區(qū)域土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)

1:系統(tǒng)功能

土壤是復(fù)雜的非均質(zhì)系統(tǒng)，傳統(tǒng)烘干法、中子法、介電常數(shù)法等土壤水分監(jiān)測方法雖能較準(zhǔn)確反映測定點(diǎn)的土壤含水量，但大范圍土壤含水量往往只能通過有限測點(diǎn)數(shù)據(jù)來推斷；遙感雖能快速測定區(qū)域土壤表層含水量，但遙感產(chǎn)品通常需要時間尺度擴(kuò)展及應(yīng)用地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。因此在農(nóng)田、小流域等中小尺度上，上述方法往往不能滿足日益發(fā)展的土壤科學(xué)研究和現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對大量、快速、準(zhǔn)確的土壤水分動態(tài)信息的需求。

美國科學(xué)家設(shè)計了一種基于近地面環(huán)境宇宙射線快中子濃度與土壤含水量關(guān)系，無危害、非接觸、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、不受土壤質(zhì)地、鹽分或土壤水分的物理狀態(tài)等影響、測量范圍大、測量深度適中的區(qū)域土壤水分/雪深監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可野外連續(xù)自動測定大面積的土壤含水量或等效積雪深度，是遙感反演土壤含水量的有效驗(yàn)證手段。

2:基本原理

環(huán)境中的宇宙射線粒子與原子核碰撞生成高能中子，這些高能中子在穿過空氣與土壤時，與介質(zhì)中的原子核尤其是氫原子發(fā)生彈性碰撞而改變方向，并失去部分能量，逐漸慢化。碰撞后返回地表部分的快、慢中子將在地表以極快的速度達(dá)到平衡，其濃度受表層土壤濕度顯著影響。通過中子探測器，探測地表附近的特定能量范圍的快中子或慢中子強(qiáng)度，就可以通過修正關(guān)系計算出大面積的土壤平均含水量?？熘凶訌?qiáng)度用于計算土壤含水量，而慢中子強(qiáng)度用于計算地表積雪深度。

3:應(yīng)用領(lǐng)域

主要應(yīng)用在土壤水分測量、旱情監(jiān)測、雪深測量、農(nóng)業(yè)灌溉指導(dǎo)、坡面穩(wěn)定性分析、山洪預(yù)報、供水管理、數(shù)值預(yù)報、氣候模型等。此外，可以安裝在移動平臺上用來繪制大范圍的土壤墑情圖。

4:系統(tǒng)特點(diǎn)

安裝方便，堅(jiān)固耐用，操作簡單，無需專業(yè)人員，適于野外長時間連續(xù)自動測量；

測量范圍*大可達(dá)700米（40公頃），測量深度*深可達(dá)70厘米；

無危害、非接觸、不破壞土壤結(jié)構(gòu)；

幾乎不受土壤質(zhì)地、密度、鹽分等理化性質(zhì)影響；

可用于測量雪深；

遙感反演土壤含水量提供匹配像元尺度的地面驗(yàn)證；

附帶數(shù)據(jù)處理軟件，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)供電：6～26VDC；

系統(tǒng)耗電：95mA@12V；

采集間隔：1min～1year可選；

數(shù)據(jù)存儲：內(nèi)部SD卡，外部可更換SD卡；

數(shù)據(jù)接口：USB、RS232；

測量范圍：*大測量范圍700米，*大測量深度70厘米；

量 程：0～飽和；

不確定性：0～4%；

軟件特點(diǎn)：可視化圖形顯示界面，便于用戶操作；

軟件功能：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、系數(shù)比較選定、土壤水分計算；

軟件輸入數(shù)據(jù)格式：txt或excel；

軟件輸出數(shù)據(jù)格式：txt；

若一小時計數(shù)間隔，軟件可一次性處理不低于3年的數(shù)據(jù)；

軟件可線性顯示土壤水分計算結(jié)果。

5:系統(tǒng)組成

主要由中子探測器、數(shù)據(jù)采集器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架、機(jī)箱、GSM傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理軟件等組成，可選配土壤濕度、雨量等傳感器。

專用數(shù)據(jù)處理軟件

宇宙射線中子土壤水分觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件是一款針對利用宇宙射線中子方法測定土壤水分的數(shù)據(jù)處理軟件。軟件通過宇宙射線中子傳感器(The cosmic-ray sensing sensor)所測量出的中子數(shù)與相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)計算公式，計算并輸出區(qū)域土壤水分值。

軟件的數(shù)據(jù)處理結(jié)果界面如下圖所示：

6:參考文獻(xiàn)

M. Zreda, W. J. Shuttleworth, X. Zeng, C. Zweck, D. Desilets, T. Franz, et al.(2012): COSMOS: The COsmic-ray Soil Moisture Observing System, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 9, 4505–4551.

Rivera Villarreyes, C. A., Baroni, G., and Oswald, S. E. (2011): Integral quantification of seasonal soil.

moisture changes in farmlａnd by cosmic-ray neutrons, Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, 3843–3859,

Desilets, D., Zreda, M., and Ferre, T. (2010): Nature’s neutron probe: land-surface hydrology at an elusive scale with cosmic rays, Water Resour. Res., 46, W11505.

Zreda, M., Desilets, D., Ferré, T. P. A., and Scott, R. L. (2008): Measuring soil moisture content non-invasively at intermediate spatial scale using cosmic-ray neutrons, Geophys. Res. Lett., 23(9), 949-952.

焦其順，朱忠禮，劉紹民，等．宇宙射線快中子法在農(nóng)田土壤水分測量中的研究與應(yīng)用［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2013，28 ( 10) : 1136-1143。

賈曉俊，施生錦，黃彬香等，宇宙射線中子法測量土壤水分的原理及應(yīng)用，中國農(nóng)學(xué)通報，2014,21:113-117.