤206的地圖。由系統200創建的地圖是耦合到位置信息的聚集的數據點，其在處理時可以被再現為地圖的可視化表示(例如，用于由操作者通過顯示器觀看)或由系統控制器進行進一步處理的成組的數據和位置點(例如，以正確指示植物或種子的放置)。所收集的地圖數據點可以以R-樹數據結構、陣列數據結構或其它合適的數據結構存儲。地圖可以是三維地圖。系統200的操作細節在下文有說明。
[0025]在一個實施例中，雷達單元204是非插入式土壤穿透雷達單元。可替代地，雷達單元包括插入到土壤206的天線。雷達單元204將電磁無線電波發射到土壤206。當波通過土壤206行進時，波的一部分被以不同的強度反射回來，具體取決于土壤206的組成和在土壤206中的物體的存在和深度。雷達單元204能夠基于反射的無線電波簽名(即，非固有特性)檢測巖石208、土壤水分209、埋藏的輸送管和/或排水管210以及土壤206內的任何其它物體的存在和深度。由雷達單元204發送的無線電波是高頻波。例如，無線電波可具有介于300MHz和3000MHz之間或超過3000MHz的頻率。高頻無線電波的使用使得雷達單元204能以高分辨率掃描土壤206，以使得它能夠檢測土壤特性(例如，土壤組分和土壤密度)、土壤水分209的存在、土壤水分209的深度、土壤水分209的數量、在土壤206中存在的礦物類型的存在和類型、在土壤206中的腐殖質的存在和數量以及其它土壤特性(例如，固有特性)。利用探地雷達探測土壤特性的更詳細的解釋可以在Sucre等人的((The Use of Ground-Penetrating Radar to Accurately Estimate Soil Depth inRocky Forest Soils〉〉、Thomas 等人的((Soil Electromagnetic Mapping for Enhan