便攜式自動土壤觀測儀校準測試方法

王華 褚進華 耿慧 董克非

摘要 針對自動土壤水分觀測儀定期校準需要中斷該設備正常連續觀測時間以及設備送檢的時間成本、運輸成本和運輸風險等問題，提出了一種自動土壤水分觀測儀的現場校準方法。首先，分析了水分分布對銅環式自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響;其次，設計了自動土壤水分觀測儀在不同距離、同等水分條件下的電信號變化試驗;最后，建立了自動土壤水分觀測儀電場中水分分布對觀測數據的影響模型，得到了水分分布與電場中心的距離和電信號變化之間的關系。結果表明，建立的模型在距離傳感器外緣45 mm處，直徑和高度均為10 mm的圓柱形水體的權重為0.015，能滿足銅環式自動土壤水分觀測儀分辨力0.02的要求，驗證了便攜式自動土壤水分觀測儀檢測方法的可行性。

關鍵詞 自動土壤觀測儀;水分分布;土壤墑情

中圖分類號 S 152.7文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）05-0202-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.057

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Calibration Test Method of Portable Automatic Soil Observation Instrument

WANG Hua， CHU Jin-hua， GENG Hui et al

（Shanghai Material Management Office， China Meteorological Administration， Shanghai 200050）

Abstract In order to solve the problems such as interrupting the normal continuous observation time of the automatic soil moisture observation instrument during regular calibration， as well as the time cost， transportation cost and transportation risk of the equipment for inspection， a field calibration method of the automatic soil moisture observer was proposed. Firstly， the influences of water distribution on the observation data of copper ring automatic soil moisture meter were analyzed. Secondly， the electrical signal change experiment of the automatic soil moisture observation instrument under different distances and the same moisture conditions was designed. Finally， the influence model of water distribution on the observed data in the electric field of the automatic soil moisture observation instrument was established， and the relationship between the water distribution and the distance between the electric field center and the change of electric signal were obtained. The experimental results showed that the weight of the cylindrical water body with diameter and height of 10 mm was 0.015 at 45 mm from the outer edge of the sensor， which met the requirements of resolution 0.02 of copper ring automatic soil moisture meter. The feasibility of the method was verified.

Key words Automatic soil observation instrument;Water distribution;Soil moisture content

土壤水分觀測通過儀器監測土壤的干濕程度（土壤的實際含水量）是氣象為農服務工作之一，對土壤水分連續觀測是監測農田旱、澇情況的重要依據，是土壤微生物活動和農作物生長發育的重要條件之一[1-4]。自2009年開始，從“千億斤糧食增產項目”到“山洪預警項目”，為了掌握土壤墑情，中國氣象局開始在全國范圍內布置自動土壤水分觀測站網，目前已有超過3 000套自動土壤水分觀測儀在全國各氣象站列裝，逐步取代人工土壤墑情觀測，在土壤墑情的業務觀測和科學研究等方面發揮了重要作用[5-10]。根據中國氣象局業務管理的相關規定，使用的自動土壤水分觀測儀每2年需到實驗室進行定期校準，以保證自動土壤水分觀測儀的正常工作。

在設備送檢期間，土壤水分觀測站需要更換備件進行連續觀測或中斷觀測，既影響了實際觀測業務，又增加了工作量及設備運輸過程中的損壞風險。此外，在校準工作中利用石英砂或玻璃砂加蒸餾水配制模擬土壤標準樣本，該方法制備的土壤樣本具有復現性差、樣本均勻性差、精度低、成本高、受操作人員技術水平影響大等缺陷，以及設備送檢運輸過程中影響，不能從根本上保證設備校準后的測量穩定性和測量精度。鄒文安等[11]根據土壤水分觀測儀實際標定的操作過程，對便攜式土壤水分觀測儀的標定進行了探討，對于以介電常數法為原理的自動土壤水分觀測儀的校準具有借鑒意義和參考作用。李松奎等[12]設計了一種土壤水分觀測儀自動化檢測裝置，解決了自動土壤水分觀測儀標定過程中一次標定只能完成單只傳感器校準的問題，提高了土壤水分觀測儀的檢測效率和檢測質量，實現了土壤水分觀測儀自動化、批量化和信息化檢測。白景剛等[13]對PASW-I型便攜式自動土壤水分觀測儀的主要功能和應用場景進行了介紹，此便攜式自動土壤基于FDR原理，主要應用于突發性應急觀測工作，有助于提高土壤墑情的應急觀測能力。

筆者利用水分分布與自動土壤水分觀測儀傳感器電場介電常數變化之間的關系，提出了一種便攜式自動土壤水分觀測儀檢測方法。該方法首先設計了自動土壤水分觀測儀在不同距離、同等水分條件下簡易的便攜式自動土壤水分觀測儀檢測裝置電信號變化試驗;其次，分析水分分布對銅環式自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響，分析等量的水分在電場中與電場中心的距離對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響;最后，建立自動土壤水分觀測儀電場中水分分布對觀測數據的影響模型，得到水分分布與電場中心的距離和電信號變化之間的關系。該方法通過研究自動土壤水分觀測儀的現場校準技術，實現了一種精準穩定、小巧便攜的現場校準方法，提高了校準工作的復現性和精度，降低了校準工作的成本（含備件成本），可以有效解決自動土壤水分觀測儀無法現場校準的現狀，更好地保障了氣象業務觀測數據的準確性。

1 自動土壤水分觀測儀觀測原理

土壤水分檢測系統通常由傳感器、探測器、采集器和數據中心服務器組成[14]，如圖1所示。

自動土壤水分觀測儀主要負責土壤水分檢測系統的前端數據測量與傳輸，近年來中國氣象局先后考核了多種自動土壤水分觀測設備，定型了3種型號的設備，分別為DZN1型、DZN2型和DZN3型。其中，該研究的主要研究對象為DZN2/DZN3型自動土壤水分觀測儀為插管式安裝，采用多通道采集數據方法和FDR原理，能準確測量土壤含水量，完成土壤含水量的采集、存儲、處理和上傳。DZN3型自動土壤水分觀測儀如圖2所示。

DZN3型自動土壤水分觀測儀的觀測原理是通過一個上下雙層銅環，分別充當電容的正負兩極，在兩極之間構成一個南瓜形的電場。根據電場強度分布規律可知，在此南瓜形電場中，距離電場中心越近，即距離銅環式傳感器越近，同樣的水分所引起的電信號變化量越大，即權重越大，反之同樣的水分所引起的電信號變化量越小即權重越低。自動土壤水分觀測儀傳感器南瓜型電場如圖3所示。

由于水分分布距離電場中心的距離與電信號變化量的權重有關，并且自動土壤水分觀測儀傳感器電場中，水的介電常數遠超其他固體介質（如土壤、巖石和石英等）。同時，自動土壤水分觀測儀傳感器附近土壤水分的變化會改變自動土壤水分觀測儀傳感器的銅環電容，電容大小的變化引起LC振蕩器（C為電容、L為電感）的振蕩頻率發生改變[15]，傳感器將高頻信號變換后，根據固定的數學模型進行處理，即可得出土壤含水量。

2 便攜式自動土壤水分觀測儀檢測方法

根據距離傳感器中心距離不同的水分所引起的電信號變化量不同的自動土壤水分觀測儀傳感器電場特性，設計不同距離下同等水分對銅環式自動土壤水分觀測儀電信號輸出的影響，找出同等水分條件下在不同距中心距離處電信號的變化規律，建立對應的數學模型，就可以使用靠近電場中心的少量水分，替代完整的、均勻分布水分的土樣模型進行檢測，實現自動土壤水分觀測儀的便攜式檢測。

2.1 自動土壤水分觀測儀水分分布影響試驗

為驗證便攜式自動土壤水分觀測儀校準測試方法的可行性，定量分析水分分布對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響，設計了2種水分分布模型（圖4）。

其中，圖4（a）為一個多孔模型，每一個孔洞半徑和深度一致，即各孔洞容積一樣，在每一圈上同一半徑上孔洞均勻分布;圖4（b）為一個多環模型。

為了建立自動土壤水分觀測儀電場中水分分布對觀測數據的影響模型，對圖4（a）和圖4（b）所示的多孔模型和多環模型進行定量加水對比試驗，將圖4（a）所示的多孔模型從內圈到外圈依次分為a、b、c、d、e 5圈，對圖4（a）所示的多孔模型從內圈到外圈每個孔洞依次加入等量的水分，得到銅環式自動土壤水分觀測儀對多孔模型的水分觀測數據（電信號）的分布規律。

首先，對圖4（a）所示的多孔模型的a圈12個孔洞依次加入等量的水分，得到銅環式自動土壤水分觀測儀的測試數據如圖5所示。

其次，對圖4（a）所示的多孔模型的a圈12個孔洞和b圈18個孔洞由內而外依次加入等量的水分，得到銅環式自動土壤水分觀測儀的測試數據，如圖6所示。

根據圖5和圖6的數據分布規律可知，a圈和b圈的加入等量水分孔洞數量對水分觀測數據（電信號）有近似線性的影響，并且處于a圈的12個孔洞，每個孔洞加入等量水分后對觀測數據的影響要遠大于b圈18個孔洞加入等量水分的影響。

最后，對圖4（a）所示的多孔模型的5圈孔洞由內而外依次加入等量的水分，得到圖7所示的水分分布與銅環式自動土壤水分觀測儀觀測數據的關系圖。此外，a圈加水孔洞數量和自動土壤水分觀測儀觀測數據擬合直線的斜率要遠大于b圈加水孔洞數量和自動土壤水分觀測儀觀測數據擬合直線的斜率。由此可見，等量的水分在電場中，距離電場中心的距離越近，對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響就越大。但是，在距離銅環式自動土壤水分觀測儀傳感器至少10 mm外的水分分布中，電信號均大于59 Hz，無法觀測到水分足夠充足的情況下對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響。

為了進一步分析水分分布對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響，將圖4（b）所示的多環模型由內而外分等間距為5圈，分別為a、b、c、d、e，由內而外分別加入水分，得到水分分布與銅環式自動土壤水分觀測儀觀測數據的關系（圖8）。

由于多環模型的水槽寬度相同，b、c、d、e 4圈水槽每一圈加入的水分都大于a圈加入的水分，在b、c、d、e 4圈加入水分遠大于a圈水分的情況下，a圈（距離傳感器外緣10 mm）加入水分對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響仍然遠大于b、c、d、e 4圈加入水分，甚至d、e 2圈是否加水對觀測數據的影響已經難以分辨。

多環模型水分分布試驗進一步驗證了等量的水分在電場中，距離電場中心的距離越近，對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響就越大。但是，多環模型水分分布試驗中銅環式自動土壤水分觀測儀觀測數據的電信號均大于59 Hz，同樣無法觀測到水分足夠充足的情況下對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響。

為了更好地分析水分分布對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響，在自動土壤水分觀測儀的周圍加裝一圈容量與多孔模型孔洞相同的試管，以取得距離傳感器距離更近的水分影響數據。如圖9所示，降低水分分布試驗中與自動土壤水分觀測儀傳感器的最小距離，并進行第3組水分分布對觀測數據的影響試驗。將圖7中的試管逐個加入等量水分，得到水分分布對自動土壤水分觀測儀的影響試驗結果（圖10）。

由圖10可知，15根與圖4（a）中多孔模型孔洞容積相同的試管對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響（電信號最低為48.508 Hz）遠大于圖4（a）和圖4（b）中的所有孔洞加滿水分。由此可見，在銅環式自動土壤水分觀測儀在檢驗校準過程中并不需要巨大的土樣體積，可以使用更加小型化、標準化的檢測設備代替，驗證了該研究提出的便攜式自動土壤觀測儀校準測試方法可行性。

2.2 水分分布與自動土壤水分觀測儀觀測數據關系模型

針對自動土壤水分觀測儀的觀測精度要求，水分分布與自動土壤水分觀測儀觀測數據關系模型的分辨力需要大于0.02，才可以滿足自動土壤水分觀測儀的檢測要求。由于水分分布對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響是非線性的，實際檢測過程中水分也是非均勻分布的，使用全局的曲線擬合算法（如最小二乘法、最小區域法、線性回歸法等）受水分分布距離和均勻性的影響較大，導致土壤水分計算誤差較大，不利于土壤墑情分析。蔡慶空等[16]利用理論干濕邊與改進TVDI模型，實現了均方根誤差低于0.060的麥田土壤水分估算。李鴻儒等[17]建立了基于遷移學習的自動標定模型，結合TrAdaBoost算法得到了測試結果的平均準確率為99.1%的FDR傳感器標定模型。該研究根據土壤水分分布對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響試驗結果，采用核回歸算法對水分分布與自動土壤水分觀測儀觀測數據進行擬合，得到水分分布與自動土壤水分觀測儀觀測數據的關系模型，實現自動土壤水分觀測儀的便攜式校準檢測。

核回歸算法在傳統的全局曲線擬合算法損失函數的基礎上，引入權重函數w（i）：

J（α）=w（i）[y（i）-αTx（i）]2（1）

式中，x（i）和y（i）為數據集樣本點;α為擬合多項式系數，權重函數根據要預測的點與數據集中的點的距離來更新數據集中的點權值，常用的權重函數為指數衰減函數：

w（i）=exp[-（x（i）-x）22k2]（2）

式中，k為波長，x為預測點。

權重函數曲線見圖11。如圖11所示，樣本點距離預測點越遠，其權重越小，且波長越大，權重衰減越慢。

核回歸算法針對每個預測點x都需要重新依據整個數據集計算其回歸模型，同時擬合回歸系數和波長參數，得到其線性回歸系數：

α=（XTWX）-1XTW y（3）

式中，X為數據集，W為權重函數集。水分分布與自動土壤水分觀測儀觀測數據的回歸模型如下：

y=ri=0α（i）xi（4）

式中，x為該水分距離自動土壤水分觀測儀傳感器的水平距離，y為土壤水分觀測值所占的權重。

根據公式（4），在距離中心30 mm處，用對應體積的水能滿足檢測校準分辨力大于0.02的要求，因此公式（4）適用于直徑10 mm、高度10 mm的圓柱形水體。在距離自動土壤水分觀測儀傳感器外緣45 mm處，直徑10 mm、高度10 mm的圓柱形水體，通過公式（4）計算出自動土壤水分觀測儀的觀測值影響權重為0.015，優于目前銅環式自動土壤水分觀測儀的分辨力。因此，在制備便攜式自動給土壤水分觀測儀檢測設備時，設備可以大大縮小體積，實現自動土壤水分觀測儀的便攜式檢測。

3 結論

基于水分分布對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響，筆者提出了一種便攜式自動土壤水分觀測儀檢測方法，驗證了銅環式自動土壤水分觀測儀的檢驗校準可以使用小型化、標準化的檢測設備代替巨大的土樣體積，降低了設備送檢的時間成本、運輸成本和運輸風險等問題。首先，搭建簡易的便攜式自動土壤水分觀測儀檢測裝置;其次，利用簡易裝置的多環模型和多孔模型進行對比試驗，根據試驗結果驗證等量的水分在電場中，距離電場中心的距離越近，對自動土壤水分觀測儀觀測數據的影響就越大;最后，根據試驗數據建立了自動土壤水分觀測儀電場中水分分布對觀測數據的影響模型，滿足了自動土壤水分觀測儀檢測裝置分辨力大于0.02的檢測要求，驗證了便攜式自動土壤水分觀測儀檢測方法的可行性。該方法通過測量自動土壤水分觀測儀不同區段下的觀測數據，便于控制自動土壤水分觀測儀的觀測數據質量，可以有效提高自動土壤水分觀測儀的測量準確度和穩定性，同時體積較小便于攜帶，又無需反復制備，可以用于全國各地的自動土壤水分觀測儀的現場檢測工作。下一步工作考慮將便攜式檢測設備制成內厚、外薄的碟狀，進一步縮小便攜式檢測設備的半徑，減小體積，提高便攜性。

參考文獻

[1] 魯向東.土壤濕度氣象觀測方法介紹[J].農業與技術，2018，38（7）：151-152，183.

[2] 黃海瑯瑩，黃桂燁，黃宏智.基于多線程并發的自動土壤水分觀測處理平臺[J].氣象水文海洋儀器，2019，36（4）：72-75.

[3] 楊波，王欽良，薛慶禹，等.自動土壤水分觀測站業務化檢驗分析[J].氣象科技，2014，42（6）：992-996，1001.

[4] 王媛，魏江生，周梅，等.大興安嶺南段白樺樹干液流對土壤水分的響應[J].水土保持研究，2020，27（4）：128-133.

[5] 馬志紅，方文松，劉學義.不同土壤類型及測定距離下人工與自動站土壤濕度差異分析[J].氣象與環境科學，2016，39（4）：43-48.

[6] 王良宇，張艷紅，程路.自動土壤水分觀測資料應用誤差分析[J].氣象科技，2014，42（5）：731-736.

[7] 藍盈，鄭有飛，段長春，等.云南省自動氣象站土壤濕度數據質量控制[J].應用氣象學報，2016，27（2）：230-238.

[8] 吳東麗，梁海河，曹婷婷，等.中國自動土壤水分觀測網運行監控系統建設[J].氣象科技，2014，42（2）：278-282.

[9] 劉洋.土壤水分監測儀在遼西地區土壤墑情監測的應用研究[J/OL].中國防汛抗旱，2020，30[2020-04-25].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.5587.TV.20200416.2203.001.html.DOI：10.16867/j.issn.1673-9264.2020053.

[10] 張翠花.DZN3型自動站與人工土壤水分平行觀測資料對比分析[J].青海科技，2020，27（2）：86-89.

[11]鄒文安，徐立萍，徐加林.便攜式土壤水分采集儀標定的探討[J].水文，2013，33（3）：43-46.

[12] 李松奎，蔡震坤，邊澤強.土壤水分觀測儀自動化檢測裝置設計[J].電子測量技術，2019，42（15）：69-73.

[13] 白景剛，齊濤，劉宗堯.PASW-I型便攜式土壤水分觀測儀應用[J].氣象水文海洋儀器，2014，31（4）：80-82.

[14] 徐曉琳.基于無線的省級自動土壤水分監測系統的設計和實現[D].濟南：山東大學，2015.

[15] 陳志國.土壤水分自動觀測站維護與設備故障處理[J].黑龍江氣象，2018，35（2）：36-37.

[16] 蔡慶空，陶亮亮，蔣瑞波，等.基于理論干濕邊與改進TVDI的麥田土壤水分估算研究[J].農業機械學報，2020，51（7）：202-209.

[17] 李鴻儒，于唯楚，王振營.基于遷移學習的FDR土壤水分傳感器自動標定模型研究[J].農業機械學報，2020，51（2）：213-220.