CN104777286B - 一种多尺度土壤墒情协同观测装置 - Google Patents

Abstract

一种多尺度土壤墒情协同观测装置，它由多个TDR土壤水传感器组成的无线观测网络WSN、区域土壤水分测量系统CRS1000B、卫星平台、笔记本电脑硬件装置平台和多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件组成，在点、区域和卫星像元三种尺度土壤墒情协同观测方案下开展土壤墒情协同观测；本发明集成了现有先进装置和优势技术方法，通过协同观测方案设计，实现了多尺度土壤墒情协同观测，突破了土壤墒情遥感反演结果验证的瓶颈，拓展了应用和研究领域；其推广应用可服务于最严格的水资源管理、农业节水、旱情观测等业务，提高灌溉效益和水资源利用率。

Description

一种多尺度土壤墒情协同观测装置

技术领域

本发明是农田水利及防洪抗旱业务中使用的一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD/M)，它被用于点、区域和卫星像元等多尺度下土壤墒情的协同观测，意义在于同步获取不同空间尺度下的土壤墒情，服务于农业旱情观测业务及土壤墒情模型率定、验证与尺度问题等科学研究，为提高灌溉效益和水资源利用率提供技术和数据支持，属于水利行业技术应用领域。

背景技术

土壤水分布在地面以下、地下水面以上的土壤层中，也被称作土壤中的非饱和带水分，是一种重要的水资源(在农田水利中也被称作土壤墒情或土壤湿度)。土壤水是土壤与作物、大气相互作用的重要因子，是作物生长、发育的基本条件，对地表蒸散发、水分运移、碳循环有很强的控制作用，是气候、水文、生态、农业等领域衡量土壤干旱程度的重要指标。土壤水的时空分布与变化对陆地-植被-大气间水量平衡具有显著的影响，准确定量地观测土壤水分，对研究区域水循环、观测干旱的发生及发展过程、指导当地农业生产实践、合理进行水资源调控等工作均具有重要意义。

随着科学技术的发展，出现了多种土壤水观测技术，按测量的空间尺度可大体划分为三种：一是点尺度，主要包括烘干法、中子法、时域反射仪法(TDR)、频域反射仪法(FDR)等，这些方法测定的数据能较准确地反映观测点的土壤含水量，但都存在耗时费力并对土壤具有一定破坏性等问题；二是区域尺度，主要包括探地雷达(GPR)技术和近地面环境宇宙射线中子法等，是无危害，非接触，不破坏土壤，不受土壤质地、密度、盐分等影响的土壤水测量方法，适合几十公顷等较大面积的土壤墒情持续观测，该技术在不断完善；三是卫星像元尺度，卫星遥感反演土壤水是通过测量土壤表面反射或发射的电磁能量、指数等，建立遥感信息与土壤含水量之间的关系，从而反演出地表土壤水分的过程，按遥感波段划分主要有可见光-近红外法(反射率法、植被指数法)，热红外法(热惯量法、作物缺水指数法、温度状态指数法)和微波遥感法(主动微波法、被动微波法)等，具有快速、覆盖范围大和定期重复观测等优势。但是遥感方法只能对表层土壤进行观测(一般小于20cm)，尤其是反演结果的地面同尺度验证一直是该方法推广应用的瓶颈。充分认识各种方法的利弊，取长补短，开展多尺度土壤墒情的协同观测，对于提高观测数据的应用效果，更好服务于生产实践，具有积极意义。

以下介绍本发明应用到的点、区域和卫星像元三种空间尺度上的土壤墒情观测技术方法：

点尺度的土壤水传感器无线观测网络(WSN)。地面观测相对于其他观测手段而言更加直接，因此常被认为是真值。随着用于野外点尺度土壤水分测量的传感器变得越来越精巧、廉价、可靠和低功耗，大量部署这些传感器已完全成为可能。无线传感器网络(Wireless SensorNetwork，WSN)是指将传感器技术，自动控制技术，数据网络传输、存储、处理与分析技术集成的现代信息技术，具有自动、实时、可控的数据获取能力，还具有小型化、集成化和高效节能的突出优势，便于野外大范围安装布设和维护。但真正意义上的地毯式测量相对于地表异质性是无法穷举的。同时，单点观测缺乏对遥感像元尺度的代表性，尤其是在非均一地表条件下，两者之间的尺度不匹配，两者之间的差异难以解释。只有考虑地表变量的时空变异特征，提高观测点布局的代表性，才能为正确评估遥感产品精度，实现遥感真实性检验提供数据支持。

遥感像元尺度的土壤水反演(本发明采用条件温度植被指数(VTCI)法)。研究表明，卫星遥感反演得到的归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)之间存在明显的负相关关系，其与土壤湿度密切相关。当作物供水正常时，植被指数和作物冠层的温度在生长期内保持在一定范围内，如果遇到干旱，作物供水不足，生长受到影响时，卫星遥感植被指数降低，这时作物没有足够的水分供给叶面蒸发，被迫关闭一部分气孔，导致作物冠层的温度升高。研究表明，NDVI-Ts构成的特征空间有两种可能的存在关系，即三角形关系和梯形关系。在NDVI-Ts构成的三角形空间的基础上，研究者提出了条件植被温度指数(VTCI)。土壤湿度与条件温度植被指数之间存在着较好的线性相关关系，根据观测的土壤湿度，以及获得的条件温度植被指数，建立二者的线性关系，推求土壤湿度空间分布信息。然而利用遥感技术反演土壤墒情也存在一些不足，如遥感像元较大，而地面观测数据通常是点尺度，进行统计关系回归存在尺度不匹配问题、反演结果的地面同尺度验证无法开展、人为确定干/湿边的做法也会带来主观因素的影响等。

区域尺度土壤水分测量系统CRS1000B。土壤水的点尺度测量方法和大尺度遥感反演方法之间，即在农田和小流域等中小尺度上存在一个空间尺度上的技术空白。近年来，美国科学家基于近地面环境宇宙射线中的快中子浓度与土壤含水量的关系发展了一种无危害、非接触、不破坏土壤、不受土壤质地等影响的区域土壤水分测量系统CRS1000B，测量半径最大可达300米，测量深度为0-50cm土壤或等效于20cm水深的积雪深度，安装方便，低功耗，可长时间(测量时间间隔从分钟到年)连续自动观测平均土壤含水量，使得中小尺度上的土壤含水量野外观测成为可能。该系统主要应用在土壤水分测量、雪深测量、干旱观测、农业灌溉指导、坡面稳定性分析、山洪预报、供水管理、数值预报、气候模型等，还可以安装在移动平台上用来绘制大范围的土壤墒情图。

针对农田水利及防洪抗旱业务中对多尺度土壤墒情准确获取能力的需求，中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾工程技术研究中心利用已有和新引进的遥感反演与土壤墒情观测设备，通过协同观测时空特征设计，自主研发了一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD/M)，用于点、区域和遥感像元三种尺度上的土壤墒情协同观测。

发明内容

本发明的目的是提供一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD)，它适用于在野外开展点、区域和卫星像元三种典型空间尺度的土壤墒情协同观测，满足农田水利及防洪抗旱业务中对于不同空间尺度的土壤墒情观测的需求，为实现多尺度土壤墒情同步协同观测、模型参数率定和结果验证等提供装置保障、数据支持和方法途径，拓展了农田水利及防洪抗旱业务中多尺度土壤墒情协同获取能力和手段。

本发明的技术方案是：一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD)，它利用点尺度的土壤水传感器无线观测网络(WSN)、区域土壤水分测量系统CRS1000B和条件温度植被指数(VTCI)卫星遥感反演方法等三种不同尺度土壤墒情观测方法，实现点、区域和卫星像元三种空间尺度下的土壤墒情协同观测。

本发明一种多尺度土壤墒情协同观测装置，它由多个TDR土壤水传感器组成的无线观测网络(WSN)、区域土壤水分测量系统CRS1000B、卫星平台、笔记本电脑等硬件装置平台和多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件组成(见图1)，在点、区域和卫星像元三种尺度土壤墒情协同观测方案下(见图2)开展土壤墒情协同观测。他们之间的连接与逻辑关系是：多个TDR土壤水传感器组成无线观测网络(WSN)，实现点尺度上对一定深度土壤墒情的多点同步观测和无线传输；区域土壤水分测量系统CRS1000B，通过文件配置可实现区域尺度平均土壤墒情的实时观测与按时数据传输；卫星平台可实现对观测区植被和地表温度的瞬时观测；通过多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，可实现对TDR土壤水传感器和区域土壤水分测量系统CRS1000B观测时间、步长间隔和传输时间的设置，可通过集成的VTCI模型算法得到条件植被温度指数(VTCI)，进而通过回归分析，得到卫星像元尺度的土壤墒情。上述三种尺度的土壤墒情观测是在点、区域和卫星像元三种尺度协同观测方案下进行的，保证了观测时间、步长、数据传输的同步协调和装置架设空间关系的合理布置。

所述多个TDR土壤水传感器组成的无线观测网络(WSN)，是由多个用于一定深度土壤墒情观测的TDR土壤水传感器构成，在无线观测网络(WSN)组网下工作，每个TDR土壤水传感器都带有通信模块，将测量结果按时自动发送，为市场购买产品。

所述区域土壤水分测量系统CRS1000B，由中子探测器、数据采集器、气压等辅助传感器、太阳能供电系统、安装支架、机箱、GSM无线网络传输模块等组成，用来观测区半径约300m、从地表到地下一定深度(0-50cm)的圆柱形土层的平均土壤含水量。该方法可以轻松得到中小区域平均土壤含水量，且不需要破坏土壤，对于研究土壤水的动态变化具有独特优势。而且该系统预留开放式标准接口，可增加传感器实现生物量观测和冠层截留水观测。该系统解决了传统仪器观测土壤墒情差异大、耗时、费力、破坏大等问题，为水利部“948项目”从国外引进购买的产品。

所述卫星平台，是进行卫星通信或获取条件温度植被指数VTCI所需植被指数和地表温度等参数遥感空间数据的公共服务平台。

所述笔记本电脑，要求内存4G，硬盘320G，采用Win XP操作系统，用于无线观测网络(WSN)和CRS1000B观测数据的接收和处理，以及运行多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，为市场购买产品。

所述多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，集成了TDR土壤水传感器和区域土壤水分测量系统CRS1000B的控制功能模块和VTCI模型算法，是应用IDL语言自主开发编写的软件程序，可实现观测时间、步长间隔和传输时间的协同设置，并实现了VTCI模型算法中“干边”和“湿边”的程序化自动提取、VTCI计算及像元尺度的土壤墒情反演计算等，为自主开发程序软件。

所述点、区域和卫星像元三种尺度土壤墒情协同观测方案，包括观测时间、步长间隔、数据传送等的时间协同和观测点布置的空间协同。在时间上，设置TDR土壤水传感器与区域土壤水分测量系统CRS1000B的观测时间、步长间隔与数据传送频率，使其与卫星过境时间及重访周期同步，最大程度上实现三者的同步观测；在空间上，协调卫星过境像元覆盖、TDR土壤水传感器观测点布置与区域土壤水分测量系统CRS1000B安装位置三者的空间分布与尺度匹配关系，保证三者的观测结果在空间尺度上有比较好的覆盖、包含和可比较关系，使多尺度土壤墒情观测结果的对比分析、尺度匹配等工作科学可行。

本发明的工作原理和技术特点是通过土壤水传感器组成的无线观测网络(WSN)、国外引进的区域土壤水分测量系统CRS1000B和卫星平台三种较为先进的测量土壤墒情的技术手段，集成应用TDR测量法、宇宙射线中子测量法和遥感反演法协同观测得到点、区域和卫星像元三种空间尺度的土壤墒情，并通过时空协同观测方案，为多尺度土壤墒情对比分析提供技术和数据支持。

本发明的优点及功效是集成了现有先进装置和优势技术方法，通过协同观测方案设计，实现了多尺度土壤墒情协同观测，突破了土壤墒情遥感反演结果验证的瓶颈，拓展了应用和研究领域；本发明具有较好的扩展性，其推广应用可服务于最严格的水资源管理、农业节水、旱情观测等业务，提高灌溉效益和水资源利用率。

附图说明

图1、本发明一种多尺度土壤墒情协同观测装置结构示意图。

图2、本发明一种多尺度土壤墒情协同观测方法，即点、区域和卫星像元三种尺度土壤墒情协同观测方案示意图。

图中符号说明如下

1卫星平台、2快中子检测探头、3慢中子探头、4脉冲计数器、5防护机箱、6数据采集器(内置传输模块)、7蓄电池、8天线、9连接线、10安装支架、11U形卡、12U形螺栓、13太阳能板、14TDR土壤水传感器、15笔记本电脑；a TDR土壤水传感器布点、b区域土壤水分测量系统CRS1000B布点、c区域土壤水分测量系统CRS1000B监测范围、d代表大于一公里的卫星像元网格、e代表一公里的卫星像元网格、f代表小于一公里的卫星像元网格。

具体实施方式

见图1，本发明是一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD)，它由硬件和软件两大主体部分构成。硬件主要卫星平台1、快中子检测探头2、慢中子探头3、脉冲计数器4、防护机箱5、数据采集器(内置传输模块)6、蓄电池7、天线8、连接线9、安装支架10、U形卡11、U形螺栓12、太阳能板13、TDR土壤水传感器14、笔记本电脑15。它们之间的连接关系是：区域土壤水分测量系统CRS1000B的组装包括数据采集器6、蓄电池8、太阳能控制器7直接固定于防护机箱5内，先将随配的安装支架11固定于地面上，如做长期观测时，可在地里打上水泥墩增加仪器的稳定性；再把机箱随配的U形卡12顶端和底端固定在安装支架11上；随后分别把快中子检测探头2和慢中子探头3固定在顶端和底端U形的螺栓，并旋紧螺丝；把太阳能板14固定在安装支架11上；天线9安装在防水箱外面，指向天空；TDR土壤水传感器(内置通信模块)15插入一定深度的土壤；观测区卫星影像通过卫星平台1获取。利用多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件实现土壤墒情观测设备的相关设置与土壤墒情像元尺度的模型反演。

所述卫星平台，是进行卫星通信或获取条件温度植被指数VTCI所需植被指数和地表温度等参数遥感空间数据的公共平台，为公共服务平台。

所述快中子检测探头，规格为长度＝122.5厘米，直径＝11.5厘米，探头质量(MOD)＝10.7千克，探头质量(BARE)＝6.5千克，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述慢中子检测探头，规格为长度＝122.5厘米，直径＝11.5厘米，探头质量(MOD)＝10.7千克，探头质量(BARE)＝6.5千克，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述脉冲计数器，用于记录脉冲数，为中子检测探头内置部件，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述防护机箱，尺寸为40.9厘米×41.3厘米×28.6厘米(高×宽×深)，质量为7.3千克(不包含电池)，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述数据采集器，供电规格为+6～+26V，15Ma@12V；采集间隔1分钟至一年可选；数据接口USB、RS232；4个TTL接口；内部集成气压精度为0.1mbar；温度规格为-40℃～85℃，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述蓄电池，用于给数据采集器供电，输出电压为12V，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述天线，型号为TNC-F，用于无线信号传输，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述连接线，用来连接蓄电池与太阳能控制器、中子检测探头与数据采集器等，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述安装支架，安装于地面上，用来固定防护机箱、太能能板等，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述U形卡，用来将防护机箱固定在安装支架上，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述U形螺栓，用来固定快中子检测探头和慢中子探头固定，并旋紧螺丝，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述太阳能板，利用太阳能用来为蓄电池充电，为设备提供电能，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件。

所述TDR土壤水传感器，内置通信模块，用来测量点上一定深度土壤的含水量，为市场购买产品。

所述笔记本电脑，用来设置设备检测时间和步长，运行软件程序，接收邮件等，为市场购买产品。

所述多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，为应用IDL语言自主开发程序，实现了TDR土壤水传感器和区域土壤水分测量系统CRS1000B的控制，对VTCI算法中“干边”和“湿边”的程序化自动提取、VTCI计算及像元尺度的土壤墒情反演计算等，安装在笔记本电脑上。

本发明是一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD)，具体实施步骤：首先，多个TDR土壤水传感器14、区域土壤水分测量系统CRS1000Bb的安装位置与卫星平台1过境获得的卫星遥感影像像元d、e、f的空间关系遵循所述点、区域和卫星像元三种尺度土壤墒情协同观测方案见图2，确保多个TDR土壤水传感器a布置在区域土壤水分测量系统CRS1000Bb所测范围c内的多个位置，区域土壤水分测量系统CRS1000Bb所测范围涵盖一个较大卫星像元d的一个部分e或者是多个更小的卫星像元f；其次，打开笔记本电脑15，启动多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，根据卫星平台1的过境时间和重访间隔，设置TDR土壤水传感器(内置通信模块)14和区域土壤水分测量系统CRS1000Bb的观测时间和步长间隔；接收点和区域尺度土壤墒情观测数据，利用条件温度植被指数VTCI模型，反演卫星像元尺度上的土壤墒情，完成点、区域和卫星像元三种典型空间尺度的土壤墒情的协同连续观测。

Claims (2)

1.一种多尺度土壤墒情协同观测装置，其特征在于：该装置由硬件和软件两大主体部分构成；硬件包括卫星平台、快中子检测探头、慢中子探头、脉冲计数器、防护机箱、数据采集器、蓄电池、天线、连接线、安装支架、U形卡、U形螺栓、太阳能板、TDR土壤水传感器及笔记本电脑；它们之间的连接关系是：区域土壤水分测量系统CRS1000B的组装包括数据采集器、蓄电池、太阳能控制器直接固定于防护机箱内，先将随配的安装支架固定于地面上，长期观测时，在地里打上水泥墩增加仪器的稳定性；再把机箱随配的U形卡顶端和底端固定在安装支架上；随后分别把快中子检测探头和慢中子探头固定在顶端和底端U形的螺栓，并旋紧螺丝；把太阳能板固定在安装支架上；天线安装在防水箱外面，指向天空；TDR土壤水传感器插入一定深度的土壤；观测区卫星影像通过卫星平台获取；利用多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件实现土壤墒情观测设备的相关设置与土壤墒情像元尺度的模型反演；

所述卫星平台，是进行卫星通信或获取条件温度植被指数VTCI所需植被指数和地表温度的参数遥感空间数据的公共平台，为公共服务平台；

所述快中子检测探头，规格为长度＝122.5厘米，直径＝11.5厘米，探头质量MOD＝10.7千克，探头质量BARE＝6.5千克，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述慢中子检测探头，规格为长度＝122.5厘米，直径＝11.5厘米，探头质量MOD＝10.7千克，探头质量BARE＝6.5千克，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述脉冲计数器，用于记录脉冲数，为中子检测探头内置部件，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述防护机箱，尺寸为40.9厘米×41.3厘米×28.6厘米，质量为7.3千克，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述数据采集器，供电规格为+6～+26V，15Ma@12V；采集间隔1分钟至一年可选；数据接口USB、RS232；4个TTL接口；内部集成气压精度为0.1mbar；温度规格为-40℃～85℃，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述蓄电池，用于给数据采集器供电，输出电压为12V，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述天线，型号为TNC-F，用于无线信号传输，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述连接线，用来连接蓄电池与太阳能控制器、中子检测探头与数据采集器，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述安装支架，安装于地面上，用来固定防护机箱、太能能板，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述U形卡，用来将防护机箱固定在安装支架上，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述U形螺栓，用来固定快中子检测探头和慢中子探头固定，并旋紧螺丝，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述太阳能板，利用太阳能用来为蓄电池充电，为设备提供电能，为所购置区域土壤水分测量系统CRS1000B附带部件；

所述TDR土壤水传感器，内置通信模块，用来测量点上一定深度土壤的含水量；

所述笔记本电脑，用来设置设备检测时间和步长，运行软件程序，接收邮件；

所述多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，为应用IDL语言自主开发程序，实现了TDR土壤水传感器和区域土壤水分测量系统CRS1000B的控制，对VTCI算法中“干边”和“湿边”的程序化自动提取、VTCI计算及像元尺度的土壤墒情反演计算，安装在笔记本电脑上。

2.根据权利要求1所述的一种多尺度土壤墒情协同观测装置，其特征在于：具体实施步骤：首先，多个TDR土壤水传感器、区域土壤水分测量系统CRS1000Bb的安装位置与卫星平台过境获得的卫星遥感影像像元d、e、f的空间关系遵循点、区域和卫星像元三种尺度土壤墒情协同观测方案，确保多个TDR土壤水传感器a布置在区域土壤水分测量系统CRS1000Bb所测范围c内的多个位置，区域土壤水分测量系统CRS1000Bb所测范围涵盖一个较大卫星像元d的一个部分e或者是多个更小的卫星像元f；其次，打开笔记本电脑，启动多尺度土壤墒情协同观测控制终端软件，根据卫星平台的过境时间和重访间隔，设置TDR土壤水传感器和区域土壤水分测量系统CRS1000Bb的观测时间和步长间隔；接收点和区域尺度土壤墒情观测数据，利用条件温度植被指数VTCI模型，反演卫星像元尺度上的土壤墒情，完成点、区域和卫星像元三种典型空间尺度的土壤墒情的协同连续观测。