CN114397423A - 一种低成本的墒情精准监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本的墒情精准监测方法，包括：设置监测点和待估测量断面：对待监测区域进行划分，得到M个监测点；根据土壤特性，为每个监测点设置至少一个待估测量断面；土壤特性包括土壤自身特性和植被种植信息；利用时域法墒情传感器无需率定的特性，辅助快速安装频域站点以对墒情数据进行精准采集；墒情数据采集：结合每个第二墒情传感器的系统误差，对所属监测点实时采集的土壤含水量数据进行修正，将修正后的数据作为所属监测点的频域站点墒情数据。本发明能够快速设置墒情站点，在对墒情数据进行精准采集的基础上，大幅降低成本。

Description

一种低成本的墒情精准监测方法

技术领域

本发明涉及墒情监测技术领域，具体而言涉及一种低成本的墒情精准监测方法。

背景技术

土壤墒情监测系统能够实现对土壤墒情(土壤湿度)的长时间连续监测。用户可以根据监测需要，灵活布置土壤水分传感器；也可将传感器布置在不同的深度，测量剖面土壤水分情况。土壤墒情监测系统能够全面、科学、真实地反映被监测区的土壤变化，可及时、准确地提供各监测点的土壤墒情状况，为减灾抗旱提供了重要的基础信息。

目前通常采用时域法墒情传感器和频域法墒情传感器来采集墒情数据。其中，时域法墒情传感器无须率定，能够较快地投入应用，但成本较高，受限于成本，不能在每个地区所有墒情站点都安装时域法墒情传感器。而频域法成本虽然低，但是受限于自身传感器特性，需要率定，用户需要现场用环刀法取土比测，通过称重法利用烘箱获取数据，如果出现较大偏差还需要对探针重新安装，耗时耗力且采集数据精度不高。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种低成本的墒情精准监测方法，利用时域法墒情传感器无需率定的特性，辅助快速设置墒情站点以对墒情数据进行精准采集；在此基础上，在待监测区域广泛安装频域法墒情传感器，定期采用同一待监测区域的时域法墒情传感器对所有频域法墒情传感器进行快速率定，降低成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低成本的墒情精准监测方法，所述监测方法包括以下步骤：

一种低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

S1，设置监测点和待估测量断面：对待监测区域进行划分，得到M个监测点；根据土壤特性，为每个监测点设置至少一个待估测量断面；土壤特性包括土壤自身特性和植被种植信息；

S2，安装频域站点：

S21，采集原始墒情数据：针对监测点m，选择其中一个待估测量断面A_mi，采用基于时域法的第一墒情传感器得到该待估测量断面处的第一土壤含水量数据集合S_mi＝{s_mi，j}，再采用基于频域法的第二墒情传感器得到该待估测量断面处的第二土壤含水量数据集合P_mi＝{p_mi，j}；其中，s_mi，j是第j个插入层对应的第一墒情传感器探针测量到的土壤含水量数据，p_mi，j是第j个插入层对应的第二墒情传感器探针测量到的土壤含水量数据，j＝1，2，...，J，J是插入层总数；i＝1，2，...，n_m；n_m是监测点m的待估测量断面总数；m＝1，2，...，M；

S22，一次误差判断：计算得到第二土壤含水量数据集合P_mi中的每个土壤含水量数据与第一土壤含水量数据集合S_mi中的相应土壤含水量数据之间的误差绝对值，得到误差集合E_mi＝{ε_mi，j}＝{|p_mi，j-s_mi，j|}；对第一误差集合E_mi进行判断，如果ε_mi，j≤ε_max，转入步骤S25，否则，进入步骤S23；ε_max是同一插入层的第二墒情传感器测量数值与第一墒情传感器测量数值之间的最大允许误差；

S23，二次误差判断：以第一土壤含水量数据S_mi为真值，计算第二土壤含水量数据集合P_mi中的每个土壤含水量数据的偏差值δ_mi＝δ_mi，j＝{p_mi，j-s_mi，j}，得到偏差值之间的误差绝对值Δδ_mi＝Δδ_mi，j＝{|δ_mi，j-δ_mi，k|}，k＝1，2，...，J且k≠j；如果Δδ_mi，j均小于等于Δδ_max，转入步骤S25，否则，进入步骤S24；Δδ_max是第二墒情传感器各探针测量数值偏差值之间的最大允许误差；

S24，三次误差判断：针对Δδ_mi，_j大于Δδ_max的第j个插入层，采用第二墒情传感器多次采集土壤含水量数据，得到第三土壤含水量数据集合P_mi，j，r＝{p′_mi，j，r}，计算得到第j个插入层的自身误差绝对值Δξ_ai＝Δξ_mi，j＝{|p′_mi，j，r-p′_mi，j，v|}，v＝1，2，...，V且v≠r，V是总采集次数；如果Δξ_mi，j均小于Δξ_max，根据第三土壤含水量数据集合P_mi，j，r＝{p′_mi，j，r}，修正第j个插入层的自身误差，转入步骤S25，否则返回步骤S21，重新选择待估测量断面；Δξ_max为第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差；

S25，四次误差判断：采用基于频域法的第二墒情传感器重复采集该待估测量断面A_mi处的土壤含水量数据；判断每个插入层测量得到的多个土壤含水量数据p_mi，j，y之间的误差绝对值是否小于第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差Δξ_max，p_mi，j，y是第j个插入层第y次测量到的土壤含水量数据，y＝1，2，...，Y，Y是重复测量次数，如果是，转入步骤S26，否则返回步骤S21，重新选择待估测量断面；

S26，计算系统误差：计算第二墒情传感器与第一墒情传感器之间的系统误差

S27，定义频域站点：将待估测量断面A_mi作为监测点m的选址，位于其上的第二墒情传感器作为监测点m的频域站点，移除第一墒情传感器；

S28，重复步骤S21至步骤S27，直至安装完成所有监测点的频域站点；

S3，墒情数据采集：结合每个第二墒情传感器的系统误差

对所属监测点m实时采集的土壤含水量数据P_m进行修正，将修正后的数据

作为所属监测点m的频域站点墒情数据。

进一步地，所述监测方法包括以下步骤：

S4，在待监测区域设置时域站点，根据时域站点采集到的墒情数据变化趋势，以时域站点采集的墒情数据为真值，对待监测区域内的所有频域站点进行率定。

进一步地，步骤S4中，以时域站点采集的墒情数据为真值，对待监测区域内的所有频域站点进行率定的过程包括以下步骤：

S41，采用时域站点和频域站点同步采集待监测区域内的墒情数据，剔除降雨前1天和降雨后6天数据，得到时域站点墒情数据集S(T)和每个监测点的频域站点墒情数据P_m(T)，T是采集时段，T＝{t_k}，S(t_k)是第t_k天测量得到的所有土壤含水量数据的平均值；

S42，以时域站点墒情数据集S(T)为真值，以天为时间单位，分析得到待监测区域的墒情数据变化趋势；

S43，将待监测区域的墒情数据变化趋势与每个监测点的频域站点墒情数据P_m(T)的墒情数据变化趋势进行比对分析，根据比对分析结果对每个频域站点进行率定。

进一步地，步骤S21中，采用基于频域法的第二墒情传感器多次测量待估测量断面A_mi的土壤含水量，以插入层为基准，取平均值以得到该待估测量断面处的第二土壤含水量数据集合P_mi＝{p_mi，j}；

p_mi，j，x是第j个插入层第x次的土壤含水量测量值。

进一步地，所述同一插入层的第二墒情传感器测量数值与第一墒情传感器测量数值之间的最大允许误差ε_max的取值为5％；

所述第二墒情传感器各探针测量数值偏差值之间的最大允许误差Δδ_max的取值为1％；

所述第二墒情传感器的探针测量值的最大允许误差Δξ_max的取值为3％。

进一步地，步骤S2中，结合待估测量断面A_mi的施力范围和土壤松软度，采用限位板、助推器、定位板中的一个或者多个，将第一墒情传感器或者第二墒情传感器垂直插入待估测量断面A_mi；

所述限位板呈梳状，其上设置有J个第一通孔，第一通孔的位置与待安装的墒情传感器的探针位置相适配，第一通孔位于限位板中部的端部的横截面呈半圆型，孔径与探针直径相适配；限位板用于限制待安装的墒情传感器的探针的插入角度；

所述助推器包括倒T型结构块，以及设置在倒T型结构块内的穿线槽和支点安装孔；穿线槽设置在倒T型结构块中下部，其一端延伸至倒T型结构块的底面中部，另一端延伸至倒T型结构块中部侧壁；支点安装孔设置在倒T型结构块上部，为一斜孔，其延伸方向与地面呈一夹角；

所述定位板中部设置有J个第二通孔，第二通孔的位置、孔径分别与待安装的墒情传感器的探针位置、探针直径相适配，定位板底面上分布垂直焊接有至少两个钢钉。

进一步地，所述夹角呈60度。

进一步地，步骤S2中，第一墒情传感器和第二墒情传感器的安装过程包括以下步骤：

S201，对待估测量断面A_mi的土质松软度进行评估，如果土质松软度Q_mi满足：Q_mi≥Q_max，转入步骤S206；否则，转入步骤S202；Q_max是最大松软度阈值；

S202，对待估测量断面A_mi的施力范围进行分析，如果施力范围超出人体允许容纳范围，转入步骤S205，否则，转入步骤S203；

S203，对待估测量断面A_mi的土质松软度进行再评估，如果评估得到的土质松软度Q_mi满足条件：Q_mi＜Q_min，转入步骤S204；如果土质松软度Q_mi满足：Q_min≤Q_mi＜Q_max，转入步骤S205；Q_min是最小松软度阈值；

S204，将限位板平放在待估测量断面A_mi上，墒情传感器的探针卡进限位板的第一通孔内且探针侧壁抵接在第一通孔的半圆型端部处；将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；

在倒T型结构块两侧的台阶面上分别施加一垂直于待估测量断面A_mi的力，使墒情传感器的探针垂直插入待估测量断面A_mi并完全没入土中；结束流程；

S205，将限位板平放在待估测量断面A_mi上，墒情传感器的探针卡进限位板的第一通孔内且探针侧壁抵接在第一通孔的半圆型端部处；将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；

将杠杆插入支点安装孔，杠杆一端自支点安装孔穿出并斜插入地面；在杠杆另一端上施加一垂直于杠杆的力，利用杠杆原理将探针垂直插入待估测量断面A_mi；

其中，当探针后段难以插入时，取下杠杆，采用胶皮榔头敲击助推器顶部，使探针完全没入土中；结束流程；

S205，将定位板平放在待估测量断面A_mi上，采用胶皮榔头将其背面的钢钉敲入土中；利用手枪钻穿过第二通孔在待估测量断面A_mi上垂直钻出J个预制孔；将墒情传感器的探针以一一对应地插入预制孔，将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；采用胶皮榔头敲击助推器顶部，使探针完全没入土中；结束流程。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种低成本的墒情精准监测方法，利用时域法墒情传感器无需率定的特性，辅助快速设置墒情站点以对墒情数据进行精准采集；在此基础上，在待监测区域广泛安装频域法墒情传感器，定期采用同一待监测区域的时域法墒情传感器对所有频域法墒情传感器进行快速率定，降低成本。

附图说明

图1是本发明实施例的低成本的墒情精准监测方法流程图。

图2a是本发明实施例的助推器的剖面结构示意图。

图2b是本发明实施例的助推器的支点安装孔的侧剖面结构示意图。

图2c是本发明实施例的助推器的受力点位置示意图。

图3a是本发明实施例的定位板的侧视图。

图3b是本发明实施例的定位板的俯视图。

图4a是本发明实施例的限位板的俯视图。

图4b是本发明实施例的限位板的剖面图。

图5是本发明实施例的频域站点安装过程流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一、墒情监测

图1是本发明实施例的低成本的墒情精准监测方法流程图。参见图1，该监测方法包括以下步骤：

S1，设置监测点和待估测量断面。

对待监测区域进行划分，得到M个监测点；根据土壤特性，为每个监测点设置至少一个待估测量断面；土壤特性包括土壤自身特性和植被种植信息。

优选的，待监测区域的墒情数据变化趋势是一致的，因此可以根据墒情数据影响因子划分得到；例如，区域A和区域B相邻，墒情数据只受日照和降雨影响且两者的日照参数和降雨参数相似，则可以将区域A和区域B合并作为同一个待监测区域。监测点可以根据区域内的土壤特性分布设置，再为每个监测点设置至少一个待估测量断面。

S2，安装频域站点

本实施例是利用时域法墒情传感器无需率定的特性，在无需采土率定的基础上，辅助快速设置墒情站点以对墒情数据进行精准采集，包括两个方面的内容：第一，选择合适的待估测量断面作为采样点；第二，对墒情传感器的频域法计算公式做系统化调整。

参见图5，步骤S2具体包括以下步骤：

S21，采集原始墒情数据：针对监测点m，选择其中一个待估测量断面A_mi，采用基于时域法的第一墒情传感器得到该待估测量断面处的第一土壤含水量数据集合S_mi＝{s_mi，j}，再采用基于频域法的第二墒情传感器得到该待估测量断面处的第二土壤含水量数据集合P_mi＝{p_mi，j}；其中，s_mi，j是第j个插入层对应的第一墒情传感器探针测量到的土壤含水量数据，p_mi，j是第j个插入层对应的第二墒情传感器探针测量到的土壤含水量数据，j＝1，2，...，J，J是插入层总数；i＝1，2，...，n_m；n_m是监测点m的待估测量断面总数；m＝1，2，...，M。示例性地，采用基于频域法的第二墒情传感器多次测量待估测量断面A_mi的土壤含水量，以插入层为基准，取平均值以得到该待估测量断面处的第二土壤含水量数据集合P_mi＝{p_mi，j}；

p_mi，j，x是第j个插入层第x次的土壤含水量测量值。

S22，一次误差判断：计算得到第二土壤含水量数据集合P_mi中的每个土壤含水量数据与第一土壤含水量数据集合S_mi中的相应土壤含水量数据之间的误差绝对值，得到误差集合E_mi＝{ε_mi，j}＝{|p_mi，j-s_mi，j|}；对第一误差集合E_mi进行判断，如果ε_mi，j≤ε_max，转入步骤S26，否则，进入步骤S23；ε_max是同一插入层的第二墒情传感器测量数值与第一墒情传感器测量数值之间的最大允许误差。

示例性地，同一插入层的第二墒情传感器测量数值与第一墒情传感器测量数值之间的最大允许误差ε_max的取值为5％。当第二土壤含水量数据集合P_mi中的任意一个土壤含水量数据与第一土壤含水量数据集合S_mi中相应的土壤含水量数据之间的误差绝对值小于5％，则认为在当前待估测量断面A_mi处，第一墒情传感器和第二墒情传感器存在可容许的系统误差，待估测量断面A_mi适宜作为采样点，只需要对第二墒情传感器的墒情计算公式做修正即可。假设插入层分别为10cm、20cm和40cm，针对这三层插入层，基于时域法的第一墒情传感器的测量值分别为10％、20％和30％；如果基于墒情法的第二墒情传感器的采样数值分别为15％、25％和35％，虽然两者之间存在误差，但由于该误差未超出5％，判断待估测量断面A_mi适宜作为采样点且第二墒情传感器安装合格，此时可以认为第一墒情传感器和第二墒情传感器之间的取值误差由第二墒情传感器的整体系统误差导致，只需要根据第一墒情传感器和第二墒情传感器之间的误差，通过修正第二墒情传感器的墒情计算公式对第二墒情传感器的测量数值做修正，以消除该误差即可。优选的，还可以计算第一墒情传感器采样数值和第二墒情传感器采样数值的相对误差，以获取更加精准的判断标准。在本实施例中，选取绝对误差还是相对误差，以及三个最大允许误差的具体取值，是根据实际情况决定，受待监测区域的墒情状态以及测量标准而定。为了便于描述，本实施例仍然以绝对误差为准对技术方案的优选例做进一步地阐述。

而如果针对某一插入层，第一墒情传感器和第二墒情传感器之间的测量值误差超出5％，则需进入二次误差判断。

S23，二次误差判断：以第一土壤含水量数据S_mi为真值，计算第二土壤含水量数据集合P_mi中的每个土壤含水量数据的偏差值δ_mi＝δ_mi，j＝{p_mi，j-s_mi，j}，得到偏差值之间的误差绝对值Δδ_mi＝Δδ_mi，j＝{|δ_mi，j-δ_mi，k|}，k＝1，2，...，J且k≠j；如果Δδ_mi，j均小于等于Δδ_max，转入步骤S26，否则，进入步骤S25；Δδ_max是第二墒情传感器各探针测量数值偏差值之间的最大允许误差。

仍以上述测量值为例，假设第二墒情传感器的测量值分别为16％、26％和36％，虽然第二墒情传感器与第一墒情传感器之间的误差为6％，但误差近乎一致，此时可以认为第一墒情传感器和第二墒情传感器之间的取值误差仍由第二墒情传感器的整体系统误差导致，对第二墒情传感器的测量数值做修正即可。优选的，可以多次采集第二墒情传感器的测量值，判断其测量值稳定性，对于第二墒情传感器的整体系统误差导致的取值误差，通常会持续出现一致性较强的误差，例如几组数值分别为A：14％、24％和34％，B：16％、26％和36％，C：15.3％、25.3％和35.6％等等，即使C组数据略有偏差，只要偏差在允许范围内，仍然视为一致。

而当偏差过大时，例如，超出了第二墒情传感器各探针测量数值偏差值之间的最大允许误差Δδ_max(假设为1％)，第二墒情传感器的三个取值分别为16％、26％和37％。此时需要执行三次误差判断。

S24，三次误差判断：针对Δδ_mi，j大于Δδ_max的第j个插入层，采用第二墒情传感器多次采集土壤含水量数据，得到第三土壤含水量数据集合P_mi，j，r＝{p′_mi，j，r}，计算得到第j个插入层的自身误差绝对值Δξ_mi＝Δξ_mi，j＝{|p′_mi，j，r-p′_mi，j，v|}，v＝1，2，...，V且v≠r，V是总采集次数；如果Δξ_mi，j均小于Δξ_max，转入步骤S25，否则返回步骤S21，重新选择待估测量断面；Δξ_max为第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差。

三次误差判断的目的在于判断异常取值的探针所在插入层的自身误差是否超出最大误差上限。对于异常插入层，采用第二墒情传感器多次采集土壤含水量。假设第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差Δξ_max被设置为3％，40cm插入层的第二墒情传感器探针的测量数值分别为37％、37.4％、35.5％，该探针测量数值之间的误差小于3％，在这种情况下，10cm和20cm处的探针误差是由第二墒情传感器的整体误差带来，而40cm处的探针误差除了第二墒情传感器的整体误差，还包括当前插入层的土壤含水量误差，对于第二墒情传感器的整体误差，可以通过修正第二墒情传感器的墒情计算公式以消除，而对于当前插入层的土壤含水量误差，在满足同插入层的最大误差阈值要求(3％)，可以根据第三土壤含水量数据集合P_mi，j，r＝{p′_mi，j，r}进行单独修正，使之符合安装规范，以减少安装工作量。反之，如果40cm插入层的第二墒情传感器探针的测量数值中还包含39％甚至更大的数值，说明当前插入层的土壤含水量误差过大，当前待估测量断面A_mi并不符合安装标准，需要重新选择安装位置。

在本实施例中，第二墒情传感器在同一插入层的采样数值应当是稳定的，例如，在同一采样周期内的任意两次测量值的差值应当小于相应的最大误差阈值(如3％)，如果超出3％，即使与真值之间的误差绝对值小于5％，也无法判定其安装合格。因此，即使前述误差判断结果均合格(例如第一墒情传感器与第二墒情传感器之间的误差小于5％等)，仍然需要重复多次采集数据来判断第二墒情传感器的稳定性。

S25，四次误差判断：采用基于频域法的第二墒情传感器重复采集该待估测量断面A_mi处的土壤含水量数据；判断每个插入层测量得到的多个土壤含水量数据p_mi，j，y之间的误差绝对值是否小于第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差Δξ_max，p_mi，j，y是第j个插入层第y次测量到的土壤含水量数据，y＝1，2，...，Y，Y是重复测量次数，如果是，转入步骤S26，否则返回步骤S21，重新选择待估测量断面。

示例性地，可以分阶段多次采集，以增加第二墒情传感器精准性验证过程的鲁棒性。

S26，计算系统误差：计算第二墒情传感器与第一墒情传感器之间的系统误差

S27，定义频域站点：将待估测量断面A_mi作为监测点m的选址，位于其上的第二墒情传感器作为监测点m的频域站点，移除第一墒情传感器。

S28，重复步骤S21至步骤S26，直至安装完成所有监测点的频域站点。

S3，墒情数据采集：结合每个第二墒情传感器的系统误差

对所属监测点m实时采集的土壤含水量数据P_m进行修正，将修正后的数据

作为所属监测点m的频域站点墒情数据。

二、墒情站率定

本实施例只需要在同一待监测区域设置一个时域站就可以实现对该区域范围内所有频域站的率定。具体的，根据时域站点采集到的墒情数据变化趋势，以时域站点采集的墒情数据为真值，对待监测区域内的所有频域站点进行率定。

示例性地，以时域站点采集的墒情数据为真值，对待监测区域内的所有频域站点进行率定的过程包括以下步骤：

采用时域站点和频域站点同步采集待监测区域内的墒情数据，剔除降雨前1天和降雨后6天数据，得到时域站点墒情数据集S(T)和每个监测点的频域站点墒情数据P_m(T)，T是采集时段，T＝{t_k}，S(t_k)是第t_k天测量得到的所有土壤含水量数据的平均值。降雨前1天和降雨后6天数据受降雨分布的影响，数据会出现较大的偏差，为了确保率定的精准性，可以舍弃该部分数据。而非降雨期间，墒情数据可以认为是长期稳定数据。因此，以时域站点墒情数据集S(T)为真值，以天为时间单位，分析得到待监测区域的墒情数据变化趋势。再将待监测区域的墒情数据变化趋势与每个监测点的频域站点墒情数据P_m(T)的墒情数据变化趋势进行比对分析，根据比对分析结果对每个频域站点进行率定。

至于时域站点的率定，可以以年为周期，通过烘干法进行取土标定。优选的，时域站点的选定能够充分代表所属待监测区域的土壤情况和植被种植情况。

三、墒情传感器安装

由于本实施例的频域站点在安装时需要多次插拔，因此，本实施例提出了一种安装优选例。具体的，步骤S2中，结合待估测量断面A_mi的施力范围和土壤松软度，采用限位板、助推器、定位板中的一个或者多个，将第一墒情传感器或者第二墒情传感器垂直插入待估测量断面A_mi。

为了实现墒情传感器的快速精准插拔，本实施例提出了三种辅助安装工具：限位板、助推器和定位板。

参见图4a和图4b，限位板呈梳状，其上设置有J个第一通孔，第一通孔的位置与待安装的墒情传感器的探针位置相适配，第一通孔位于限位板中部的端部的横截面呈半圆型，孔径与探针直径相适配；限位板用于限制待安装的墒情传感器的探针的插入角度。限位板主要防止探针在安装过程中分叉，分叉会导致测量的数值偏差，并可能会损坏探针。

参见图2a、图2b和图2c，助推器包括倒T型结构块，以及设置在倒T型结构块内的穿线槽和支点安装孔；穿线槽设置在倒T型结构块中下部，其一端延伸至倒T型结构块的底面中部，另一端延伸至倒T型结构块中部侧壁；支点安装孔设置在倒T型结构块上部，为一斜孔，其延伸方向与地面呈一夹角。如图2b所示，支点安装孔的斜度为120度，穿过支点安装孔的杠杆与地面的夹角呈60度；在实际应用中，还可以根据基坑实际情况，设置成其他角度。图2a中，Φ22mm的孔与宽度为16mm的直槽构成了穿线槽，主要用于探针线穿出，防止在利用助推器安装探针时挤压探针的连接线。

参见图3a和图3b，定位板中部设置有J个第二通孔，第二通孔的位置、孔径分别与待安装的墒情传感器的探针位置、探针直径相适配，定位板底面上分布垂直焊接有至少两个钢钉。钢钉顶部磨尖，方便敲击插入土中。以三根探针为例，假设探针直径为φ4mm，间距为25mm，则定位板上可以设置3个φ3mm的第二通孔，第二通孔间距与探针间距为25mm。

在前述辅助安装工具的基础上，步骤S2中，第一墒情传感器和第二墒情传感器的安装过程包括以下步骤：

S201，对待估测量断面A_mi的土质松软度进行评估，如果土质松软度Q_mi满足：Q_mi≥Q_max，转入步骤S206；否则，转入步骤S202；Q_max是最大松软度阈值。

S202，对待估测量断面A_mi的施力范围进行分析，如果施力范围超出人体允许容纳范围，转入步骤S205，否则，转入步骤S203。

S203，对待估测量断面A_mi的土质松软度进行再评估，如果评估得到的土质松软度Q_mi满足条件：Q_mi＜Q_min，转入步骤S204；如果土质松软度Q_mi满足：Q_min≤Q_mi＜Q_max，转入步骤S205；Q_min是最小松软度阈值。

S204，将限位板平放在待估测量断面A_mi上，墒情传感器的探针卡进限位板的第一通孔内且探针侧壁抵接在第一通孔的半圆型端部处；将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出。

在倒T型结构块两侧的台阶面上分别施加一垂直于待估测量断面A_mi的力，使墒情传感器的探针垂直插入待估测量断面A_mi并完全没入土中；结束流程。

S205，将限位板平放在待估测量断面A_mi上，墒情传感器的探针卡进限位板的第一通孔内且探针侧壁抵接在第一通孔的半圆型端部处；将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出。

将杠杆插入支点安装孔，杠杆一端自支点安装孔穿出并斜插入地面；在杠杆另一端上施加一垂直于杠杆的力，利用杠杆原理将探针垂直插入待估测量断面A_mi。

其中，当探针后段难以插入时，取下杠杆，采用胶皮榔头敲击助推器顶部，使探针完全没入土中；结束流程。图2c中的位置1是胶皮榔头的敲击受力点，位置2是手推受力点。

S205，将定位板平放在待估测量断面A_mi上，采用胶皮榔头将其背面的钢钉敲入土中；利用手枪钻穿过第二通孔在待估测量断面A_mi上垂直钻出J个预制孔；将墒情传感器的探针以一一对应地插入预制孔，将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；采用胶皮榔头敲击助推器顶部，使探针完全没入土中；结束流程。

本实施例的安装分三种方式：

(1)直接安装(针对松土)

如果土质较松，可用直接式进行安装，用手托住助推器两侧突出部分，将传感器直接垂直插入土内，插入式应在探针前装入限位块，防止探针分叉。

(2)支点式安装(针对常规土和难以施力的位置)

先利用支点式进行安装，直至探针难以继续插入泥土中时，取下钢钎/棍棒，利用胶皮榔头，敲击助推器尾部，直至探针针尖完全没入土中。

示例性地，中部或底部探针由于基坑位置较低，即使土质较松也难以直接施加推力时，也可以采用支点式安装，将钢钎/棍状物插入助推器斜孔部分，钢钎/棍状物一端插入泥土中形成支点，如箭头所示方式用力，利用杠杆原理，将探针插入泥土中。

(3)预制孔安装(针对紧土)

先将定位板利用胶皮榔头敲入泥土中，利用装有定制钻头(φ2.5mm，长度略短于探针长度)手枪钻穿过定位板上的孔眼(φ3)在泥土上打孔，在利用胶皮榔头，敲击助推器底部，直至探针针尖完全没入土中。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

S1，设置监测点和待估测量断面：对待监测区域进行划分，得到M个监测点；根据土壤特性，为每个监测点设置至少一个待估测量断面；土壤特性包括土壤自身特性和植被种植信息；

S2，安装频域站点：

S21，采集原始墒情数据：针对监测点m，选择其中一个待估测量断面A_mi，采用基于时域法的第一墒情传感器得到该待估测量断面处的第一土壤含水量数据集合S_mi＝{s_mi，j}，再采用基于频域法的第二墒情传感器得到该待估测量断面处的第二土壤含水量数据集合P_mi＝{p_mi，j}；其中，s_mi，j是第j个插入层对应的第一墒情传感器探针测量到的土壤含水量数据，p_mi，j是第j个插入层对应的第二墒情传感器探针测量到的土壤含水量数据，j＝1，2，...，J，J是插入层总数；i＝1，2，...，n_m；n_m是监测点m的待估测量断面总数；m＝1，2，...，M；

S22，一次误差判断：计算得到第二土壤含水量数据集合P_mi中的每个土壤含水量数据与第一土壤含水量数据集合S_mi中的相应土壤含水量数据之间的误差绝对值，得到误差集合E_mi＝{ε_mi，j}＝{|p_mi，j-s_mi，j|}；对第一误差集合E_mi进行判断，如果ε_mi，j≤ε_max，转入步骤S25，否则，进入步骤S23；ε_max是同一插入层的第二墒情传感器测量数值与第一墒情传感器测量数值之间的最大允许误差；

S23，二次误差判断：以第一土壤含水量数据S_mi为真值，计算第二土壤含水量数据集合P_mi中的每个土壤含水量数据的偏差值δ_mi＝δ_mi，j＝{p_mi，j-s_mi，j}，得到偏差值之间的误差绝对值Δδ_mi＝Δδ_mi，j＝{|δ_mi，j-δ_mi，k|}，k＝1，2，...，J且k≠j；如果Δδ_mi，j均小于等于Δδ_max，转入步骤S25，否则，进入步骤S24；Δδ_max是第二墒情传感器各探针测量数值偏差值之间的最大允许误差；

S24，三次误差判断：针对Δδ_mi，j大于Δδ_max的第j个插入层，采用第二墒情传感器多次采集土壤含水量数据，得到第三土壤含水量数据集合P_mi，j，r＝{p′_mi，j，r}，计算得到第j个插入层的自身误差绝对值Δξ_mi＝Δξ_mi，j＝{|p′_mi，j，r-p′_mi，j，v|}，v＝1，2，...，V且v≠r，V是总采集次数；如果Δξ_mi，j均小于Δξ_max，根据第三土壤含水量数据集合P_mi，j，r＝{p′_mi，j，r}，修正第j个插入层的自身误差，转入步骤S25，否则返回步骤S21，重新选择待估测量断面；Δξ_max为第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差；

S25，四次误差判断：采用基于频域法的第二墒情传感器重复采集该待估测量断面A_mi处的土壤含水量数据；判断每个插入层测量得到的多个土壤含水量数据p_mi，j，y之间的误差绝对值是否小于第二墒情传感器的同层测量值的最大允许误差Δξ_max，p_mi，j，y是第j个插入层第y次测量到的土壤含水量数据，y＝1，2，...，Y，Y是重复测量次数，如果是，转入步骤S26，否则返回步骤S21，重新选择待估测量断面；

S26，计算系统误差：计算第二墒情传感器与第一墒情传感器之间的系统误差

S27，定义频域站点：将待估测量断面A_mi作为监测点m的选址，位于其上的第二墒情传感器作为监测点m的频域站点，移除第一墒情传感器；

S28，重复步骤S21至步骤S27，直至安装完成所有监测点的频域站点；

S3，墒情数据采集：结合每个第二墒情传感器的系统误差

对所属监测点m实时采集的土壤含水量数据P_m进行修正，将修正后的数据

作为所属监测点m的频域站点墒情数据。

2.根据权利要求1所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

S4，在待监测区域设置时域站点，根据时域站点采集到的墒情数据变化趋势，以时域站点采集的墒情数据为真值，对待监测区域内的所有频域站点进行率定。

3.根据权利要求2所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，步骤S4中，以时域站点采集的墒情数据为真值，对待监测区域内的所有频域站点进行率定的过程包括以下步骤：

S41，采用时域站点和频域站点同步采集待监测区域内的墒情数据，剔除降雨前1天和降雨后6天数据，得到时域站点墒情数据集S(T)和每个监测点的频域站点墒情数据P_m(T)，T是采集时段，T＝{t_k}，S(t_k)是第t_k天测量得到的所有土壤含水量数据的平均值；

S42，以时域站点墒情数据集S(T)为真值，以天为时间单位，分析得到待监测区域的墒情数据变化趋势；

S43，将待监测区域的墒情数据变化趋势与每个监测点的频域站点墒情数据P_m(T)的墒情数据变化趋势进行比对分析，根据比对分析结果对每个频域站点进行率定。

4.根据权利要求1所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，步骤S21中，采用基于频域法的第二墒情传感器多次测量待估测量断面A_mi的土壤含水量，以插入层为基准，取平均值以得到该待估测量断面处的第二土壤含水量数据集合P_mi＝{p_mi，j}；

p_mi，j，x是第j个插入层第x次的土壤含水量测量值。

5.根据权利要求1所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，所述同一插入层的第二墒情传感器测量数值与第一墒情传感器测量数值之间的最大允许误差ε_max的取值为5％；

所述第二墒情传感器各探针测量数值偏差值之间的最大允许误差Δδ_max的取值为1％；

所述第二墒情传感器的探针测量值的最大允许误差Δξ_max的取值为3％。

6.根据权利要求1-5任一项中所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，步骤S2中，结合待估测量断面A_mi的施力范围和土壤松软度，采用限位板、助推器、定位板中的一个或者多个，将第一墒情传感器或者第二墒情传感器垂直插入待估测量断面A_mi；

所述限位板呈梳状，其上设置有J个第一通孔，第一通孔的位置与待安装的墒情传感器的探针位置相适配，第一通孔位于限位板中部的端部的横截面呈半圆型，孔径与探针直径相适配；限位板用于限制待安装的墒情传感器的探针的插入角度；

所述助推器包括倒T型结构块，以及设置在倒T型结构块内的穿线槽和支点安装孔；穿线槽设置在倒T型结构块中下部，其一端延伸至倒T型结构块的底面中部，另一端延伸至倒T型结构块中部侧壁；支点安装孔设置在倒T型结构块上部，为一斜孔，其延伸方向与地面呈一夹角；

所述定位板中部设置有J个第二通孔，第二通孔的位置、孔径分别与待安装的墒情传感器的探针位置、探针直径相适配，定位板底面上分布垂直焊接有至少两个钢钉。

7.根据权利要求6所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，所述夹角呈60度。

8.根据权利要求6所述的低成本的墒情精准监测方法，其特征在于，步骤S2中，第一墒情传感器和第二墒情传感器的安装过程包括以下步骤：

S201，对待估测量断面A_mi的土质松软度进行评估，如果土质松软度Q_mi满足：Q_mi≥Q_max，转入步骤S206；否则，转入步骤S202；Q_max是最大松软度阈值；

S202，对待估测量断面A_mi的施力范围进行分析，如果施力范围超出人体允许容纳范围，转入步骤S205，否则，转入步骤S203；

S203，对待估测量断面A_mi的土质松软度进行再评估，如果评估得到的土质松软度Q_mi满足条件：Q_mi＜Q_min，转入步骤S204；如果土质松软度Q_mi满足：Q_min≤Q_mi＜Q_max，转入步骤S205；Q_min是最小松软度阈值；

S204，将限位板平放在待估测量断面A_mi上，墒情传感器的探针卡进限位板的第一通孔内且探针侧壁抵接在第一通孔的半圆型端部处；将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；

在倒T型结构块两侧的台阶面上分别施加一垂直于待估测量断面A_mi的力，使墒情传感器的探针垂直插入待估测量断面A_mi并完全没入土中；结束流程；

S205，将限位板平放在待估测量断面A_mi上，墒情传感器的探针卡进限位板的第一通孔内且探针侧壁抵接在第一通孔的半圆型端部处；将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；

将杠杆插入支点安装孔，杠杆一端自支点安装孔穿出并斜插入地面；在杠杆另一端上施加一垂直于杠杆的力，利用杠杆原理将探针垂直插入待估测量断面A_mi；

其中，当探针后段难以插入时，取下杠杆，采用胶皮榔头敲击助推器顶部，使探针完全没入土中；结束流程；

S205，将定位板平放在待估测量断面A_mi上，采用胶皮榔头将其背面的钢钉敲入土中；利用手枪钻穿过第二通孔在待估测量断面A_mi上垂直钻出J个预制孔；将墒情传感器的探针以一一对应地插入预制孔，将助推器放置在探针顶部，倒T型结构块底面与探针顶面相接，探针连接线自穿线槽从助推器内部引出；采用胶皮榔头敲击助推器顶部，使探针完全没入土中；结束流程。

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