CN110231455A - 一种提高墒情监测仪器监测精度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高墒情监测仪器监测精度方法，提供了一种新的仪器公式形式和仪器参数调整方法，使仪器的监测精度能够满足生产要求，使实现墒情监测自动化的目标得以现实。取代了垄断国内多年的TOPO公式，为提高墒情监测仪器监测精度打下了坚实的理论基础，使提高墒情监测仪器监测精度成为可能；在任意一点含水量条件下采集一组监测数据就能轻而易举的提高仪器的监测精度，并且能够满足生产要求。用此法调整仪器参数方便快捷，省时省力，运行成本低。

Description

一种提高墒情监测仪器监测精度方法

技术领域

本发明公开一种提高墒情监测仪器监测精度方法，特别适用于土壤墒情监测工作，可广泛应于水利、农业、气象、科研等部门或领域，属墒情监测技术领域。

背景技术

传统的土壤墒情监测仪器公式都是根据TOPO的三次多项式来拟合，即y＝ax³+bx²+cx+d。这种仪器公式形式存在两大问题至今无法解决：一是关系线会出现两个无法控制的极值点，造成极值点及其附近的土壤含水量监测数据严重超标，而这两个极值点及其附近的含水量很可能会落在不同干旱等级内，无法进行准确的旱情评价；二是参数不可调。即使发现了超标的监测数据也没有办法解决，因为仪器参数不可调，所以监测误差无法消除或减小，这就造成了在实验室率定好的仪器公式和参数，应用到野外后难以满足生产要求的根本原因。因此，到目前为止，全国的墒情监测自动化迟迟不能实现。

发明内容

本发明公开的一种提高墒情监测仪器监测精度方法，目的旨在解决墒情监测仪器监测精度低，无法满足生产要求的问题，从而实现墒情监测自动化，实现了不同干旱等级的自动判定和不同干旱等级对应的受旱耕地面积的定量计算。

本发明所述的一种提高墒情监测仪器监测精度方法，技术解决方案如下：

1、仪器公式形式

仪器公式为幂函数，即y＝ax^b+c；

该公式的优点在于：

(1)各参数数学概念清楚；

(2)参数C可以调整且不受含水量大小的影响，而且在调参前就可预判监测数据会如何变化；

(3)参数调整后可使仪器的监测精度得到大幅度提高；

2、仪器参数调整方法

仪器参数调整方法为“一点调参法”，即根据某一点的土壤含水量即可进行仪器参数调整，且不受含水量大小的影响；

具体的参数调整方法：

将人工法监测数据和仪器法监测数据分别代入仪器公式y＝ax^b+c后得到：

y＝ax^b _人+c₁ (1)

y＝ax^b _仪+c₂ (2)

式中：y---仪器介电参数；x_人---人工法土壤含水量；x_仪---仪器法土壤含水量；a---仪器公式参数(常数)；b---仪器公式参数(常数)；c₁---初始参数；c₂---实地参数；

将(1)式与(2)式相减，得到实地参数c₂：

c₂＝ax^b _人+c₁-ax^b _仪 (3)

其结果即为c₂实地参数，通过远程调参功能对仪器参数进行重新设置；

新参数c₂生效后，再进行一次人工取样，以检验参数调整的效果；

本发明提供了仪器公式形式、仪器参数调整方法。进而使仪器的监测精度能够满足生产要求，使实现墒情监测自动化的目标得以现实。

本发明的积极效果在于：

提供了一种新的公式形式(幂函数)，取代了垄断国内多年的TOPO公式(三次多项式)，为提高墒情监测仪器监测精度打下了坚实的理论基础，使提高墒情监测仪器监测精度成为可能；用“一点调参法”取代了垄断国内多年的野外仪器公式率定的传统做法。现行标准规定：野外仪器公式率定要求满足3个条件，即：仪器安装到野外要运行3～6个月(最少不能少于3个月)；对比监测数据不能少于30组；对比监测数据要包含不同土壤含水量(这样的要求在天然条件下是无法实现的)。而用“一点调参法”在任意一点含水量条件下采集1组监测数据(最多2组，1组调参，另1组检验调参效果)就能轻而易举的提高仪器的监测精度，并且能够满足生产要求。用此法调整仪器参数方便快捷，省时省力，运行成本低。

附图说明

图1为仪器介电参数与土壤含水量关系图。

具体实施方式：

以下实施例为本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

实施例1

1、仪器公式拟合：

任何一种墒情监测仪器都可以拟合出幂函数公式。具体做法是：选择某种代表性土壤，在实验室进行烘干、粉碎、筛出杂质，然后连同仪器装入专制容器，压实，定量向容器内喷水，扩散均匀后测取仪器介电参数y_测和土壤含水量x_测，反复定量喷水，反复测量介电参数和土壤含水量，从而得到若干组介电参数和含水量(一般测得15组数据)，点绘介电参数与含水量关系图，见图1；

公式形式为：y＝ax^b+c；

2、确定仪器参数

根据图1关系曲线，用试算法进行公式拟合。具体做法是：先假设一组参数a、b、c值(在实验室c值一般取为0，记为c₀)，带入公式y＝ax^b+c(式中y为介电参数，x为土壤含水量，a、b、c为待定参数)，得到y_计＝ax ^b _测，算得一个介电参数y_计，并与实测的y_测进行比较，如果不相等，重新假设a和b，再计算y_计，直到y_计与y_测相同为止，对应的a、b值即为所求；从而得到第一种土壤拟合公式：y₁＝a₁x^b1+c₀；

选择若干种土壤都照此程序做，即可得到n种土壤对应的拟合公式：y_n＝a_nx^bn+c₀。然后将a₁、a₂、a₃……a_n值进行综合得到参数a(常数),将b₁、b₂、b₃……b_n值进行综合得到参数b(常数)，最后综合出适用于多种土壤质地的实验室仪器拟合公式的通用形式：y＝ax^b+c；

3、仪器安装

根据仪器安装方法将仪器安装到监测地块。仪器类型不同，其安装方法也不同。对于管式仪器，可用灌浆排气法将仪器安装在被测土壤中，具体方法是，先用螺旋钻打孔，再用环刀钻切削钻孔，把钻出的土壤放入盆中加水和成泥浆倒入钻孔中，把仪器沾满泥浆后缓慢插入钻孔，并上下拔插仪器，以便排净钻孔中的空气；仪器安装完毕并稳定1～2天；对于针式仪器，可用填埋法安装，具体方法是，在监测地块挖出一个能下去一个人的土坑，把一侧坑壁削出够深度的垂直剖面，将传感器探针水平插入不同监测深度的土壤中，然后将土坑回填压实，连接好信号线；

4、确定仪器监测误差控制标准

根据生产要求确定仪器监测误差控制标准。一般为野外相对误差≤±10％(重量含水量)，最好是野外相对误差≤±5％(重量含水量)；

5、检验仪器监测精度：检验仪器监测精度方法为对比观测法，仪器安装完成后应进行监测精度的检验，监测精度满足要求后才可投入正式运行。对比观测法就是用人工法和仪器法同时进行土壤含水量的测定，然后进行数据比较，误差满足要求即为合格，否则进行仪器参数调整；仪器参数调整方法为“一点调参法”用人工法检验仪器的监测精度。根据事先确定的精度要求，在仪器附近进行人工取样，烘干计算人工法土壤含水量，与同时刻仪器监测数据进行比较，满足精度要求即可投入运行，否则进行参数调整；

6、调整仪器参数：当仪器监测精度未满足要求时，即进行参数调整，使之监测精度满足要求；

具体方法是：将人工法监测数据和仪器法监测数据分别代入仪器公式y＝ax^b+c后得到：

y＝ax^b _人+c₁ (1)

y＝ax^b _仪+c₂ (2)式中：y---仪器介电参数；

x_人---人工法土壤含水量；

x_仪---仪器法土壤含水量；

a---仪器公式参数(常数)；

b---仪器公式参数(常数)；

c₁---初始参数(一般取为0)；

c₂---实地参数；

将(1)式与(2)式相减，得到实地参数c₂：

c₂＝ax^b _人+c₁-ax^b _仪 (3)

其结果即为c₂实地参数，通过远程调参功能对仪器参数进行重新设置；新参数c₂生效后，再进行一次人工取样，以检验参数调整的效果；

7、成果对比：

(1)同一仪器两种拟合公式条件下的监测数据比较

选择一台墒情监测仪器，在实验室用同一种土壤分别拟合出仪器介电参数与土壤含水量的两种仪器公式，即y＝ax³+bx²+cx+d和y＝ax^b+c(请注意：两个公式中的a、b、c并不是一个数值)，并分别确定每个公式参数的具体数值(每个参数的具体数值不便公开)。然后将仪器安装在监测地块，稳定后调整好幂函数公式的参数c，并保持c值不变；确定仪器监测误差控制标准为野外相对误差≤±10％(重量含水量)；同时进行人工法和仪器法(用两个公式分别计算土壤含水量)的对比观测，成果见表1：

表1同一仪器不同拟合公式与人工法对比观测数据统计表(重量含水量/％)

(2)仪器参数调整前和调整后的监测数据比较

选择1台拟合好幂函数公式的仪器安装到监测地块(选择比较干旱的土壤)，稳定后开始进行对比观测。调整参数前进行一次对比观测，记录监测成果。然后调整仪器参数c，当仪器的监测数据满足精度要求(采用上述标准做控制)后，保持仪器参数不变，继续进行对比观测，并在每次取完土样后即定量向仪器周边浇水，以改变土壤的含水量(检验保持仪器参数不变、不同土壤含水量条件时的仪器的监测精度是否还满足精度要求)，待土壤水分扩散均匀后再进行人工取样，直至土壤含水量达到适墒或饱和为止。对比观测成果见表2、表3：

表2仪器参数调整前后的监测数据统计表(重量含水量/％)：

表3仪器参数调整前后的监测数据统计表(重量含水量/％)

(3)对已建自动墒情站进行抽检：

在已建的吉林省墒情自动监测系统中选择比较干旱的白城地区西关站作为抽检对象，进行不同含水量条件下的对比观测(仍采用上述标准做控制)，成果见表4：

表4本省自动墒情站对比观测数据统计表(重量含水量/％)

Claims (1)

1.一种提高墒情监测仪器监测精度方法，其特征在于：

1）仪器公式形式

仪器公式为幂函数，即y=ax^b+c

2）仪器参数调整方法

根据某一点的土壤含水量即可进行仪器参数调整，具体的参数调整方法：

将人工法监测数据和仪器法监测数据分别代入仪器公式y=ax^b+c后得到：

y=ax^b _人+c₁ （1）

y=ax^b _仪+c₂ （2）

式中：y---仪器介电参数；x_人---人工法土壤含水量；x_仪---仪器法土壤含水量；a---仪器公式参数（常数）；b---仪器公式参数（常数）；c₁---初始参数；c₂---实地参数；

将（1）式与（2）式相减，得到实地参数c₂：

c₂ =ax^b _人+c₁- ax^b _仪 （3）

其结果即为c₂实地参数，通过远程调参功能对仪器参数进行重新设置；

新参数c₂生效后，再进行一次人工取样，以检验参数调整的效果。