[发明专利]农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置，其特征是包括安装管套管、空心圆柱状电极、绝缘管柱、基带同轴电缆、液相空心水柱、阻抗板和核心处理器，土壤剖面水分测量装置由压控振荡器控制产生高频振荡信号，经硅外延高频低噪幅值放大，双模预分频器整形分频得到低频方波信号，通过该频率与土壤体积含水率之间的数学模型，实现土壤体积含水量的精确感知。采用圆柱立体式多层级结构，集合农田土壤垂直剖面水分动态测定拟合及定量反演技术，实现以最少层级实时动态感知农田土壤垂直剖面不同深度处体积含水量及垂直剖面土壤水分供给量，其最大优点为可持续实时感知土壤垂直剖面水分状况，空间整体性强，且实时标定。

技术领域

本发明专利涉及一种农田土壤垂直剖面测量方法及装置，通过本装备与方法，可以快速无损获取农田土壤剖面不同深度处体积含水量及剖面供水量。

背景技术

土壤含水量容易随时间和空间的变化而变化，其渗透或蒸发等运动过程比较复杂，而实时、准确测量土壤剖面水分含量从而掌握土壤水分空间立体分布，这对研究土壤水分运动规律、作物需水规律，为最佳灌溉时机及阀值的选择以及精确灌溉制度的制定提供策略，最终实现节水灌溉等意义重大。

现行土壤水分传感器大多数局限于探针式结构，探针长度有限，只能进行土壤表层含水量测量，若要实现土壤剖面水分测量，不仅需多个传感器穿插于土层，布设困难费时费力，前期工作量相当大，而且长期连续测量，探针容易腐蚀，影响测量精度，土壤剖面多个传感器穿插，同时工作也会导致功耗较。

对于面向土壤剖面水分的传感测量，国外已开始开展相关研究并形成了相关产品，而国内在这方面的研究刚刚起步，且当前土壤剖面水分传感器的你敏感元件部署都是规则性彼此间隔安装，并没有依据土壤垂直剖面水分分布特征及变化规律及实际需求来分布，同时在测量过程中标定问题也一直是土壤垂直剖面水分传感器需要解决的问题。

发明内容

本发明克服上述问题与不足，提供了一种理论科学，技术领先，结构合理、测量精度高的农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种农田土壤垂直剖面水分测量方法，包括以下步骤：

通过对不同敏感元件测得在空气中的频率、水中的频率及土壤中的频率计算得到归一化频率由，单个敏感元件感知安装管套管外垂直深度土壤体积水分，影响径向距离为5-10cm；

采用立体式多层级结构，由田间试验数据建模，根据农田土壤垂直剖面水分动态分布特征及变化规律，采用土壤壤剖面体积含水量等值法及皮尔森(Pearson)相关系数法确定；

由欧氏距离的聚类算法及以作物植株叶片相对含水率确定层级深度位置，分析计算确定土壤垂直剖面水分自变量的因子；

通过土壤水分定量反演基于不同深度处土壤体积含水量的拟合关系，反演垂直剖面其他深度处土壤体积含水量及不同剖面深度土壤供水量。

一种农田土壤垂直剖面水分测量装置，包括安装管套管、空心圆柱状电极、绝缘管柱、基带同轴电缆、液相空心水柱、阻抗板和核心处理器，所述安装管套管外壁与土壤紧密贴合，且垂直于地表，由绝缘柱管内的基带同轴电缆与两个空心圆柱状电极连接构成土壤水分敏感元件；土壤水分敏感元件由田间试验建模得出的层次布设规则，多个土壤水分敏感元件进行多层次组合，形成立体式多层级结构。

所述土壤敏感元件连接阻抗板，阻抗板中压控高频振荡电路两端分别连所述敏感元件及低噪放大电路，所述低噪放大电路与谐振分频电路联通，所述谐振分频电路连接核心处理器。

所述立体式多层级结构的土壤敏感元件置于安装管套管内，地表上部分布两组土壤水分敏感元件，地表上第一组土壤水分敏感元件经安装管套管无外物包裹，第二土壤水分组敏感元件由液相空心水柱包裹。