基于頻域反射原理的土壤水分傳感器測量誤差及測量方法分析

郭秀明++樊景超++周國民++丘耘++胡林

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.117

摘要：在蘋果園進行傳感器探針固定時測量值的穩定性、微小范圍內探針的微小移動對土壤水分含量測量值的波動性影響、探針與地面角度與土壤水分含量測量值之間的關系及探針插入土壤深度與土壤水分之間的關系研究。結果表明：探針在固定位置時測量的土壤水分含量比較穩定，同一位置點最大的測量極差為0.18%；在同一微小子區域內，探針的輕微移動會造成測量結果的波動，同一微小區域內的測量極差最大為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量值線性相關，給出了擬合公式，為一些測量場景下土壤水分的預測提供支持。

關鍵詞：土壤水分；傳感器；頻域反射原理；預測；評估

中圖分類號：S126 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）09-0402-02

收稿日期：2015-08-19

基金項目：國家“863”計劃（編號：013AA102405）；農業系統智能控制與虛擬技術團隊（編號：CAAS-ASTIP-2015-AII-03）。

作者簡介：郭秀明（1981—），女，河北滄州人，博士，助理研究員，研究方向為農業信息化。E-mail：guoxiuming@caas.cn。

通信作者：周國民，博士，研究員。E-mail：zhouguomin@caas.cn。土壤水分是影響作物生長的關鍵因素之一，直接影響作物產量及質量[1-3]。根據農作物的生長狀態及土壤的含水量進行灌溉是精準農業的重要組成部分[4-5]。傳統的“烘干法”比較準確，但費力耗時，為此研制了很多基于不同原理的土壤水分傳感器，能快速測量土壤水分含量[6-7]?；陬l域反射原理（frequency domain reflectometry，簡稱FDR）是常見的一種[8]，傳感器發射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達底部后返回，檢測探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數的變化通常取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關系則可計算出土壤的含水量。

土壤水分傳感器帶有探針的探頭，通過將探針插入土壤中感知土壤水分含量，然而在實際使用中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影響實際的土壤含水量等未見相關報道，這些都影響使用FDR土壤水分傳感器測量土壤水分含量的結果。為了實際評定FDR土壤水分傳感器的靈敏性及可靠性，給出其正確詳細的使用方法及規范，同時為一些特殊的測量場景下土壤含水量的預測提供支持。本研究使用基于FDR的土壤水分測量儀ML2X在大田中進行實地試驗，評定傳感器在測量同一個土壤位點的穩定性及差異性，確定在同一位置點測量土壤水分含量的方法。通過實際測量和回歸分析研究傳感器探針和大田水平面夾角與測量結果之間的關系并確定最準確的測量角度。同時，研究傳感器探針插入土壤的深度和測量結果之間的關系并與實際的土壤水分含量對比，確定實際測量時的正確深度。1材料與方法

試驗地為北京市一個普通的蘋果園，在2015年4月初進行。使用ML2X土壤水分傳感器測量土壤水分含量，采用HH2土壤濕度表和ML2X連接讀取土壤水分含量（圖1）。試驗4 d前下過一場雨，土壤濕度較大。

1.1對同一位點的測量方法

在實際使用中，探針插入的位置固定不變，觀察多次的讀取結果是否有變化，若有，則根據波動情況決定是否有必要對同一固定位點進行多次讀取以提高測量的準確性。針對此問題在蘋果園的5個位點進行測量試驗，在每個位點，將傳感器探針豎直全部插入土壤中保持不動，連續10次讀取土壤含水量數值，計算每個位點的數據極差和均方根誤差。

1.2同一微小區域土壤水分含量測量方法

在同一連續微小子區域內，土壤水分含量變化很小，而在使用土壤水分傳感器進行測量時，傳感器微小的位置變化是否會影響測量結果且差異性如何，在測量同一個微小區域內的土壤水分含量時是否有必要在多個點進行測量以提高測量的準確性等都是值得研究的問題。針對這些問題，在蘋果園進行實地測量。選擇5個土壤水分分布較均衡的微小區域，每個微小區域內在盡量靠近的5個子位點測量5次。為了排除土壤差異的影響，選擇雜質少且沒有樹木根系的平滑區域。為了避免土壤松動對不同位置的測量結果造成影響，在插拔傳感器探針的時候應垂直且緩慢。

1.3探針插入角度和土壤水分含量測量的關系

在測量土壤水分含量時，研究探針插入土壤的角度為多少時測量的結果和實際的土壤水分最接近。同時，在有些特定的應用場景由于實測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系能預測非垂直角度下土壤水分含量的測量值。在果園中選定4個測量位點，分別測定探針與地表成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量的關系

在使用土壤水分傳感器測量土壤水分時，某些場景中土壤的深度可能達不到探針的長度?；蛘咄翆油寥浪址植疾痪鶆?，不同深度土層的含水量差別較大，需要分開測量。研究探針的插入深度和土壤含水量之間的關系如何為準確地預測土壤水分含量提供支持。

2結果和分析

2.1探針固定時的測量結果分析

為了研究傳感器的穩定性，在相同探針位置多次進行測量，每個位點測量數據的極值和標準差詳見表1。位點的測量極差為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量值的標準差為0.03%～0.13%，波動較小。所以在實際測量中測量固定位置處的土壤水分含量即探針位置固定時，讀取1次結果即可。

表15個測量位點的極差和標準差

位置點序號極差（%）標準差（%）10.040.0320.090.0630.130.1040.180.1350.130.10

2.2同一微小區域土壤水分含量測量差異性分析

對于同一個微區域內探針的輕微移動造成測量結果有較小的變化，每個微區域內的極差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土壤水分相同，但使用土壤水分傳感器測量仍有一定的差距，最大不超過5.13%。在使用傳感器測量某一位置的土壤水分含量時，可以取每一位置的多個點測量，取其平均值作為該位置的土壤水分含量。

表25個測量位置點的極差和標準差

位置點序號極差（%）均方差（%）14.421.4523.551.4734.891.7945.131.7152.521.58

2.3測量角度和土壤水分含量之間的關系

4個測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。通過線性回歸對4種情況進行擬合（圖2），4個位置擬合直線的一次項系數a、常數項b及確定系數R2詳見表3。結果表明：4個位置擬合的確定系數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，且一次項系數a相近，取其平均值作為預測模型的一次項系數，可得探針與土壤夾角及土壤水分含量之間的關系公式：

wj2=wj1+0.001 31×（j2-j1）。（1）

式中：wj2為待預測的探針與地面夾角為j2時的土壤水分含量，%；wj1為已測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系

4個測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）。通過線性回歸對4種情況進行擬合，4個位置擬合直線的一次項系數c、常數項d及確定系數R2見表4。結果表明，4個位置擬合的確定系數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，且一次項系數c相近，取其平均值

作為預測模型的一次項系數，可得探針插入土壤深度與土壤水分含量之間的關系公式：

wh2=wh1+18.69×（h2-h1）。（2）

式中：wh2為待預測的深h2處的土壤水分含量，%；wh1為已測的深度為h1處的土壤水分含量，%。

3結論

探針插入土壤位置不變時，使用土壤水分傳感器測量的土壤水分含量穩定，相差最大為018%。說明傳感器較穩定，這與土壤水分參數的穩定特性相一致。

在同一微小區域內進行試驗，測量的結果有輕微的波動，同一子區域的土壤水分含量測量值最大相差5.13%，即便探針輕微地移動位置，土壤水分含量也不可能完全相同，測量值有一些變化是在正常的范圍。這說明如果對測量位置土壤水分含量的精度要求不高，測量固定位點的土壤水分含量即可，否則可以在測量位置的微小區域內取多個位點測量其土壤水分含量，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系，當探針與地面的夾角小于90°時，由于探針上面的探頭的影響，探針不能完全插入土壤中，造成測量的土壤水分含量較低。同樣，當探針插入深度越淺，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系為實際測量中的土壤水分含量的預測提供了支持。

參考文獻：

[1]王正義，王玉平. 灌溉定額對釀酒葡萄生長和品質的影響[J]. 北方園藝，2014，6（6）：39-41.

[2]高冬華. 土壤水分對紅富士蘋果果實品質的影響[D]. 保定：河北農業大學，2009.

[3]畢潤霞，楊洪強，楊萍萍，等. 地下穴灌對蘋果冠下土壤水分分布及葉片水分利用效率的影響[J]. 中國農業科學，2013，46（17）：3651-3658.

[4]唐玉邦，何志剛，虞利俊，等. 土壤水分傳感器（FDR）在作物精準灌溉中的標定與應用[J]. 江蘇農業科學，2014，42（4）：343-344.

[5]張俊濤，李媛，陳曉莉. 基于無線傳感網絡的果樹精準灌溉系統[J]. 農機化研究，2014（2）：183-186.

[6]鮑芳荻. 基于TDR技術的無線土壤水分測量系統研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學，2013.

[7]李笑吟，畢華興，刁銳民，等. TRIME-TDR土壤水分測定系統的原理及其在黃土高原土壤水分監測中的應用[J]. 中國水土保持科學，2005，3（1）：112-115.

[8]江朝暉，檀春節，支孝勤，等. 基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制[J]. 傳感器與微系統，2013，32（1）：79-82.朱康熹，梁永江，徐丹，等. 塑料溫室棚頂清洗機的設計[J]. 江蘇農業科學，2016，44（10）：404-406.