ZY1700型土壤水分自动观测仪结构及标准值校准方法

李翔 罗宇昂 张曦

摘要：文章阐述了ZY1700型区域土壤水分自动观测仪的系统组成结构，对观测仪的温湿度、气压、雨量、辐射、风向、风速传感器做了详细介绍，同时对获取区域土壤水分标准值及标定参数的算法进行了详细阐述，为仪器的正常運行提供参考。

关键词：土壤水分观测仪;传感器;结构;标准值

0引言

土壤水分是水循环、能量循环和生物地球化学循环中的基本组成部分，它作为地气系统中陆地表面与大气相互作用的关键因子，在植被的蒸散发以及光合作用过程中起着决定作用，在水文、生态、气候和农业等领域都具有十分重要的意义。土壤水分的时空分布与变化显著影响着陆地和大气之间的热量平衡、大气环流以及土壤温度变化，对于区域甚至全球气候的改善、干湿情况的预测等科学研究都具有重大意义。传统土壤水分测量方法实现单点、自动、连续、精确监测，但监测尺度小（1㎡内），代表性差，难以得到土壤水分区域分布信息，无法完全反映土壤水分的空间变异性。应用于更大尺度时，通常需要进行分布式野外采样或者布设传感器网络，然后再利用空间插值等方式将数据扩展到所需空间尺度，具有不确定性，而采样点和传感器布置不合理也会造成宏观误差。ZY1700型区域土壤水分自动观测仪是根据基于近地面环境自然存在的宇宙射线与较大面积内土壤水分的关系，通过专门设计的区域土壤水分传感器，经过数学模型计算出土壤水分，利用空气温度、相对湿度等辅助传感器对结果进行修正，实现了最大直径约700米范围内土壤水分的直接测量，不受土壤质地、盐度等因素影响，能够应用于土壤水分测量、卫星反演验证、旱情预报、相关科学研究等领域。

1系统组成

ZY1700型区域土壤水分自动观测仪由硬件和软件两部分组成。软件为采集器嵌入式软件;硬件主要包括传感器、数据采集器、供电系统、外围设备（支架、机箱、避雷针）等部分，其中传感器包括区域土壤水分传感器以及空气温度、空气相对湿度、气压、雨量、风向、风速、总辐射传感器。

1.1温湿度传感器

HYHMP155A温湿度传感器具有可靠的湿度和温度测量功能，适合于各个环境。温度测量基于铂电阻传感器。温湿度传感器位于探头的顶端，由一个烧结的聚四氟乙烯过滤器保护。内部经过RS-485转换进行数字输出。

1.2气压传感器

PTB210型气压计是一款专为户外恶劣环境设计使用的高性能大气压力传感器，可用于宽温度量程内的测量。该传感器使用的是BAROCAP硅电容绝对压力传感器，提供卓越的滞后和可重复性，以及突出的温度和长期稳定性。PTB210集成了SPH10/20系列静压头，保证了其在所有风况条件下都可以进行精确测量。

1.3雨量传感器

SL3-1型翻斗式雨量传感器适用于气象站、水文站、农业、林业等有关部门用于测量液体降水量、降水强度，仪器感应器用二芯电缆连接，输出机械触电信号（干簧管）。

1.4总辐射传感器

ZYS510总辐射传感器用来测量光谱范围为0.28-3.0μm的太阳总辐射，可广泛应用于气象、农业、太阳能利用及大气污染等部门。该传感器为热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷接点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。为减小温度的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成。

1.5风速传感器

EL15-1C风速传感器是用于测量风速并转换成电脉冲信号的仪器。该传感器是利用一个低惯性的风杯部件作为感应部件，其感应部件随风旋转并带动风速码盘进行光电扫描，输出相应的电脉冲信号。该传感器的输入，输出端均采用瞬变抑制二极管进行过载保护。外部选用耐腐蚀的材料制作并有喷涂层保护，密封采用迷宫结构和O型环保护仪器内部的敏感元件不受恶劣环境的影响。

1.6风向传感器

EL15-2C风向传感器是用于测量风的水平风向的专业气象仪器。该传感器由风向标部件，壳体和插座等主要部分所组成，该传感器的输入、输出端均采用瞬变抑制二极管进行过载保护。外部零件选用耐腐蚀的材料制造并有喷涂层保护，密封采用迷宫结构和O型环保护仪器内部的敏感元件不受恶劣环境的影响。

2标定方法

2.1校准条件

设备稳定运行12小时以上，并且期间没有雨雪、灌溉等显著影响土壤水分变化的情况下，方可进行取土标定。原则上只需要标定一次，但是为减小操作不当等引入的误差，提高标定参数的质量，可进行3～5次的取样标定，选取所有标定参数中的最佳值。

2.2校准方法

2.2.1获取区域土壤水分标准值

本标定方法规定了区域土壤水分的获取方法，具体分为以下3个步骤：

（1）下钻地点：以区域土壤水分自动观测仪为圆心，在大约1m附近东西取2个采样点，分别半径大约50m、150m和300m的圆周上每隔60°选取一个点，共计20个点。（特殊场地3个圆周半径可按照[25m、75m、200m]、[15m、75m、175m]、[5m、25m、75m]处理）。

（2）取样深度：每个下钻点分别取5cm、10cm、20cm、35cm四个深度，由浅入深，顺序取土。

（3）烘干称重：按照烘干称重法处理土样，得到80个土壤重量含水率值，按照如下公式估算可测深度D（cm），所有深度在D以上的土样重量含水率的算术平均值即区域土壤水分标准值。

其中，D为有效测量深度，SM为土样重量含水率算术平均值，为土壤容重（一般按1.5g/m3计算）。

2.2.2标定参数计算

烘干称重法获得区域土壤水分值后，可通过计算公式得到标定参数：

其中即标定参数;a0、a1、a2为常数，分别为 0.0808、0.372、0.115;SM为区域土壤水分标准值;N为取土时过去12小时中子数的平均值。

3结束语

ZY1700型区域土壤水分自动观测仪是一套集区域土壤水分、空气温度、相对湿度、气压、雨量、风向、风速、总辐射等多种监测要素为一体的自动化观测系统，对卫星遥感地面验证、防旱减灾、山洪地质灾害防治、墒情变化、旱情影响评估等方面具有重要应用价值，能够满足农业气象、生态气象、土壤研究等领域的气象观测需求。

参考文献

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