基于土壤墑情自動監(jiān)測與人工數(shù)據(jù)對比分析及解決方案探析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局， 遼寧 盤錦 124010)

1 概述

抗旱的重要基礎工作在于對土壤墑情的監(jiān)測，旱情最為主直接表征的指標即為土壤含水量[1]。近些年來，按照國家防汛抗旱指揮部辦公室公布的土壤墑情檢測合格名錄各省份開始安裝自動墑情監(jiān)測站點[2]。遼寧省已初步建成墑情自動監(jiān)測站85處，但從自動墑情監(jiān)測站總體運行情況看，其土含觀測數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)存在一定的誤差，精度及可靠程度不高，很多站點的土含觀測數(shù)據(jù)不能用于區(qū)域旱情監(jiān)測分析[3]。很多研究學者針對自動墑情監(jiān)測站誤差原因進行剖析，其最為主要的原因在于自動墑情監(jiān)測站一般安裝在無耕作措施的土壤圍欄內，很難對大田真實含水量進行有效測定，需要通過建立自動墑情站監(jiān)測土壤含水量和人工實測的大田含水量之間的回歸方程，對其測定的誤差進行校準分析，從而提高自動墑情監(jiān)測站的土含測定精度[4]。當前，對于自動墑情監(jiān)測站誤差校準得到學者的關注和研究，

哈建強[5]以滄州地區(qū)為例，對區(qū)域土壤墑情時間變化規(guī)律進行研究，對不同作物方式下的土壤墑情監(jiān)測規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。楊威[6]對遼寧省自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)誤差成因及解決方法進行了探討，提出了減小自動墑情監(jiān)測站環(huán)境和人工墑情監(jiān)測等誤差的方法。王德維[7]土壤墑情自動監(jiān)測與人工烘干法進行比測研究，分析結果表明機測的含水量與土壤實際含水量相關性很好。馬尚賢[8]采用"人工造墑"的方式對自動墑情監(jiān)測儀器公式進行標定，結果表明30組比測數(shù)據(jù)絕對誤差均小于±4%，達到規(guī)范規(guī)定要求。祖佳[9]對土壤墑情自動測報系統(tǒng)進行分析，表明壤墑情自動測報系統(tǒng)將是未來墑情觀測的發(fā)展方向。鄧超[10]介紹了土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)比測方法，通過比測表明數(shù)據(jù)合格率為85.7%,大于80%的要求。以上研究表明土壤墑情自動監(jiān)測是未來墑情監(jiān)測的趨勢和發(fā)展方向，但需要通過比測方法對自動墑情監(jiān)測站觀測誤差進行校準[11]。近些年來，鐵嶺地區(qū)已經布設一批土壤墑情自動監(jiān)測站，顯著提高了區(qū)域墑情觀測的自動化水平，但在實際應用，土含自動觀測的精度還難以滿足標準要求，為提高鐵嶺地區(qū)墑情觀測精度，本文以鐵嶺王寶慶自動墑情站點為實例，對其墑情自動觀測誤差進行校準分析[12]，研究成果對于鐵嶺其他站點誤差校準具有參考價值。

2 誤差校準方法

對自動墑情監(jiān)測站觀測的土壤含水量數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)進行回歸分析，并基于最小二乘方法建立回歸方程：

θv=av2+bv+c

(1)

式中θv為墑情自動觀測站監(jiān)測的土壤含水率，%；v為探針電壓輸出值，V；a,b,c為回歸系數(shù)。結合建立的回歸方程，對土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行誤差校準，當校準的誤差值低于±5%，認定滿足墑情觀測的標準要求，誤差計算方程為：

(2)

式中xi為自動墑情站采集的不同深度(20 cm、30 cm)的土壤含水率,%；ai為比測分析中同一深度下人工采集分的土壤含水率,%；N為對比觀測數(shù)據(jù)采集的次數(shù)。

3 實例應用

3.1 比測分析方法

在野外進行比測觀測試驗時，采樣環(huán)刀等設備對王寶慶站土壤墑情監(jiān)測站點原狀土進行現(xiàn)場采集，土樣孔隙度要與土壤樣品保持一致，土壤樣品在實驗室浸泡飽和后進行晾曬，土壤含水率由高逐步向低遞減或者采集含水量不同的樣本，對不同含水量下土壤樣本的監(jiān)測信號進行測定，同步采用人工烘焙方法對采集的土樣進行含水量的稱重。對于監(jiān)測設備不能直接查看信號，需要將儀器觀測的土壤水數(shù)據(jù)進行公式轉換成對應的信號數(shù)值，現(xiàn)場率定時需要對不同信號下采集的土壤含水量狀態(tài)以及對應的土壤含水量在一次較大降水后進行比測分析，若降水量不夠滿足試驗條件，則可以采用人工浸泡方式對土壤飽和狀態(tài)下自動監(jiān)測站觀測的信號數(shù)值進行分析。

在進行比測分析時，觀測試驗組數(shù)一般不低于10組，觀測的數(shù)據(jù)點需要均勻分布在率定曲線上，覆蓋含水量的高低變化過程。誤差分析的采集數(shù)據(jù)需要良好的代表性和可靠度。率定曲線和數(shù)據(jù)點偏離度需要合理范圍內?？梢蕴蕹x度較大的數(shù)據(jù)異常點，不能增加數(shù)據(jù)值為0的點進行分析。在采樣時需要采用環(huán)刀對不同深度的2～3個土壤樣本進行采集，對不同土壤容重進行均值計算，作為試驗土壤的容重均值，該指標的準確度對誤差率定曲線具有較大程度影響，土壤容重應采用人工烘焙方法進行精準測定。將對應深度下含水量測定數(shù)據(jù)和干容重進行折算得到含水量體積，再同監(jiān)測信號進行誤差率定。率定的公式需要在1～2 a后與人工烘干方法進行比測分析，若比測偏差較大則需要重新率定，對原率定公式進行替換。

3.2 比測數(shù)據(jù)相關性分析

對鐵嶺王寶慶自動墑情站的誤差率定曲線進行分析，在進行體積含水量轉換后，結合人工烘焙方式下的土壤含水量數(shù)據(jù)進行相關性分析，不同深度(20 cm、30 cm)比測數(shù)據(jù)相關分析結果見表1。

表1 人工烘焙方法和土壤墑情觀測分析不同深度含水量相關性分析結果

從相關性分析結果可看出，隨著取土深度的增加，比測分析下人工觀測的土壤含水量和自動觀測的土壤含水量相關系數(shù)逐步減小，相比于土壤含水量瞬時值，采用日均值處理后由于均化效應，使得其比測相關性提高。此外不同深度下比測相關系數(shù)高于同一深度下的相關系數(shù)， 可見深度對于比測含水量相關度影響程度較低。

3.3 比測誤差分析

在相關性分析的基礎上，統(tǒng)計分析不同深度下比測誤差(見表2)。

表2 不同深度土壤含水量比測誤差分析結果 %

比測誤差隨著深度增加而逐步遞增，采用均化處理后的土壤含水量比測誤差有所降低，相比于均化處理前，20 cm和30 cm深度下比測誤差降低超過9%。此外從各深度比測誤差分布可看出，2種深度下的比測存在一定的系統(tǒng)誤差。

3.4 誤差率定曲線

結合最小二乘原理對各深度下的誤差率定回歸方程進行分析，各深度下誤差率定回歸方程為：

20 cm深度下：

y=-1.024 8x+23.289

(3)

30 cm深度下：

y=-0.483 2x+16.824

(4)

在誤差率定方程中x和y分別為自動監(jiān)測站觀測含水量和修正后的含水量。結合2個深度下的誤差率定曲線可以對鐵嶺寶慶自動墑情站點的土壤墑情進行誤差校準，鐵嶺其他自動墑情監(jiān)測站點也可結合該方法進行誤差校準。

3.5 率定公式精度對比

各誤差率定方程的回歸次數(shù)可直接影響土壤墑情自動監(jiān)測站的誤差校準精度，為此本文對不同率定方程的精度進行對比分析(見表3)。

隨著回歸次數(shù)的增加誤差逐步遞減，鐵嶺地區(qū)適合采用一元三次方程進行誤差率定回歸方程的建立，但考慮增加回歸方程的次數(shù)，則對樣本數(shù)據(jù)系列的長度要求也將增加。因此在進行比測分析初始階段，建議采用一元一次方程進行誤差率定回歸方程的建立，隨著比測分析數(shù)據(jù)的逐步增多，可以通過轉換誤差率定方程的回歸次數(shù)，提高自動墑情站點土壤含水量的監(jiān)測精度。

表3 回歸方程次數(shù)對誤差率定精度影響分析結果

4 常見問題解決方案

本文對誤差修訂回歸方程建立的常見問題進行解決方案的分析，具體解決方案分別為：

1)在墑情站點建設初期，由于比測分析的數(shù)據(jù)較少，誤差修訂方程很難建立，因此，可通過日均值方法對比測分析的土壤含水量進行處理，對不同深度下誤差進行校準，可實現(xiàn)土壤含水量觀測精度的提高；

2)誤差率定回歸方程需要大量的比測分析數(shù)據(jù)作為支撐，由于站點運行初期比測分析數(shù)據(jù)量較少，很難滿足墑情觀測的標準精度要求，因此,可采用相鄰站點的土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比測分析，實現(xiàn)墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)誤差校準，從而滿足不同階段的土壤墑情監(jiān)測站點的誤差標準要求。

5 結語

1)在王寶慶自動墑情監(jiān)測站運行初期，可采用日均處理方式實現(xiàn)其誤差精度的改善，通過比測分析，采用日均處理方式下，不同觀測深度下比測相關系數(shù)均可提高0.15以上；

2)通過誤差率定方程可實現(xiàn)土壤墑情自動監(jiān)測站的誤差校準，通過1個站點的誤差率定方程的建立，也可用于其相鄰站點的墑情自動監(jiān)測的誤差校準，從而解決類似站點建設初期由于比測數(shù)據(jù)較少精度難以滿足標準要求的難題。