自動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中壤水分變化的研究土壤含水量是土壤的之一。這是水平衡的一個(gè)組成部分。植物水的主要直接來(lái)源是植物的生理活動(dòng)。經(jīng)常進(jìn)行土壤水分狀況的測(cè)定,掌握其變化規(guī)律,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)服務(wù)和理論研究都具有重要意義。由于自動(dòng)土壤水分傳感器在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中受到土壤質(zhì)地、容重、安裝結(jié)合緊密度等因素的影響,按照《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范》的要求,在正式業(yè)務(wù)運(yùn)行之前,需要進(jìn)行業(yè)務(wù)化檢驗(yàn),包含土壤物理常數(shù)的測(cè)定、設(shè)備運(yùn)行情況的分析、傳感器訂正參數(shù)的校準(zhǔn),通過(guò)檢驗(yàn)合格后,才能投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。1土壤水分物理常數(shù)測(cè)定的必要性本文介紹的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀型號(hào)為DZN3型,由中國(guó)華云技術(shù)有限公司生產(chǎn),是一種利用頻域反射法原理來(lái)測(cè)定土壤體積含水量的自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器。土壤物理常數(shù)主要包含土壤容重、田間持水量和凋萎系數(shù),作為土壤的重要指標(biāo),是計(jì)算土壤含水量的重要參數(shù),3項(xiàng)常數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確與否將直接影響自動(dòng)觀測(cè)儀器的準(zhǔn)確度。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)深度為100cm,共計(jì)8層傳感器,觀測(cè)范圍分0~10cm、10~20cm,20~30cm、30~40cm、40~50cm、50~60cm、70~80cm、90~100cm,由于每層土壤性質(zhì)不盡相同,因此需要對(duì)8層常數(shù)全部測(cè)定。土壤物理常數(shù)嚴(yán)格按照《農(nóng)業(yè)氣象規(guī)范》的要求測(cè)定,由于此項(xiàng)工作技術(shù)性較強(qiáng),因此由各農(nóng)氣站專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員完成相關(guān)工作,保證常數(shù)的真實(shí)、可靠性。測(cè)定的土壤物理常數(shù)如表1所示。業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)過(guò)程所需資料統(tǒng)計(jì)時(shí)間自2011年9月至2013年2月,其中人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)樣本時(shí)間為2012年4月至2012年11月,4月至9月為對(duì)比觀測(cè)階段,10月至11月為對(duì)比檢驗(yàn)階段。2土壤水分的測(cè)定評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行情況的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)到報(bào)率情況,它能夠直觀的反應(yīng)設(shè)備整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)據(jù)到報(bào)率采用公式(1)計(jì)算。按照這種方法對(duì)寶坻(54525)和武清農(nóng)科院(A2469)兩個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站自2011年9月1日至2013年2月28日的正點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了逐月統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。通過(guò)圖1可以看出,寶坻和武清農(nóng)科院兩站在2011年9月至2013年2月的數(shù)據(jù)到報(bào)率都保持在99.8%以上,到報(bào)率較高,目前設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,能夠滿(mǎn)足正式業(yè)務(wù)運(yùn)行的要求。3比較自動(dòng)和人工的差異3.1土壤水分體積含量的人工對(duì)比觀測(cè)進(jìn)行人工對(duì)比取土觀測(cè)時(shí),須跨越干濕兩季,使獲得的樣本分布均勻、能夠代表當(dāng)?shù)赝寥浪趾糠秶Ⅱ?yàn)證儀器在干濕兩季過(guò)渡期的適應(yīng)性。取土以?xún)x器觀測(cè)的10cm土層體積含水量變化為判斷標(biāo)準(zhǔn),在小于10%、10%~15%、15%~20%、20%~25%、25%~30%、30%~35%和大于35%等7個(gè)不同土壤水分體積含量區(qū)間進(jìn)行相應(yīng)的人工對(duì)比觀測(cè)。原則上每一個(gè)土壤體積含水量等級(jí)樣本數(shù)不少于4個(gè),總樣本數(shù)不少于30個(gè)。對(duì)各層人工對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)和器測(cè)值進(jìn)行分析比較,利用SPSS和SAS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和擬合計(jì)算,確定傳感器標(biāo)定參數(shù)方程。3.2觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合曲線對(duì)比分析選取兩套自動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,其中一套通過(guò)業(yè)務(wù)化檢驗(yàn),一套未通過(guò)檢驗(yàn),以寶坻站(54525)和武清農(nóng)科院(A2469)為例,對(duì)比觀測(cè)時(shí)間為2012年4—9月,通過(guò)對(duì)8層自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到相關(guān)擬合曲線,進(jìn)而確定傳感器的訂正參數(shù),由于各層數(shù)據(jù)的相關(guān)性不同,因此通過(guò)不同的計(jì)算方法,得到了不同的擬合曲線方程。圖2中E為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差,r為測(cè)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù),r值越大,表示擬合曲線的相關(guān)性越好。3.2.1應(yīng)力-擬合曲線對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)寶坻站8層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)擬合曲線如圖2所示,圖中橫坐標(biāo)表示自動(dòng)土壤水分測(cè)量值,縱坐標(biāo)表示人工測(cè)量值,其中人工與自動(dòng)測(cè)量值樣本數(shù)量N均為31個(gè),滿(mǎn)足對(duì)比觀測(cè)要求樣本數(shù)量不少于31個(gè)的原則。通過(guò)對(duì)寶坻站8層數(shù)據(jù)的分析可以看出,各層數(shù)據(jù)在不同擬合曲線下自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的相關(guān)性較好,各層擬合曲線均采用0.05顯著性水平,置信水平為95%,例如第1層0~10cm數(shù)據(jù)根據(jù)函數(shù)y=a[bx/(c+x)]的模型建立,而第3層20~30cm數(shù)據(jù)根據(jù)函數(shù)y=a[b+cln(x)]的模型建立,得到的傳感器訂正參數(shù)a、b、c能夠滿(mǎn)足對(duì)比觀測(cè)的要求。由于各層土壤含水率和土壤性質(zhì)的不同,這樣得到的各層傳感器訂正函數(shù)不同,因此得到的傳感器訂正參數(shù)也不相同。3.2.2土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的分析武清農(nóng)科院站8層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3所示,通過(guò)對(duì)武清農(nóng)科院站8層數(shù)據(jù)的分析可以看出,各層數(shù)據(jù)比較離散,相關(guān)性較差,無(wú)法確定擬合曲線方圖3武清農(nóng)科院站8層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)程和傳感器訂正參數(shù),因此此站屬于業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)失敗,不能正式業(yè)務(wù)運(yùn)行。通過(guò)分析可以看出,武清農(nóng)科院站在人工對(duì)比階段沒(méi)有嚴(yán)格按照觀測(cè)規(guī)范要求,沒(méi)有以?xún)x器觀測(cè)的10cm土層體積含水量變化為判斷標(biāo)準(zhǔn),在7個(gè)不同的含水率區(qū)間進(jìn)行對(duì)比,導(dǎo)致數(shù)據(jù)比較離散,不符合對(duì)比原則。在確保儀器正確安裝與維護(hù)的基礎(chǔ)上,應(yīng)嚴(yán)格按照觀測(cè)規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn),繼續(xù)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,直至滿(mǎn)足業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。3.3比較試驗(yàn)3.3.1業(yè)務(wù)化對(duì)比檢驗(yàn)完成數(shù)據(jù)對(duì)比觀測(cè)后,按照《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范》的要求,還要將人工數(shù)據(jù)與標(biāo)定后的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。對(duì)比檢驗(yàn)時(shí)間最少是一個(gè)月,每層樣本數(shù)量不少于6次。業(yè)務(wù)化對(duì)比檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是:人工觀測(cè)土壤體積含水量值與器測(cè)土壤體積含水量之差的多次平均值的絕對(duì)誤差σ小于等于5%。公式(2)中:xi為儀器訂正后觀測(cè)值;N為對(duì)比觀測(cè)次數(shù);σ為人工對(duì)比觀測(cè)土壤體積含水量多次平均值的絕對(duì)誤差。ai為人工觀測(cè)值。3.3.2數(shù)據(jù)讀取及讀取寶坻站各層數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理之后,得到的擬合曲線相關(guān)性較好,滿(mǎn)足業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)的要求,為了使擬合參數(shù)更加準(zhǔn)確,使自動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)更能反映土壤水分的實(shí)際情況,下面要對(duì)擬合方程進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比校驗(yàn)。對(duì)比校驗(yàn)時(shí)間為2012年10月8日至11月8日,共計(jì)一個(gè)月,人工觀測(cè)每層獲取7次數(shù)據(jù),8層共計(jì)56個(gè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。同時(shí)讀取同時(shí)次的自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)對(duì)比校驗(yàn)之后的曲線如圖4所示,從圖4中不難看出,檢驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性較好,且σ值均小于5%,符合業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),但0~20cm的對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果不如20cm以下的相關(guān)性好,可以進(jìn)一步優(yōu)化0~20cm傳感器的擬合曲線和訂正參數(shù)。通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)之后,寶坻自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站(54525)可以正式業(yè)務(wù)運(yùn)行。4觀測(cè)工作的改進(jìn)建議(1)天津市新建的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站,按照本文的方法進(jìn)行業(yè)務(wù)化檢驗(yàn),目前只有部分站點(diǎn)通過(guò)業(yè)務(wù)化檢驗(yàn),其余站點(diǎn)還要按照觀測(cè)規(guī)范要求重新進(jìn)行業(yè)務(wù)化檢驗(yàn),未通過(guò)業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)的站點(diǎn)主要是因?yàn)閿?shù)據(jù)對(duì)比分析失敗,儀器損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)樣本不夠等,投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站將為糧食生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警提供重要的數(shù)據(jù)支撐。(2)由于部分臺(tái)站在2012年汛期期間被雨水浸泡,期間正是人工對(duì)比觀測(cè)階段,這樣導(dǎo)致數(shù)據(jù)樣本缺測(cè),未能達(dá)到檢驗(yàn)要求的樣本數(shù)量,因此需要重新對(duì)比。鑒于這種情況,建議平時(shí)要做好自動(dòng)土壤觀測(cè)站的維護(hù),定期巡視觀測(cè)場(chǎng)和儀器設(shè)備,檢查插管的密閉性,每年還要對(duì)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的傳感器、采集器和整機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查、校驗(yàn),對(duì)防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查,對(duì)接地電阻進(jìn)行復(fù)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題。(3)在對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn),一部分對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性較低,無(wú)法應(yīng)用到檢驗(yàn)中,因此需要觀測(cè)人員在今后的工作中嚴(yán)格按照觀測(cè)規(guī)范操作,確保得到準(zhǔn)確、可靠的人工觀測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí)也要排查自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀器可能存在故障。已經(jīng)通