[发明专利]一种土壤水分传感器的自动定标方法和系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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)。

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。