土壤有机质是土壤的重要组成部分,是土壤肥力和养分的重要指标,更是精准农业需获取的重要信息。土壤有机质不仅能为作物生长提供必要的营养元素,而且能改善土壤的物理结构性状。土壤有机质含量的下降意味着土壤质量变差。因此,测量土壤有机质含量、掌握其动态变化对改善土壤结构和指导农业生产具有重要意义。传统的土壤有机质检测方法多为化学测量,存在操作复杂、耗时长、成本高和破坏性大的缺点。光谱分析法因具有快速、无损、准确的特点,在土壤特性研究方面备受关注。然而土壤有机质的光谱分析易受土壤粒度、氧化铁等因素影响,并且高分辨率的光谱检测仪价格昂贵。准确、快速、经济测量土壤有机质含量已然成为了当前的研究焦点之一。为了解决上述问题,本文将人工嗅觉技术应用于土壤有机质含量检测,采集土壤挥发性有机化合物响应信息,探讨可行的技术方法,以实现土壤有机质的准确、快速、经济测量。论文主要研究工作如下:(1)土壤有机质人工嗅觉检测装置设计依据仿生嗅觉机理,设计了土壤有机人工嗅觉检测装置。采用10个对挥发性有机气体敏感的MOS气体传感器组建了检测阵列,设计了人工嗅觉信号处理电路,并采用Labview开发了上位机检测软件,实现了串口通信、嗅觉数据的实时采集、显示与存储等功能。经氨气、甲烷和氯乙烯三种标准气体的两种不同高/低浓度测试实验,结果表明:装置具有良好的响应性能,对不同种类及浓度的气体具有不同的响应结果,满足模式识别基本检测要求。对比分析了空气和氦气的洗气效果,结果表明:装置对空气响应达到稳态的时间为7.3秒,对氦气响应达到稳态的时间为4.8秒,氦气洗气效果优于空气。(2)土壤典型嗅觉响应曲线分析研究基于人工嗅觉装置对土壤气体进行检测,获取了典型的土壤嗅觉响应曲线。结果表明:土壤嗅觉响应曲线总体上呈现出先快速增长后缓慢增长的趋势;受不同温度控制的传感器对土壤气体的响应情况不同,达到稳态的时间也不同,但达到稳态所需时间普遍过长,部分传感器的响应甚至超过85分钟都未能到达稳态。为了提高检测效率、缩短检测时间,本文将土壤气体样品的人工嗅觉采样时间设定为5分钟。采用人工嗅觉装置对土壤有机质含量分别为高、中、低的三个具有典型代表土壤气体样品进行实验测量,结果表明:人工嗅觉装置对土壤气体具有良好的响应特性,5分钟内的嗅觉响应数据可以实现不同土壤气体样品的差异性检测。(3)土壤嗅觉特征空间构建及优化方法研究分析了包括均值滤波、中值滤波、巴特沃兹低通滤波和Savitzky-Golay卷积滤波4种不同滤波方法对嗅觉响应曲线的平滑效果,得出中值滤波法效果最佳。提取滤波后响应曲线上的最大值(Vmax)、平均微分系数(MDCV)、响应面积值(RAV)和中位时间瞬态值(Vt)作为特征参数构建了初始土壤嗅觉特征空间(PSOFS)。通过对比蒙特卡罗交叉验证法(MCCV)、留一交叉验证法(LOOCV)、K均值留一交叉验证法(K-means LOOCV)和马氏距离法四种方法对PSOFS中的异常样本识别效果,得出MCCV方法效果最佳;通过对比主成分分析法(PCA)和基于遗传算法优化BP神经网络方法(GA-BP)在PSOFS中的应用效果,得出GA-BP方法具有更好的嗅觉特征维数优选效果。经MCCV和GA-BP处理后,PSOSF被优化成新的土壤嗅觉特征空间(NSOFS)。NSOFS的可视化分析结果表明:所有传感器的嗅觉响应对建模均有贡献的,不存在冗余。(4)基于土壤嗅觉特征空间的模式识别算法研究对比评估了BP神经网络(BPNN)、支持向量机回归(SVR)和偏最小二乘法回归(PLSR)三种模式识别算法在PSOFS上的预测性能。结果表明土壤嗅觉特征空间与土壤有机质含量之间存在一定的相关性。基于NSOFS构建BPNN、SVR和PLSR模型,结果表明:所建模型预测性能均优于PSOFS所建模型的预测性能,并且PLSR模型可以实现基本的定量分析,其预测性能指标R~2_V、RMSE_V和RPD_V分别为0.86、2.87和2.60。与ATR光谱检测对比结果表明:基于人工嗅觉检测所建的BPNN、SVR和PLSR三种模型的预测性能普遍低于中红外ART光谱检测所对应的预测模型,均未能达到精确定量分析的目标。(6)土壤有机质人工嗅觉检测方法的优化研究对比分析了等温度间隔与等电压间隔的温度调制方式对建模预测结果的影响,得出等电压间隔调制方式优于等温度间隔调制方式;提出了一种基于多个数据研究区的建模预测性能遍历对比方法,确定了最佳采样测量时间为160秒;提出了SVM-GMDH和PLSR-BPNN两种不同的组合预测模型,其结果表明SVM-GMDH的预测效果并不理想,而PLSR-BPNN模型具有比单一模型BPNN、SVR和PLSR更高的预测性能,可作为土壤有机人工嗅觉测量的优选估测模型。本文研究的土壤有机质人工嗅觉检测方法虽然在检测精度上不如ATR光谱检测法高,但却可以实现精确的定量分析,可为土壤有机质的快速、经济、无损检测提供一种参考方法。