基于頻域反射原理的土壤水分傳感器測(cè)量誤差及測(cè)量方法分析

郭秀明++樊景超++周國(guó)民++丘耘++胡林

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.117

摘要：在蘋(píng)果園進(jìn)行傳感器探針固定時(shí)測(cè)量值的穩(wěn)定性、微小范圍內(nèi)探針的微小移動(dòng)對(duì)土壤水分含量測(cè)量值的波動(dòng)性影響、探針與地面角度與土壤水分含量測(cè)量值之間的關(guān)系及探針插入土壤深度與土壤水分之間的關(guān)系研究。結(jié)果表明：探針在固定位置時(shí)測(cè)量的土壤水分含量比較穩(wěn)定，同一位置點(diǎn)最大的測(cè)量極差為0.18%；在同一微小子區(qū)域內(nèi)，探針的輕微移動(dòng)會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)，同一微小區(qū)域內(nèi)的測(cè)量極差最大為5.13%；探針與地面的角度及探針插入土壤的深度均與土壤水分含量測(cè)量值線性相關(guān)，給出了擬合公式，為一些測(cè)量場(chǎng)景下土壤水分的預(yù)測(cè)提供支持。

關(guān)鍵詞：土壤水分；傳感器；頻域反射原理；預(yù)測(cè)；評(píng)估

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0402-02

收稿日期：2015-08-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃（編號(hào)：013AA102405）；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)智能控制與虛擬技術(shù)團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：CAAS-ASTIP-2015-AII-03）。

作者簡(jiǎn)介：郭秀明（1981—），女，河北滄州人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化。E-mail：guoxiuming@caas.cn。

通信作者：周國(guó)民，博士，研究員。E-mail：zhouguomin@caas.cn。土壤水分是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一，直接影響作物產(chǎn)量及質(zhì)量[1-3]。根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)及土壤的含水量進(jìn)行灌溉是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[4-5]。傳統(tǒng)的“烘干法”比較準(zhǔn)確，但費(fèi)力耗時(shí)，為此研制了很多基于不同原理的土壤水分傳感器，能快速測(cè)量土壤水分含量[6-7]?；陬l域反射原理（frequency domain reflectometry，簡(jiǎn)稱FDR）是常見(jiàn)的一種[8]，傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達(dá)底部后返回，檢測(cè)探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數(shù)的變化通常取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關(guān)系則可計(jì)算出土壤的含水量。

土壤水分傳感器帶有探針的探頭，通過(guò)將探針插入土壤中感知土壤水分含量，然而在實(shí)際使用中FDR傳感器的靈敏度、可靠性、探針插入土壤的角度和深度是否會(huì)影響實(shí)際的土壤含水量等未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，這些都影響使用FDR土壤水分傳感器測(cè)量土壤水分含量的結(jié)果。為了實(shí)際評(píng)定FDR土壤水分傳感器的靈敏性及可靠性，給出其正確詳細(xì)的使用方法及規(guī)范，同時(shí)為一些特殊的測(cè)量場(chǎng)景下土壤含水量的預(yù)測(cè)提供支持。本研究使用基于FDR的土壤水分測(cè)量?jī)xML2X在大田中進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，評(píng)定傳感器在測(cè)量同一個(gè)土壤位點(diǎn)的穩(wěn)定性及差異性，確定在同一位置點(diǎn)測(cè)量土壤水分含量的方法。通過(guò)實(shí)際測(cè)量和回歸分析研究傳感器探針和大田水平面夾角與測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系并確定最準(zhǔn)確的測(cè)量角度。同時(shí)，研究傳感器探針插入土壤的深度和測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系并與實(shí)際的土壤水分含量對(duì)比，確定實(shí)際測(cè)量時(shí)的正確深度。1材料與方法

試驗(yàn)地為北京市一個(gè)普通的蘋(píng)果園，在2015年4月初進(jìn)行。使用ML2X土壤水分傳感器測(cè)量土壤水分含量，采用HH2土壤濕度表和ML2X連接讀取土壤水分含量（圖1）。試驗(yàn)4 d前下過(guò)一場(chǎng)雨，土壤濕度較大。

1.1對(duì)同一位點(diǎn)的測(cè)量方法

在實(shí)際使用中，探針插入的位置固定不變，觀察多次的讀取結(jié)果是否有變化，若有，則根據(jù)波動(dòng)情況決定是否有必要對(duì)同一固定位點(diǎn)進(jìn)行多次讀取以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。針對(duì)此問(wèn)題在蘋(píng)果園的5個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，在每個(gè)位點(diǎn)，將傳感器探針豎直全部插入土壤中保持不動(dòng)，連續(xù)10次讀取土壤含水量數(shù)值，計(jì)算每個(gè)位點(diǎn)的數(shù)據(jù)極差和均方根誤差。

1.2同一微小區(qū)域土壤水分含量測(cè)量方法

在同一連續(xù)微小子區(qū)域內(nèi)，土壤水分含量變化很小，而在使用土壤水分傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，傳感器微小的位置變化是否會(huì)影響測(cè)量結(jié)果且差異性如何，在測(cè)量同一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)的土壤水分含量時(shí)是否有必要在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性等都是值得研究的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，在蘋(píng)果園進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。選擇5個(gè)土壤水分分布較均衡的微小區(qū)域，每個(gè)微小區(qū)域內(nèi)在盡量靠近的5個(gè)子位點(diǎn)測(cè)量5次。為了排除土壤差異的影響，選擇雜質(zhì)少且沒(méi)有樹(shù)木根系的平滑區(qū)域。為了避免土壤松動(dòng)對(duì)不同位置的測(cè)量結(jié)果造成影響，在插拔傳感器探針的時(shí)候應(yīng)垂直且緩慢。

1.3探針插入角度和土壤水分含量測(cè)量的關(guān)系

在測(cè)量土壤水分含量時(shí)，研究探針插入土壤的角度為多少時(shí)測(cè)量的結(jié)果和實(shí)際的土壤水分最接近。同時(shí)，在有些特定的應(yīng)用場(chǎng)景由于實(shí)測(cè)條件的限制可能不能豎直插入土壤中，探針的插入角度和土壤水分含量之間的關(guān)系能預(yù)測(cè)非垂直角度下土壤水分含量的測(cè)量值。在果園中選定4個(gè)測(cè)量位點(diǎn)，分別測(cè)定探針與地表成30°、45°、60°、90°下的土壤含水量。

1.4探針插入深度和土壤水分含量測(cè)量的關(guān)系

在使用土壤水分傳感器測(cè)量土壤水分時(shí)，某些場(chǎng)景中土壤的深度可能達(dá)不到探針的長(zhǎng)度?；蛘咄翆油寥浪址植疾痪鶆颍煌疃韧翆拥暮坎顒e較大，需要分開(kāi)測(cè)量。研究探針的插入深度和土壤含水量之間的關(guān)系如何為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)土壤水分含量提供支持。

2結(jié)果和分析

2.1探針固定時(shí)的測(cè)量結(jié)果分析

為了研究傳感器的穩(wěn)定性，在相同探針位置多次進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)位點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的極值和標(biāo)準(zhǔn)差詳見(jiàn)表1。位點(diǎn)的測(cè)量極差為0.04%～0.18%，最大極差為位置4處的018%，相差很??；同一位置的土壤水分含量測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.03%～0.13%，波動(dòng)較小。所以在實(shí)際測(cè)量中測(cè)量固定位置處的土壤水分含量即探針位置固定時(shí)，讀取1次結(jié)果即可。

表15個(gè)測(cè)量位點(diǎn)的極差和標(biāo)準(zhǔn)差

位置點(diǎn)序號(hào)極差（%）標(biāo)準(zhǔn)差（%）10.040.0320.090.0630.130.1040.180.1350.130.10

2.2同一微小區(qū)域土壤水分含量測(cè)量差異性分析

對(duì)于同一個(gè)微區(qū)域內(nèi)探針的輕微移動(dòng)造成測(cè)量結(jié)果有較小的變化，每個(gè)微區(qū)域內(nèi)的極差2.52%～5.13%，均方差為1.45%～1.79%（表2）。這表明雖然在很微小的范圍內(nèi)土壤水分相同，但使用土壤水分傳感器測(cè)量仍有一定的差距，最大不超過(guò)5.13%。在使用傳感器測(cè)量某一位置的土壤水分含量時(shí)，可以取每一位置的多個(gè)點(diǎn)測(cè)量，取其平均值作為該位置的土壤水分含量。

表25個(gè)測(cè)量位置點(diǎn)的極差和標(biāo)準(zhǔn)差

位置點(diǎn)序號(hào)極差（%）均方差（%）14.421.4523.551.4734.891.7945.131.7152.521.58

2.3測(cè)量角度和土壤水分含量之間的關(guān)系

4個(gè)測(cè)量位置處土壤水分含量都隨著探針和地面夾角的增大而增加，且增加的速度相似。通過(guò)線性回歸對(duì)4種情況進(jìn)行擬合（圖2），4個(gè)位置擬合直線的一次項(xiàng)系數(shù)a、常數(shù)項(xiàng)b及確定系數(shù)R2詳見(jiàn)表3。結(jié)果表明：4個(gè)位置擬合的確定系數(shù)R2為0.870～0.994，土壤水分含量和探針與土壤之間的夾角可以用線性公式擬合，且一次項(xiàng)系數(shù)a相近，取其平均值作為預(yù)測(cè)模型的一次項(xiàng)系數(shù)，可得探針與土壤夾角及土壤水分含量之間的關(guān)系公式：

wj2=wj1+0.001 31×（j2-j1）。（1）

式中：wj2為待預(yù)測(cè)的探針與地面夾角為j2時(shí)的土壤水分含量，%；wj1為已測(cè)的探針與地面之間夾角為j1處的土壤水分。

2.4探針插入深度和土壤水分含量之間的關(guān)系

4個(gè)測(cè)量位置處土壤水分含量都隨著探針插入土壤深度的增加而增加，且增加的速度相似（圖3）。通過(guò)線性回歸對(duì)4種情況進(jìn)行擬合，4個(gè)位置擬合直線的一次項(xiàng)系數(shù)c、常數(shù)項(xiàng)d及確定系數(shù)R2見(jiàn)表4。結(jié)果表明，4個(gè)位置擬合的確定系數(shù)R2為0.935～0.988，土壤水分含量和探針插入土壤的深度可以用線性公式擬合，且一次項(xiàng)系數(shù)c相近，取其平均值

作為預(yù)測(cè)模型的一次項(xiàng)系數(shù)，可得探針插入土壤深度與土壤水分含量之間的關(guān)系公式：

wh2=wh1+18.69×（h2-h1）。（2）

式中：wh2為待預(yù)測(cè)的深h2處的土壤水分含量，%；wh1為已測(cè)的深度為h1處的土壤水分含量，%。

3結(jié)論

探針插入土壤位置不變時(shí)，使用土壤水分傳感器測(cè)量的土壤水分含量穩(wěn)定，相差最大為018%。說(shuō)明傳感器較穩(wěn)定，這與土壤水分參數(shù)的穩(wěn)定特性相一致。

在同一微小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量的結(jié)果有輕微的波動(dòng)，同一子區(qū)域的土壤水分含量測(cè)量值最大相差5.13%，即便探針輕微地移動(dòng)位置，土壤水分含量也不可能完全相同，測(cè)量值有一些變化是在正常的范圍。這說(shuō)明如果對(duì)測(cè)量位置土壤水分含量的精度要求不高，測(cè)量固定位點(diǎn)的土壤水分含量即可，否則可以在測(cè)量位置的微小區(qū)域內(nèi)取多個(gè)位點(diǎn)測(cè)量其土壤水分含量，取其平均值作為該位置的土壤水分含量。

土壤水分含量測(cè)量值隨著探針與地面間角度的增加線性增加，隨著探針插入土壤深度的增加線性增加。其根本原因可能都和探針與土壤接觸的面積有關(guān)系，當(dāng)探針與地面的夾角小于90°時(shí)，由于探針上面的探頭的影響，探針不能完全插入土壤中，造成測(cè)量的土壤水分含量較低。同樣，當(dāng)探針插入深度越淺，探針與土壤的接觸面越小。探針與地面之間角度及探針插入深度與土壤水分含量之間的關(guān)系為實(shí)際測(cè)量中的土壤水分含量的預(yù)測(cè)提供了支持。

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