作物水分信息采集技术与采集设备

随着社会经济的发展和科学技术的不断进步，农田灌溉正朝着“自动、精准”的方向发展。实现自动、精准灌溉，需要获得及时、准确的作物水分状况信息作为基本依据，而先进、可靠的采集技术与设备则是快速、准确、连续获取作物水分信息的重要保障。作物水分信息，根据其采集部位可分为土壤信息和作物信息两类；而根据采集信息所代表
表的范围，则可分为点源信息和区域信息两类。2种分类结果相组合，可以将作物水分信息分为点源土壤水分状况信息，区域土壤水分状况信息，点源作物水分状况信息和区域作物水分状况信息四大类O目前应用较多的点源土壤水分状况信息快速采集技术主要有中子仪法、时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR）、驻波率法（SWR）和张力计法；点源作物水分状况信息的采集技术则主要有红外温度法、叶水势法、光谱法、茎变差法和蒸腾速率法；区域土壤水分状况信息的采集技术主要有遥感法（裸地表层土壤）和墒墒情监测网络法；区域作物水分状况信息则主要通过遥感方法获得，包括热红外遥感和微波遥感等方法。这些技术方法各有优点、缺点和适用范围。从目前的研究和实际应用情况看，基于土壤介电特性的土壤水分信息测量技术（TDR，FD和SWR）和基于植株蒸腾速率、植株茎直径变差和作物冠层红外温度的作物水分状况信息测量技术是具有明显优优势和良好发展潜力的点源水分信息采集技术；以TDR、FDR和SWR为基础，结合GPS和GSM／GPRS无线数据传输系统，适用于区域土壤水分信息的采集；而以热红外遥感和微波遥感为基础的系统则是大面积的区域土壤水分状况信息（裸土表层）和区域作物水分状况信息的主要采集方法。这些作物水分信息采集方法的进一步完善提高，以及相应的精度高、稳定性好、价格适中的各类传感器及配套的数据处理设备的研制将是未来作物需水信息采集领域的重点工作目标。     

土壤水分实时监测的应用与现状

目前有很多种实时监测土壤水分的方法,其中TDR法和FD法因具有众多优点,已经在生产实际中得到广泛应用.从这2种方法的基本理论、产生和应用发展方面进行分析;同时对最近几年来国内出现的基于SWR驻波率原理的土壤水分监测技术的发展现状做一介绍;并介绍一些国外的土壤水分监测技术及其在国内的应用.     

土壤水分实时监测的应用与现状

目前有很多种实时监测土壤水分的方法,其中TDR法和FD法因具有众多优点,已经在生产实际中得到广泛应用。从这两种方法的基本理论、产生和应用发展方面进行分析;同时对最近几年来国内出现的基于SWR驻波率原理的土壤水分监测技术的发展现状做一介绍;并介绍一些国外的土壤水分监测技术及其在国内的应用。     

土壤水分实时监测的应用与现状

目前有很多种实时监测土壤水分的方法,其中TDR法和FD法因具有众多优点,已经在生产实际中得到广泛应用。从这2种方法的基本理论、产生和应用发展方面进行分析;同时对最近几年来国内出现的基于SWR驻波率原理的土壤水分监测技术的发展现状做一介绍;并介绍一些国外的土壤水分监测技术及其在国内的应用。     

土壤水分及其测量方法的研究进展

简述了土壤水分的形态、土壤含水量的表示方法以及土壤含水量测定方法的分类与应用原理。随着土壤物理学的发展和人们对土壤水分的深入研究,土壤水分含量的测定方法也越来越多,笔者结合国内外土壤水分测定方法的研究状况,对土壤水分含量的测量方法进行了较系统的归纳总结,其中主要介绍了烘干法、中子法和介电法[时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波率法(SWR)]测量土壤水分含量的原理和步骤,并对这3种方法进行了比较,提出了我国当前土壤水分测定中存在并值得注意的问题。     

温度对TDR法测量土含水量影响的试验研究与误差修正

为了研究温度对TDR法快速测量土壤含水量的影响,本文在分析TDR法测量土壤水分的基础上,利用JL-01型土壤水分测定仪分别测定不同温度下重塑粉质粘土含水量,并与烘干法测量结果进行了比较,拟合得到了TDR法测量土壤含水量误差随温度变化的公式,并给出了修正后的土壤含水量。试验及分析结果表明,虽然正低温对TDR法测量土壤含水量的结果影响在一定的范围之内,但经过温度修正的测量值会有效降低测量误差。     

基于GPS定位的土壤水分快速测量仪的研制

针对精确农业中实施节水灌溉的要求,研制了测量土壤位置和含水率的测量仪.测量仪的硬件由单片机、GPS接收机、SWR2水分传感器、键盘、LCD显示及RS-232C通讯接口等组成.给出了GPS数据的接收和处理方法,传感器的输出特性及程序设计方法.采用ARCVIEW软件对试验数据进行处理,生成的土壤水分分布图能为精确灌溉提供科学依据.     

两种园林用FDR土壤水分传感器的精度校正

利用质地差异较大的园土及草炭∶陶粒∶园土=3∶1∶1（体积比）的混合基质对2种土壤水分频域反射仪（FDR）进行了室内标定.结果显示,在目前园林应用的测量精度内,土壤质地对两种FDR土壤水分传感器的测量影响不显著,但FDR测量值较烘干法明显偏高,校正斜率介于0.68～0.70之间.相关分析表明FDR测量值与真实值之间有极显著的相关性,相关系数大于0.97.利用获得的线性函数进行校正,校正后的土壤水分值与采用传统的烘干称重法测得的值相符.基于以上结果,FDR土壤水分传感器能准确、快速测定土壤含水量,在城市园林节水灌溉管理中发挥重要作用.     

利用TDR对不同盐分土壤水分含量的测定

通过室内模拟设定不同盐分含量土柱,比较TDR输出电压值和烘干法测定的水分含量值,探讨土壤盐分含量对TDR测定土壤水分含量的内在影响。结果表明：随着土壤中盐分含量的增加,TDR测定数值明显增大;土壤电导率（σ）<2.56 dS/m时,TDR测定电压与烘干法测得水分含量显著正相关(r>0.882);σ>3.2 dS/m 时,测定数值不能很好地反映土壤水分含量变化。比较TDR测定低盐条件下土壤水分含量发现,当土壤水分含量较大时,TDR测定相对误差较小,土壤水分含量较小时,TDR测定相对误差较大。根据分析结果构建TDR测定土壤水分的综合模型,结合大田验证,并对模拟值和实测值进行精度比较分析,表明该综合模型能够较好的模拟农田墒情状况。     

油菜田间生态环境数据采集装置的设计

为解决油菜田间生态环境数据采集过程中数据传送速度慢、存储量小、传感器线路铺设和调整困难的问题,设计了一种无线数据采集装置,该装置集成了带有无线模块的CC1110单片机、SHT71温湿度传感器、TSL2561照度传感器、SWR土壤水分传感器。数据接收模块与PC计算机之间采用MAX3232串行通信的方法,最终实现数据多点定时测量、节点电池供电、大量数据传送和保存的目的。     

基于RBF神经网络的土壤含水量传感器标定方法(英文)

土壤含水量时空变异对作物生长、农田气候变化等领域的研究具有重大意义。为了克服TDR-3土壤水分传感器输出电压的非线性缺点,提高土壤含水量数据采集以及计算效率,该研究将TDR-3土壤水分传感器与无线传感器网络结合,提出了土壤水分含量的RBF神经网络标定方法。以20个带标号的水杯作为承载砖红壤土和水的载体,对其中的样本进行数据采集,经多次测量取平均值。为验证标定算法的准确性,同时列举出以土净重、加水质量、水分含量TDR-3测量值为属性,以测试水土比值为目标训练样本,以RBF神经网络为标定算法的拟合结果。为了更直观地展示试验结果,以散点图方式分别展示水分含量TDR-3测量值与实际水土比的TDR-3土壤水分含量曲线;水分含量TDR-3测量值与RBF神经网络拟合水土比的RBF神经网络拟合土壤水分含量曲线;以及实际水土比与RBF神经网络拟合水土比的散点图。为验证RBFNN拟合水土比值的相关性,引入皮尔逊相关系数。5次试验,得到5组皮尔逊相关系数,分别为0.9745,0.9832,0.9798,0.9804及0.9789,都接近于1,说明真实测试数据与拟合数据相关性很强,且为正相关关系。可见,该法能取得较好的标定效果,并且简单、实用、可行,为土壤含水量的实时监测提供了一种有效的方法。     

FDS土壤水分传感器的两步标定法

在有机溶液、砂土和基质(泥炭、蛭石、珍珠岩质量比4.5:4.5:1.0)中对基于频域(FD)原理的FDS系列水分传感器进行了测试,并根据实验结果对其阻抗特性、一致性和测量精度进行了分析。传感器的标定工作分2步进行,首先利用有机溶液建立传感器输出电压信号V与介电常数ε的关系,然后通过Topp公式间接得出传感器输出信号与土壤含水率之间的关系。在砂土和基质中的实验结果表明,采用两步标定法标定后,FDS系列传感器测量得到的砂土和基质含水率与烘干法得到的含水率的相关系数分别为0.90和0.95,其输出电压与ML2型传感器输出电压的相关系数>0.99,表明该标定方法能够满足测量精度要求。     

基于传输线理论的土壤水分传感器的性能试验

介绍了一种根据土壤介电常数和传输线理论来测量土壤含水量的新型土壤水分传感器。传感器采用四针不等长结构，从探针结构、土壤种类、土壤容重和盐分等几个方面对该传感器的工作特性进行试验研究，结果表明该传感器输出稳定、线性度好，适应大多数土壤类型的测量。     

土壤水分空间分布快速测试仪器的开发

针对土壤墒情监测和指导田间变量灌溉的要求,研制开发了能同时测量采样点经纬度位置和土壤含水率(体积分数)的土壤水分空间分布快速测试仪.该测试仪由80C552微控制器、GPS接收机、水分传感器等几部分组成.测量得到的数据经串口传到上位机经过处理和分析后,采用GIS软件对采样点试验数据进行分析,生成土壤水分空间分布图.对地表下10cm深度土壤含水率的采样试验结果表明,2组测量数据在小范围内空间变异系数＜10%,说明仪器性能稳定可靠.该测试仪能为变量灌溉和墒情监测提供科学依据.     

基于STC90C51单片机的土壤水分检测系统设计与开发

根据农田环境的应用需求,为快速、准确地获取农田中土壤体积含水率和水分变化信息,研究一种基于STC90C51单片机的土壤水分检测系统的硬件结构及功能设计。该系统采用基于FDR（Frequency Domain Reflectometry）的传感器作为土壤温湿度的采集端,可实现对土壤水分含量的自动采集、显示、存储和监测。对于土壤水分的监测试验结果表明,该系统性能稳定,工作可靠,为农田监测、节水灌溉等提供了有效、可靠的监测手段。     

TDR测定淡栗钙土水分的标定

本实验以荒漠草原2个不同种类的土壤为研究材料,使用TRIME - IPH型TDR测定不同放牧强下的土壤含水量,并以烘干法测定值为真实值对其进行了标定.结果表明:室内标标定中的TRIME - IPH测值与烘干法测值都具有良好的相关性,沙土中的相关系数(R2=0.983 9)略低于壤土(R2=0.986 0),而平均相对偏差(16.4％)大干壤土(12.3％).校正方程为TDR校正值=0.998 0烘干法测定值+2.3900.在野外标定中,不同放牧强度下TRIME - IPH测值与烘干法测值的相关性也很好,总体校正的相关系数为0.774 3.本研究结果证实,TRIME - IPH完全能够胜任该地区土壤水分动态特征及变化趋势的研究工作.