ZY1700型土壤水分自動觀測儀結構及標準值校準方法

李翔 羅宇昂 張曦

摘要：文章闡述了ZY1700型區(qū)域土壤水分自動觀測儀的系統(tǒng)組成結構，對觀測儀的溫濕度、氣壓、雨量、輻射、風向、風速傳感器做了詳細介紹，同時對獲取區(qū)域土壤水分標準值及標定參數(shù)的算法進行了詳細闡述，為儀器的正常運行提供參考。

關鍵詞：土壤水分觀測儀;傳感器;結構;標準值

0引言

土壤水分是水循環(huán)、能量循環(huán)和生物地球化學循環(huán)中的基本組成部分，它作為地氣系統(tǒng)中陸地表面與大氣相互作用的關鍵因子，在植被的蒸散發(fā)以及光合作用過程中起著決定作用，在水文、生態(tài)、氣候和農業(yè)等領域都具有十分重要的意義。土壤水分的時空分布與變化顯著影響著陸地和大氣之間的熱量平衡、大氣環(huán)流以及土壤溫度變化，對于區(qū)域甚至全球氣候的改善、干濕情況的預測等科學研究都具有重大意義。傳統(tǒng)土壤水分測量方法實現(xiàn)單點、自動、連續(xù)、精確監(jiān)測，但監(jiān)測尺度?。?㎡內），代表性差，難以得到土壤水分區(qū)域分布信息，無法完全反映土壤水分的空間變異性。應用于更大尺度時，通常需要進行分布式野外采樣或者布設傳感器網(wǎng)絡，然后再利用空間插值等方式將數(shù)據(jù)擴展到所需空間尺度，具有不確定性，而采樣點和傳感器布置不合理也會造成宏觀誤差。ZY1700型區(qū)域土壤水分自動觀測儀是根據(jù)基于近地面環(huán)境自然存在的宇宙射線與較大面積內土壤水分的關系，通過專門設計的區(qū)域土壤水分傳感器，經(jīng)過數(shù)學模型計算出土壤水分，利用空氣溫度、相對濕度等輔助傳感器對結果進行修正，實現(xiàn)了最大直徑約700米范圍內土壤水分的直接測量，不受土壤質地、鹽度等因素影響，能夠應用于土壤水分測量、衛(wèi)星反演驗證、旱情預報、相關科學研究等領域。

1系統(tǒng)組成

ZY1700型區(qū)域土壤水分自動觀測儀由硬件和軟件兩部分組成。軟件為采集器嵌入式軟件;硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)、外圍設備（支架、機箱、避雷針）等部分，其中傳感器包括區(qū)域土壤水分傳感器以及空氣溫度、空氣相對濕度、氣壓、雨量、風向、風速、總輻射傳感器。

1.1溫濕度傳感器

HYHMP155A溫濕度傳感器具有可靠的濕度和溫度測量功能，適合于各個環(huán)境。溫度測量基于鉑電阻傳感器。溫濕度傳感器位于探頭的頂端，由一個燒結的聚四氟乙烯過濾器保護。內部經(jīng)過RS-485轉換進行數(shù)字輸出。

1.2氣壓傳感器

PTB210型氣壓計是一款專為戶外惡劣環(huán)境設計使用的高性能大氣壓力傳感器，可用于寬溫度量程內的測量。該傳感器使用的是BAROCAP硅電容絕對壓力傳感器，提供卓越的滯后和可重復性，以及突出的溫度和長期穩(wěn)定性。PTB210集成了SPH10/20系列靜壓頭，保證了其在所有風況條件下都可以進行精確測量。

1.3雨量傳感器

SL3-1型翻斗式雨量傳感器適用于氣象站、水文站、農業(yè)、林業(yè)等有關部門用于測量液體降水量、降水強度，儀器感應器用二芯電纜連接，輸出機械觸電信號（干簧管）。

1.4總輻射傳感器

ZYS510總輻射傳感器用來測量光譜范圍為0.28-3.0μm的太陽總輻射，可廣泛應用于氣象、農業(yè)、太陽能利用及大氣污染等部門。該傳感器為熱電效應原理，感應元件采用繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點在感應面上，而冷接點則位于機體內，冷熱接點產生溫差電勢。在線性范圍內，輸出信號與太陽輻照度成正比。為減小溫度的影響則配有溫度補償線路，為了防止環(huán)境對其性能的影響，則用兩層石英玻璃罩，罩是經(jīng)過精密的光學冷加工磨制而成。

1.5風速傳感器

EL15-1C風速傳感器是用于測量風速并轉換成電脈沖信號的儀器。該傳感器是利用一個低慣性的風杯部件作為感應部件，其感應部件隨風旋轉并帶動風速碼盤進行光電掃描，輸出相應的電脈沖信號。該傳感器的輸入，輸出端均采用瞬變抑制二極管進行過載保護。外部選用耐腐蝕的材料制作并有噴涂層保護，密封采用迷宮結構和O型環(huán)保護儀器內部的敏感元件不受惡劣環(huán)境的影響。

1.6風向傳感器

EL15-2C風向傳感器是用于測量風的水平風向的專業(yè)氣象儀器。該傳感器由風向標部件，殼體和插座等主要部分所組成，該傳感器的輸入、輸出端均采用瞬變抑制二極管進行過載保護。外部零件選用耐腐蝕的材料制造并有噴涂層保護，密封采用迷宮結構和O型環(huán)保護儀器內部的敏感元件不受惡劣環(huán)境的影響。

2標定方法

2.1校準條件

設備穩(wěn)定運行12小時以上，并且期間沒有雨雪、灌溉等顯著影響土壤水分變化的情況下，方可進行取土標定。原則上只需要標定一次，但是為減小操作不當?shù)纫氲恼`差，提高標定參數(shù)的質量，可進行3～5次的取樣標定，選取所有標定參數(shù)中的最佳值。

2.2校準方法

2.2.1獲取區(qū)域土壤水分標準值

本標定方法規(guī)定了區(qū)域土壤水分的獲取方法，具體分為以下3個步驟：

（1）下鉆地點：以區(qū)域土壤水分自動觀測儀為圓心，在大約1m附近東西取2個采樣點，分別半徑大約50m、150m和300m的圓周上每隔60°選取一個點，共計20個點。（特殊場地3個圓周半徑可按照[25m、75m、200m]、[15m、75m、175m]、[5m、25m、75m]處理）。

（2）取樣深度：每個下鉆點分別取5cm、10cm、20cm、35cm四個深度，由淺入深，順序取土。

（3）烘干稱重：按照烘干稱重法處理土樣，得到80個土壤重量含水率值，按照如下公式估算可測深度D（cm），所有深度在D以上的土樣重量含水率的算術平均值即區(qū)域土壤水分標準值。

其中，D為有效測量深度，SM為土樣重量含水率算術平均值，為土壤容重（一般按1.5g/m3計算）。

2.2.2標定參數(shù)計算

烘干稱重法獲得區(qū)域土壤水分值后，可通過計算公式得到標定參數(shù)：

其中即標定參數(shù);a0、a1、a2為常數(shù)，分別為 0.0808、0.372、0.115;SM為區(qū)域土壤水分標準值;N為取土時過去12小時中子數(shù)的平均值。

3結束語

ZY1700型區(qū)域土壤水分自動觀測儀是一套集區(qū)域土壤水分、空氣溫度、相對濕度、氣壓、雨量、風向、風速、總輻射等多種監(jiān)測要素為一體的自動化觀測系統(tǒng)，對衛(wèi)星遙感地面驗證、防旱減災、山洪地質災害防治、墑情變化、旱情影響評估等方面具有重要應用價值，能夠滿足農業(yè)氣象、生態(tài)氣象、土壤研究等領域的氣象觀測需求。

參考文獻

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