一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术提出的方案，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。明显提升其精度。明显提升其精度。

【技术实现步骤摘要】
一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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)。
[0004]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。
[0005]现有技术，多为利用实验室土壤样品定标的方案。如专利技术“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
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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术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。
[0008]本专利技术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：
[0009]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；
[0010]步骤S2、将所述土壤样品在预设温度下烘干并过筛；
[0011]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；
[0012]步骤S4、将所述饱和土壤样品填满定标容器并压实；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]根据本专利技术第一方面的方法，在所述步骤S2中，所述预设温度为105℃。
[0020]根据本专利技术第一方面的方法，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。
[0021]根据本专利技术第一方面的方法，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；
[0022]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。
[0023]根据本专利技术第一方面的方法，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：
[0024][0025]其中，为第i个采样间隔时刻的土壤体积含水量；为第i个采样间隔时刻的自动计数电子秤的重量数值；W
soil
为过筛后的土壤样品的重量；m
r
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。
[0026]根据本专利技术第一方面的方法，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：
[0027][0028]其中，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。
[0029]根据本专利技术第一方面的方法，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：
[0030][0031]其中，SM为校准后的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：其中，为第i个采样间隔时刻的土壤体积含水量；为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春梅，杨健，顾行发，周翔，陶醉，郑兴明，李秉泽，姜涛，高海亮，
申请(专利权)人：中国科学院东北地理与农业生态研究所，
类型：发明
国别省市：