ZY1700型土壤水分自動觀測儀結構及標準值校準方法

李翔 羅宇昂 張曦

摘要：文章闡述了ZY1700型區域土壤水分自動觀測儀的系統組成結構，對觀測儀的溫濕度、氣壓、雨量、輻射、風向、風速傳感器做了詳細介紹，同時對獲取區域土壤水分標準值及標定參數的算法進行了詳細闡述，為儀器的正常運行提供參考。

關鍵詞：土壤水分觀測儀;傳感器;結構;標準值

0引言

土壤水分是水循環、能量循環和生物地球化學循環中的基本組成部分，它作為地氣系統中陸地表面與大氣相互作用的關鍵因子，在植被的蒸散發以及光合作用過程中起著決定作用，在水文、生態、氣候和農業等領域都具有十分重要的意義。土壤水分的時空分布與變化顯著影響著陸地和大氣之間的熱量平衡、大氣環流以及土壤溫度變化，對于區域甚至全球氣候的改善、干濕情況的預測等科學研究都具有重大意義。傳統土壤水分測量方法實現單點、自動、連續、精確監測，但監測尺度小（1㎡內），代表性差，難以得到土壤水分區域分布信息，無法完全反映土壤水分的空間變異性。應用于更大尺度時，通常需要進行分布式野外采樣或者布設傳感器網絡，然后再利用空間插值等方式將數據擴展到所需空間尺度，具有不確定性，而采樣點和傳感器布置不合理也會造成宏觀誤差。ZY1700型區域土壤水分自動觀測儀是根據基于近地面環境自然存在的宇宙射線與較大面積內土壤水分的關系，通過專門設計的區域土壤水分傳感器，經過數學模型計算出土壤水分，利用空氣溫度、相對濕度等輔助傳感器對結果進行修正，實現了最大直徑約700米范圍內土壤水分的直接測量，不受土壤質地、鹽度等因素影響，能夠應用于土壤水分測量、衛星反演驗證、旱情預報、相關科學研究等領域。

1系統組成

ZY1700型區域土壤水分自動觀測儀由硬件和軟件兩部分組成。軟件為采集器嵌入式軟件;硬件主要包括傳感器、數據采集器、供電系統、外圍設備（支架、機箱、避雷針）等部分，其中傳感器包括區域土壤水分傳感器以及空氣溫度、空氣相對濕度、氣壓、雨量、風向、風速、總輻射傳感器。

1.1溫濕度傳感器

HYHMP155A溫濕度傳感器具有可靠的濕度和溫度測量功能，適合于各個環境。溫度測量基于鉑電阻傳感器。溫濕度傳感器位于探頭的頂端，由一個燒結的聚四氟乙烯過濾器保護。內部經過RS-485轉換進行數字輸出。

1.2氣壓傳感器

PTB210型氣壓計是一款專為戶外惡劣環境設計使用的高性能大氣壓力傳感器，可用于寬溫度量程內的測量。該傳感器使用的是BAROCAP硅電容絕對壓力傳感器，提供卓越的滯后和可重復性，以及突出的溫度和長期穩定性。PTB210集成了SPH10/20系列靜壓頭，保證了其在所有風況條件下都可以進行精確測量。

1.3雨量傳感器

SL3-1型翻斗式雨量傳感器適用于氣象站、水文站、農業、林業等有關部門用于測量液體降水量、降水強度，儀器感應器用二芯電纜連接，輸出機械觸電信號（干簧管）。

1.4總輻射傳感器

ZYS510總輻射傳感器用來測量光譜范圍為0.28-3.0μm的太陽總輻射，可廣泛應用于氣象、農業、太陽能利用及大氣污染等部門。該傳感器為熱電效應原理，感應元件采用繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點在感應面上，而冷接點則位于機體內，冷熱接點產生溫差電勢。在線性范圍內，輸出信號與太陽輻照度成正比。為減小溫度的影響則配有溫度補償線路，為了防止環境對其性能的影響，則用兩層石英玻璃罩，罩是經過精密的光學冷加工磨制而成。

1.5風速傳感器

EL15-1C風速傳感器是用于測量風速并轉換成電脈沖信號的儀器。該傳感器是利用一個低慣性的風杯部件作為感應部件，其感應部件隨風旋轉并帶動風速碼盤進行光電掃描，輸出相應的電脈沖信號。該傳感器的輸入，輸出端均采用瞬變抑制二極管進行過載保護。外部選用耐腐蝕的材料制作并有噴涂層保護，密封采用迷宮結構和O型環保護儀器內部的敏感元件不受惡劣環境的影響。

1.6風向傳感器

EL15-2C風向傳感器是用于測量風的水平風向的專業氣象儀器。該傳感器由風向標部件，殼體和插座等主要部分所組成，該傳感器的輸入、輸出端均采用瞬變抑制二極管進行過載保護。外部零件選用耐腐蝕的材料制造并有噴涂層保護，密封采用迷宮結構和O型環保護儀器內部的敏感元件不受惡劣環境的影響。

2標定方法

2.1校準條件

設備穩定運行12小時以上，并且期間沒有雨雪、灌溉等顯著影響土壤水分變化的情況下，方可進行取土標定。原則上只需要標定一次，但是為減小操作不當等引入的誤差，提高標定參數的質量，可進行3～5次的取樣標定，選取所有標定參數中的最佳值。

2.2校準方法

2.2.1獲取區域土壤水分標準值

本標定方法規定了區域土壤水分的獲取方法，具體分為以下3個步驟：

（1）下鉆地點：以區域土壤水分自動觀測儀為圓心，在大約1m附近東西取2個采樣點，分別半徑大約50m、150m和300m的圓周上每隔60°選取一個點，共計20個點。（特殊場地3個圓周半徑可按照[25m、75m、200m]、[15m、75m、175m]、[5m、25m、75m]處理）。

（2）取樣深度：每個下鉆點分別取5cm、10cm、20cm、35cm四個深度，由淺入深，順序取土。

（3）烘干稱重：按照烘干稱重法處理土樣，得到80個土壤重量含水率值，按照如下公式估算可測深度D（cm），所有深度在D以上的土樣重量含水率的算術平均值即區域土壤水分標準值。

其中，D為有效測量深度，SM為土樣重量含水率算術平均值，為土壤容重（一般按1.5g/m3計算）。

2.2.2標定參數計算

烘干稱重法獲得區域土壤水分值后，可通過計算公式得到標定參數：

其中即標定參數;a0、a1、a2為常數，分別為 0.0808、0.372、0.115;SM為區域土壤水分標準值;N為取土時過去12小時中子數的平均值。

3結束語

ZY1700型區域土壤水分自動觀測儀是一套集區域土壤水分、空氣溫度、相對濕度、氣壓、雨量、風向、風速、總輻射等多種監測要素為一體的自動化觀測系統，對衛星遙感地面驗證、防旱減災、山洪地質災害防治、墑情變化、旱情影響評估等方面具有重要應用價值，能夠滿足農業氣象、生態氣象、土壤研究等領域的氣象觀測需求。

參考文獻

[1]張超，王會肖.土壤水分研究進展及簡要評述[J].干旱地區農業研究， 2003，21（4）：117-120，125.

[2]逢春浩，土壤水分測定方法的新進展—TDR測定儀[J].干旱區資源與環境，1994，8（2）：69-76

[3]黃昌勇.土壤學[M].北京：中國農業出版社，2000：98-118

四川省氣象探測數據中心 四川成都 610072