FDR土壤水分自动站三级标定的方法

第３３卷第６期广东气象Ｖ０１．３３Ｎｏ．６２０１１年１２月Ｇｕａｎ酣ｏｎｇＭｅｔｅｏｍｌｏｇｙＤｅｃｅｍｂｅｒ２０ｌｌｄｏｉ：１０．３９６９“．ｉｓｓｎ．１００７—６１９０．２０１１．０６．０１９

ＦＤＲ土壤水分自动站三级标定的方法

黄飞龙。何艳丽，陈武框

（广东省大气探测技术中心，广东广州５１００８０）

摘要：ＦＤＲ法是利用土壤介电常数变化测量土壤含水率，在测量的３个阶段进行标定可以提高测

量准确度。仪器安装标定可以降低各个地区土壤水质的差异对传感器测量范围的影响；田间标定使用

仪器与烘干法对比观测数据，通过乘幂函数拟合计算不同土壤类型的参数，修正仪器测量公式，使测量

到的土壤介电常数的变化能够准确反映含水率的变化；再利用烘干法对含水率测量数据进行标定。原

始测量数据根据多项式函数拟合订正之后进一步降低了测量的绝对误差。经过３个阶段的标定，罗定

地区土壤水分自动观测数据最大误差控制在±２％以内，远小于农业气象观测规范允许的±５％。

关键词：土壤水分；ＦＤＲ法；函数拟合；自动站

中图分类号：Ｐ４１文献标识码：Ｂ文章编号：１００７—６１９０（２０１１）０６—００６０—０４

土壤水分是土壤的重要物理参数，土壤水是联系地围土壤水势有对应关系来测定土壤含水量，仪器价格便表水与地下水的纽带，在水资源的形成、转化及消耗过程宜，但对土壤类型、盐分浓度和土壤温度敏感，测量范围中有重要作用；同时，土壤水分对农业也至关重要，它不随电阻块不同面而异。ＧＰＲ法是根据电磁波在土壤中的仅是植物水分的直接来源，而且影响着植物对土壤养分传播速度与土壤的介电常数呈对应关系来测定土壤含水的吸收。此外，土壤水分还能够通过改变地表的反照率、量，它测量的空间范围较大，但只能测量地面以下几厘米热容量和向大气输送的感热、潜热等而影响气候变化和的土壤，且须以定点测定数据为基础，测定的数据精度较生态环境。因此，测定土壤水分有着重要的实际意义和差。遥感法是根据不同含水量的土壤反向的电磁波强度科学价值。不同来测定土壤含水量，它测量的空间范围大，但只能测

土壤水分的测定方法有多种，如烘干法、中子法、时量地面以下几厘米的土壤，且须以定点测定数据为基础，域反射法、１射线法、张力计法、电阻法、ＧＰＲ法、遥感法测定的数据精度不高ＭＪ。

等¨“１。这些方法所依据的原理不同，有各自的优点和频域反射技术（ＦＤＲ，ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｏｍａｉｎＲｅｎｅｃｔｏｍｅ．缺点。烘干法是在１０５℃左右烘干土壤，计算水分含量町）是近年才兴起的一种土壤水分测量方法，它采用国际直接测定土壤含水量，它成本低，简单易行，准确性高，不上最流行的频域反射原理，即传感器发射一定频率的电但被使用得最多而且在国际上也被作为对比的标准方磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输法，但费时费力，且破坏测定点的土壤，不利于原位测定，出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的取样过程会造成蒸发误差。中子法是通过记录快中子遇含水量，由输出电压和水分的关系即可计算出土壤的含到与其质量相近的氢原子变为慢中子的数量来计算土壤水量。该方法分辨率高，线性度好，仪器维护简单，不需含水量测量值，它代表性好，测定数据准确性较高，仪器要破坏土层，方便连续测量，已在农业、林业、环保、水利、价格适中，但测定的慢中子数有赖于标准曲线转换成含气象等领域广泛应用。

水量，标定过程会带来误差，还有放射线的危害。时域反由于土壤观测的特殊性，同一种仪器应用在不同地射法是根据电磁波在土壤介质中的传播速度与土壤的介点均需要测量标定，才能够准确测量不同类型土壤的水电常数呈对应关系来测定土壤含水量，它快速、准确，可分含量。已经有学者对特殊土壤的水分测量进行过标定对原位土壤进行连续自动监测，但测量值需要校正，仪器研究¨４ｏ，显示出标定对于准确测量的必要性。对于特价格昂贵。１射线法是根据射线在穿透土壤时，能量衰定型号的传感器，有学者采用更细致的分阶段标定方减程度与土壤含水量呈对应关系来测定土壤含水量，它法。１…。中国气象局在多个省份增加了土壤水分自动观快速、准确，可对土壤进行连续自动监测测量值，但受土测站点，开展土壤水分观测业务。包括广东省在内的大壤干密度影响大，仅适于实验室测定。张力计法是根据部分省份的土壤水分自动站，均使用了澳大利亚ｓｅｎｔｅｋ负压管的负压与土壤吸力呈对应关系来测定土壤含水公司的ＥｎｖｉｍＳＭＡＲＴ探测器，该探测器采用ＦＤＲ测量技量，仪器价格较便宜，操作简单可对原位土壤长期监测，术。土壤水分自动站标定方法分为３个阶段。通过仪器但受温度影响大，在土壤含水量低时即失效，负压中的水安装标定和田间标定改变土壤水分含量计算函数的系进入土壤会带来误差口Ｊ。电阻法是根据电阻的变化与周数，使不同地区和土壤结构的水分含量能够被准确计算，收稿日期：２０１１一０７一１５作者简介：黄飞龙（１９８０生），男，工程师，硕士，从事气象环境探测设备的研发工作。

万方数据

第６期黄飞龙等：ＦＤＲ土壤水分自动站三级标定的方法

６１

再通过仪器测量数据与烘干法测量数据的函数拟合标定，进一步降低测量数据的误差。本文介绍了仪器安装标定、田间标定和测量数据标定的原理和步骤，并以罗定地区为例，说明了３个阶段的标定对土壤水分准确测量的重要性。

１

测量原理

ＥｎｖｉｍｓＭＡＲＴ探测器采用了总线技术，一支探测器

上有智能采集电路，可以同时安装多个传感器单元，实现不同深度的土壤水分数据同时测量。

传感器单元采用土壤水分介电常数法的原理，利用传感器在不同含水率土壤中的频率ｓＦ（ｓｃａｌｅｄ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

归一化频率）变化来测量土壤水的体积分数（口）。

传感器单元等效电路如图ｌ，采用串联ＬＣ谐振电路。

Ｌ

振荡器

图ｌ传感器单元等效电路图

由于谐振发生的条件成立，谐振频率：

ｎ去南

２仃／Ｌｃ￣／１＋１／ｐ２其中Ｑ是谐振回路的品质因素，由于土壤是回路的一部分，Ｑ受到土壤的影响。有的研究采用并联Ｌｃ谐振电路消除土壤对Ｑ值的影响¨“，ＥｎｖｉｍＳＭＡＲＴ探测器采用了归一化频率消除Ｑ值的影响。通过电容与介电常数的关

系：

占＝ｃ／ｃ０

（２）

可以求得土壤的相对介电常数，其中ｃ０是介质为空气时候的电容。许多研究证实土壤介电常数占与土壤水分含量之间具有线性关系‘１２。“：

ｐ＝以＋６

（３）

其中口、６是两个常数，由土壤的类型决定‘４’”］。归一化频率定义为：

ｓＦ＝爵

Ｆ—Ｆ

（４）

其中，Ｆ。为仪器放置于空气中所测得的频率；ＦＷ为仪器放置在水中所测得的频率；Ｆ。则为仪器安装于土壤中所测得的频率。

联立公式（１）～（４），在实验数据拟合的基础上，土壤水分含量与ＳＦ之问的关系可以用幂公式：

口＝ｍ?ＳＰ

（５）

表述，其中ｍ和ｎ为拟合参数。

传感器归一化频率和水的体积分数之间的关系通过公式（６）描述：

ｓＦ：Ａ．矿＋ｃ

（６）

万方数据

其中Ａ、Ｂ、ｃ参数可以通过函数拟合得到，它们受土壤类型以及土壤结构的影响。

２三级标定

２．１仪器安装标定

仪器安装标定主要是为了设置好归一化频率公式中的Ｆ。和Ｆｗ。由于安装地点不同，不同地区土壤中水分的构成也不完全一样，有的地方地表水酸性偏高，有的地方碱性偏高，有的地方矿物质含量大，有的地方有机质含量大。这些不同的构成均不同程度地影响水的介电常数，因此为了测量更加准确，需要对安装地现场的水进行Ｆ。和Ｆ。的测量。

测量这两个参数可以通过软件Ｐ曲ｅ

ＣｏＩｌｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ

ｕｔｉｌｉｔｙ进行。在电脑上安装该软件之后，给探测器智能电路Ｄｃｌ２Ｖ供电，在智能电路上的’ｒｒＬ接口插上标定线，标定线另一头接到电脑的ｃ０Ｍ口。打开该软件，出现界面如图２，即标定软件的主界面。界面上以列表的方式将探测器上各个传感器单元的参数信息都显示出来。第１列表示传感器的层次；第２列表示可以设置该层所在的深度，也就是探测深度；第３列表示传感器在空气中测得的频率，也就是Ｆ。；第４列表示传感器在水中测得的频率，也就是Ｆ。；第５列用以设置计算水分含量所需要的３个参数Ａ、曰、ｃ；第６列表示要不要将该层数据统计到总含水率中去，打钩表示需要统计。

由于该传感器单元的探测值主要由其周围１０ｃｍ内的水分含量决定，标定时，将土壤水分探测器放置在安装管中，安装管的两端用木质材料架起来使各个传感器单元离开地面约２０ｃｍ，传感器单元的探测距离内保持空旷。点击第１层传感器的第３列Ｈｉｇｌｌ／Ａｉｒ位置的按钮进行电介质为空气的频率测量，经过多次点击，测量的数值稳定不变之后，点击软件下面ｗｒｉｔｅｔｏ

ｐｒｏｂｅ按钮，将测量

值保存到传感器存储芯片中。

将各层传感器的空气介质频率测量标定完毕之后，使用标定桶进行水中标定。标定桶盛满在安装现场取到的水，将土壤水分探测器的第１个传感器单元放置在标定桶ＰＶｃ管中段位置。点击界面上第ｌ层传感器的Ｌｏｗ／ｗａｔｅｒ位置的按钮进行水中频率测量，多次测量稳定之后，点击ｗｒｉｔｅ

ｔｏ

ｐｍｂｅ按钮，将测量值保存到传感器存

储芯片中。完成第１层测量标定之后依此进行其他层传

感器单元的测量标定。２．２田间标定

一般认为，传统的烘干法测得的土壤水分值是可信的，可以作为其它各种土壤含水率测量方法的校正标准。但因为土壤水分自动监测站安装处土壤的类型、剖面各组织层、质地、密度、颗粒和安装结合紧密度各不相同，使得不同地区的土壤类型实际上是不一样的。所以，同一

个土壤水分传感器单元在不同的地方使用，为了得到准确的土壤水分测量值，不能只使用同一组土壤类型参数。田间标定就是修正公式（６）中的Ａ、Ｂ、ｃ具体数值。

在试验条件许可的情况下可以先进行实验室标定。实验室标定是将探测器安装现场的土壤取回来，使用实

广东气象第３３卷

囤２土壤水分传感器参数配置软件界面

验室设备控制土壤的均匀度以及水分含量．通过传感器之间。将同一个传感器单元所得到的所有数据换算成归测量值与理论值之间的关系修正传感器计算公式。但是一化频率，在该组归一化频率与相对应的烘干法数据之实验室标定破坏了土壤的原生．因此实际使用的土壤水间建立幂指数函数方程，就可求得该传感器单元所需要分探测器还必须进行田间标定。的土壤类型参数Ａ、曰、ｃ。

田间标定方法：先测定安装地点土壤的容重，然后取广东省罗定地区土壤水分站点１０ｃｍ深度传感器对对比数据样本。每隔５ｄ在传感器安装地点取土，然后比样本做田间标定结果如表ｌ所示。由图３拟合曲线方用人工烘干法测量各层土壤的体积含水率，同时记录当程看，＾＝０２２６９、Ｂ＝Ｏ．３７６３、ｃ＝０。由决定系数Ｒ平时探测器各层传感器单元的自动测量结果，两个记录在方可见拟合效果非常好，绝大多数水的体积分数的变化一起作为一组样本。经过一段时间之后．最好是跨越了都可以在曲线上体现出来。

一个旱季及雨季．使得测量数据均匀分布在５％～５０％

表１田间标定样本数据

序号人Ｔ／％自动／％归一化频率序号人工／％自动／％归一化频率１３００３２０００３４６２６０８２７９４８０７８

２５８３７０７８０４６７３ｌ７８３５９０ｌ０８６

３９加９２８５０５ｌ８３６４５３８０７６０８８

４１６１５１５４５２０６２９４ｌｌＯ４０３２８０９０

５１９７８２ｌ９４００７ｌ

归一化频率与人工测量数据拟台曲线２

ｌ０３数据标定

＊经过田问标定之后，再进行人工烘干法与自动测量蒌＂的数据对比。探测器测量到的各层土壤含水率与烘干法士得到的土壤水分变化趋势基本一致，但仍然会有一定的

０差异。为了将差异减到最小，还要对自动测量数据进行

Ｏ２０４０６０

术的体积分数惭数据标定。与田间标定方法一样．每隔５ｄ进行人工烘干和自动测量的对比，获得足够的对比样本数据。以人

图３田间标定拟合曲线工观测值为标准建立线性拟合方程或者一元二次拟合方

样本数据范围最好涵盖ｌｏ％一５０％，跨度太小的情程。利用得到的标定系数，对每一层传感器单元测量值进况下拟合方程得到的参数不准确．不能作为标定的参数。行数据标定．使得经过标定后的数据更接近人工测定值。万方数据

第６期黄飞龙等：ＦＤＲ土壤水分自动站三级标定的方法

下面仍以罗定地区土壤自动观测站１０ｃｍ深度的测量数据（表２）利用线性拟合为例说明数据标定方法。

表２罗定土壤自动观测站１０ｃｍ对比样本数据（２０１０年１１月一２０１１年３月）％

序号自动人工序号自动人工序号自动人工１１９．３２３．７１１２１．９２７．２２１２９．９２６．Ｏ２１９．２２５．１１２２０．３２７．２２２２６．４２８．８３１８．３２３．６１３１９．１２４．１２３２６．２２７．６４１７．６２１．７１４２４．１２７．Ｏ２４２３．６２７．Ｏ５１７．５２１．５‘１５２２．７２６．５２５２２．５２５．５６１６．６２２．６１６２０．７２３．８２６２１．８２４．９７１５．６２０．１１７２０．３２５．５２７２６．７２３．８８’１４．８２０．５１８２０．０２６．２２８２５．３２９．Ｏ９１５．９２０．３１９１９．５２４．７２９２６．Ｏ３０．３１０２３．７２７．８２０１９．５２３．８３０２４．１２５．９标定公式：［３］胡建东，赵向阳，李振峰，等．参数调制探针式电容土壤水分

ｙ＝Ａｏ＋ＡｌＸ传感器技术研究［Ｊ］．传感技术学报，２００７，２０（５）：１０５７—

其中：ｙ为标定值，ｘ为仪器测量值，Ａ。、Ａ。为标定系数。１０６０．

根据表２数据拟合得到的线性方程如图４。［４］李秀春，刘洪禄，杨培岭．ｓＭＰ—Ｏｌ土壤水分传感器研制［Ｊ］，

中国农村水利水电，２００２（１）：３８—３９．

３５

更３０［５］高照洋，张红梅，常明勋，等．国内外土壤水分监测技术［Ｊ］，Ｈ２５节水灌溉，２００４（２）：２８—２９．

＿ｃ２０

ｑ１５［６］时新玲，王国栋．土壤含水量测定方法研究进展［Ｊ］，中国农Ｚ１０

百村水利水电，２００３（１０）：８４—８６．

５

Ｏ［７］杨直毅，樊军．ＴＤＲ和ＦＤＲ测定黄绵土土壤含水量的标定

（ｐ（Ｈ：Ｏ自动）％［Ｊ］．土壤通报，２００９，４０（４）：７４０一７４２．

图４罗定地区ｌｏｃｍ土壤水分数据标定曲线［８］周凌云，陈志雄，李卫民．’ｒＤＲ法测定土壤含水量的标定研究

［Ｊ］．土壤学报，２００３，４０（１）：５９—６４．

其中Ａ０＝１３．３，Ａ１＝０．５５１８［９］高亮，成立，袁寿其，等．多元回归分析在土壤湿度传感器标

根据标定系数生成新的测量数据列，计算仪器测量定中的应用［Ｊ］．农机化研究，２００３（２）：１８２一１８３．

与人工测定水的体积分数的绝对误差。可以得到数据标［１０］卢启福，吴慕春，胡月明，等．基于ＴＤＲ一３的土壤水分传感定前的绝对误差平均值为４．２０％，标定后的绝对误差平器标定模型研究［Ｊ］．传感技术学报，２００９，２２（７）：１０６６一均值为１．２５％。数据标定使自动观测数据更加接近人工１０７０．

观测数据。［１１］马孝义，马建仓．土壤水分介电频差式传感器的研究［Ｊ］．水

土保持研究，２００２，９（２）：８７—９２．

３小结［１２］ｃｏｓｅＩｌｚａＰｈ，７ｒａｂｂａｇｈＡ．Ｅｌｅｃｔｍｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｔｅ皿ｉｎａｔｉ帆０ｆｃｌａｙ

采用土壤水分自动站进行土壤水分观测，不但节省ｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ：ｒｏｌｅ０ｆｔｌｌｅＩｌｌｉｃｍｐｏｒｏｓｉｔ）ｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄｃｌａｙｓｃｉ—了大量的人力和时间，而且能够连续稳定获得数据。通ｅｎｃｅ，２００４，２６：２ｌ一３６．

过对土壤水分传感器的安装标定、田间标定以及测量数［１３］ＧａｓｋｉｎＧＪ，ＭｉｌｌｅｒＪＤ．Ｍｅ鹊ｎＩｅｍｅｎｔｏｆ∞ｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｕ一

８ｉｌｌｇａｓｉｍｐｌｍｅｄｉｍｐｅｄ卸ｃｅｍｅａ鲫ｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑＩｌｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ

据标定，土壤水分自动站所获得的数据测量准确性大大０ｆＡｇｒｉｃｌｌｌｔｕ曲Ｅ蝤ｎｅｅｒｉｎｇＲｅ湖ｒｃｈ，１９９６，６３：１５３—１６０．提高，能够满足农业气象观测规范¨钊中土壤水分含量测［１４］ＭｉｕｅｒＪＤ，Ｇ船ｋｉｎＧＪ，Ａｎｄｅｒ∞ｎＨＡ．ｆ’ｍＩｎｄＩｏｕ曲ｔｔｏ量误差小于±５％的要求。ｆｂ）ｄ：ｃａｔｃｈｍｅｎｔｐＩｏｂｅｓ［Ｊ］．Ｈｙｄ蝴ｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｓｒｅｖｅａｌｅｄｕｓｉｎｇｎｏｖｅｌ∞ｉｌｗａｔｅｒ

Ｐｍｃｅｓｓｅ８，１９９７，１ｌ：５３３—５４１．

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技，２００８（１２）：１３—１７．［１６］中国气象局监测网络司．自动土壤水分观测仪功能需求书［２］陈家宙，陈明亮，何圆球．各具特色的当代土壤水分测量技术［ｚ］，２００８：６—７．

［Ｊ］．湖北农业科学，２００１（３）：２５—２８．

万方数据