农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

为解决传统土壤含水率监测中所存在的监测区域面积小、采样率低等问题,设计和开发了基于无线传感器网络技术的土壤含水率监测系统,包括10个传感器节点,1个簇首和1个基站节点,可按任意时间间隔全自动地采集、处理、传输和存储地表以下4个不同土层土壤含水率变化状况;各类节点采用TinyOS操作系统,节点间通信遵循ZigBee协议;含水率测量采用EC-5传感器;太阳能供电模块的供电能力满足传感器节点及簇首的能耗需求;进行了数据包传输率试验,10个传感器节点中有7个的数据包正确传输率高于90%,1个节点的数据包正确传输率为89.2%,2个节点的传输率低于70%。造成2个节点数据包传输率较低的主要原因是太阳能供电电路制作,通过更换电路板解决了该问题。试验结果表明,系统能够实现稳定的数据传输,适合农田土壤含水率的实时监测。     

基于差分信号控制的土壤含水率传感器设计

研究土壤含水率的测定对于农作物生长,灌溉及农业自动化发展具有重要意义。该文针对传统含水率传感器电极输出信号谐波失真较大的问题,设计了一种差分信号控制的土壤含水率传感器。鉴于传感器电极输出的信号失真是由于土壤非线性因素引起的,该文利用集成时基计时器设计差分输入信号控制电路,减少输出信号的总谐波失真度。此外,建立相应的数学模型,得到土壤阻抗与信号周期变化关系。构建传感器硬件结构,通过微处理控制器测量信号周期得出土壤含水率变化数值。试验表明,传感器输出端的信号总谐波失真较传统结构减少12.56%。土壤质量含水率在5%~30%时,土壤含水率测试最大误差不超过4.89%,土壤阻抗测试误差不超过2%。     

近红外反射土壤含水率测量仪设计

水资源是制约中国农业生产最重要的因素之一,土壤含水率的检测对农业生产实践具有至关重要的指导意义。该文根据土壤水分对不同光谱的吸收和反射特性,以发光二极管作为测量仪器光源,中心波长为1 940 nm的光为测量光,1 800 nm为参考光设计了专用的测量电路和相应的软件程序来测量土壤含水率。系统光源发出的光照射到土壤表面,经反射后光电转换器,再送至放大电路、模数转换器、显示和存储。试验表明:土壤含水率与相对吸收深度之间存在正比例关系,线性回归的确定系数为0.86。为了证明测量仪器的测量进度,将实际土壤含水率与仪器的测量结果进行比较修正,结果表明:烘干法与本仪器测量的土壤含水率的结果的均方根误差均为3.9%。因此,本次设计的测量仪器可满足对土壤含水率的测量要求,研究结果在指导农业生产,水资源合理利用,精细灌溉的实时监测中具有良好的应用前景。     

土壤含水率对枳椇生长发育的影响

采用地面光谱采样与土壤采样同步进行的方法,对不同类型的林分土壤水分进行了定量分析,得出不同立地类型土壤含水量差异以及含水量变化与枳椇生长趋势的关系。影响枳椇成活与生长的主要矛盾是土壤水分,雨季生长量随着土壤水分的增加而增加。不同立地类型土壤含水量差异是非常明显的,其排序依次为:壤土>沙土,稍阴土壤>全阳土壤。     

基于多时相土壤线一致性修正的土壤含水率反演

传统上依赖改进型垂直干旱指数（modified perpendicular dryness index,MPDI）进行土壤水分反演时每个时期的影像反演都需要依赖于地面实测数据进行校准。为降低土壤含水率反演对实测数据的依赖,该研究利用2020—2021年间的哨兵2号卫星数据,分析了近红外与红光波段特征空间中土壤线斜率的变化及其影响因素。并推导了土壤线斜率变化对土壤含水率反演的影响,揭示了MPDI反演土壤含水率时每期都依赖实测数据校准的根本原因,最终提出了一种土壤线一致性修正方法。基于这种修正,该研究构建了一个能够多时相比较的再修正干旱指数（re-modified perpendicular drought index,RPDI）。结果表明,经过统一率定的RPDI与土壤含水率的回归方程在不同时相的影像上均适用,反演结果显示了良好的精度,率定集决定系数R²为0.49,无偏均方根误差为2.88%,验证集决定系数R²为0.54,无偏均方根误差为3.05%,与MPDI每期单独构建回归方程反演相比,RPDI基于统一方程反演与其保持了相近的精度水平,极大减少了在遥感土壤含水率估算中对地面实测数据的依赖,有效提升了遥感技术在土壤水分监测中的应用价值。研究可为光学遥感数据在大范围连续土壤水分反演领域的应用研究提供参考。     

土壤含水率监测位置对温室滴灌番茄耗水量估算的影响

土壤水分传感器埋设位置的选择是局部灌溉条件下获得作物根区代表性土壤含水率数据,从而制定滴灌灌溉制度的关键。本文以日光温室滴灌番茄为对象,研究滴灌线源土壤湿润体内含水率分布状况,通过对比距滴灌带不同位置处土壤含水率监测结果估算番茄耗水量的差异,探讨土壤含水率监测的合理位置。结果表明,番茄生育期内14~25 mm的灌水定额主要用于增加0~40 cm土层的土壤含水率,湿润体内日平均土壤含水率分布在75%~100%田间持水率。作物生育期内连续多次滴灌条件下,沿滴灌带单个灌水器形成的湿润土体会充分叠加,形成近似均匀的土壤含水率带状分布,且作物生育期内沿深度方向0~40 cm土层土壤含水率均值无显著性差异,距滴灌带不同水平距离的土壤含水率随时间的变化趋势具有同步特点,无明显的滞后性。以集中80%总根量的土壤深度作为滴灌番茄水分渗漏下界面时,14~25 mm的灌水定额会导致深层渗漏,且深层渗漏量表现出一定的空间变异性。番茄生育期内深层渗漏量约占灌水量的13%。距滴灌带不同位置处的番茄耗水量除在番茄苗期和开花座果期有较大差异外,其余生育阶段的差异均在10%以内。对温室滴灌番茄来说,滴灌高频少量的灌溉特征有利于维持作物根系层适宜的土壤水分状态,监测1个含水率剖面即可满足估算作物耗水量的要求。     

基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法

为探讨加热光纤分布式温度传感技术测量土壤含水率不同方法的可行性,通过室内土槽试验,加热埋设于砂土的碳纤维光纤,利用分布式温度传感器测量不同含水率下沿光纤的温度变化,建立最大升温值、累积升温值和热导率与土壤含水率的关系,并比较这3种方法推求土壤含水率的测量精度。结果表明,光纤的温度波动随采样间距的增大或时间间隔的增大均减小,合理的采样间距和时间间隔设置能控制温度波动小于±0.1℃。在低(0～0.1 m~3/m~3)、中(0.1～0.2 m~3/m~3)和高(0.2～0.35 m~3/m~3)3个含水率水平,热导率法的测量精度均高于最大升温值法和累积升温值法,并且3种方法的测量精度均随含水率增加而降低;热导率法的均方根误差为0.015 m~3/m~3,低于最大升温值法(0.038 m~3/m~3)和累积升温值法(0.050 m~3/m~3)。研究对高时空分辨率精确获取田间尺度土壤墒情信息发展精准农业具有重要意义。     

土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响

土壤含水率和土壤碱度是表征土壤物理化学性质的两个重要参数。通过室内三轴不固结不排水试验,研究了土壤含水率和土壤碱度对土壤抗剪强度的影响。试验处理采用5种土壤碱度(土壤可交换钠百分比ESP=0、5、10、20、40)和4种土壤质量含水率(0.05、0.10、0.20以及饱和含水率0.34)水平。试验结果显示,土壤黏聚力随着土壤含水率的增加基本上呈先增大后减小之趋势;当土壤含水率在0.10附近时黏聚力达到其最大值。土壤内摩擦角随着土壤含水率的增加而线性减小。土壤碱度对土壤黏聚力的影响机理较为复杂,其影响效果随土壤含水率的增加而减小;但土壤碱度对土壤内摩擦角的影响较小。土壤碱度对土壤抗剪强度的影响程度明显地小于土壤含水率对其的影响程度。     

基于粗糙度定标的IEM模型的土壤含水率反演

为研究基于粗糙度定标的模型进行土壤含水率反演的可行性,该文利用2幅不同时相的高级合成孔径雷达ASAR影像,以经验相关长度(lopt)代替相关长度l,实现对积分方程模型IEM(integral equation model)的粗糙度定标,以改进IEM模型对后向散射系数的模拟。在此基础上模拟了后向散射系数与土壤体积含水率(Mv)、lopt、均方根高度(hRMS)的关系,以组合粗糙度Zs(hRMS2/lopt)代替lopt与hRMS,建立土壤含水率反演的经验与半经验方法。对比2个不同时相的土壤含水率反演值与实测站点观测数据表明,经验方法下应用2004年8月18日、2004年8月24日2个时相的反演值与实测值的相关系数分别为0.785、0.837,半经验方法下则分别为0.900、0.863,表明半经验方法精度更好。该研究为利用两幅不同时相的ASAR影像获取两幅土壤含水率数据提供依据。     

土壤剖面水分传感器的边缘电磁场分析

为了提高基于驻波比原理(Standing Wave Ratio,SWR)的土壤剖面水分传感器非接触式测量精度及传感器在田间土壤水分测量中的实用性,该研究基于电磁仿真软件和印刷电路板工艺设计了一种基于边缘电磁场理论的小型定向测量探头,并进行了探头阻抗变换电路的设计,最后借助矢量网络分析仪探究了探头阻抗与介质、电导率的关系...     

稻田水分监测无线传感器网络优化设计与试验

传感器网络技术为大范围稻田水分信息采集提供了一种新技术手段。利用测量稻田水分含量和水层深度测量的无线传感器WFDMS,探讨了构建稻田水分传感器网络PMSN的关键技术：设计了大面积、大范围应用体系结构模型;提出了一种满足稻田水分采样频率和数据业务需求的低功耗传输控制协议LPTP-PMSN;开发了水分信息监测信息管理系统,实现了完整运行的稻田水分传感器网络整套系统。试验表明,PMSN网络在稻田中的可靠通信距离达60 m,在 3.6 V/2 100 mAh电池供电下,4 h周期采样试验中,在传输协议LPTP-PMSN控制下,传感器、簇首、基站、短信网关、计算机间能够协同工作,整个稻田水分传感器网络可以较可靠运行,节点生命期超过190 d。该研究可为农用信息监控无线传输网络的其他应用提供参考。     

Differences between field-monitored and laboratory-measured soil moisture characteristics

A soil water retention curve (SWRC) is usually measured in a laboratory (lab SWRC), and is used to analyze in-situ soil moisture conditions. However, it is rarely verified whether and how a lab SWRC is in agreement with its equivalent relation between matric potential (h) and volumetric water content (θ) in a natural field (in-situ SWRC). In addition, most SWRCs show moisture hysteresis through which the drying process gives a larger θ at a given h than the wetting process, while an in-situ SWRC must be produced through the cycles of drying and wetting in the field. Thus, it can be hypothesized that an in-situ SWRC shows a lower value of θ than a lab SWRC for any h that the soil layer ordinarily experiences. To give experimental proofs for this hypothesis, this study aimed at quantifying seasonal behaviors of in-situ SWRCs and at comparing them with their corresponding lab SWRCs. To obtain a series of in-situ SWRCs, the h and θ were coincidently monitored at four points with three depths each in a meadow for 2.5 years using tensiometers and a capacitance-type soil moisture sensing system. As the equivalent to the in-situ SWRCs, the lab SWRCs were also measured. The in-situ SWRCs tended to have roughly 10% smaller θ than the lab SWRCs for the series of h observed in the study site, suggesting that an in-situ SWRC can hardly be reproduced by a lab SWRC only. In addition, when the driest condition in the recent 3 years was exerted on the study site, some in-situ SWRCs shifted along the θ axis on the θ(h) charts, suggesting that the most dried condition had changed the soil moisture regime of these soil layers, resulting in the reduction of monthly or annual means of soil water content in the field. Since the shifts of the in-situ SWRCs were accompanied by the increases in both the gradients ‘dθ/dh’ and the variation of measured h, it was implied that an extraordinary drying of a soil layer promotes the development of soil pore structure or an increase in the fraction of plant available water.     

基于太阳能的无线土壤水分传感器的研制

为实现土壤水分的自动检测与无线传输,采用电场法检测土壤质量含水率,利用Zigbee技术构建无线传感网络实现数据传送。利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中,实现对系统供电。通过合理的充放电管理,能有效地延长锂电池寿命。试验结果表明,该传感器能够实现0～30%间的土壤质量含水率的测量,相对误差小于10%。利用Zigbee模块及MiWi(TM)协议栈构建星形网络能实现数据无线传输。当节点发射功率为1 mW时,在无阻挡条件下可靠传输距离为30 m,在有农作物遮挡时,可靠传输距离为10 m左右。在1 h采集发送     

保水剂对冬小麦土壤水分和光合生理特征的影响

 为探明保水剂施用对冬小麦不同生育期的土壤水分、叶片相对含水量及光合生理等的作用,采用保水剂大田试验,研究分析了冬小麦不同生育时期保水剂对土壤水分动态变化、叶片相对含水量及光合特征等的影响。结果表明:1)从返青期到孕穗期,随保水剂用量的增加,020cm土壤含水量显著提高,且2040 cm土壤水分均提高,其基本表现为:60 kg/hm2>90 kg/hm2>30kg/hm2>对照。2)叶片相对含水量表现为:拔节期,随保水剂用量的增加,叶片相对含水量降低,但均显著高于对照（P0.05）,但均显著高于对照（P<0.05）。3)冬小麦各生育期的光合生理特征表现为:用量为60kg/hm2的光合速率、蒸腾速率及叶片水分利用效率均相对最高,而30和90kg/hm2保水剂用量结果各异,但均显著高于对照（P<0.05）。综上所述,保水剂显著提高了冬小麦各生育期的土壤水分、叶片相对含水量及其光合速率、蒸腾速率及水分利用效率等,且以60kg/hm2保水剂用量的效果为佳。     

基于遗传算法的土壤墒情传感器优化布局策略

针对用于节水灌溉的土壤墒情传感器布局问题,该文提出一种结合了基于全局优化遗传算法和改进的加权圆集布局理论的人机交互优化布局策略。该策略综合考虑了传感器覆盖精度、重叠限制等约束条件。通过在人机交互中引入专家知识和在遗传算法中采用十进制编码,策略易于与其它算法和附加参数协作以进行升级或移植于其它的应用场合。在给定传感器成本的仿真实验中,该文算法比四边形方案节约成本17.5%,比六边形方案节约成本34.0%。     

基于GIS的安塞县土壤水分制图及其数量分析

 以空间图形和数据库为基础,利用GIS安塞县的土壤水分样点数据与地理数据结合起来,建立不同利用类型土地类型坡度分级的浮点型土壤含水率字段,对安塞县域尺度土壤水分制图及其定量化方法进行研究和探讨,对安塞县不同土层土壤水分状态和分布进行定量分析。结果表明:从土壤水分结构看,安塞县土壤水分总体上处于较低水平,0～500 cm土层平均土壤含水量在含水量为8.6%～10.8%的分布面积占到总土地面积的75.34%,在含水量<6.4%和6.4%～8.6%的分布面积占到总土地面积的19.36%,其中含水率<6.4%的土壤干层面积占到总土地面积的9.23%,其在上层分布面积大于下层,分布在一般（≥10.8%）以上水平的面积仅占总土地面积的5.31%。安塞县每2的土壤水库蓄水量在0～120cm土层仅有0.060.07 m3,而其他土层都在0.15m3以下。说明安塞县土壤水分环境极差,土壤水库的调节作用对于林木生长极其有限,大面积植树造林超越了安塞县土壤水库的供水和调水能力,是不适宜的;因此,在以适地适树原则适应土壤水分环境的同时,应加强土壤水分环境的改善。     

基于双传感器数据融合的土壤湿度测量与建模

为了克服TDR-3土壤湿度传感器所测量的土壤湿度数据受土壤硬度的影响,得到客观的水分/土壤的质量百分比,设计并制作基于TDR-3土壤湿度传感器和土壤硬度计的土壤湿度测量装置。装置标定时,通过逆向烘干法精确计算水分与土壤的质量百分比,进行土壤湿度(c)、土壤硬度(ψ)和TDR-3传感器输出电压(U)三因素正交试验,用Matlab软件进行二元曲线拟合,构建三者间的数学关系。试验表明,融合TDR-3传感器的输出电压和土壤硬度计的硬度数据后,装置可直接测量出土壤水分的质量百分比,与理论含水率的最大误差为4.75%。相对于单纯使用TDR-3土壤湿度传感器测量土壤湿度,装置的测量精度显著提高。对同一土样测量的最大重复性误差为0.83%,模型具有一定的可靠性与鲁棒性。该文可为开发更加精确的土壤湿度传感器提供参考。     

三深度土壤水分传感器的研制及试验

针对当前植物根区不同深度下土壤含水量测量存在的传感器安装困难、对原位土壤扰动大以及传感器间一致性差等问题,该文基于阻抗法设计了一种三深度土壤水分传感器。该传感器不仅可以同时测量3个不同深度的土壤含水量,并且在安装时对原位土壤扰动极小。试验标定结果显示,该传感器具有较高的精度,所测的土壤含水量与烘干法所得的实际含水量非常吻合,决定系数R2和均方根误差(RMSE,root mean square error)分别达到0.996和0.013 cm3/cm3;传感器可适用于多种不同质地的土壤,在3种不同质地土壤中的输出灵敏度均大于1V/(cm3/cm3)。传感器的输出与土壤体积含水量呈现良好的线性关系,对黏土、砂土及壤土的决定系数R2分别达到0.983、0.965和0.975;土壤水分入渗试验结果进一步表明,该传感器性能良好,3个不同深度的传感器电极具有较高的一致性,在壤土和砂土样本中3个深度传感器电极的输出,相对误差分别小于2%和5%。     

附加电阻法快速测定土壤含水率的试验

为了消除电容土壤水分检测中电导影响,提出了基于附加电阻的高频电容土壤水分测定技术,分析了高频电容土壤水分传感器的机理, 建立了基于附加电阻的高频土壤水分数学模型,通过求解土壤水分引起的电容因子,消除了电导的影响,设计了基于附加电阻的平行板电容传感器土壤水分测试电路,并进行土壤测试试验。结果表明：土壤水分引起的电容值与土壤的质量含水率在1%～22%范围内呈线性关系,且基于附加电阻的高频电容土壤水分的测试值 小于2%。