便携式自动土壤观测仪校准测试方法

王华 褚进华 耿慧 董克非

摘要 针对自动土壤水分观测仪定期校准需要中断该设备正常连续观测时间以及设备送检的时间成本、运输成本和运输风险等问题，提出了一种自动土壤水分观测仪的现场校准方法。首先，分析了水分分布对铜环式自动土壤水分观测仪观测数据的影响;其次，设计了自动土壤水分观测仪在不同距离、同等水分条件下的电信号变化试验;最后，建立了自动土壤水分观测仪电场中水分分布对观测数据的影响模型，得到了水分分布与电场中心的距离和电信号变化之间的关系。结果表明，建立的模型在距离传感器外缘45 mm处，直径和高度均为10 mm的圆柱形水体的权重为0.015，能满足铜环式自动土壤水分观测仪分辨力0.02的要求，验证了便携式自动土壤水分观测仪检测方法的可行性。

关键词 自动土壤观测仪;水分分布;土壤墒情

中图分类号 S 152.7文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）05-0202-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.057

开放科学（资源服务）标识码（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

土壤水分觀测通过仪器监测土壤的干湿程度（土壤的实际含水量）是气象为农服务工作之一，对土壤水分连续观测是监测农田旱、涝情况的重要依据，是土壤微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一[1-4]。自2009年开始，从“千亿斤粮食增产项目”到“山洪预警项目”，为了掌握土壤墒情，中国气象局开始在全国范围内布置自动土壤水分观测站网，目前已有超过3 000套自动土壤水分观测仪在全国各气象站列装，逐步取代人工土壤墒情观测，在土壤墒情的业务观测和科学研究等方面发挥了重要作用[5-10]。根据中国气象局业务管理的相关规定，使用的自动土壤水分观测仪每2年需到实验室进行定期校准，以保证自动土壤水分观测仪的正常工作。

在设备送检期间，土壤水分观测站需要更换备件进行连续观测或中断观测，既影响了实际观测业务，又增加了工作量及设备运输过程中的损坏风险。此外，在校准工作中利用石英砂或玻璃砂加蒸馏水配制模拟土壤标准样本，该方法制备的土壤样本具有复现性差、样本均匀性差、精度低、成本高、受操作人员技术水平影响大等缺陷，以及设备送检运输过程中影响，不能从根本上保证设备校准后的测量稳定性和测量精度。邹文安等[11]根据土壤水分观测仪实际标定的操作过程，对便携式土壤水分观测仪的标定进行了探讨，对于以介电常数法为原理的自动土壤水分观测仪的校准具有借鉴意义和参考作用。李松奎等[12]设计了一种土壤水分观测仪自动化检测装置，解决了自动土壤水分观测仪标定过程中一次标定只能完成单只传感器校准的问题，提高了土壤水分观测仪的检测效率和检测质量，实现了土壤水分观测仪自动化、批量化和信息化检测。白景刚等[13]对PASW-I型便携式自动土壤水分观测仪的主要功能和应用场景进行了介绍，此便携式自动土壤基于FDR原理，主要应用于突发性应急观测工作，有助于提高土壤墒情的应急观测能力。

笔者利用水分分布与自动土壤水分观测仪传感器电场介电常数变化之间的关系，提出了一种便携式自动土壤水分观测仪检测方法。该方法首先设计了自动土壤水分观测仪在不同距离、同等水分条件下简易的便携式自动土壤水分观测仪检测装置电信号变化试验;其次，分析水分分布对铜环式自动土壤水分观测仪观测数据的影响，分析等量的水分在电场中与电场中心的距离对自动土壤水分观测仪观测数据的影响;最后，建立自动土壤水分观测仪电场中水分分布对观测数据的影响模型，得到水分分布与电场中心的距离和电信号变化之间的关系。该方法通过研究自动土壤水分观测仪的现场校准技术，实现了一种精准稳定、小巧便携的现场校准方法，提高了校准工作的复现性和精度，降低了校准工作的成本（含备件成本），可以有效解决自动土壤水分观测仪无法现场校准的现状，更好地保障了气象业务观测数据的准确性。

1 自动土壤水分观测仪观测原理

土壤水分检测系统通常由传感器、探测器、采集器和数据中心服务器组成[14]，如图1所示。

自动土壤水分观测仪主要负责土壤水分检测系统的前端数据测量与传输，近年来中国气象局先后考核了多种自动土壤水分观测设备，定型了3种型号的设备，分别为DZN1型、DZN2型和DZN3型。其中，该研究的主要研究对象为DZN2/DZN3型自動土壤水分观测仪为插管式安装，采用多通道采集数据方法和FDR原理，能准确测量土壤含水量，完成土壤含水量的采集、存储、处理和上传。DZN3型自动土壤水分观测仪如图2所示。

DZN3型自动土壤水分观测仪的观测原理是通过一个上下双层铜环，分别充当电容的正负两极，在两极之间构成一个南瓜形的电场。根据电场强度分布规律可知，在此南瓜形电场中，距离电场中心越近，即距离铜环式传感器越近，同样的水分所引起的电信号变化量越大，即权重越大，反之同样的水分所引起的电信号变化量越小即权重越低。自动土壤水分观测仪传感器南瓜型电场如图3所示。

由于水分分布距离电场中心的距离与电信号变化量的权重有关，并且自动土壤水分观测仪传感器电场中，水的介电常数远超其他固体介质（如土壤、岩石和石英等）。同时，自动土壤水分观测仪传感器附近土壤水分的变化会改变自动土壤水分观测仪传感器的铜环电容，电容大小的变化引起LC振荡器（C为电容、L为电感）的振荡频率发生改变[15]，传感器将高频信号变换后，根据固定的数学模型进行处理，即可得出土壤含水量。

2 便携式自动土壤水分观测仪检测方法

根据距离传感器中心距离不同的水分所引起的电信号变化量不同的自动土壤水分观测仪传感器电场特性，设计不同距离下同等水分对铜环式自动土壤水分观测仪电信号输出的影响，找出同等水分条件下在不同距中心距离处电信号的变化规律，建立对应的数学模型，就可以使用靠近电场中心的少量水分，替代完整的、均匀分布水分的土样模型进行检测，实现自动土壤水分观测仪的便携式检测。

2.1 自动土壤水分观测仪水分分布影响试验

为验证便携式自动土壤水分观测仪校准测试方法的可行性，定量分析水分分布对自动土壤水分观测仪观测数据的影响，设计了2种水分分布模型（图4）。

其中，图4（a）为一个多孔模型，每一个孔洞半径和深度一致，即各孔洞容积一样，在每一圈上同一半径上孔洞均匀分布;图4（b）为一个多环模型。

为了建立自动土壤水分观测仪电场中水分分布对观测数据的影响模型，对图4（a）和图4（b）所示的多孔模型和多环模型进行定量加水对比试验，将图4（a）所示的多孔模型从内圈到外圈依次分为a、b、c、d、e 5圈，对图4（a）所示的多孔模型从内圈到外圈每个孔洞依次加入等量的水分，得到铜环式自动土壤水分观测仪对多孔模型的水分观测数据（电信号）的分布规律。

首先，对图4（a）所示的多孔模型的a圈12个孔洞依次加入等量的水分，得到铜环式自动土壤水分观测仪的测试数据如图5所示。

其次，对图4（a）所示的多孔模型的a圈12个孔洞和b圈18个孔洞由内而外依次加入等量的水分，得到铜环式自动土壤水分观测仪的测试数据，如图6所示。

根据图5和图6的数据分布规律可知，a圈和b圈的加入等量水分孔洞数量对水分观测数据（电信号）有近似线性的影响，并且处于a圈的12个孔洞，每个孔洞加入等量水分后对观测数据的影响要远大于b圈18个孔洞加入等量水分的影响。

最后，对图4（a）所示的多孔模型的5圈孔洞由内而外依次加入等量的水分，得到图7所示的水分分布与铜环式自动土壤水分观测仪观测数据的关系图。此外，a圈加水孔洞数量和自动土壤水分观测仪观测数据拟合直线的斜率要远大于b圈加水孔洞数量和自动土壤水分观测仪观测数据拟合直线的斜率。由此可见，等量的水分在电场中，距离电场中心的距离越近，对自动土壤水分观测仪观测数据的影响就越大。但是，在距离铜环式自动土壤水分观测仪传感器至少10 mm外的水分分布中，电信号均大于59 Hz，无法观测到水分足够充足的情况下对自动土壤水分观测仪观测数据的影响。

为了进一步分析水分分布对自动土壤水分观测仪观测数据的影响，将图4（b）所示的多环模型由内而外分等间距为5圈，分别为a、b、c、d、e，由内而外分别加入水分，得到水分分布与铜环式自动土壤水分观测仪观测数据的关系（图8）。

由于多环模型的水槽宽度相同，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圈加入水分远大于a圈水分的情况下，a圈（距离传感器外缘10 mm）加入水分对自动土壤水分观测仪观测数据的影响仍然远大于b、c、d、e 4圈加入水分，甚至d、e 2圈是否加水对观测数据的影响已经难以分辨。

多环模型水分分布试验进一步验证了等量的水分在电场中，距离电场中心的距离越近，对自动土壤水分观测仪观测数据的影响就越大。但是，多环模型水分分布试验中铜环式自动土壤水分观测仪观测数据的电信号均大于59 Hz，同样无法观测到水分足够充足的情况下对自动土壤水分观测仪观测数据的影响。

为了更好地分析水分分布对自动土壤水分观测仪观测数据的影响，在自动土壤水分观测仪的周围加装一圈容量与多孔模型孔洞相同的试管，以取得距离传感器距离更近的水分影响数据。如图9所示，降低水分分布试验中与自动土壤水分观测仪传感器的最小距离，并进行第3组水分分布对观测数据的影响试验。将图7中的试管逐个加入等量水分，得到水分分布对自动土壤水分观测仪的影响试验结果（图10）。

由图10可知，15根与图4（a）中多孔模型孔洞容积相同的试管对自动土壤水分观测仪观测数据的影响（电信号最低为48.508 Hz）远大于图4（a）和图4（b）中的所有孔洞加满水分。由此可见，在铜环式自动土壤水分观测仪在检验校准过程中并不需要巨大的土样体积，可以使用更加小型化、标准化的检测设备代替，验证了该研究提出的便携式自动土壤观测仪校准测试方法可行性。

2.2 水分分布与自动土壤水分观测仪观测数据关系模型

针对自动土壤水分观测仪的观测精度要求，水分分布与自动土壤水分观测仪观测数据关系模型的分辨力需要大于0.02，才可以满足自动土壤水分观测仪的检测要求。由于水分分布对自动土壤水分观测仪观测数据的影响是非线性的，实际检测过程中水分也是非均匀分布的，使用全局的曲线拟合算法（如最小二乘法、最小区域法、线性回归法等）受水分分布距离和均匀性的影响较大，导致土壤水分计算误差较大，不利于土壤墒情分析。蔡庆空等[16]利用理论干湿边与改进TVDI模型，实现了均方根误差低于0.060的麦田土壤水分估算。李鸿儒等[17]建立了基于迁移学习的自动标定模型，结合TrAdaBoost算法得到了测试结果的平均准确率为99.1%的FDR传感器标定模型。该研究根据土壤水分分布对自动土壤水分观测仪观测数据的影响试验结果，采用核回归算法对水分分布与自动土壤水分观测仪观测数据进行拟合，得到水分分布与自动土壤水分观测仪观测数据的关系模型，实现自动土壤水分观测仪的便携式校准检测。

核回归算法在传统的全局曲线拟合算法损失函数的基础上，引入权重函数w（i）：

J（α）=w（i）[y（i）-αTx（i）]2（1）

式中，x（i）和y（i）为数据集样本点;α为拟合多项式系数，权重函数根据要预测的点与数据集中的点的距离来更新数据集中的点权值，常用的权重函数为指数衰减函数：

w（i）=exp[-（x（i）-x）22k2]（2）

式中，k为波长，x为预测点。

权重函数曲线见图11。如图11所示，样本点距离预测点越远，其权重越小，且波长越大，权重衰减越慢。

核回归算法针对每个预测点x都需要重新依据整个数据集计算其回归模型，同时拟合回归系数和波长参数，得到其线性回归系数：

α=（XTWX）-1XTW y（3）

式中，X为数据集，W为权重函数集。水分分布与自动土壤水分观测仪观测数据的回归模型如下：

y=ri=0α（i）xi（4）

式中，x为该水分距离自动土壤水分观测仪传感器的水平距离，y为土壤水分观测值所占的权重。

根据公式（4），在距离中心30 mm处，用对应体积的水能满足检测校准分辨力大于0.02的要求，因此公式（4）适用于直径10 mm、高度10 mm的圆柱形水体。在距离自动土壤水分观测仪传感器外缘45 mm处，直径10 mm、高度10 mm的圆柱形水体，通过公式（4）计算出自动土壤水分观测仪的观测值影响权重为0.015，优于目前铜环式自动土壤水分观测仪的分辨力。因此，在制备便携式自动给土壤水分观测仪检测设备时，设备可以大大缩小体积，实现自动土壤水分观测仪的便携式检测。

3 结论

基于水分分布对自动土壤水分观测仪观测数据的影响，笔者提出了一种便携式自动土壤水分观测仪检测方法，验证了铜环式自动土壤水分观测仪的检验校准可以使用小型化、标准化的检测设备代替巨大的土样体积，降低了设备送检的时间成本、运输成本和运输风险等问题。首先，搭建简易的便携式自动土壤水分观测仪检测装置;其次，利用简易装置的多环模型和多孔模型进行对比试验，根据试验结果验证等量的水分在电场中，距离电场中心的距离越近，对自动土壤水分观测仪观测数据的影响就越大;最后，根据试验数据建立了自动土壤水分观测仪电场中水分分布对观测数据的影响模型，满足了自动土壤水分观测仪检测装置分辨力大于0.02的检测要求，验证了便携式自动土壤水分观测仪检测方法的可行性。该方法通过测量自动土壤水分观测仪不同区段下的观测数据，便于控制自动土壤水分观测仪的观测数据质量，可以有效提高自動土壤水分观测仪的测量准确度和稳定性，同时体积较小便于携带，又无需反复制备，可以用于全国各地的自动土壤水分观测仪的现场检测工作。下一步工作考虑将便携式检测设备制成内厚、外薄的碟状，进一步缩小便携式检测设备的半径，减小体积，提高便携性。

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