CN115586253A - 一种快速测定土壤含水量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测定土壤含水量的方法，包括S1、选取多种目标土壤；S2、采用环刀提取目标土壤，并对目标土壤进行烘干，将烘干后的目标土壤放入声纹测定装置中进行土壤水分入渗试验，以得到不同类型目标土壤入渗过程的声纹特征；S3、将目标土壤入渗过程划分为渗润、渗吸和渗透三个阶段，并对应得到三个阶段土壤含水量的不同声音特征；S4、构建声纹曲线库，并将该声纹曲线库作为数据库模板；S5、采用峰值法和相关系数法分析原状土声纹曲线与数据库模板中的回填土声纹曲线的相识度，以得到原状土的含水量范围；S6、采用DTW方法分析回填土和原状土不同含水量阶段声纹曲线序列的最短距离，并建立原状土和含水量间的关系。

Description

一种快速测定土壤含水量的方法

技术领域

本发明属于土壤含水量的技术领域，具体涉及一种快速测定土壤含水量的方法。

背景技术

土壤含水量是土壤中所含水分的数量。一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。土壤含水率是农业生产中一重要参数，其主要方法有，张力计法，电阻法，中子法，γ射线法，时域反射仪法等，分析其优缺点。利用称重法测定土壤含水量，需要利用恒温箱进行烘干，要等待很长的时间才能获得结果，还需要干燥箱及电源，不适合野外作业。而利用张力计法的优点是能够比较准确地测量湿润土壤的基质势，能够定点连续观测，受土壤空间变异性的影响较小，设备低廉，适于灌溉和水分胁迫的监测。其缺点是读数反应慢，需要长时间平衡后才能读数。利用电阻法测定土壤含水量价格便宜，但是对土壤类型、盐分浓度和土壤温度敏感，测量范围随电阻块不同面而异。中子法测定数据准确性高，仪器价格适中，但测定的慢中子数有赖于标准曲线转换成含水量，标定过程会带来误差，有放射危害。γ射线法和时域反射仪法可实现对原位土壤进行连续自动监测，但价格昂贵，这些土壤水分监测的方法都各有优缺点。

土壤水数量的测定方法不唯一，现有的测定土壤含水量最常用的方法称重法测定。但其土壤参数测定过程繁琐，以及测定仪器携带的不便性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种快速测定土壤含水量的方法，以解决现有土壤参数测定过程繁琐，以及测定仪器携带不方便的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种快速测定土壤含水量的方法，其包括以下步骤：

S1、选取多种目标土壤，并分别确定目标土壤的结构特征指标；

S2、采用环刀提取目标土壤，并对目标土壤进行烘干，将烘干后的目标土壤放入声纹测定装置中进行土壤水分入渗试验，以得到不同类型目标土壤入渗过程的声纹特征；

S3、将目标土壤入渗过程划分为渗润、渗吸和渗透三个阶段，并对应得到三个阶段土壤含水量的不同声音特征；

S4、根据三个阶段的声纹特征和对应的三个阶段土壤含水量的不同声音特征，构建声纹曲线库，并将该声纹曲线库作为数据库模板；

S5、采用峰值法和相关系数法分析原状土声纹曲线与数据库模板中的回填土声纹曲线的相识度，以得到原状土的含水量范围；

S6、采用DTW方法分析回填土和原状土不同含水量阶段声纹曲线序列的最短距离，并建立原状土和含水量间的关系。

进一步地，步骤S1中目标土壤包括褐土、潮土和砂、亚砂土。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1、将环刀实验样品固定于土样槽内；

S2.2、开启滴灌装置，水滴从输液管出液口滴入环刀实验样品中的土壤内；

S2.3、声音采集装置实时采集水滴入渗过程的声音信息，并将该声音信息依次传送至便携式数据采集器和电脑中；

S2.4、电脑对接收的声音信息进行处理，采用1/3倍频程对所述声音信息进行滤波，得到频带中的最高频率f_u和最低频率f_l，并根据计算所得的最高频率f_u和最低频率f_l，计算得到1/3倍频程下的中心频率f_i；

S2.5、对中心频率f_i进行A计权滤波分析，拟合得到1/3倍频程A计权修正值曲线，并根据该曲线得到1/3倍频程的中心频率和A计权修正值之间的函数表达式；

S2.6、根据步骤S2.5中A计权滤波分析后得到的声压值，计算得到该声压值对应的声压级；

S2.7、基于所述声压值对应的声压级和声功率级，得到该声压值对应的声压级与声功率级之间的函数表达式。

进一步地，S2.4具体包括：

将1/3倍频程划分为27个频带，确定1/3倍频程的带宽b，并计算得到频带中的最高频率f_u和最低频率f_l：

f_u-f_l＝b

其中，n为倍频程；

计算1/3倍频程下的每个频带的中心频率f_i：

计算相邻频带下1/3倍频程和相邻频带下一倍频程的转换关系式：

f_i+1＝mf_i(i＝1，2，...，27)

f_j＝mf_3i-2(i＝1，2，...，9)

其中，f_i+1为1/3倍频程下的相邻频带的中心频率，f_j为倍频程下的中心频率，m为相邻频带问的固定系数值。

进一步地，步骤S2.5具体包括：

对中心频率f_i进行A计权滤波分析，拟合得到1/3倍频程A计权修正值曲线，计算得到该曲线的斜率k，并根据所述斜率k计算得到中心频率f_i的A计权下修正值：

A(f)＝klogf_i ^-α

其中，A(f)为A计权下声压值的修正值。

进一步地，步骤S4.3具体包括：

基于步骤S2.6中计算得到的A计权下声压值的修正值，计算该声压值对应的声压级：

L_pA＝20lg(A(f)/P₀)

其中，L_pA为A计权下的声压级；P₀为基准声压。

进一步地，步骤S2.7具体包括：

计算声压值对应的声功率级L_w：

其中，w为声功率，w₀为基准声功率；

根据声功率级L_w和A计权下的声压级L_pA，计算声压值对应的声压级与声功率级之间的函数表达式：

L_pA＝L_w+10lg S

其中，S为环刀实验样品中环刀的表面积；

基于A计权下的声压级L_pA，计算声压值对应的响度级：

L_N＝40+10log₂(L_pA/N)

其中，L_N为响度级，N为基准响度。

进一步地，步骤S5具体包括：

根据原状土和回填土两条曲线峰值大小，初步判断两条曲线波动趋势的相似性，将采集的声纹曲线绘入带有刻度的网格中，观察两条曲线的峰值大小及曲线总体的变化趋势；

在两条曲线对应位置分别选取30个特征点，记录下每个位置点横纵坐标值，计算曲线的均值，并计算两条曲线的相关系数r²：

其中，X_m为回填土曲线值，即参考模板曲线值；Y_m为原状土曲线值，即测试曲线值；

为回填土曲线平均值；

为原状土曲线平均值。

进一步地，步骤S5具体包括：

采用DTW算法计算原状土和回填土两条曲线的最短距离D(i，j)：

其中，T_j为测试模板，即原状土曲线序列；R_i为参考模板，即回填土曲线序列；j为测试时间序列中的时序标号，j＝1为起点序列，j＝J为终点序列；i为模板时间序列中的时序标号，i＝1为起点序列，i＝I为终点序列；D[i-1，0]为矩阵阵列最左侧的第一列数值的计算，参考模板为自变量的计算，测试模板为0；D[i-1，j]为最短距离(i,j)相邻的左侧数值；D[i，j-1]为最短距离(i,j)相邻的下方数值；D[i-1，j-1]为最短距离(i,j)相邻的下方对角线数值；D[0，j-1]为矩阵阵列最下面一行数值的计算，参考模板为0，测试模板为自变量的计算。

本发明提供的快速测定土壤含水量的方法，具有以下有益效果：

本发明采用非接触式测量，利用声音序列与土壤参数之间某种特定的关系，通过声信号定性的判断土壤类型及土壤含水量大致的参数，实现土壤含水量测定的无扰动性、可达性、普及性、便捷性。

本发明控制不同含水量下回填土试验样品，经声音采集形成声纹曲线，将采集不同样品的曲线建立声纹库，作为原状土试验的参考模板；本发明根据峰值、相关系数及DTW(动态时间归整)，从起点对比寻找与数据库曲线最相似的频带，根据功率的动态变化，得到不同阶段回填土声纹曲线与含水量的对应关系，分析原状土与回填土声纹曲线的相似性，最终建立原状土声纹曲线与含水量之间的关系，确定原状土的土壤含水量。

附图说明

图1为本发明测定土壤入渗过程声纹特征装置的结构示意图。

图2为本发明1/3倍频程A计权修正值曲线图。

图3为本发明滤波前后声压对比图。

图4为本发明土壤含水量前期的声音特征图。

图5为本发明土壤含水量中期的声音特征图。

图6为本发明土壤含水量后期的声音特征图。

图7为本发明原状土与回填土的土壤含水量前、中、后三期相似频段的频率-功率-时间对比图。

图8为本发明参考模板与测试模板的某一相似频段经动态时间归整后的曲线图。

图9为本发明参考模板与测试模板构造的矩阵阵列计算图。

其中，1、测量台；2、滴灌装置；3、筒体；4、方形盒子；5、声音采集装置；6、土样槽；7、环刀实验样品；8、便携式数据采集器；9、电脑。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1，本方案的快速测定土壤含水量的方法，其具体包括以下步骤：

步骤S1、选取多种目标土壤，并分别确定目标土壤的结构特征指标；

本步骤中的目标土壤包括但不局限于褐土、潮土和砂、亚砂土。

步骤S2、采用环刀取目标土壤，并对目标土壤进行烘干，将烘干后的目标土壤放入声纹测定装置中进行土壤水分入渗试验，以得到不同类型目标土壤入渗过程的声纹特征；

本步骤具体包括：

步骤S2.1、将环刀实验样品固定于土样槽内；

步骤S2.2、开启滴灌装置，水滴从输液管出液口滴入环刀实验样品中的土壤内；

步骤S2.3、声音采集装置实时采集水滴入渗过程的声音信息，并将该声音信息依次传送至便携式数据采集器和电脑中；

步骤S2.4、电脑对接收的声音信息进行处理，采用1/3倍频程对所述声音信息进行滤波，得到频带中的最高频率f_u和最低频率f_l，并根据计算所得的最高频率f_u和最低频率f_l，计算得到1/3倍频程下的中心频率f_i，具体为：

将1/3倍频程划分为27个频带，确定1/3倍频程的带宽b，并计算得到频带中的最高频率f_u和最低频率f_l：

f_u-f_l＝b

其中，n为倍频程；

计算1/3倍频程下的每个频带的中心频率f_i：

计算相邻频带下1/3倍频程和相邻频带下一倍频程的转换关系式：

f_i+1＝mf_i(i＝1，2，...，27)

f_j＝mf_3i-2(i＝1，2，...，9)

其中，f_i+1为1/3倍频程下的相邻频带的中心频率，f_j为倍频程下的中心频率，m为相邻频带间的固定系数值，本步骤可实现一倍频程和1/3倍频程中心频率的相互转换，具有较强的灵活性；

步骤S2.5、对中心频率f_i进行A计权滤波分析，拟合得到1/3倍频程A计权修正值曲线，并根据该曲线得到1/3倍频程的中心频率和A计权修正值之间的函数表达式，具体为：

对中心频率f_i进行A计权滤波分析，拟合得到1/3倍频程A计权修正值曲线，计算得到该曲线的斜率k，并根据斜率k计算得到中心频率f_i的A计权下修正值：

A(f)＝klogf_i ^-α

其中，A(f)为A计权下声压值的修正值；

如表1所示：

表1中心频率

将表1的数据进行拟合，即图2所示的1/3倍频程A计权修正值曲线，由该曲线可得k为斜率，取值为-151.0043；

步骤S2.6、根据步骤S2.5中A计权滤波分析后得到的声压值，计算得到该声压值对应的声压级，具体为：

基于步骤S2.6中计算得到的A计权下声压值的修正值，计算该声压值对应的声压级：

L_pA＝20lg(A(f)/P₀)

其中，L_pA为A计权下的声压级；P₀为基准声压，取值为0.00002；

参考图3，将A计权下的声压值为33dB和32.63dB带入计算，可求得对应的声压级L_pA为8.9×10^-4dB和8.5×10^-4dB；

步骤S2.7、基于所述声压值对应的声压级和声功率级，得到该声压值对应的声压级与声功率级之间的函数表达式，其具体为：

计算声压值对应的声功率级L_w：

其中，w为声功率，w₀为基准声功率；

根据声功率级L_w和A计权下的声压级L_pA，计算声压值对应的声压级与声功率级之间的函数表达式：

L_pA＝L_w+10lgS

其中，S为环刀实验样品中环刀的表面积；

基于A计权下的声压级L_pA，计算声压值对应的响度级：

L_N＝40+10log₂(L_pA/N)

其中，L_N为响度级，N为基准响度；

本实施例声压级值为33dB，代入公式

求得响度级为37.3方。

声压级值为32.63dB，代入公式

求得响度级为37方。

由此可知，声压值越大，所对应的响度级值越大。

本发明通过测定声音的声压级值和响度值两个指标的结合来判断土壤的各类参数，通过测定回填土的各种声音特性，可以建立声纹曲线库，之后测定原状土的各种声音曲线，通过声压级值和响度值进行判断。

步骤S3、将目标土壤入渗过程划分为渗润、渗吸和渗透三个阶段，并对应得到三个阶段土壤含水量的不同声音特征；

由于土壤的含水量影响土壤体积压缩比，从而影响土壤水分的入渗速率。烘干状态下，将土壤含水量分为三个阶段，渗润阶段(初始干燥，大孔隙状态)-渗吸阶段(毛管力作用)-渗透阶段(重力作用)，每一阶段对应水分入渗的时间会有差异。干燥状态下，土壤表层会产生裂隙，因而对于大孔隙在低含水量时，与第二阶段的间隔时间较长，随着土体湿润，含水量增加，在毛管力作用下，土壤渗透性好，水分入渗时间段，直至最后在重力水的作用下，渗透性减弱。

步骤S4、根据三个阶段的声纹特征和对应的三个阶段土壤含水量的不同声音特征，构建声纹曲线库，并将该声纹曲线库作为数据库模板；

步骤S5、采用峰值法和相关系数法分析原状土声纹曲线与数据库模板中的回填土声纹曲线的相识度，以得到原状土的含水量范围，其具体包括：

峰值法，根据原状土和回填土两条曲线峰值大小，初步判断两条曲线波动趋势的相似性，将采集的声纹曲线绘入带有刻度的网格中，观察两条曲线的峰值大小及曲线总体的变化趋势；

相关系数法，在两条曲线对应位置分别选取30个特征点，记录下每个位置点横纵坐标值，计算曲线的均值，并计算两条曲线的相关系数r²：

其中，X_m为回填土曲线值，即参考模板曲线值；Y_m为原状土曲线值，即测试曲线值；

为回填土曲线平均值；

为原状土曲线平均值。

计算所得的相关系数越接近于1或-1，相关度越强，相关系数越接近于0，相关度越弱，确定相关系数最强的一条曲线，将该曲线对应的含水率范围确定为原状土的含水量的范围。

步骤S6、采用DTW方法分析回填土和原状土不同含水量阶段声纹曲线序列的最短距离，并建立原状土和含水量间的关系，其具体包括：

采用DTW算法计算原状土和回填土两条曲线的最短距离D(i，j)：

其中，T_j为测试模板，即原状土曲线序列；R_i为参考模板，即回填土曲线序列；j为测试时间序列中的时序标号，j＝1为起点序列，j＝J为终点序列；i为模板时间序列中的时序标号，i＝1为起点序列，i＝I为终点序列；D[i-1，0]为矩阵阵列最左侧的第一列数值的计算，参考模板为自变量的计算，测试模板为0；D[i-1，j]为最短距离(i,j)相邻的左侧数值；D[i，j-1]为最短距离(i,j)相邻的下方数值；D[i-1，j-1]为最短距离(i,j)相邻的下方对角线数值；D[0，j-1]为矩阵阵列最下面一行数值的计算，参考模板为0，测试模板为自变量的计算。

实施例2，本实施例具体包括：

如表2所示，选取北京延庆区的褐土、通州区-潮土、顺义区-砂、亚砂土进行土壤入渗试验，确定不同土壤含水量与声音入渗过程中声压级、频率、响度之间的关系。

表2

本实施例对于北京延庆区的棕壤土，此次土壤参数如表3所示，控制回填土的不同含水量：

表3

选用容积为100cm³的环刀取土，利用烘干法105℃烘至24h，放入声纹测定装置，进行土壤水分入渗试验，通过麦克风收集得到不同含水量对应的声压级值和频率值；并利用声音分析装置，录入原始声音，建立声纹曲线库，作为数据库模板，具体步骤请参考实施例1中的步骤S2。

作为本实施例的优选，本实施例将土壤入渗分为渗润、渗吸和渗透三个阶段。由于土的含水量影响土壤体积压缩比，从而影响土壤水分的入渗速率。烘干状态下，将土壤含水量分为三个阶段，渗润阶段(初始干燥，大孔隙状态)-渗吸阶段(毛管力作用)-渗透阶段(重力作用)，每一阶段对应水分入渗的时间会有差异。干燥状态下，土壤表层会产生裂隙，因而对于大孔隙在低含水量时，与第二阶段的间隔时间较长，随着土体湿润，含水量增加，在毛管力作用下，土壤渗透性好，水分入渗时间段，直至最后在重力水的作用下，渗透性减弱。

根据分阶段判断土壤含水量的声音特征：

参考图4～图6，在水滴渗入前期，液体的快速渗入，挤压土壤孔隙中气体，当声压级为41.39-44.31dB时，相对应含水量变化范围在16％～20％；中期阶段，随着水分的继续入渗，形成了拉长阶段，声压级波动大概在17.38-40.32dB时，相对应含水量变化范围在20％～25％；后期水分向更深层入渗时，形成了稳定阶段，声音开始周期性振荡，声压级波动大概在1.94-20.90dB时，相对应含水量变化范围在25％～33％，确定了回填土声纹特征与体积含水量间对应关系，建立声纹数据库。

根据每个阶段频率不同，所对应的容重、功率级、声压级、响度级，如表4所示；

表4

判断原状土与回填土相似性。以回填土曲线作为数据库模板，测定原状土样品的声纹曲线，运用统计参数(峰值、相关系数)分析的方法，分析原状土的测定曲线，选择相关系数大，确定为与数据库最相似的曲线段，以该曲线对应的含水率范围确定原状土的含水量范围。(由峰值的大小初步判断曲线的相似程度；相关系数的绝对值来判断曲线相似性，绝对值越大，相似率越高，曲线拟合程度越好)，大致判断两条曲线波动趋势的相似区间范围。

参考图7、图8和图9，根据DTW(动态时间归整)原理，分析回填土(数据库模板)和原状土(实验)不同含水量阶段声纹曲线序列的最短距离，距离越短相似性越好，从而建立原状土和含水量间的关系。

原始曲线，时间不对齐的时候，无法有效计算两个时间序列的距离，特别是在峰值的时候，进行DTW计算后，一对一的单向对齐的区段是相似性最高的。

对于DTW计算过程：

构造一个I×J的矩阵，必须保证参考模板曲线R和测试曲线T从左起点(0，0)开始至(i，j)终点结束，读取两条曲线对应矩阵的位置，运用DTW进行最短距离计算。

填充距离矩阵为：

Dis(x,y)＝|x-y|；

D[i,0]＝dis(R_i，T₀)+D[i-1,0]；

D[5,0]＝dis(2，1)+D[4,0]＝|2-1|+20＝21；

D[i,j]＝dis(R_i，T_j)+min(D[i-1,j],D[i,j-1],D[i-1,j-1])；

D[3,3]＝dis(R₃，T₃)+min(D[3,2],D[2,3],D[2,2])＝|9-3|+min(11,5,5)＝11；

D[0,j]＝dis(R₀，T_j)+D[0,j-1]；

D[0,5]＝dis(1，9)+D[0,4]＝|1-9|+9＝17；

(2)从右上角开始，向左下找寻配准路径找到左下三点中，较小的作为下一节点。

(3)输出配准结果：

[(R₀，T₀)，(R₁，T₁)，(R₁，T₂)，(R₁，T₁)，(R₂，T₄)…(R₅，T₅)]；

其具体实现步骤为：

定义距离公式dis＝|x-y|；

输入R、T两个序列及距离公式；

计算两个序列长度N_R、N_T，得到累积距离矩阵，即(N_R)×(N_T)；

计算累积距离矩阵最左边一列，即(R(0)，0)、(R(1)，0)、…、(R(i)，0),D[i，0]＝dis(R_i，T₀)+D[i-1，0]；

计算累积距离矩阵最下面一列，即(0，T(0))、(0，T(1))、…、(0，T(j)),D[0，j]＝dis(R₀，T_j)+D[0，j-1]；

计算累积距离矩阵中间部分，即(R(0)，T(0))、(R(1)，T(1))、…、(R(i)，T(j)),D[i，j]＝dis(R_i，T_j)+min(D[i-1，j]，D[i，j-1]，D[i-1，j-1])；累积距离矩阵D计算完成。

对累积距离矩阵D进行路径回溯，从(N_R-1，N_T-1)开始，统计整个过程配对点，并记录配对点距离。

对于分为四种情况进行路径回溯距离最小的判断，即①i>0,j>0②i＝0,j＝0③i＝0(最左边)④j＝0(最下边)

对于i>0,j>0，配对点分为标红的三种情况

推导出所对应的距离为

及位置点坐标

对于i＝0,j＝0直接得出位置点距离(D(i，j))；

对于i＝0(最左边)对应的距离(D(i，j)-D(i，j-1))和坐标j-1。

j＝0(最下边)对应的距离(D(i，j)-D(i-1，j))和坐标i-1。

计算均值(衡量两个序列之间的距离)＝距离/路径的数量。

实施例3，本实施例的声纹测定装置，具体包括：

固定于测量台1上的音罩组件；音罩组件底部设有环刀实验样品7；音罩组件上方设有滴灌装置2；滴灌装置2包括水源部分和输液管，输液管的一端与水源部分连通，其另一端延伸至音罩组件内并位于环刀实验样品7上方；

具体的，音罩组件内还设有声音采集装置5，声音采集装置5依次与外部的便携式数据采集器8和电脑9连接，用于将采集的土壤入渗过程的声音信息传送至便携式数据采集器8和电脑9内，以对声音进行进一步地分析处理。

本实施例声音采集装置5优选小型的麦克风，用于实时采集声音信息。

本实施例音罩组件用于隔绝外部声音的干扰，其采用驻波管的原理，推求高度，隔绝外界因素影响，其包括方形盒子4和内部中空的筒体3；筒体3固定于方形盒子4内。

方形盒子4为长宽高120mm*120mm*130cm翻盖式的方形亚克力盒子。

筒体3的尺寸为直径100mm，高度130cm，其材质为透明亚克力有机玻璃。

筒体3内开设有土样槽6，环刀实验样品7固定于土样槽6中；环刀实验样品7的尺寸为Φ55*42mm＝100cm³。

输液管的直径为6mm，其出液口距离环刀实验样品7上方3-5个水滴直径。

本实施例的输液管的水源部分对实验样品的灌水量＝计划湿润层的厚度*(田间持水量Q-实际含水量T)*1.2的余量(mm)；即m＝42*(Q-T)*1.2mm。

本实施例的工作原理为：

将环刀实验样品7固定于土样槽6中；控制滴管装置的水源部分向试验样品进行土壤入渗模拟；声音采集装置5实时采集该模拟过程中的声音信息，并将该声音信息通过便携式数据采集器8传送至电脑9内。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取多种目标土壤，并分别确定目标土壤的结构特征指标；

S2、采用环刀提取目标土壤，并对目标土壤进行烘干，将烘干后的目标土壤放入声纹测定装置中进行土壤水分入渗试验，以得到不同类型目标土壤入渗过程的声纹特征；

S3、将目标土壤入渗过程划分为渗润、渗吸和渗透三个阶段，并对应得到三个阶段土壤含水量的不同声音特征；

S4、根据三个阶段的声纹特征和对应的三个阶段土壤含水量的不同声音特征，构建声纹曲线库，并将该声纹曲线库作为数据库模板；

S5、采用峰值法和相关系数法分析原状土声纹曲线与数据库模板中的回填土声纹曲线的相识度，以得到原状土的含水量范围；

S6、采用DTW方法分析回填土和原状土不同含水量阶段声纹曲线序列的最短距离，并建立原状土和含水量间的关系。

2.根据权利要求1所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S1中目标土壤包括褐土、潮土和砂、亚砂土。

3.根据权利要求2所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1、将环刀实验样品固定于土样槽内；

S2.2、开启滴灌装置，水滴从输液管出液口滴入环刀实验样品中的土壤内；

S2.3、声音采集装置实时采集水滴入渗过程的声音信息，并将该声音信息依次传送至便携式数据采集器和电脑中；

S2.4、电脑对接收的声音信息进行处理，采用1/3倍频程对所述声音信息进行滤波，得到频带中的最高频率f_u和最低频率f_l，并根据计算所得的最高频率f_u和最低频率f_l，计算得到1/3倍频程下的中心频率f_i；

S2.5、对中心频率f_i进行A计权滤波分析，拟合得到1/3倍频程A计权修正值曲线，并根据该曲线得到1/3倍频程的中心频率和A计权修正值之间的函数表达式；

S2.6、根据步骤S2.5中A计权滤波分析后得到的声压值，计算得到该声压值对应的声压级；

S2.7、基于所述声压值对应的声压级和声功率级，得到该声压值对应的声压级与声功率级之间的函数表达式。

4.根据权利要求3所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，步骤S2.4具体包括：

将1/3倍频程划分为27个频带，确定1/3倍频程的带宽b，并计算得到频带中的最高频率f_u和最低频率f_l：

f_u-f_l＝b

其中，n为倍频程；

计算1/3倍频程下的每个频带的中心频率f_i：

计算相邻频带下1/3倍频程和相邻频带下一倍频程的转换关系式：

f_i+1＝mf_i(i＝1，2，...，27)

f_j＝mf_3i-2(i＝1，2，...，9)

其中，f_i+1为1/3倍频程下的相邻频带的中心频率，f_j为倍频程下的中心频率，m为相邻频带间的固定系数值。

5.根据权利要求4所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S2.5具体包括：

对中心频率f_i进行A计权滤波分析，拟合得到1/3倍频程A计权修正值曲线，计算得到该曲线的斜率k，并根据所述斜率k计算得到中心频率f_i的A计权下修正值：

A(f)＝klogf_i ^-α

其中，A(f)为A计权下声压值的修正值。

6.根据权利要求5所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S4.3具体包括：

基于步骤S2.6中计算得到的A计权下声压值的修正值，计算该声压值对应的声压级：

L_pA＝20lg(A(f)/P₀)

其中，L_pA为A计权下的声压级；P₀为基准声压。

7.根据权利要求6所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S2.7具体包括：

计算声压值对应的声功率级L_w：

其中，w为声功率，w₀为基准声功率；

根据声功率级L_w和A计权下的声压级L_pA，计算声压值对应的声压级与声功率级之间的函数表达式：

L_pA＝L_w+10lg S

其中，S为环刀实验样品中环刀的表面积；

基于A计权下的声压级L_pA，计算声压值对应的响度级：

L_N＝40+10log₂（L_pA/N）

其中，L_N为响度级，N为基准响度。

8.根据权利要求7所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

根据原状土和回填土两条曲线峰值大小，初步判断两条曲线波动趋势的相似性，将采集的声纹曲线绘入带有刻度的网格中，观察两条曲线的峰值大小及曲线总体的变化趋势；

在两条曲线对应位置分别选取30个特征点，记录下每个位置点横纵坐标值，计算曲线的均值，并计算两条曲线的相关系数r²：

其中，X_m为回填土曲线值，即参考模板曲线值；Y_m为原状土曲线值，即测试曲线值；

为回填土曲线平均值；

为原状土曲线平均值。

9.根据权利要求8所述的快速测定土壤含水量的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

采用DTW算法计算原状土和回填土两条曲线的最短距离D(i，j)：

其中，T_j为测试模板，即原状土曲线序列；R_i为参考模板，即回填土曲线序列；j为测试时间序列中的时序标号，j＝1为起点序列，j＝J为终点序列；i为模板时间序列中的时序标号，i＝1为起点序列，i＝I为终点序列；D[i-1，0]为矩阵阵列最左侧的第一列数值的计算，参考模板为自变量的计算，测试模板为0；D[i-1，j]为最短距离(i,j)相邻的左侧数值；D[i，j-1]为最短距离(i,j)相邻的下方数值；D[i-1，j-1]为最短距离(i,j)相邻的下方对角线数值；D[0，j-1]为矩阵阵列最下面一行数值的计算，参考模板为0，测试模板为自变量的计算。

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