农业信息采集与处理-土壤信息的采集与处理

土壤信息的采集与处理目录0102土壤含水量的监测土壤养分成分的监测03智能化农田节水灌溉监控系统01土壤含水量的监测土壤信息的采集与处理TDR土壤水分测定系统负压计土壤湿度监测系统中子土壤湿度仪

电阻/电容式土壤湿度监测系统FDR土壤水分测定系统土壤水分遥感监测土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统TDR系统类似一个短波雷达系统通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来测定土壤介电常数，进而计算整个探针长度土层土壤平均体积含水量可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关无需埋设中子管缺点是仪器价格昂贵TDR法的特点土壤信息的采集与处理TDR系统的组成输出幅度稳定、频率可调（20MHz～1GHz）的系列阶跃脉冲信号。显示器并实现脉冲幅度和脉冲延迟时间的测量。输出时标脉冲，控制阶跃脉冲产生器与接收器同步，以便在显示器上显示和测量。应用脉冲调制技术，将接收到的高频反射脉冲信号变换为低频脉冲信号，送往示波器显示、测量。一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统土壤信息的采集与处理将长度为L的波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，并在探头周围产生一个电磁场，由于波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。检测脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。TDR监测土壤水盐的原理一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统土壤信息的采集与处理常见的TDR土壤水分测定系统有Trase土壤水分测定系统、Trime土壤水分测定系统等。不同型号的TDR土壤水分测定系统通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不同长度的波导探头可供选择。可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量,剖面湿度最深可达3m。如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测。TDR土壤水分测定系统的应用一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统土壤信息的采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统土壤含水量与毛管力之间具有一定的函数关系，毛管力变化能够反映土壤含水量变化。负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况。一、土壤含水量的监测土壤信息的采集与处理负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。陶瓷杯埋于所测的土壤中，负压计内部的水分通过陶瓷杯上的微孔同土壤水分进行交换而使内外水势渐趋平衡，由于水分渗入和渗出使负压计读数发生变化，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。（二）负压计土壤湿度监测系统一、土壤含水量的监测土壤信息的采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统负压计结构简单、易于制造、价钱便宜、使用方便，可以在不同测点多处埋设，可进行连续多次观测。但需要提前测定土壤水分特性曲线来换算土壤含水量，安装前要注水除气、密封和标定，需要1～2d的土壤吸力平衡过程才能正常观测。测试土壤吸力范围为0～0.86×105Pa，土壤干燥、吸力大于0.86×105Pa时会使陶瓷杯击穿，因而不适合于干旱土地，适用于灌溉地、喷灌和滴灌田。同时，负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差，观测结果具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况。一、土壤含水量的监测土壤信息的采集与处理（三）中子土壤湿度仪

利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出土壤含水量。土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。一、土壤含水量的监测土壤信息的采集与处理（三）中子土壤湿度仪

中子仪由探头和计数器组成。探头由快中子源和一个三氟化硼慢中子检测器组成。计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预设的测量孔某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即可测定不同深度土层的土壤含水量，可测量多达30m深的土壤剖面含水量。一、土壤含水量的监测土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（三）中子土壤湿度仪

中子仪法的特点是能快速、周期性的反复测定深层土壤含水量而不破坏土壤，但当土壤有机质含量高时测定精度差，且仪器价格较贵，需要提前埋设铝管，导致设备成本较高，同时30cm表土层因辐射危害健康，需要采用其它方法测定。目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度。测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性。根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度。受土壤盐分的影响较小。电阻式土壤湿度传感器电容式土壤湿度传感器土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统如石膏块土壤水分测定系统，通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。石膏块永久埋入土壤中，寿命为3～5年，适用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围3～100kPa。土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（五）FDR土壤水分测定系统FDR频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数,从而得到土壤容积含水量。FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点，在土壤干旱条件下测定结果误差小于TDR。FDR的探针类似于TDR。Thetaprobe土壤水分测量系统，其传感器测量范围是5%～55%的体积湿度，精确度为2%。土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（六）土壤水分遥感监测

利用卫星遥感监测土壤水分的方法具有宏观、高时效、经济、视野广、周期快和动态条件好等特点。成为区域性土壤水分和农作物干旱监测与评估的重要手段。遥感技术可以迅速、大面积与多时相地获得地面信息，且具有简便、不破坏环境的特点，而且其监测点点俱到,较容易画出土壤不同含水量区域之间的界线，便于对不同含水量区域面积的统计和分析，已成为一种监测土壤含水量的全新方法。土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（六）土壤水分遥感监测

若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分植物反射和土壤反射光谱，找出土壤含水量与多谱段反射率的关系，确定土壤含水量。裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法获取的热图像数据推算地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用NOAA—AVHRR数据探测土壤水分。土壤养分成分的监测02土壤信息的采集与处理二、土壤养分成分的监测（一）土壤养分的连续流动分析连续流动分析技术（Continuous-Flow

Analysis-CFA）将样品显色与检测合为一体，使浸提样品的检测效率成倍提高。德国布朗卢比公司推出的AutoAnalyzer

3系统，由自动进样器、蠕动泵、化学分析盒、检测器和计算机等5个独立部分组成。土壤信息的采集与处理（一）土壤养分的连续流动分析能进行在线消解、在线溶剂萃取、在线蒸馏、在线过滤、氧化还原、在线离子交换、自动稀释、自动进样，WINDOWS下全计算机自动系统控制软件，结果自动报表打印，多功能化学分析盒，高低量程转换，不用装电子除气泡装置。大量应用于海水、自来水、地表水、污水、烟草、土壤、植株、肥料、食品等样品的自动检测。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（一）土壤养分的连续流动分析二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（二）土壤养分成分监测——ISFET法化学量传感器是继物理量传感器之后兴起的另一类传感器。化学量传感器的传感对象包括离子与分子。离子传感器是能把溶液中离子活度转换为电位或电流等电信号的传感器。离子传感器的基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电流的改变。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（二）土壤养分成分监测——ISFET法ISFET（IonSensitiveFieldEffectTransistor）即离子敏场效应晶体管或称离子选择性场效应管是常见的离子传感器。ISFET是由ISE敏感膜和MOSFET场效应晶体管组合而成的、对离子具有一定选择性的新型半导体器件，能在被测离子作用下产生相应的漏—源电流IDS，以显示该种离子的浓度。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（二）土壤养分成分监测——ISFET法其离子的主要探测元件为固态或液态的离子敏感膜，选择不同的敏感膜，可以测定不同的离子浓度。ISFET主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl－、F－、Br－、I－、CN－、Ag+、S2－、NH4+等几种。也可以将H＋、K＋、Na＋、Cl－等离子敏感膜集成在一个芯片上，通过模拟开关使4个ISFET输出信号，分别测定离子的浓度。对于土壤营养监测来说，ISFET器件的技术关键是在于离子选择性敏感膜的研制。可以将多ISFET传感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系统中进行土壤营养成分的监测。也可以用ISFET连续检测土壤pH值。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（三）土壤养分测试仪如国产土壤养分测定仪TPY-6，可测定土壤速效氮、速效磷、有效钾、全氮、全磷、全钾、有机质含量、土壤酸碱度及土壤含盐量（定量）等指标，具有存储和打印功能。国内外已研制出适宜于野外使用的众多型号的土壤养分和肥料快速测定设备。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（三）土壤养分测试仪国外生产的Rqflex便携式反射光度计——土壤养分测定仪，利用反射分光光度计原理，用于多种有机物质和无机离子的快速测定，测试的种类包括氨态氮、硝态氮、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、硫酸盐、钙、氯、铬、钴、铜、铝、铁、铅、镁、锰、钼、镍、过氧化物、pH、酒石酸、甲醛、维生素C、葡萄糖等。可在原地实时测量，数据随机存贮，可方便用户即时决策。仪器主要包括显色试纸、含仪器校正和控制功能的条形码、反射光度计表头三个部分二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（三）土壤养分测试仪利用可见和近红外光谱技术，结合数据挖掘和融合技术，研制而成的光谱法土壤养分分析仪，是一种新型土壤养分快速测试分析方法，不破坏样品，不需要化学试剂，不需要前处理，即可实现了土壤养分的实时快速测试。可以测试土壤、肥料、植株中全量的和速效的氮、磷、钾；有机质和酸碱度，可溶性含盐量以及腐殖酸的含量二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（四）土壤盐分的监测大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率的专门仪器。土壤电导率数据包含了土壤含盐量、土壤水分、有机质含量、土壤压实度、质地结构、空隙度等土壤理化信息。接触式土壤电导率传感器是一种电极式传感器，采用电流－电压四端法，将恒流电源、电压表、电极和土壤构成回路，用车辆牵引并集成GPS系统，用于测定土壤电导率。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（四）土壤盐分的监测如美国的Veris公司的Veris3100大地电导仪，有6个犁刀式电极，用车辆牵引并集成GPS系统，可同时获得0～30.5cm和0～91.5cm的土壤电导率，每隔1s记录一组数据，记录在闪存中，经过配备的专门数据处理与分析软件，就可得到农田土壤电导率分布图。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（四）土壤盐分的监测非接触式土壤电导率传感器，如加拿大Geonics公司的EM38大地电导仪，重量较轻，长度也仅1m，能以极好灵敏度快速地进行勘查。主其要工作原理是在电导仪后端有一个小型发射线圈，它可以产生一个随时间变化的初级磁场，这个磁场在大地中诱导出微小电子涡流，而其前端有一个小型接受线圈，这个接受器既接受发射线圈产生的磁场，又接受由初级磁场诱导出的次级磁场，通过测量诱导出的次级磁场来测量大地电导率。其主磁场强度和副磁场强度比值与电导率呈线性关系。二、土壤养分成分的监测土壤信息的采集与处理（四）土壤盐分的监测正常进行测定时，只要把仪器放在地上，就可记录土壤含盐量。也可以把它安装在木制滑桥上，以步行速度在地上拖着走，并用DSA70数采将数据上连续记录下来，（大约每隔0.3m记一次数），在一小时以内记下3000个数