CN108490150A - 土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，属于土壤水分传感器标定技术领域。解决了如何提供一种土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法的技术问题。本发明提供的绝对定标方法，包括以下步骤：定标土壤选定、土壤水分传感器空间感应范围确定、定标土壤样品制定、土壤含水量改变、土壤水分传感器插入方式与位置规定、土壤样品采集和定标结果判定。该绝对定标方法兼顾了不同土壤水分传感器类型的空间感应范围差异、被测土壤样本的均匀性以及不同土壤类型的影响，增强了每个土壤水分传感器的测量精度以及不同土壤水分传感器类型之间的可比性，从而使得绝对定标结果更为可靠，适用于多种类型土壤水分传感器的绝对定标。

Description

土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法

技术领域

本发明属于土壤水分传感器标定技术领域，具体涉及一种土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法。

背景技术

地表土壤水分是指示全球环境变化的重要指标，目前全世界具有上百个土壤水分监测网络，采用了基于各种测量原理(时域法、频域法、种子法等)的多种土壤水分传感器来进行土壤水分的长时间系列观测(Dorigo et al.,2011)。然而，各种土壤水分传感器具有不同的测量精度和空间感应范围，且各种土壤水分传感器的定标系数因土壤类型而异。为确保各土壤水分传感器的测量准确度，降低不同类型土壤水分传感器和不同土壤类型对测量精度的影响，在使用之前需要对各土壤水分传感器进行绝对标定。

现有技术中，各土壤水分传感器的定标方法存在没有考虑不同土壤类型土壤水分传感器的空间感应范围、被测区域土壤水分不均匀和测量点数量不足的问题，导致定标结果不准确。

有鉴于此，亟需一种绝对定标结果更为精确可靠的土壤水分传感器的绝对定标方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何提供一种土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法。

本发明提供的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，步骤如下：

步骤一、在土壤水分传感器的待安装区域，采集土壤样品；

步骤二、将步骤一采集的土壤样品烘干、碾磨、过筛；

步骤三、根据土壤水分传感器的说明书确定土壤水分传感器的空间感应范围：

步骤四、选择长宽高分别为土壤水分传感器的空间感应范围的1.5～2倍的定标容器；

步骤五、取体积为定标容器的2～3倍的步骤二过筛后的土壤样品，放入搅拌容器中；

步骤六、用搅拌容器内的土壤样品均匀填满步骤四选择的定标容器，并通过压实使土壤密度接近于该类型土壤自然状态下的土壤密度；

步骤七、在定标容器的中心位置垂直插入土壤水分传感器的探头，直至探头全部没入土壤样品中，实时采集几个电信号后拔出探头，并将探头清洁干净；

步骤八、以探头的插入位置为中心，采集体积为V的土样，称其湿重W_We；

然后将土样放入烘箱中烘干，测量其干重W_Dry，再根据下面公式计算土样的体积含水量mv，其中，ρ_θ为水的密度：

步骤九、增加步骤六定标容器内的土壤样品的含水量，并确保含水量均匀；

步骤十、重复步骤七至步骤九，直到定标容器内的土壤样品的水分含量达到饱和；

步骤十一、将步骤七实测的几个电信号的平均值与对应土样的体积含水量mv进行线性拟合，并计算拟合线性方程的拟合系数R²和均方根误差RMSE，得到土壤水分传感器的定标方程；

步骤十二、如果步骤十一得到的定标方程的RMSE值大于0.02，重复步骤五至步骤十一，反之，以步骤十一得到的定标方程作为绝对定标方程。

进一步的，所述步骤一中，采集土壤样品的体积为0.5～1m³。

进一步的，所述步骤二中，在105℃条件下将采集土壤样品烘干48h以上。

进一步的，所述步骤二中，过筛用筛子孔径为1.5～2.5mm。

进一步的，所述步骤六中，土壤密度为1.3～1.5g/cm³。

进一步的，所述步骤七中，采集电信号数据的时间间隔为10秒，读取5个电信号数据后将探头拔出。

进一步的，所述步骤八中，利用体积为V的环刀采集土样，更进一步的，V为100～200cm³。

进一步的，所述步骤八中，采样土壤在105℃条件下烘干48h以上。

进一步的，所述步骤九的过程为：

9a)边搅拌边利用喷壶向定标容器内的土壤样品洒水，洒水的质量占定标容器内土壤样品总重量的10％；

9b)喷洒结束之后继续搅拌1～3min，以保证土壤样品中的水分分布均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法兼顾了不同土壤水分传感器类型的空间感应范围差异、被测土壤样本的均匀性以及不同土壤类型的影响，包括定标土壤选定、土壤水分传感器空间感应范围确定、定标土壤样品制定、土壤含水量改变方法、土壤水分传感器插入方式与位置规定、土壤样品采集、定标结果判定等过程，增强了每个土壤水分传感器的土壤水分测量精度以及不同土壤水分传感器类型之间的可比性，从而使得绝对定标结果更为可靠。

本发明的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法具备普适性，可以服务于多种类型土壤水分传感器的绝对定标，如Decagon系列(EC-5、5TM、5TE)、Hydra HOBE-II、Campbell CS-616)。

附图说明

图1为实施例1的土壤水分传感器EC-5采用探头1的绝对定标结果；

图2为实施例2的土壤水分传感器EC-5采用探头2的绝对定标结果。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

本发明的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，步骤如下：

步骤一、土壤样品采集：

在土壤水分传感器的待安装区域，采集0.5～1m³的土壤样品，优选0.5m³，用于标定土壤水分传感器，确保定标土壤与待安装区域土壤的一致性。

步骤二、土壤样品预处理：

将步骤一采集的土壤样品烘干、碾磨、过筛；

其中，烘干一般在105℃条件下放置48h，筛子孔径由土壤的最大粒径确定，一般恰好满足最大粒径土壤通过，通常为1.5～2.5mm。

步骤三、土壤水分传感器空间感应范围的确定：

根据土壤水分传感器的说明文档确定土壤水分传感器的空间感应范围，如土壤水分传感器EC-5空间感应范围为0.2L，长宽高分别为9cm*5cm*5cm。

步骤四、定标容器体积选择：

按照长宽高均为步骤三确定的土壤水分传感器空间感应范围的1.5～2倍来选择定标容器。

步骤五、定标土壤样品准备：

按照定标容器的2～3倍体积取出步骤二筛选后的土壤样品至搅拌容器内，搅拌容器一般采用搅拌盒。

步骤六、定标土壤样品制定：

将搅拌容器内的土壤样品装入定标容器内，装填土壤样品时要均匀填满定标容器，并通过压实来使土壤密度接近于该类型土壤自然状态下的土壤密度，通常为1.3～1.5g/cm³。

步骤七、测量电信号：

在定标容器的中心位置垂直插入土壤水分传感器的探头，直至探头全部没入土壤样品中；设置与土壤水分传感器连接的数采仪读数时间间隔为10秒，读取5个电信号数据(Out)后将探头拔出，并将探头清洁干净。

步骤八、测量土壤样品的湿重和干重：

以探头的插入位置为中心，利用体积为V的环刀采集土样，并称其湿重(W_Wet)，其中，V常选用100～200cm³；

然后将采集土样放入烘箱中，在105℃条件下烘干48h，称出土样的干重为(W_Dry)；

再根据下面公式计算出每个土壤样本的体积含水量(mv)：

其中，W_Wet为采集土样湿重(g)，W_Dry为采集土样干重(g)，V为采集土样的体积(cm³)，ρ_θ为水的密度(g/cm³)，通常设为1g/cm³，mv为采集土样的体积含水量(cm³/cm³)。

步骤九、改变土壤样品含水量

利用喷壶对步骤六搅拌容器中的土壤样品洒水，控制洒水的质量占搅拌容器中土壤重量的10％，边洒水边搅拌均匀，喷洒结束之后继续搅拌1～3min，以保证定标容器内的土壤样品的的水分分布均匀。

步骤十、重复步骤七至步骤九，直到定标容器内的土壤样品的水分含量达到饱和；

步骤十一、将步骤七实测电信号的平均值(Out)与对应土样的体积含水量mv进行线性拟合，并计算拟合线性方程的拟合系数R²和均方根误差RMSE，得到土壤水分传感器的定标方程。

步骤十二、如果定标方程的RMSE值大于0.02cm³/cm³，需要重复步骤五至步骤十一，重新拟合定标方程，反之步骤十一得到的定标方程可作为最终的绝对定标方程。

以下结合实施例及附图进一步说明本发明。

实施例1

步骤一、在土壤水分传感器EC-5的待安装区域，采集0.5m³的土壤样品；

步骤二、将步骤一采集的土壤样品在105℃条件下烘干48h，然后碾磨、过筛；

步骤三、根据土壤水分传感器EC-5的说明书确定其空间感应范围为0.2L，长宽高分别为9cm*5cm*5cm；

步骤四、选择长宽高分别为土壤水分传感器EC-5空间感应范围的1.5倍的定标容器；

步骤五、取体积为定标容器的3倍的步骤二过筛后的土壤样品，放入搅拌盒(长宽高约为50cm*50cm*40cm)中；

步骤六、用搅拌盒中的土壤样品均匀填满定标容器，压实使土壤密度为1.4g/cm³；

步骤七、在定标容器的中心位置垂直插入土壤水分传感器EC-5的探头1，直至探头1全部没入定标容器内的土壤样品的，设置与土壤水分传感器相连接的数采仪读数时间间隔为10秒，读取5个电信号数据(Out)后将探头1拔出，并将探头1清洁干净；

步骤八、以探头1的插入位置为中心，利用体积为100cm³的环刀采集土样，称其湿重W_We；

将采集土样放入烘箱中，105℃条件下烘干48h，测量采集土样的干重W_Dry，再根据下面公式计算出采集土样的体积含水量mv为，其中，ρ_θ为水的密度：

步骤九、利用喷壶向步骤六定标容器内的土壤样品洒水，洒水的质量占定标容器内土壤样品总重量的10％，边洒水边搅拌均匀，喷洒结束之后继续搅拌3min，以保证土壤样品中的水分分布均匀；

步骤十、重复步骤七至步骤九，直到定标容器内的土壤样品的水分含量达到饱和；

步骤十一、将步骤七实测的几个电信号的平均值与对应土样的体积含水量mv进行线性拟合，并计算拟合线性方程的拟合系数R²和均方根误差RMSE，得到土壤水分传感器的标定方程，图1为土壤水分传感器EC-5采用探头1的绝对定标结果。

实施例2

将EC-5的探头1替换为探头2，其他步骤与实施例1相同，图2为土壤水分传感器EC-5采用探头2的绝对定标结果。

从图1和图2可以看出，两个探头的定标方程的均方根误差RMSE均小于0.02cm³/cm³，可以确定步骤十一得到的标定方程可作为最终的绝对定标方程。且探头1和探头2的定标系数比较接近，说明土壤水分传感器EC-5具有良好的一致性。

Claims (9)

1.土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、在土壤水分传感器的待安装区域，采集土壤样品；

步骤二、将步骤一采集的土壤样品烘干、碾磨、过筛；

步骤三、根据土壤水分传感器的说明书确定土壤水分传感器的空间感应范围：

步骤四、选择长宽高分别为土壤水分传感器的空间感应范围的1.5～2倍的定标容器；

步骤五、取体积为定标容器的2～3倍的土壤样品，放入搅拌容器中；

步骤六、用搅拌容器内的土壤样品均匀填满步骤四选择的定标容器，并通过压实使土壤密度接近于该类土壤自然状态下的土壤密度；

步骤七、在定标容器的中心位置垂直插入土壤水分传感器的探头，直至探头全部没入土壤样品中，实时采集几个电信号后拔出探头，并将探头清洁干净；

步骤八、以探头的插入位置为中心，采集体积为V的土样，称其湿重W_We；

然后将土样放入烘箱中烘干，测量其干重W_Dry，再根据下面公式计算土样的体积含水量mv，其中，ρθ为水的密度；

步骤九、增加步骤六定标容器内的土壤样品的含水量，并确保含水量均匀；

步骤十、重复步骤七至步骤九，直到定标容器内的土壤样品的水分含量达到饱和；

步骤十一、将步骤七实测的几个电信号的平均值与对应土样的体积含水量mv进行线性拟合，并计算拟合线性方程的拟合系数R²和均方根误差RMSE，得到土壤水分传感器的定标方程；

步骤十二、如果步骤十一得到的定标方程的RMSE值大于0.02，重复步骤五至步骤十一，反之，以步骤十一得到的定标方程作为绝对定标方程。

2.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤一中，采集土壤样品的体积为0.5～1m³。

3.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤二中，在105℃条件下将采集土壤样品烘干48h以上。

4.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤二中，过筛用筛子孔径为1.5～2.5mm。

5.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤六中，土壤密度为1.3～1.5g/cm³。

6.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤七中，采集电信号数据的时间间隔为10秒，读取5个电信号数据后将探头拔出。

7.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤八中，利用体积为V的环刀采集土样，V为100～200cm³。

8.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤八中，采样土壤在105℃条件下烘干48h以上。

9.根据权利要求1所述的土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法，其特征在于，所述步骤九的过程为：

9a)边搅拌边利用喷壶向定标容器内的土壤样品洒水，洒水的质量占定标容器内土壤样品总重量的10％；

9b)喷洒结束之后继续搅拌1～3min，以保证土壤样品中的水分分布均匀。