CN105758901B - 农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置，其特征是包括安装管套管、空心圆柱状电极、绝缘管柱、基带同轴电缆、液相空心水柱、阻抗板和核心处理器，土壤剖面水分测量装置由压控振荡器控制产生高频振荡信号，经硅外延高频低噪幅值放大，双模预分频器整形分频得到低频方波信号，通过该频率与土壤体积含水率之间的数学模型，实现土壤体积含水量的精确感知。采用圆柱立体式多层级结构，集合农田土壤垂直剖面水分动态测定拟合及定量反演技术，实现以最少层级实时动态感知农田土壤垂直剖面不同深度处体积含水量及垂直剖面土壤水分供给量，其最大优点为可持续实时感知土壤垂直剖面水分状况，空间整体性强，且实时标定。

Description

农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置
技术领域
本发明专利涉及一种农田土壤垂直剖面测量方法及装置，通过本装备与方法，可以快速无损获取农田土壤剖面不同深度处体积含水量及剖面供水量。
背景技术
土壤含水量容易随时间和空间的变化而变化，其渗透或蒸发等运动过程比较复杂，而实时、准确测量土壤剖面水分含量从而掌握土壤水分空间立体分布，这对研究土壤水分运动规律、作物需水规律，为最佳灌溉时机及阀值的选择以及精确灌溉制度的制定提供策略，最终实现节水灌溉等意义重大。
现行土壤水分传感器大多数局限于探针式结构，探针长度有限，只能进行土壤表层含水量测量，若要实现土壤剖面水分测量，不仅需多个传感器穿插于土层，布设困难费时费力，前期工作量相当大，而且长期连续测量，探针容易腐蚀，影响测量精度，土壤剖面多个传感器穿插，同时工作也会导致功耗较。
对于面向土壤剖面水分的传感测量，国外已开始开展相关研究并形成了相关产品，而国内在这方面的研究刚刚起步，且当前土壤剖面水分传感器的你敏感元件部署都是规则性彼此间隔安装，并没有依据土壤垂直剖面水分分布特征及变化规律及实际需求来分布，同时在测量过程中标定问题也一直是土壤垂直剖面水分传感器需要解决的问题。
发明内容
本发明克服上述问题与不足，提供了一种理论科学，技术领先，结构合理、测量精度高的农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种农田土壤垂直剖面水分测量方法，包括以下步骤：
通过对不同敏感元件测得在空气中的频率、水中的频率及土壤中的频率计算得到归一化频率由，单个敏感元件感知安装管套管外垂直深度土壤体积水分，影响径向距离为5-10cm；
采用立体式多层级结构，由田间试验数据建模，根据农田土壤垂直剖面水分动态分布特征及变化规律，采用土壤壤剖面体积含水量等值法及皮尔森(Pearson)相关系数法确定；
由欧氏距离的聚类算法及以作物植株叶片相对含水率确定层级深度位置，分析计算确定土壤垂直剖面水分自变量的因子；
通过土壤水分定量反演基于不同深度处土壤体积含水量的拟合关系，反演垂直剖面其他深度处土壤体积含水量及不同剖面深度土壤供水量。
一种农田土壤垂直剖面水分测量装置，包括安装管套管、空心圆柱状电极、绝缘管柱、基带同轴电缆、液相空心水柱、阻抗板和核心处理器，所述安装管套管外壁与土壤紧密贴合，且垂直于地表，由绝缘柱管内的基带同轴电缆与两个空心圆柱状电极连接构成土壤水分敏感元件；土壤水分敏感元件由田间试验建模得出的层次布设规则，多个土壤水分敏感元件进行多层次组合，形成立体式多层级结构。
所述土壤敏感元件连接阻抗板，阻抗板中压控高频振荡电路两端分别连所述敏感元件及低噪放大电路，所述低噪放大电路与谐振分频电路联通，所述谐振分频电路连接核心处理器。
所述立体式多层级结构的土壤敏感元件置于安装管套管内，地表上部分布两组土壤水分敏感元件，地表上第一组土壤水分敏感元件经安装管套管无外物包裹，第二土壤水分组敏感元件由液相空心水柱包裹。
本发明有益效果为：本发明公开了一种农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置，土壤剖面水分测量装置由压控振荡器控制产生高频振荡信号，经硅外延高频低噪幅值放大，双模预分频器整形分频得到低频方波信号，信号反映装置中液相(水)、气相(空气)及固相(土壤)含水量的归一化频率，通过该频率与土壤体积含水率之间的数学模型，实现土壤体积含水量的精确感知。采用圆柱立体式多层级结构，集合农田土壤垂直剖面水分动态测定拟合及定量反演技术，实现以最少层级实时动态感知农田土壤垂直剖面不同深度处体积含水量及垂直剖面土壤水分供给量，其最大优点为可持续实时感知土壤垂直剖面水分状况，空间整体性强，且实时标定。
土壤体积含水率通过测定单位电容的电偶极矩来间接测量，当土壤中水分增加时导致电容明显上升，在敏感元件周围的点偶极子电容响应自由的放松，测定单位体积瞬时点偶，读数响应快以及无放射性危害。采用立体式多层级结构及安装管套管的方式有效解决传感器易腐蚀及埋设问题，基于土壤垂直剖面水分动态分布特征及变化规律进行敏感元件位置布设，解决空间代表性差的问题，通过“三相”归一化频率有效解决标定问题，保障装置测量数据的精准。
根据不同深度处土壤体积含水量的拟合关系有效反演其他深度处土壤体积含水量及不同剖面深度土壤供水量。整个设备便于安装，不破坏土壤结构，省时省力，时间上动态快捷，空间上整体连续。
附图说明
图1是本发明实施列的装置整体结构及工作流程。
图2是本发明实施列的装置结构示意图。
图3是本发明土壤垂直剖面水分测量方法工作流程简图
图4a是本发明土壤垂直剖面水分测量方法10cm拟合值累计概率结果示意图。
图4b是本发明土壤垂直剖面水分测量方法40cm拟合值累计概率结果示意图。
图4c是本发明土壤垂直剖面水分测量方法60cm拟合值累计概率结果示意图。
图4d是本发明土壤垂直剖面水分测量方法70cm拟合值累计概率结果示意图。
图4e是本发明土壤垂直剖面水分测量方法80cm拟合值累计概率结果示意图。
图4f是本发明土壤垂直剖面水分测量方法90cm拟合值累计概率结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明装置与方法集成了农田土壤垂直剖面水分测量装置的发展需求。基于试验建模结果，构建了立体多层级结构，研究了农田土壤垂直剖面水分感知装备，并将实测数据的建模结果实现反演，形成了一套较为完善的农田垂直剖面土壤水分感知与分析系统，该系统可用于农田作物全身生育期土壤垂直剖面某一深度处体积含水量状况及某一剖面土壤水分的供给量的测定及反演，降低了农田土壤垂直剖面水分感知成本，提升了农田土壤垂直剖面水分感知的效率及技术含量。
一种农田土壤垂直剖面水分测量方法，包括以下步骤：
通过对不同敏感元件测得在空气中的频率、水中的频率及土壤中的频率计算得到归一化频率由，单个敏感元件感知安装管套管外垂直深度土壤体积水分，影响径向距离为5-10cm；
采用立体式多层级结构，由田间试验数据建模，根据农田土壤垂直剖面水分动态分布特征及变化规律，采用土壤壤剖面体积含水量等值法及皮尔森(Pearson)相关系数法确定；
由欧氏距离的聚类算法及以作物植株叶片相对含水率确定层级深度位置，分析计算确定土壤垂直剖面水分自变量的因子；
通过土壤水分定量反演基于不同深度处土壤体积含水量的拟合关系，反演垂直剖面其他深度处土壤体积含水量及不同剖面深度土壤供水量。
一种农田土壤垂直剖面水分测量装置，包括安装管套管、空心圆柱状电极、绝缘管柱、基带同轴电缆、液相空心水柱、阻抗板和核心处理器，所述安装管套管外壁与土壤紧密贴合，且垂直于地表，由绝缘柱管内的基带同轴电缆与两个空心圆柱状电极连接构成土壤水分敏感元件；土壤水分敏感元件由田间试验建模得出的层次布设规则，多个土壤水分敏感元件进行多层次组合，形成立体式多层级结构。
所述土壤敏感元件连接阻抗板，阻抗板中压控高频振荡电路两端分别连所述敏感元件及低噪放大电路，所述低噪放大电路与谐振分频电路联通，所述谐振分频电路连接核心处理器。
所述立体式多层级结构的土壤敏感元件置于安装管套管内，地表上部分布两组土壤水分敏感元件，地表上第一组土壤水分敏感元件经安装管套管无外物包裹，第二土壤水分组敏感元件由液相空心水柱包裹。
如图1所示，本发明实施列的装置整体结构及工作包括以下流程。
本发明装置的原始计数是感知传感地表下的固相介质土壤、地表上暴露在空气中的气相介质空气和包裹空心水柱的液相介质的频率。三相归一化表示装置测得数据经中央核心处理器采用归一计数法处理，敏感元件在裸露空气中测得的频率读数为X空，敏感元件在包裹空心水柱中测得的频率读数为X水，知节点在深度i处土壤中测得的频率读数为Xi土，三相归一
化频率比为Yi水。Yi水的值范围介于0-1之间，其计算公式为：
上式中，Yi水表示深度i处土壤中三相归一化频率值。通过电容与介电常数的关系ε＝C土/C空可以计算出所感知土壤的对介电常数，C空是介质为空气时候的电容，C土是介质为土壤时的电容，根据土壤介电常数与土壤水分含量之间的线性关系：其中a，b为常数，与所测土壤的类型紧密相关。
通过试验拟合，深度i处土壤体积水分含率与深度i处土壤中三相归一化频率值之间的关系用幂公式表示为:Ti水＝m·Yi水 n其中m和n为拟合参数。
根据不同的土壤类型及土壤结构，对土壤垂直剖面水分感知装备的标定和体积含水率之间的关系可表示为：Yi水＝A·Ti水 B+C，其中A，B，C参数由不同的土壤类型及土壤结构通过函数拟合得到，通过采用体积校准法获得的体积含水量构建的拟合关系即可直接获取该深度处土壤体积含水量。
敏感元件的垂直影响深度为10cm，影响径向范围为5-10cm，如某剖面深度土壤层测得土壤体积水分含量是1％，则表明10cm厚度的单位土层中水分含量是1mm，某个剖面深度土壤供水量的计算为剖面多层土壤中的含水量之和，其计算公式为:
H水＝T1水+T2水+…+Tn水
在上式中，如以地面为基准，求得0-50cm剖面深度的供水量，则T1水为0-10cm土壤深度层的含水量，T2水为10-20cm深度层的含水量，Tn水为40-50cm深度层的含水量，H0-50水则为5个10cm为厚度得到土壤水分含量之和。
如图2所示，农田土壤垂直剖面水分测量装置实施列的装置结构示意图
本发明装置为立体式多层级结构，安装管套管首先埋设于没有受到破坏的土壤中，采用带有三角支架的土钻钻孔，钻取与安装管套管直径相同或略大的孔洞安装套管，且需安装管套管与所测土壤紧密接触，垂直于地表。安装管套管安装深度以地表挡板为分界，液相空心水柱为注入本地的地表水，安装管套管需保持干燥，底部由防水堵头塞死，并保持密封。
两个空心圆柱状电极构成一组敏感元件，节点布局层次及位置按照应用布局规则部署，通过基带同轴电缆与阻抗板连接，将测得不同深度处土壤的频率及空气中的频率、液相空心水柱的频率传输给中央核心处理器，通过归一化频率算法、动态拟合及反演模型测得土壤体积含水量及剖面供水量。
如图3所示，土壤垂直剖面水分测量方法工作流程简图。
本发明土壤垂直剖面水分测量方法将动态拟合与动态反演技术相结合，将土壤垂直剖面水分实测数据作为输入参数。采用等值线的方法构筑剖面不同深度土壤体积含水率等量线图，反映在试验时间内实测土壤剖面水分的空间变化趋势及土壤剖面水分垂直剖面深度感知的区域。利用空间统计算法的皮尔森相关系数法和相关性热点法，以热点图的方式从离散的相关性中找到土壤剖面水分空间聚集区域，减少传感器部署的层次。
集合定量数学的方法，采用欧氏距离聚类算法对垂直剖面土壤水分聚类分析，根据聚类结果，结合作物生长耗水及根系分布规律，将农田垂直剖面土壤水分敏感元件布设分类，确定敏感元件最佳层次，构筑不同深度处体积含水量的拟合关系。采用因子分析法土诊断壤垂直剖面水分对植株水分状况影响，确定敏感元件最佳深度。
采用多重线性回归结合的方式，以确定埋设最佳深度处敏感元件实测土壤体积含水量为可控变量，将其他深度处土壤水分的变化视为随机变量，通过敏感元件处的可控变量进行多元线性回归分析，建立敏感元件处土壤体积含水量与其他深度处土壤水分的线性回归方程，从而构筑动态定量反演模型，有效反演其他深度处土壤体积含水量及剖面供水量。
如图4a至图4f所示，土壤垂直剖面水分测量方法结果示意图。
在稻田中，以全生育期实测土壤垂直剖面0-90cm深度为例，通过图3所示土壤垂直剖面水分高效感知测量方法工作流程，以20cm、30cm、50cm为控制变量，拟合其他深度处土壤体积含水量正态P-P图，可以看出反演的效果较好，除40cm深度处拟合程度稍差，其他层次基本与实测累计概率直线重合，表明该方法可行，能够减少土壤垂直剖面水分感知层次，且可以高效感知土壤垂直剖面水分。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，以个例对本发明的算法流程及实施方式进行了阐述，只用于加强理解本发明的设备技术及测量方法。对于本领域的一般技术人员，在不脱离本发明技术思想的前提下，在具体实施方式及使用途径上还可做出若干改变，这些改变视为本发明的保护范围。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种农田土壤垂直剖面水分测量方法，其特征是包括以下步骤：
通过对不同敏感元件测得在空气中的频率、水中的频率及土壤中的频率计算得到归一化频率，由单个敏感元件感知安装管套管外垂直深度土壤体积水分，影响径向距离为5-10cm；
采用立体式多层级结构，由田间试验数据建模，由土壤剖面体积含水量等值法及皮尔森(Pearson)相关系数法分析农田土壤垂直剖面水分动态分布特征及变化规律；
由欧氏距离的聚类算法以及以作物植株叶片相对含水率确定层级深度位置，分析计算确定土壤垂直剖面水分自变量的因子；
通过土壤水分定量反演基于不同深度处土壤体积含水量的拟合关系，反演垂直剖面其他深度处土壤体积含水量及不同剖面深度土壤供水量。
2.一种农田土壤垂直剖面水分测量装置，其特征是包括安装管套管、空心圆柱状电极、绝缘管柱、基带同轴电缆、液相空心水柱、阻抗板和核心处理器，所述安装管套管外壁与土壤紧密贴合，且垂直于地表，由绝缘柱管柱内的基带同轴电缆与两个空心圆柱状电极连接构成土壤水分敏感元件；土壤水分敏感元件在绝缘柱管柱中的布设位置由田间试验建模得出，多个土壤水分敏感元件进行多层次组合，形成立体式多层级结构。
3.根据权利要求2所述的农田土壤垂直剖面水分测量装置，其特征在于，所述土壤水分敏感元件连接阻抗板，阻抗板中压控高频振荡电路两端分别连接所述敏感元件及低噪放大电路，所述低噪放大电路与谐振分频电路联通，所述谐振分频电路连接核心处理器。
4.根据权利要求2所述的农田土壤垂直剖面水分测量装置，其特征在于，所述立体式多层级结构的土壤水分敏感元件置于安装管套管内，地表上部分布两组土壤水分敏感元件，地表上第一组土壤水分敏感元件经安装管套管无外物包裹，第二组土壤水分敏感元件由液相空心水柱包裹。
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