自动土壤水分监测系统的设计与实现

自动土壤水分监测系统的设计与实现

对农业生产过程中壤水分变化的研究土壤含水量是土壤的之一。这是水平衡的一个组成部分。植物水的主要直接来源是植物的生理活动。经常进行土壤水分状况的测定,掌握其变化规律,对农业生产实时服务和理论研究都具有重要意义。由于自动土壤水分传感器在实际测量过程中受到土壤质地、容重、安装结合紧密度等因素的影响,按照《自动土壤水分观测规范》的要求,在正式业务运行之前,需要进行业务化检验,包含土壤物理常数的测定、设备运行情况的分析、传感器订正参数的校准,通过检验合格后,才能投入业务运行。1土壤水分物理常数测定的必要性本文介绍的自动土壤水分观测仪型号为DZN3型,由中国华云技术有限公司生产,是一种利用频域反射法原理来测定土壤体积含水量的自动化测量仪器。土壤物理常数主要包含土壤容重、田间持水量和凋萎系数,作为土壤的重要指标,是计算土壤含水量的重要参数,3项常数测定的准确与否将直接影响自动观测仪器的准确度。自动土壤水分观测深度为100cm,共计8层传感器,观测范围分0~10cm、10~20cm,20~30cm、30~40cm、40~50cm、50~60cm、70~80cm、90~100cm,由于每层土壤性质不尽相同,因此需要对8层常数全部测定。土壤物理常数严格按照《农业气象规范》的要求测定,由于此项工作技术性较强,因此由各农气站专业技术人员完成相关工作,保证常数的真实、可靠性。测定的土壤物理常数如表1所示。业务化检验过程所需资料统计时间自2011年9月至2013年2月,其中人工观测与自动观测数据样本时间为2012年4月至2012年11月,4月至9月为对比观测阶段,10月至11月为对比检验阶段。2土壤水分的测定评价设备运行情况的一个重要标准是数据到报率情况,它能够直观的反应设备整体运行的稳定性和可靠性。数据到报率采用公式(1)计算。按照这种方法对宝坻(54525)和武清农科院(A2469)两个自动土壤水分观测站自2011年9月1日至2013年2月28日的正点数据进行了逐月统计,统计结果如图1所示。通过图1可以看出,宝坻和武清农科院两站在2011年9月至2013年2月的数据到报率都保持在99.8%以上,到报率较高,目前设备运行稳定,能够满足正式业务运行的要求。3比较自动和人工的差异3.1土壤水分体积含量的人工对比观测进行人工对比取土观测时,须跨越干湿两季,使获得的样本分布均匀、能够代表当地土壤水分含量范围并验证仪器在干湿两季过渡期的适应性。取土以仪器观测的10cm土层体积含水量变化为判断标准,在小于10%、10%~15%、15%~20%、20%~25%、25%~30%、30%~35%和大于35%等7个不同土壤水分体积含量区间进行相应的人工对比观测。原则上每一个土壤体积含水量等级样本数不少于4个,总样本数不少于30个。对各层人工对比观测数据和器测值进行分析比较,利用SPSS和SAS进行统计分析和拟合计算,确定传感器标定参数方程。3.2观测数据的拟合曲线对比分析选取两套自动观测站数据进行对比分析,其中一套通过业务化检验,一套未通过检验,以宝坻站(54525)和武清农科院(A2469)为例,对比观测时间为2012年4—9月,通过对8层自动观测数据与人工观测数据进行对比分析,得到相关拟合曲线,进而确定传感器的订正参数,由于各层数据的相关性不同,因此通过不同的计算方法,得到了不同的拟合曲线方程。图2中E为测量的标准偏差,r为测验的相关系数,r值越大,表示拟合曲线的相关性越好。3.2.1应力-拟合曲线对比观测数据宝坻站8层土壤水分数据拟合曲线如图2所示,图中横坐标表示自动土壤水分测量值,纵坐标表示人工测量值,其中人工与自动测量值样本数量N均为31个,满足对比观测要求样本数量不少于31个的原则。通过对宝坻站8层数据的分析可以看出,各层数据在不同拟合曲线下自动观测数据和人工观测数据呈现的相关性较好,各层拟合曲线均采用0.05显著性水平,置信水平为95%,例如第1层0~10cm数据根据函数y=a[bx/(c+x)]的模型建立,而第3层20~30cm数据根据函数y=a[b+cln(x)]的模型建立,得到的传感器订正参数a、b、c能够满足对比观测的要求。由于各层土壤含水率和土壤性质的不同,这样得到的各层传感器订正函数不同,因此得到的传感器订正参数也不相同。3.2.2土壤水分数据的分析武清农科院站8层土壤水分数据如图3所示,通过对武清农科院站8层数据的分析可以看出,各层数据比较离散,相关性较差,无法确定拟合曲线方图3武清农科院站8层土壤水分数据程和传感器订正参数,因此此站属于业务化检验失败,不能正式业务运行。通过分析可以看出,武清农科院站在人工对比阶段没有严格按照观测规范要求,没有以仪器观测的10cm土层体积含水量变化为判断标准,在7个不同的含水率区间进行对比,导致数据比较离散,不符合对比原则。在确保仪器正确安装与维护的基础上,应严格按照观测规范要求进行对比观测试验,继续对传感器进行标定,直至满足业务化检验标准。3.3比较试验3.3.1业务化对比检验完成数据对比观测后,按照《自动土壤水分观测规范》的要求,还要将人工数据与标定后的自动土壤水分观测站数据进行对比检验。对比检验时间最少是一个月,每层样本数量不少于6次。业务化对比检验标准的评价指标是:人工观测土壤体积含水量值与器测土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差σ小于等于5%。公式(2)中:xi为仪器订正后观测值;N为对比观测次数;σ为人工对比观测土壤体积含水量多次平均值的绝对误差。ai为人工观测值。3.3.2数据读取及读取宝坻站各层数据经过处理之后,得到的拟合曲线相关性较好,满足业务化检验的要求,为了使拟合参数更加准确,使自动测量的数据更能反映土壤水分的实际情况,下面要对拟合方程进行数据对比校验。对比校验时间为2012年10月8日至11月8日,共计一个月,人工观测每层获取7次数据,8层共计56个数据作为数据源。同时读取同时次的自动观测数据。经对比校验之后的曲线如图4所示,从图4中不难看出,检验结果的相关性较好,且σ值均小于5%,符合业务化检验标准,但0~20cm的对比检验结果不如20cm以下的相关性好,可以进一步优化0~20cm传感器的拟合曲线和订正参数。通过对比检验之后,宝坻自动土壤水分观测站(54525)可以正式业务运行。4观测工作的改进建议(1)天津市新建的自动土壤水分观测站,按照本文的方法进行业务化检验,目前只有部分站点通过业务化检验,其余站点还要按照观测规范要求重新进行业务化检验,未通过业务化检验的站点主要是因为数据对比分析失败,仪器损坏导致数据样本不够等,投入业务运行的自动土壤水分观测站将为粮食生产、农业干旱监测预警提供重要的数据支撑。(2)由于部分台站在2012年汛期期间被雨水浸泡,期间正是人工对比观测阶段,这样导致数据样本缺测,未能达到检验要求的样本数量,因此需要重新对比。鉴于这种情况,建议平时要做好自动土壤观测站的维护,定期巡视观测场和仪器设备,检查插管的密闭性,每年还要对自动土壤水分观测仪的传感器、采集器和整机进行现场检查、校验,对防雷设施进行全面检查,对接地电阻进行复测,及时发现可能存在的问题。(3)在对比分析中发现,一部分对比观测数据的可用性较低,无法应用到检验中,因此需要观测人员在今后的工作中严格按照观测规范操作,确保得到准确、可靠的人工观测数据,同时也要排查自动土壤水分观测仪器可能存在故障。已经通