CN116008507A - 一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统 - Google Patents

一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统 Download PDF

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王春梅
杨健
顾行发
周翔
陶醉
郑兴明
李秉泽
姜涛
高海亮
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Abstract

本发明提出一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统。其中，方法包括：等待所述满饱和土壤样品中的水分流失20％及以上，并记录每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值和土壤水分传感器的数值；应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量；应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数；应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值。本发明提出的方案，可有效校准土壤水分传感器，并使其由原有的出厂校准设定适应其测量的土壤质地设定，明显提升其精度。

Description

一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统
技术领域
本发明属于土壤水分测量领域，尤其涉及一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统。
背景技术
土壤水分影响着陆地和大气之间的能量交换，对地球的水循环和气候变化有着深远的影响。准确测定土壤水分有助于研究气候变化、地表蒸散，旱涝灾害监测与预测和作物产量估算等。
土壤水分的测量方法主要包括地面观测、遥感反演和数据同化方法。地面观测方法最准确但成本高，很难在大空间尺度或全球范围内确定土壤含水量。与地面观测方法相比，遥感具有连续空间覆盖的优势，但不确定性较高。数据同化方法可用于确定深层土壤中的土壤水分，但需要大量的驱动数据集。地面观测数据精度最高，常用于验证和校准基于遥感和数据同化的土壤水分。地面观测方法主要包括：(1)重力测量法，但是其破坏了原始土壤结构，因此无法在同一位置连续监测土壤水分，(2)使用手持设备进行测量，该方法具有测量简单和速度快的特点，但很难在多个深度测量土壤水分，(3)自动观测网络，该方法适合在多个深度进行连续监测。建立土壤水分观测网络是在区域尺度上测量土壤水分的常用方法，而观测网络的构建通常依赖于土壤水分传感器，例如国际土壤湿度网络(ISMN)和生态水文无线传感器网络(EHWSN)。
时域反射法(TDR)和电容测量法是地面观测网络中常用的两种土壤水分方法。TDR传感器通常具有较高的测量频率，并提供较高的测量精度。电容测量法具有较小的测量探头同时比TDR传感器便宜，这种测量技术广泛用于监测网络。两种测量土壤水分的技术都基于土壤介质中的介电常数来计算土壤水分。介电常数受土壤水分以及土壤质地、盐度、土壤有机质、容重和土壤温度的综合影响。然而，土壤水分传感器的工厂校准方程通常不会同时考虑这些因素的影响。当传感器安装位置的土壤特性与工厂校准的土壤特性不同时，测量精度会大大降低。先前的研究表明，介电常数和土壤水分之间的关系随土壤性质的不同而显著变化，在相同土壤水分的条件下，粘土的介电常数明显低于砂土。粘粒的增加使土壤颗粒的表面积增大，这导致了结合水的含量高于砂土。Topp等人(1980)提出了从砂质壤土到重粘土的土壤样品中的介电常数和土壤水分的关系方程。然而，介电常数与不同土壤特性之间的关系尚未探索。Kim等人(2020)评估并校准了在砂壤土介质中的六种土壤水分传感器，将其测量精度从0.04提高到0.025m3/m3。Bircher等人(2015)证明，在富含有机物的土壤中测得的土壤水分存在明显的偏差，同时发现其工厂校准的公式在有机质含量小于10％时是可靠的。高土壤盐度使土壤介质中有更多的游离电解质，同样会造成测量介电常数的误差。Skierucha(2000)使用重量烘干法获得了TDR传感器对矿物土壤、有机土壤以及泥炭粉土和泥炭砂的土壤混合物中对土壤水分的响应，将其测量误差降低了两倍。综上所述，土壤水分传感器的测量精度受到土壤质地、盐分、有机质等影响，因此土壤水分传感器必须根据特定的土壤特性进行校准。
现有技术，多为利用实验室土壤样品定标的方案。如发明“土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方案，郑兴明”，涉及了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。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。
现有技术依赖的定标实验方案存在耗时、需要大量人力和实验误差大的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种土壤水分传感器的自动定标方法的技术方案，以解决上述技术问题。
本发明第一方面公开了一种土壤水分传感器的自动定标方法，所述方法包括：
步骤S1、获取土壤水分传感器安装地区和对应深度的土壤样品；
步骤S2、将所述土壤样品在预设温度下烘干并过筛；
步骤S3、将过筛后的土壤样品加入水并均匀搅拌至饱和状态，得到饱和土壤样品；
步骤S4、将所述饱和土壤样品填满定标容器并压实；
步骤S5、将填满饱和土壤样品的定标容器放置于自动计数电子称上，并设置所述自动计数电子秤的采样间隔；
步骤S6、将土壤水分传感器插入定标容器的满饱和土壤样品中，并设置所述土壤水分传感器的采样间隔；
步骤S7、等待所述满饱和土壤样品中的水分完全流失直至土壤样本干燥，并记录每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值和土壤水分传感器的数值；
步骤S8、应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量；
步骤S9、应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数；
步骤S10、应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值。
根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S2中，所述预设温度为105℃。
根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S5中，所述自动计数电子秤的采样间隔为1小时。
根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S6中，所述土壤水分传感器的采样间隔为1小时；
所述土壤水分传感器的感应区域小于所述定标容器的体积。
根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S8中，所述应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量的方法包括：
Figure BDA0004026937850000041
其中，
Figure BDA0004026937850000042
为第i个采样间隔时刻的土壤体积含水量；
Figure BDA0004026937850000043
为第i个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值；Wsoil为过筛后的土壤样品的重量；mr为所述定标容器的质量；r为所述定标容器的半径；h为饱和土壤样品的高度。
根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S9中，所述应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数的方法包括：
Figure BDA0004026937850000044
其中，
Figure BDA0004026937850000045
为第i个采样间隔时刻的土壤水分传感器的数值；a、b、c和d为定标校准系数。
根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S10中，所述应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值的方法包括：
Figure BDA0004026937850000051
其中，SM为校准后的土壤水分数值。
本发明第二方面公开了一种土壤水分传感器的自动定标系统，所述系统执行第一方面的方法，所述系统包括：计算机、温度计、定标容器、自动计数电子秤、土壤水分传感器和土壤水分传感器的数值采集器；
所述温度计和自动计数电子秤与所述计算机连接；所述温度计插入定标容器的满饱和土壤样品中；所述土壤水分传感器插入定标容器的满饱和土壤样品中；所述定标容器放置在所述自动计数电子秤上；所述土壤水分传感器与所述土壤水分传感器的数值采集器连接
本发明第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项的一种土壤水分传感器的自动定标方法中的步骤。
本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项的一种土壤水分传感器的自动定标方法中的步骤。
本发明提出的方案，可有效校准土壤水分传感器，并使其由原有的出厂校准设定适应其测量的土壤质地设定，明显提升其精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的一种土壤水分传感器的自动定标方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的土壤水分传感器校准前后效果图；
图3为根据本发明实施例的一种土壤水分传感器的自动定标系统的结构图；
图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图。
图中，1-计算机，2-温度计，3-定标容器，4-自动计数电子秤，5-土壤水分传感器，6-土壤水分传感器的数值采集器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一方面公开了一种土壤水分传感器的自动定标方法。图1为根据本发明实施例的一种土壤水分传感器的自动定标方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤S1、获取土壤水分传感器安装地区和对应深度的土壤样品；
步骤S2、将所述土壤样品在预设温度下烘干并过筛；
步骤S3、将过筛后的土壤样品加入水并均匀搅拌至饱和状态，得到饱和土壤样品；
步骤S4、将所述饱和土壤样品填满定标容器并压实；
步骤S5、将填满饱和土壤样品的定标容器放置于自动计数电子称上，并设置所述自动计数电子秤的采样间隔；
步骤S6、将土壤水分传感器插入定标容器的满饱和土壤样品中，并设置所述土壤水分传感器的采样间隔；
步骤S7、等待所述满饱和土壤样品中的水分完全流失直至土壤样本干燥，并记录每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值和土壤水分传感器的数值；
步骤S8、应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量；
步骤S9、应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数；
步骤S10、应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值。
其中，在步骤S1中，等待所述满饱和土壤样品中的水分流失20％及以上，并记录每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值和土壤水分传感器的数值；如果土壤样品是从满饱和状态开始降低的话，则至少需要流失20％的体积水才能完成自动定标过程。通常满饱和状态土壤样品中的体积水含量在35％-40％之间，土壤样品中体积水干燥20％可以满足定标校准公式的计算需求。
在步骤S1，获取5TM型土壤水分传感器安装地区和对应深度的土壤样品。
在步骤S2，将所述土壤样品在105℃下烘干并过筛。
在步骤S5，将填满饱和土壤样品的定标容器放置于自动计数电子称上，并设置所述自动计数电子秤的采样间隔为1小时。
在步骤S6，将土壤水分传感器插入定标容器的满饱和土壤样品中，并设置所述土壤水分传感器的采样间隔为1小时。
在一些实施例中，在所述步骤S6中，所述土壤水分传感器的感应区域小于所述定标容器的体积。
在步骤S8，应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量。
在一些实施例中，在所述步骤S8中，所述应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量的方法包括：
Figure BDA0004026937850000081
其中，
Figure BDA0004026937850000082
为第i个采样间隔时刻的土壤体积含水量；
Figure BDA0004026937850000083
为第i个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值；Wsoil为过筛后的土壤样品的重量；mr为所述定标容器的质量；r为所述定标容器的半径；h为饱和土壤样品的高度。
在步骤S9，应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数。
在一些实施例中，在所述步骤S9中，所述应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数的方法包括：
Figure BDA0004026937850000084
其中，
Figure BDA0004026937850000085
为第i个采样间隔时刻的土壤水分传感器的数值；a、b、c和d为定标校准系数。
在步骤S10，应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值。
在一些实施例中，在所述步骤S10中，所述应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值的方法包括：
Figure BDA0004026937850000086
其中，SM为校准后的土壤水分数值，如图2所示。
综上，本发明提出的方案能够效校准土壤水分传感器，并使其由原有的出厂校准设定适应其测量的土壤质地设定，明显提升其精度。
本发明第二方面公开了一种土壤水分传感器的自动定标系统。图3为根据本发明实施例的一种土壤水分传感器的自动定标系统的结构图；如图3所示，所述系统包括：计算机1、温度计2、定标容器3、自动计数电子秤4、土壤水分传感器5和土壤水分传感器的数值采集器6；
所述温度计2和自动计数电子秤4与所述计算机1连接；所述温度计2插入定标容器的满饱和土壤样品中；所述土壤水分传感器5插入定标容器的满饱和土壤样品中；所述定标容器3放置在所述自动计数电子秤4上；所述土壤水分传感器5与所述土壤水分传感器的数值采集器6连接。
本发明第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本发明公开第一方面中任一项的一种土壤水分传感器的自动定标方法中的步骤。
图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图，如图4所示，电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是电子设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本公开的技术方案相关的部分的结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本发明公开第一方面中任一项的一种土壤水分传感器的自动定标方法中的步骤中的步骤。
请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、获取土壤水分传感器安装地区和对应深度的土壤样品；
步骤S2、将所述土壤样品在预设温度下烘干并过筛；
步骤S3、将过筛后的土壤样品加入水并均匀搅拌至饱和状态，得到饱和土壤样品；
步骤S4、将所述饱和土壤样品填满定标容器并压实；
步骤S5、将填满饱和土壤样品的定标容器放置于自动计数电子称上，并设置所述自动计数电子秤的采样间隔；
步骤S6、将土壤水分传感器插入定标容器的满饱和土壤样品中，并设置所述土壤水分传感器的采样间隔；
步骤S7、等待所述满饱和土壤样品中的水分完全流失直至土壤样本干燥，并记录每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值和土壤水分传感器的数值；
步骤S8、应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量；
步骤S9、应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数；
步骤S10、应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值。
2.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述预设温度为105℃。
3.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述自动计数电子秤的采样间隔为1小时。
4.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述土壤水分传感器的采样间隔为1小时；
所述土壤水分传感器的感应区域小于所述定标容器的体积。
5.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，在所述步骤S8中，所述应用每个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值，计算对应采样间隔时刻的土壤体积含水量的方法包括：
Figure FDA0004026937840000021
其中，
Figure FDA0004026937840000022
为第i个采样间隔时刻的土壤体积含水量；
Figure FDA0004026937840000023
为第i个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值；Wsoil为过筛后的土壤样品的重量；mr为所述定标容器的质量；r为所述定标容器的半径；h为饱和土壤样品的高度。
6.根据权利要求5所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，在所述步骤S9中，所述应用每个采样间隔时刻的土壤体积含水量和土壤水分传感器的数值，计算土壤水分传感器的自动定标校准系数的方法包括：
Figure FDA0004026937840000024
其中，
Figure FDA0004026937840000025
为第i个采样间隔时刻的土壤水分传感器的数值；a、b、c和d为定标校准系数。
7.根据权利要求6所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法，其特征在于，在所述步骤S10中，所述应用所述定标校准系数对所述土壤水分传感器的数值进行校准，得到校准后的土壤水分数值的方法包括：
Figure FDA0004026937840000026
其中，SM为校准后的土壤水分数值。
8.一种用于土壤水分传感器的自动定标系统，其特征在于，所述系统执行权利要求1-7的方法，所述系统包括：计算机、温度计、定标容器、自动计数电子秤、土壤水分传感器和土壤水分传感器的数值采集器；
所述温度计和自动计数电子秤与所述计算机连接；所述温度计插入定标容器的满饱和土壤样品中；所述土壤水分传感器插入定标容器的满饱和土壤样品中；所述定标容器放置在所述自动计数电子秤上；所述土壤水分传感器与所述土壤水分传感器的数值采集器连接。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求5至7中任一项所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求5至7中任一项所述的一种土壤水分传感器的自动定标方法中的步骤。
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