[發明專利]一種土壤水分傳感器的自動定標方法和系統

在審

• 申請號: 202211717644.3
• 申請日: 2022-12-29
• 公開（公告）號: CN116008507A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王春梅;楊健;顧行發;周翔;陶醉;鄭興明;李秉澤;姜濤;高海亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院;中國科學院東北地理與農業生態研究所
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 北京金信知識產權代理有限公司 11225
• 代理人: 賈然

本發明提出一種土壤水分傳感器的自動定標方法和系統。其中，方法包括：等待所述滿飽和土壤樣品中的水分流失20％及以上，并記錄每個采樣間隔時刻的自動計數電子秤的重量數值和土壤水分傳感器的數值；應用每個采樣間隔時刻的自動計數電子秤的重量數值，計算對應采樣間隔時刻的土壤體積含水量；應用每個采樣間隔時刻的土壤體積含水量和土壤水分傳感器的數值，計算土壤水分傳感器的自動定標校準系數；應用所述定標校準系數對所述土壤水分傳感器的數值進行校準，得到校準后的土壤水分數值。本發明提出的方案，可有效校準土壤水分傳感器，并使其由原有的出廠校準設定適應其測量的土壤質地設定，明顯提升其精度。

技術領域

本發明屬于土壤水分測量領域，尤其涉及一種土壤水分傳感器的自動定標方法和系統。

背景技術

土壤水分影響著陸地和大氣之間的能量交換，對地球的水循環和氣候變化有著深遠的影響。準確測定土壤水分有助于研究氣候變化、地表蒸散，旱澇災害監測與預測和作物產量估算等。

土壤水分的測量方法主要包括地面觀測、遙感反演和數據同化方法。地面觀測方法最準確但成本高，很難在大空間尺度或全球范圍內確定土壤含水量。與地面觀測方法相比，遙感具有連續空間覆蓋的優勢，但不確定性較高。數據同化方法可用于確定深層土壤中的土壤水分，但需要大量的驅動數據集。地面觀測數據精度最高，常用于驗證和校準基于遙感和數據同化的土壤水分。地面觀測方法主要包括：(1)重力測量法，但是其破壞了原始土壤結構，因此無法在同一位置連續監測土壤水分，(2)使用手持設備進行測量，該方法具有測量簡單和速度快的特點，但很難在多個深度測量土壤水分，(3)自動觀測網絡，該方法適合在多個深度進行連續監測。建立土壤水分觀測網絡是在區域尺度上測量土壤水分的常用方法，而觀測網絡的構建通常依賴于土壤水分傳感器，例如國際土壤濕度網絡(ISMN)和生態水文無線傳感器網絡(EHWSN)。

時域反射法(TDR)和電容測量法是地面觀測網絡中常用的兩種土壤水分方法。TDR傳感器通常具有較高的測量頻率，并提供較高的測量精度。電容測量法具有較小的測量探頭同時比TDR傳感器便宜，這種測量技術廣泛用于監測網絡。兩種測量土壤水分的技術都基于土壤介質中的介電常數來計算土壤水分。介電常數受土壤水分以及土壤質地、鹽度、土壤有機質、容重和土壤溫度的綜合影響。然而，土壤水分傳感器的工廠校準方程通常不會同時考慮這些因素的影響。當傳感器安裝位置的土壤特性與工廠校準的土壤特性不同時，測量精度會大大降低。先前的研究表明，介電常數和土壤水分之間的關系隨土壤性質的不同而顯著變化，在相同土壤水分的條件下，粘土的介電常數明顯低于砂土。粘粒的增加使土壤顆粒的表面積增大，這導致了結合水的含量高于砂土。Topp等人(1980)提出了從砂質壤土到重粘土的土壤樣品中的介電常數和土壤水分的關系方程。然而，介電常數與不同土壤特性之間的關系尚未探索。Kim等人(2020)評估并校準了在砂壤土介質中的六種土壤水分傳感器，將其測量精度從0.04提高到0.025m3/m3。Bircher等人(2015)證明，在富含有機物的土壤中測得的土壤水分存在明顯的偏差，同時發現其工廠校準的公式在有機質含量小于10％時是可靠的。高土壤鹽度使土壤介質中有更多的游離電解質，同樣會造成測量介電常數的誤差。Skierucha(2000)使用重量烘干法獲得了TDR傳感器對礦物土壤、有機土壤以及泥炭粉土和泥炭砂的土壤混合物中對土壤水分的響應，將其測量誤差降低了兩倍。綜上所述，土壤水分傳感器的測量精度受到土壤質地、鹽分、有機質等影響，因此土壤水分傳感器必須根據特定的土壤特性進行校準。