土壤水分自動觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評估系統(tǒng)閾值研究方法

元保軍

（河南省氣象信息網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)保障中心 河南 鄭州 450003）

目前，河南全省布設(shè)了143個業(yè)務(wù)在運行的土壤水分觀測站點，全部觀測站點均采用河南省氣象科學(xué)研究所和中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所共同研制開發(fā)的GStarDNZ2型自動土壤水分觀測儀，各站點正點采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)后上傳到國家信息中心。根據(jù)對不同土壤成份實驗標(biāo)定后的處理算法，GStarDNZ基本滿足不同地域八層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)誤差要求，通過對本省安陽、濮陽、南陽、信陽、落陽、三門峽、開封、駐馬店四區(qū)八市的 16 個站點，10、20、30、40、50、60、80、100cm 土壤重量含水率、土壤相對濕度、土壤水分總貯存量及土壤有效水分貯存量等人工觀測值與GStarDNZ采集值的對比，統(tǒng)計分析了該16個站點的極值情況，根據(jù)GStarDNZ采集值誤差補(bǔ)償算法確定了土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件的閾值，并將次閾值的選取辦法應(yīng)用到質(zhì)量控制軟件中的所有站點。

1 閾值確定原理

1.1 GStarDNZ采集算法

GStarDNZ土壤水分采集儀按照不同的地段、地勢，土壤質(zhì)地、酸堿度等因素，根據(jù)測定時間、測量深度和重復(fù)及測量儀器工具按照測定程序測量計算出土壤重量含水率、土壤相對濕度、土壤水分總貯存量及土壤有效水分貯存量。其中土壤農(nóng)業(yè)水文、物理特性的測定深度為100 cm，分別對10、20、30、40、50、60、80、100 cm 八層值進(jìn)行測量計量。

1）土壤相對溫度

土壤相對溫度表示以重量含水率占田間持水量的百分比，它有利于在不同土壤間進(jìn)行比較，計算公式：

R:土壤相對濕度（%），取整數(shù)記載；w:土壤重量含水率（%）；fc：田間持水量。

2）土壤重量含水率

土壤重量含水率表示土壤含水量占干土重的百分比，其公式如下：

w:土壤重量含水率（%）；g1：盒重（g）；g2：盒與濕土共重（g）；g3干土與盒共重（g）。GStarDNZ在實驗對比并概括土壤水分的變化情況對作物生長發(fā)育滿足程度及其降水、灌溉等關(guān)系

1.2 人工觀測數(shù)據(jù)樣本

閾值選取使用2009-2011年安陽、濮陽、南陽、信陽、落陽、三門峽、開封、駐馬店四區(qū)八市的16個站點八層（10、20、30、40、50、60、80、100cm ）人工觀測數(shù)據(jù)分析確定閾值算法，2012年數(shù)據(jù)作為閾值合理性檢驗樣本。閾值算法確定中根據(jù)GStarDNZ測量值與人工觀測值的誤差大小來規(guī)定數(shù)據(jù)的正確、錯誤、可疑，以此來設(shè)定合理的閾值。誤差以土壤相對溫度為例，如表1所示。

表1 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)類型劃分Tab.1 The partition of soil moisture data types

1.3 閾值確定

通過對GStarDNZ土壤水分采集儀按照不同的地段、地勢，土壤質(zhì)地、酸堿度等因素對自身工作性能的影響，統(tǒng)計分析近三年的歷史采集值，分析對比不同地域不同深度的土壤水分人工觀測值的歷年分布和極值狀況，確定了不同站點各層智能評判閾值，具體步驟如下

1）研究GStarDNZ不同工作條件下的參數(shù)選擇，統(tǒng)計分析GStarDNZ儀2009-2011年的土壤水分采集值，通過對采集值與人工觀測值的對比，根據(jù)誤差大小篩選出不同季節(jié)各層土壤水分的極大值、極小值，誤差在3%～5%的確定為正確數(shù)據(jù)的判別閾值，根據(jù)儀器設(shè)計要求GStarDNZ允許存在小于5%的誤差。

2）根據(jù)篩選的不同季節(jié)各層土壤水分的極值，在此極大值基礎(chǔ)上加n倍的標(biāo)準(zhǔn)差，在極小值基礎(chǔ)上減去n倍的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果作為各層土壤水分判別錯誤數(shù)據(jù)的閾值。經(jīng)計算分析，該閾值在數(shù)值大小上約為5%～8%，因此在自動土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件中判斷錯誤的閾值設(shè)定為8%。

3）取5%～8%的誤差為各層土壤水分的可疑數(shù)據(jù)閾值標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究結(jié)果

根據(jù)上述步驟對隨機(jī)抽取本省在業(yè)務(wù)運行的50個站點進(jìn)行了閾值確定，自動土壤水分觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評判系統(tǒng)以50個臺站采集的2011年6月～2011年12月時段土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為測試樣本，共計測試數(shù)據(jù)2 054 800個，其中缺測5 272個，有誤數(shù)據(jù)78 375個，可疑數(shù)據(jù)33 367個，形成柄狀圖如圖1所示。

圖1 樣本測試統(tǒng)計Fig.1 The test statistic of sample

根據(jù)設(shè)定的閾值選取站點57162 2012-05-12日01時10 cm土壤水分觀測數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制軟件處理后，軟件報警標(biāo)識出10 cm土壤水分觀測數(shù)據(jù)-0.9錯誤，經(jīng)過對近一天此站點10 cm土壤水分觀測數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，10 cm土壤水分觀測數(shù)據(jù)曲線變化異常，到站點現(xiàn)場經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)是由于土壤水分傳感器10 cm附近土壤裂開，造成土壤水分觀測數(shù)據(jù)的異常變化。圖2為57 162閾值測試結(jié)果。

圖2 57 162閾值測試Fig.2 Threshold test of 57 162 station

根據(jù)系統(tǒng)評判結(jié)果，河南建立了土壤水分觀測站點運行監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)提供的異常信息及時通知臺站業(yè)務(wù)人員，使得各臺站能夠及時排除設(shè)備故障，保證了我省土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸率。表2為林州等3個站點體積含水率的閾值。

其中，80 cm、100 cm土壤深度變化率較小，常年基本保持不變，因此使用的閾值和60 cm相同。

3 結(jié) 論

利用文章中閾值確定步驟所設(shè)定的各層閾值對2012年整年土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗測試，對于閾值過小造成誤判的站點調(diào)整閾值為5%，由于閾值偏大將正確值劃為可疑值較多的站點，自動土壤水分觀測評判系統(tǒng)將可疑閾值調(diào)整為3%左右。通過對本省各站點土壤體積含水率閾值的細(xì)化和準(zhǔn)確化調(diào)整，根據(jù)不同土壤特性和天氣條件及季節(jié)設(shè)定特定的閾值，大大提高了土壤水分自動觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評估軟件的控制精度，提高了土壤水分觀測數(shù)據(jù)的可信度。

表2 三站點土壤水分體積含水率閾值界定Tab.2 The threshold definition of percentage of soil moisture of three station

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