基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法
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关系推求含水率，但探针间距的变化会给测量带来误
差。单探针热脉冲法可以通过热导率与含水率的半理论 或经验模型推求含水率[20]。目前，DTS 技术测量土壤含 水率有被动加热光纤法[16]和主动加热光纤法[21-22]2 类。 被动加热光纤法通过光纤测量由昼夜辐射引起的近地表
温度波动推算含水率，当太阳辐射较弱时（如阴天或受
0 引 言
土壤含水率是农业、水文、气象等学科重要的基本 参数，实现土壤含水率在田间尺度下实时和连续的分布 式原位测定是实施高效农业和精准灌溉的基础。现有土 壤含水率的测定主要利用烘干法[1]、时域反射仪（time-domain reflectometry，TDR）法[2-4]、频域反射仪法[5]、中子 仪法[6]和热脉冲法[7-9]等进行单个土样或者单点的小尺度 测定，或利用卫星遥感法估算千米级大尺度的区域含水 率。而在农业生产中最亟需的田间（米到千米级）中尺 度却无有效和精确的方法。宇宙射线法可以测量几十厘 米深度中尺度的平均含水率[10]，但田间水分的空间变异 情况无法获知[11-12]。快速发展的无人机遥感法能根据光 谱图像推算田间尺度土壤含水率，但转换关系的不确定 性及受天气影响较大限制了测量精度和使用条件[13]，在 植被覆盖度高的地方测量困难，且只适用于监测表层土 壤的含水率[14]。近年来，分布式温度传感（distributed temperature sensing，DTS）技术开始被应用于土壤含水率的测 量[15-16]，有望实现田间尺度下土壤含水率实时、精确、 连续的动态原位测定。该方法的另一优点是有望同时得
胡 优 1，李 敏 1，任姮 烨 1，司炳成 1,2※
（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100； 2. 萨斯喀彻温大学土壤科学系，加拿大萨斯卡通市 S7N5A8）
摘 要：为探讨加热光纤分布式温度传感技术测量土壤含水率不同方法的可行性，通过室内土槽试验，加热埋设于砂土
对于一个无限的恒定热量输入的线性热源环境温度不变化在无限大的均匀介质中径向的热传导方程可以表示为173121022200e0544ee6444iiiqrtrtttkktqrrtrtttkkttkt???????????????????????????????????????????????????????式中t1和t2分别是加热和冷却阶段温度的增量
植被遮盖的土地）存在较大的不确定性，只适用于温度 波动足够大、深度小于 30 cm 的地表附近。而基于热脉 冲探针原理的主动加热光纤法[23]，可以进行任意时间任
意土壤深度的测量，应用更为广泛。其中基于双探针热 脉冲的主动加热 DTS 技术能同时测量土壤热导率、热扩 散率和热容，并利用热容推求含水率[24]，但精度易受光 纤间距的影响[25-26]，且长距离保持 2 条布设的光纤相互 平行施工难度大，导致其应用受限。单探针热脉冲的主
第 35 卷 第 10 期 4业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.35 No.10 May 2019
基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法
的碳纤维光纤，利用分布式温度传感器测量不同含水率下沿光纤的温度变化，建立最大升温值、累积升温值和热导率与
土壤含水率的关系，并比较这 3 种方法推求土壤含水率的测量精度。结果表明，光纤的温度波动随采样间距的增大或时 间间隔的增大均减小，合理的采样间距和时间间隔设置能控制温度波动小于±0.1 ℃。在低（0～0.1 m3/m3）、中（>0.1～ 0.2 m3/m3）和高（>0.2～0.35 m3/m3）3 个含水率水平，热导率法的测量精度均高于最大升温值法和累积升温值法，并且 3 种方法的测量精度均随含水率增加而降低；热导率法的均方根误差为 0.015 m3/m3，低于最大升温值法（0.038 m3/m3） 和累积升温值法（0.050 m3/m3）。研究对高时空分辨率精确获取田间尺度土壤墒情信息发展精准农业具有重要意义。
关键词：土壤；含水率；热导率；光纤；碳纤维；分布式温度传感器
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.006
中图分类号：S152.8
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2019)-10-0042-08
胡 优，李 敏，任姮烨，司炳成. 基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法[J]. 农业工程学报，2019， 35(10)：42－49. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.006 Hu You, Li Min, Ren Hengye, Si Bingcheng. Measurement of soil water content using distributed temperature sensor with heated fiber optics [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 42－ 49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.006
到相同时间、相同地点和相同尺度下的土壤水热信息，
为农田、土壤和生态等系统的水热运动、耦合和能量平
衡等研究提供基础。
探针热脉冲法是目前测定土壤热性质最流行的方 法[17-18]，曾被应用于探测火星土壤热特性，该方法还可 以通过热特性与含水率的关系反推求含水率[19]。其中，
双探针热脉冲法可以由土壤热容与含水率的线性物理
收稿日期：2018-09-23 修订日期：2019-03-10 基金项目：国家自然科学基金项目（41601222、41630860）；西北农林科技 大学基本科研业务费专项资金项目（2452017317） 作者简介：胡 优，博士生，主要从事分布式光纤测定土壤水热性质的研究。 Email：hyagriwater@。 ※通信作者：司炳成，教授，主要从事土壤水文方面的研究。 Email：bingchengsi@。
差。单探针热脉冲法可以通过热导率与含水率的半理论 或经验模型推求含水率[20]。目前，DTS 技术测量土壤含 水率有被动加热光纤法[16]和主动加热光纤法[21-22]2 类。 被动加热光纤法通过光纤测量由昼夜辐射引起的近地表
温度波动推算含水率，当太阳辐射较弱时（如阴天或受
0 引 言
土壤含水率是农业、水文、气象等学科重要的基本 参数，实现土壤含水率在田间尺度下实时和连续的分布 式原位测定是实施高效农业和精准灌溉的基础。现有土 壤含水率的测定主要利用烘干法[1]、时域反射仪（time-domain reflectometry，TDR）法[2-4]、频域反射仪法[5]、中子 仪法[6]和热脉冲法[7-9]等进行单个土样或者单点的小尺度 测定，或利用卫星遥感法估算千米级大尺度的区域含水 率。而在农业生产中最亟需的田间（米到千米级）中尺 度却无有效和精确的方法。宇宙射线法可以测量几十厘 米深度中尺度的平均含水率[10]，但田间水分的空间变异 情况无法获知[11-12]。快速发展的无人机遥感法能根据光 谱图像推算田间尺度土壤含水率，但转换关系的不确定 性及受天气影响较大限制了测量精度和使用条件[13]，在 植被覆盖度高的地方测量困难，且只适用于监测表层土 壤的含水率[14]。近年来，分布式温度传感（distributed temperature sensing，DTS）技术开始被应用于土壤含水率的测 量[15-16]，有望实现田间尺度下土壤含水率实时、精确、 连续的动态原位测定。该方法的另一优点是有望同时得
胡 优 1，李 敏 1，任姮 烨 1，司炳成 1,2※
（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100； 2. 萨斯喀彻温大学土壤科学系，加拿大萨斯卡通市 S7N5A8）
摘 要：为探讨加热光纤分布式温度传感技术测量土壤含水率不同方法的可行性，通过室内土槽试验，加热埋设于砂土
对于一个无限的恒定热量输入的线性热源环境温度不变化在无限大的均匀介质中径向的热传导方程可以表示为173121022200e0544ee6444iiiqrtrtttkktqrrtrtttkkttkt???????????????????????????????????????????????????????式中t1和t2分别是加热和冷却阶段温度的增量
植被遮盖的土地）存在较大的不确定性，只适用于温度 波动足够大、深度小于 30 cm 的地表附近。而基于热脉 冲探针原理的主动加热光纤法[23]，可以进行任意时间任
意土壤深度的测量，应用更为广泛。其中基于双探针热 脉冲的主动加热 DTS 技术能同时测量土壤热导率、热扩 散率和热容，并利用热容推求含水率[24]，但精度易受光 纤间距的影响[25-26]，且长距离保持 2 条布设的光纤相互 平行施工难度大，导致其应用受限。单探针热脉冲的主
第 35 卷 第 10 期 4业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.35 No.10 May 2019
基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法
的碳纤维光纤，利用分布式温度传感器测量不同含水率下沿光纤的温度变化，建立最大升温值、累积升温值和热导率与
土壤含水率的关系，并比较这 3 种方法推求土壤含水率的测量精度。结果表明，光纤的温度波动随采样间距的增大或时 间间隔的增大均减小，合理的采样间距和时间间隔设置能控制温度波动小于±0.1 ℃。在低（0～0.1 m3/m3）、中（>0.1～ 0.2 m3/m3）和高（>0.2～0.35 m3/m3）3 个含水率水平，热导率法的测量精度均高于最大升温值法和累积升温值法，并且 3 种方法的测量精度均随含水率增加而降低；热导率法的均方根误差为 0.015 m3/m3，低于最大升温值法（0.038 m3/m3） 和累积升温值法（0.050 m3/m3）。研究对高时空分辨率精确获取田间尺度土壤墒情信息发展精准农业具有重要意义。
关键词：土壤；含水率；热导率；光纤；碳纤维；分布式温度传感器
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.006
中图分类号：S152.8
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2019)-10-0042-08
胡 优，李 敏，任姮烨，司炳成. 基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法[J]. 农业工程学报，2019， 35(10)：42－49. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.006 Hu You, Li Min, Ren Hengye, Si Bingcheng. Measurement of soil water content using distributed temperature sensor with heated fiber optics [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 42－ 49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.006
到相同时间、相同地点和相同尺度下的土壤水热信息，
为农田、土壤和生态等系统的水热运动、耦合和能量平
衡等研究提供基础。
探针热脉冲法是目前测定土壤热性质最流行的方 法[17-18]，曾被应用于探测火星土壤热特性，该方法还可 以通过热特性与含水率的关系反推求含水率[19]。其中，
双探针热脉冲法可以由土壤热容与含水率的线性物理
收稿日期：2018-09-23 修订日期：2019-03-10 基金项目：国家自然科学基金项目（41601222、41630860）；西北农林科技 大学基本科研业务费专项资金项目（2452017317） 作者简介：胡 优，博士生，主要从事分布式光纤测定土壤水热性质的研究。 Email：hyagriwater@。 ※通信作者：司炳成，教授，主要从事土壤水文方面的研究。 Email：bingchengsi@。