DZN1型土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的訂正

摘要：應(yīng)用2011年2-7月32次土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)與同時(shí)期用烘干稱重法人工測得的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以人工測定數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確值，先用前期2-5月20次對(duì)比觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，得到器測值的訂正方程；再用6-7月12次對(duì)比觀測數(shù)據(jù)對(duì)訂正方程進(jìn)行試用驗(yàn)證。結(jié)果表明，DZN1型土壤水分自動(dòng)觀測儀的部分土層未經(jīng)訂正即達(dá)標(biāo)，其他層訂正后可達(dá)標(biāo)，訂正效果明顯。此項(xiàng)工作可為該型儀器的廠家訂正及日常業(yè)務(wù)訂正提供參考。

關(guān)鍵詞：DZN1型；土壤水分；自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)；訂正

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）12-2920-03

Correction of DZN1 Soil Moisture Automatic Observation Data

CHEN Li-chun1，WU Ai-xia1，GUO Lei1，F(xiàn)AN Qing-dong1，WANG Shao-yu2，LIU Jian-zhong2

（1.Laiyang Meteorological Bureau of Shandong Province， Laiyang 265200， Shandong， China；

2. Meteorological Bureau of Fushan Region in Yantai City， Yantai 264002， Shandong， China）

Abstract： The 32 soil moisture data from Feb. to Jul. of 2011 collected by automatic soil moisture observation and artificial drying and weighting method was comparatively analyzed. Taking the artificial data as accurate value， the first 20 comparative observation data in Feb. to May was applied for stepwise regression analysis to obtain correction equation of measured value. Then the 12 comparative observational data in June and July was applied to verify the correction equation. The results showed that the data of some soil layer observed by DZN1 soil moisture automatic observation instrument was standard without correction， while of other layers could achieve the standard by correction； the correction effect was obvious. This work could provide reference for equipment manufacturers and daily business to revise this type of instrument.

Key words： type DZN1； soil moisture； automatic observation data； correction

土壤水分自動(dòng)觀測儀正逐步應(yīng)用到土壤濕度日常監(jiān)測業(yè)務(wù)，為獲得滿意的探測數(shù)據(jù)，近年來人們對(duì)土壤水分自動(dòng)觀測方法和儀器進(jìn)行了深入研究，比如張力計(jì)、射線法、電阻法、熱擴(kuò)散法、探針式電容測量法、時(shí)域反射法及此次對(duì)比觀測使用的頻域反射技術(shù)[1]，這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，就目前情況看各型自動(dòng)儀都存在一定誤差[2-4]。山東省萊陽市氣象局安裝的DZN1型土壤水分自動(dòng)觀測儀是一種性能優(yōu)良的觀測儀器，該儀器安裝后經(jīng)過2011年上半年的自動(dòng)與人工對(duì)比觀測可以看出：自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)一直較大，在土壤含水量明顯下降時(shí)，自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)下降的幅度也很?。辉谕寥篮枯^大時(shí)，人工測值與器測值接近。在土壤水分觀測中，干旱的監(jiān)測對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大，不進(jìn)行器測值的訂正達(dá)不到監(jiān)測干旱的目的，因此，訂正是非常必要的。

1 材料與方法

1.1 資料來源

研究所采用的資料為2011年2月23日至2011年7月28日土壤未凍結(jié)時(shí)期，每旬逢三、逢八（每月3日、8日、13日、18日、23日、28日）8：00人工測得的各土層[（0～10）、（10～20）、（20～30）、（30～40）、（40～50）、（50～60）、（70～80）、（90～100） cm]的土壤體積含水量及同時(shí)段對(duì)應(yīng)土層自動(dòng)站獲得的土壤體積含水量數(shù)據(jù)（各土層分別簡稱為10、20、30、40、50、60、80、100 cm土層）及山東省萊陽市氣象局測得的10、20、40、80 cm地溫?cái)?shù)據(jù)（10 cm土層用10 cm地溫，20 cm土層用20 cm地溫，30 cm土層用20 cm及40 cm土層的平均地溫，50 cm土層用40 cm地溫，60 cm土層用40 cm及80 cm土層的平均地溫，100 cm土層用80 cm地溫）。共進(jìn)行32次對(duì)比觀測。

1.2 分析方法

假定采用烘干稱重法人工所測的土壤體積含水量為準(zhǔn)確值，用前期2-5月測得的20個(gè)對(duì)比觀測樣本，計(jì)算各層人工觀測數(shù)據(jù)與器測數(shù)據(jù)x、x1/3、x1/2、x2、x3、x上、x下、地溫t、組合因素x/1.012t[5]、x下/1.012t的相關(guān)系數(shù)（x上、x下為某層土壤的相鄰上一層、相鄰下一層土壤的體積含水量器測值，x/1.012t是考慮到土壤電導(dǎo)率與地溫成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即地溫每升高1 ℃土壤電導(dǎo)率約增大1.2%而建立的組合因素），目的是發(fā)現(xiàn)與某層土壤體積含水量密切的因素。用前期20個(gè)樣本建立各層土壤體積含水量與同層器測數(shù)據(jù)x的線性訂正方程；以及用x、x1/3、x1/2、x2、x3、x上、x下、地溫t、組合因素x/1.012t、x下/1.012t等因素，采用逐步回歸分析建立土壤體積含水量的非線性訂正方程。用另外2個(gè)月（6、7月）的12次對(duì)比觀測樣本，對(duì)未經(jīng)訂正、經(jīng)同層器測值x線性訂正、多因素非線性訂正的訂正效果進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)指標(biāo)是：平均絕對(duì)誤差、最大誤差、訂正后的值與人工測值之間相差≤5、≤10、≤15的次數(shù)占總次數(shù)的比率[以平均絕對(duì)誤差（多次觀測誤差絕對(duì)值的平均值）≤6為達(dá)標(biāo)]。對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，得到最佳訂正方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)分析

用32個(gè)對(duì)比觀測樣本計(jì)算每個(gè)土層人工觀測數(shù)據(jù)與同層器測數(shù)據(jù)x、上下層器測數(shù)據(jù)x上、x下及x1/3、x1/2、x2、x3、地溫t、組合因素x/1.012t、x下/1.012t的相關(guān)系數(shù)。由表1可知，各土層人工測值與同層器測值x、x1/3、x1/2、x2、x3的相關(guān)系數(shù)都較大，與地溫t的相關(guān)系數(shù)都較小，30、40、50 cm土層與x/1.012t、x下/1.012t的相關(guān)系數(shù)較大。

2.2 土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)訂正效果的分析

用前20個(gè)樣本建立了同層器測值的線性訂正方程和非線性訂正方程，再用后12個(gè)對(duì)比觀測樣本對(duì)各方程進(jìn)行效果驗(yàn)證。由表2可知，10 cm探頭性能較好，同層土壤體積含水量器測值x的線性訂正效果最好；其次是非線性訂正（因素有10 cm器測值x上和同層器測值x3，相關(guān)系數(shù)0.881，剩余方差為1）；未訂正效果最差。三者都能達(dá)標(biāo)，滿足了業(yè)務(wù)服務(wù)使用要求。

由表3可知，20 cm探頭性能較好。該層器測值的線性訂正及非線性訂正效果相仿，都好于未訂正（非線性方程的因素是x1/3、x上，相關(guān)系數(shù)為0.792，剩余方差為2），訂正后都達(dá)標(biāo)，未訂正時(shí)不達(dá)標(biāo)，線性訂正較穩(wěn)定，非線性訂正有一次明顯錯(cuò)誤。

由表4及資料分析可知，30 cm土層未經(jīng)訂正已達(dá)標(biāo)。該層器測值不經(jīng)訂正不適用于干旱時(shí)期，在干旱時(shí)段誤差太大。該層器測值的線性訂正效果最差，不達(dá)標(biāo)；非線性訂正達(dá)標(biāo)，在干旱時(shí)段較適用，土壤濕度較大時(shí)，誤差較大（非線性方程的因素是x/1.012t，相關(guān)系數(shù)為0.792，剩余方差為2）。如果先用非線性方程進(jìn)行訂正，把計(jì)算值小于21作為干旱時(shí)期，大于21作為非干旱時(shí)期，干旱時(shí)期用非線性方程訂正，非干旱時(shí)期直接用器測值，則平均絕對(duì)誤差為3.5，這種處理效果更好。

由表5及資料分析可知，40 cm土層器測值未經(jīng)訂正不達(dá)標(biāo)，且干旱時(shí)期誤差最大，該層器測值的線性訂正達(dá)標(biāo)，干旱時(shí)誤差較大，非線性訂正誤差較大、不達(dá)標(biāo)，但干旱時(shí)期誤差較小（非線性方程的因素是x/1.012t，相關(guān)系數(shù)為0.699，剩余方差為3）。未訂正及線性訂正較適用于非干旱時(shí)期，非線性訂正較適用于干旱時(shí)期。如果先用非線性方程進(jìn)行訂正，把計(jì)算值小于21作為干旱時(shí)期，大于21作為非干旱時(shí)期，干旱時(shí)期用非線性方程訂正，非干旱時(shí)期直接用器測值，則平均絕對(duì)誤差為3.6，效果更好。

由表6及資料分析可知，50 cm土層與40 cm土層的情況相似，未訂正時(shí)不達(dá)標(biāo)，線性訂正達(dá)標(biāo)，非線性訂正不達(dá)標(biāo)（非線性方程的因素是x/1.012t，相關(guān)系數(shù)為0.729，剩余方差為3），未訂正及線性訂正較適用于非干旱時(shí)期，非線性訂正較適用于干旱時(shí)期。和40 cm土層一樣，如果先用非線性方程進(jìn)行訂正，把訂正值小于21作為干旱時(shí)期，大于21作為非干旱時(shí)期，干旱時(shí)期用非線性方程訂正，非干旱時(shí)期直接用器測值，則平均絕對(duì)誤差為3.6，效果更好。

由表7及資料分析可知，60 cm土層與50 cm土層、40 cm土層的情況相似，未訂正時(shí)不達(dá)標(biāo)，線性訂正達(dá)標(biāo)，非線性訂正不達(dá)標(biāo)（非線性方程的因素是x/1.012t，相關(guān)系數(shù)為0.746，剩余方差為3），未訂正及線性訂正較適用于非干旱時(shí)期，非線性訂正較適用于干旱時(shí)期。如果以器測值小于35作為干旱時(shí)期，大于35作為非干旱時(shí)期，干旱時(shí)期用非線性方程訂正，非干旱時(shí)期直接用器測值，則平均絕對(duì)誤差為3.4，效果更好。

由表8可知，80 cm土層未訂正不達(dá)標(biāo)，線性訂正及非線性訂正達(dá)標(biāo)，兩者訂正效果相近，都較好。

100 cm土層土壤濕度一直較大，未訂正及線性訂正效果都較好，平均絕對(duì)誤差都小于2.5，最大誤差小于6。但是出現(xiàn)干旱時(shí)，使用效果可能較差。

3 小結(jié)與討論

由上述分析可知，10、30、100 cm土層未經(jīng)訂正即可達(dá)標(biāo)，10、20、40、50、60、80 cm土層土壤體積含水量的線性訂正優(yōu)于未訂正，所有土層經(jīng)訂正后均達(dá)標(biāo)。自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)一直較大，在土壤含水量明顯下降時(shí)，自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)下降的幅度也較小，因此，在土壤含水量較大時(shí)，人工測值與器測值接近；在干旱期人工測值與器測值相差較大，此間非線性訂正效果較好。該訂正方法尚處于試用階段，低濕度樣本較少，非線性訂正的優(yōu)勢未能表現(xiàn)。

上述對(duì)比觀測樣本都是在土壤未凍結(jié)的情況下獲得的，在土壤凍結(jié)時(shí)訂正方程不適用。觀測表明，當(dāng)土層凍結(jié)時(shí)，器測值較未凍結(jié)時(shí)下降。研究以人工測值為準(zhǔn)確值進(jìn)行分析計(jì)算，觀測表明，在該地塊同層次不同測點(diǎn)的土壤質(zhì)地不同，使得土壤濕度與探頭處不盡相同，造成體積含水量有一定差別，因此對(duì)計(jì)算分析有一定影響。由于樣本較少，特別是無極端旱、澇樣本，影響了訂正方程的可靠性、穩(wěn)定性。對(duì)于訂正方式的改進(jìn)設(shè)想為：針對(duì)器測值與土壤濕度值之間的非線性關(guān)系，待對(duì)比觀測樣本增加后，可將器測值按高、中、低分段建立線性訂正方程，以適用于旱、澇等不同情況。

目前業(yè)務(wù)中采用一元線性方程進(jìn)行標(biāo)定，已經(jīng)取得了較好的效果，但有時(shí)誤差仍較大，為得到更可靠的數(shù)據(jù)，建議針對(duì)不同探頭、不同的對(duì)比觀測數(shù)據(jù)，分類建立線性、非線性或分段線性等不同的訂正方法。

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