土壤侵蚀测量系统及方法技术方案

本申请提供基于时域反射技术的土壤测量系统及方法，系统包括数据采集设备、TDR测量设备、继电器和探针；通过获取TDR波形数据；在所述TDR波形数据中确定第一时间点、第二时间点和第三时间点，所述第一时间点为探针与同轴电缆交界处反射的时间、所述第二时间点为探针在空气和土壤交界处反射的时间、所述第三时间点为探针末端反射的时间；通过第一时间点和第二时间点之间的时间段，确定探针在空气中的长度；通过第二时间点与第三时间点之间的时间段、所述探针在空气中的长度以及探针的总长度，确定土壤含水量。本申请通过TDR技术同步测定土壤侵蚀和土壤含水量可自动监测、精度高、不受地表植被覆盖影响、扰动小、便于多点布设。便于多点布设。便于多点布设。

【技术实现步骤摘要】
土壤侵蚀测量系统及方法


[0001]本申请涉及土壤侵蚀测量领域，尤其涉及基于时域反射技术的土壤测量系统及方法。

技术介绍

[0002]土壤侵蚀会造成耕地面积减少、淤积水库湖泊等，其中，风力侵蚀还会造成严重的大气污染。土壤侵蚀测量是获得由水、风、耕作等导致的土层厚度变化，对土壤侵蚀调查和研究提供数据基础。
[0003]目前通过接触测定地表高程变化是土壤侵蚀测量主要的测量方式，具体的方式主要是侵蚀针法。侵蚀针可以由金属钎或竹签制成，测定时侵蚀针部分插入土中，其余部分暴露于空气，按照一定时间间隔，通过人工现场测量侵蚀针露出部分的长度变化，计算该时间段内地表高程变化，得出土壤侵蚀或沉积厚度。
[0004]然而，土壤侵蚀测量需要通过人工对侵蚀针的测量，可操作性差，效率低。

技术实现思路

[0005]本申请提供了基于时域反射技术的土壤测量系统及方法，以解决现有的土壤侵蚀测量需要人工操作，导致效率低的技术问题。
[0006]为了达到上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本申请实施例提供一种基于时域反射技术的土壤测量方法，所述方法包括如下步骤：
[0008]获取TDR波形数据，所述TDR波形数据为反射系数随时间变化过程；
[0009]在所述TDR波形数据中确定第一时间点、第二时间点和第三时间点，所述第一时间点为探针与同轴电缆交界处反射的时间、所述第二时间点为探针在空气和土壤交界处反射的时间、所述第三时间点为探针末端反射的时间；
[0010]通过第一时间点和第二时间点之间的时间段，确定探针在空气中的长度；
[0011]根据预设间隔时间多次获得的所述探针在空气中的长度，得到土壤厚度变化数据。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
[0013]通过第一时间点和第二时间点之间的时间段、第二时间点与第三时间点之间的时间段、以及探针的总长度，确定土壤含水量；
[0014]根据预设间隔时间多次获得的所述土壤含水量，得到土壤含水量变化数据。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述第一时间点、所述第二时间点和所述第三时间点的确定，包括：
[0016]在所述TDR波形数据中通过切线法确定第一基点、第二基点和第三基点；
[0017]基于第一基点、第二基点和第三基点，通过二阶有界平均震动函数确定第一时间点，第二时间点和第三时间点。
[0018]在一种可能的实现方式中，所述通过二阶有界平均震动函数确定第一时间点，第二时间点和第三时间点，包括：
[0019]根据二阶有界平均震动函数获取TDR波形数据的2
nd BMO曲线，分别以所述第一基点、所述第二基点和所述第三基点为中心，在预设时间范围内取2
nd BMO的极大值，对应的时间点为第一时间点，第二时间点和第三时间点。
[0020]在一种可能的实现方式中，所述探针在空气中的长度按照下式计算获得：
[0021]L
air
＝a1*T
AB
+a2[0022]式中，a1、a2为拟合参数，T
AB
为第一时间点和第二时间点之间的时间段，代表电磁波由同轴电缆和探针交界处至探针在空气和土壤交界处的往返时间，L
air
为探针在空气中长度。
[0023]在一种可能的实现方式中，所述土壤含水量按照下式计算获得：
[0024][0025]式中，a1、a2、a3、a4为拟合参数，T
AB
为第一时间点和第二时间点之间的时间段，代表电磁波由同轴电缆和探针交界处至探针在空气和土壤交界处的往返时间，T
BC
为第二时间点和第三时间点之间的时间段，代表电磁波由探针在空气和土壤交界处至探针末端端点的往返时间，L
air
为探针在空气中长度，L为探针的总长度，c为光速。
[0026]第二方面，本申请实施例提供一种基于时域反射技术的土壤测量系统，所述系统包括数据采集设备、TDR测量设备、继电器和探针；所述数据采集设备和所述TDR测量设备通信连接，所述TDR测量设备与所述继电器电连接，所述继电器和所述探针通过同轴电缆连接；
[0027]所述TDR测量设备用于获取反射系数随时间变化的TDR波形数据；
[0028]所述数据采集设备用于根据预设间隔时间分析所述TDR波形数据得到土壤厚度变化数据和土壤含水量变化数据以及存储对应的数据。
[0029]在一种可能的实现方式中，在测量时，所述探针的一端设于土壤中，另一端设于空气中。
[0030]在一种可能的实现方式中，所述TDR测量设备包括信号发生器和采样器；
[0031]所述信号发生器与所述探针通过同轴电缆连接，所述信号发生器与所述探针之间设有所述采样器。
[0032]在一种可能的实现方式中，所述探针是三针式探针、二针式探针、多针式探针、平行板式探针、管式探针中的一种。
[0033]本申请提供基于时域反射技术的土壤测量系统及方法，系统包括数据采集设备、TDR测量设备、继电器和探针；通过获取TDR波形数据，所述TDR波形数据为反射系数随时间变化过程；在所述TDR波形数据中确定第一时间点、第二时间点和第三时间点，所述第一时间点为探针与同轴电缆交界处反射的时间、所述第二时间点为探针在空气和土壤交界处反射的时间、所述第三时间点为探针末端反射的时间；通过第一时间点和第二时间点之间的时间段，确定探针在空气中的长度；通过第二时间点与第三时间点之间的时间段、所述探针在空气中的长度以及探针的总长度，确定土壤含水量。
[0034]与现有方案相比，通过TDR技术同步测定土壤侵蚀和土壤含水量可自动监测、精度
高、不受地表植被覆盖影响、扰动小、便于多点布设。
[0035]第一，本申请可自动测定。在目前的TDR测量设备中，一般通过简单的程序即可自动获取TDR波形数据，再通过本申请提出的切线法与二阶有界平均震动函数法(2
nd BMO，second
‑
order bounded mean oscillation method)结合可自动分析TDR波形数据，获取土壤侵蚀厚度和土壤含水量。
[0036]第二，采用本申请介绍的TDR波形数据分析方法可较好地识别空气和土壤界面的变化以及测定土壤含水量，经过标定后测定空气和土壤界面变化的误差在2mm以内，测定土壤含水量的误差在0.03cm3/cm3以内。
[0037]第三，本申请通过探测空气和土壤界面变化测定土壤侵蚀量厚度，不受地表植被覆盖影响，适用范围广。
[0038]第四，三针式TDR探针安装时对土壤扰动小，针状探针对土体的影响与侵蚀针相似，测定结果可反映真实情况。
[0039]第五，本申请便于多点布设。在进行小区或坡面监测时，可按照侵蚀针的布设方法安装多个探针，通过本申请可对一定空间范围内的土壤侵蚀和土壤含水量的空间分布进行自动监测，有助本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时域反射技术的土壤测量方法，其特征在于，所述方法包括：获取TDR波形数据，所述TDR波形数据为反射系数随时间变化过程；在所述TDR波形数据中确定第一时间点、第二时间点和第三时间点，所述第一时间点为探针与同轴电缆交界处反射的时间、所述第二时间点为探针在空气和土壤交界处反射的时间、所述第三时间点为探针末端反射的时间；通过第一时间点和第二时间点之间的时间段，确定探针在空气中的长度；根据预设间隔时间多次获得的所述探针在空气中的长度，得到土壤厚度变化数据。2.根据权利要求1所述的一种基于时域反射技术的土壤测量方法，其特征在于，所述方法还包括：通过第一时间点和第二时间点之间的时间段、第二时间点与第三时间点之间的时间段、以及探针的总长度，确定土壤含水量；根据预设间隔时间多次获得的所述土壤含水量，得到土壤含水量变化数据。3.根据权利要求1所述的一种基于时域反射技术的土壤测量方法，其特征在于，所述第一时间点、所述第二时间点和所述第三时间点的确定，包括：在所述TDR波形数据中通过切线法确定第一基点、第二基点和第三基点；基于第一基点、第二基点和第三基点，通过二阶有界平均震动函数确定第一时间点，第二时间点和第三时间点。4.根据权利要求3所述的一种基于时域反射技术的土壤测量方法，其特征在于，所述通过二阶有界平均震动函数确定第一时间点，第二时间点和第三时间点，包括：根据二阶有界平均震动函数获取TDR波形数据的2
nd
BMO曲线，分别以所述第一基点、所述第二基点和所述第三基点为中心，在预设时间范围内取2
nd
BMO的极大值，对应的时间点为第一时间点，第二时间点和第三时间点。5.根据权利要求1所述的一种基于时域反射技术的土壤测量方法，其特征在于，所述探针在空气中的长度按照下式计算获得：L
air
＝a1*T
AB
+a2式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中典，牛继强，刘明华，刘亮，黄明斌，陈飞燕，
申请(专利权)人：信阳师范学院，
类型：发明
国别省市：