基于频域反射原理的土壤水分传感器测量误差及测量方法分析

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郭秀明，樊景超，周国民，等.基于频域反射原理的土壤水分传感器测量误差及测量方法分析[I].江苏农业科学，2016,44(10) :402 -404. doi: 10.15889/j. issn. 1002 -1302.2016.10.117

基于频域反射原理的土壤水分传感器

测量误差及测量方法分析

郭秀明，樊景超，周国民，丘耘，胡林

(屮N农、丨k科学院农业倍息研究所黨100081}

摘要:在苹果园进行传感器探针固定时测量值的稳定性、微小范围内探针的微小移动对土壤水分含量测量值的波 动性影响、探针与地面角度与土壤水分含量测量值之间的关系及探针插入土壤深度与土壤水分之间的关系研究。结 果表明:探针在固定位置时测量的土壤水分含比较稳定，同一位置点最大的测M极差为〇. 18% ;在同一微小子区域 内，探针的轻微移动会造成测量结果的波动，同一微小区域内的测量极差最大为5. 13% ;探针与地面的角度及探针插 入土壤的深度均与土壤水分含量测量值线性相关，给出了拟合公式，为一些测量场景下土壤水分的预测提供支持。

关键词:土壤水分;传感器;频域反射原理;预测;评估

中图分类号:S126 文献标志码：A文章编号：1002 -1302 (2016)09 -0402 -02

土壤水分是影响作物生长的关键因素之一，直接影响作 物产量及质量[1<。根据农作物的生长状态及土壤的含水量 进行灌溉是精准农业的重要组成部分[4>5]。传统的“烘干 法”比较准确，但费力耗时，为此研制了很多基于不同原理的 土壤水分传感器，能快速测量土壤水分含量基于频域反射原理（frequency dom ain re fle c to m e try，简称 F D R)是常见 的一种[S]:，传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传 输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常 数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关 系则可计算出土壤的含水M^

土壤水分传感器带有探针的探头，通过将探针插入土壤 中感知土壤水分含量，然而在实际使用中F D R传感器的灵敏 度、可靠性、探针插入土壤的角度和深度是否会影响实际的土 壤含水量等未见相关报道，这些都影响使用F D R土壤水分传 感器测量土壤水分含量的结果。为了实际评定F D R 土壤水 分传感器的M敏性及可靠性，给出其正确详细的使用方法及 规范，同时为一些特殊的测量场景下土壤含水量的预测提供 支持。本研究使用基于F D R的土壤水分测量仪M L2X在大 田中进行实地试验，评定传感器在测量同一个土壤位点的稳 定性及差异性，确定在同一位置点测量土壤水分含M的方法。通过实际测M和回归分析研究传感器探针和大田水平面夹角 与测量结果之间的关系并确定最准确的测量角度。同时，研 究传感器探针插入土壤的深度和测量结果之间的关系并与实 际的土壤水分含量对比，确定实际测量时的正确深度。

1材料与方法

收稿日期:2015 -08 -19

站金项丨丨：卜丨家“863”计划(编号:013AA102405);农业系统智能控制 与虡拟技术团队（编号iCAAS - ASTIP - 2015 - All - 03 U

作者简介:郭秀叨（1981—)，女，河北沧州人，博士，助理研究员，研究方询为农业信息化〇E H m a il: gu oxiu m in g@c a a s. cn〇

通信作 H丨10 K，[丨、丨j M :，研)m K-m a il: zhouguom in@ca a s. c n s:

试验地为北京市一个普通的苹果园，在2015年4月初进 行&使用M L2X 土壤水分传感器测量土壤水分含量s釆用 H H2 土壤湿度表和M L2X连接读取土壤水分含量（图1)#试 验4 d前下过一场雨，土壤湿度较大0

图1传感器探头ML2X(左)和数据读取仪器HH2(右）

1.1 对同一位点的测量方法

在实际使用中，探针插入的位置固定不变，观察多次的读 取结果是否有变化，若有，则根据波动情况决定是否有必要对 同一固定位点进行多次读取以提高测量的准确性。针对此问 题在苹果园的5个位点进行测量试验，在每个位点，将传感器 探针竖直全部插入土壤中保持不动，连续10次读取土壤含水 量数值，计算每个位点的数据极差和均方根误差《

1.2 同一微小区域土壤水分含量测量方法

在同一连续微小子区域内，土壤水分含量变化很小，而在 使用土壤水分传感器进行测量时，传感器微小的位置变化是 否会影响测量结果且差异性如何，在测駕同一个微小区域内 的土壤水分含量时是否有必要在多个点进行测量以提高测量 的准确性等都是值得研究的问题。针对这些问题，在苹果园 进行实地测量。选择5个土壤水分分布较均衡的微小区域，每个微小区域内在尽量靠近的5个子位点测量5次。为了排 除土壤差舁的影响，

选择杂质少且没有树木根系的平滑区域。

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数炉为0. 870〜0. 994，土壤水分含量和探针与土壤之间的 夹角可以用线性公式拟合，且一次项系数a 相近，取其平均值 作为预测模型的一次项系数，可得探针与土壤夹角及土壤水 分含量之间的关系公式：

w h = w h + 〇• 001 31 x (j2 -j \ ) 〇

(1)

式中:％为待预测的探针与地面夹角为A 时的土壤水分含 量，％ ;^为已测的探针与地面之间夹角为乂处的土壤水分。

1/4 1/2 3/4 1

探针插入土壤的深度与探针长度的比值

图3

探针插入土壤的深度与土壤水分含量之间的关系走势表4

探针插入土壤的深度与土壤水分之间 拟合直线的系数及确定系数

位置序号

C

d

R21

18.880.329 00.935219.610.764 90.936318.420.719 20.988417.850.283 8

0.974

为了避免土壤松动对不同位置的测量结果造成影响，在插拔 传感器探针的时候应垂直且缓慢。

1.3探针插入角度和土壤水分含量测量的关系

在测量土壤水分含量时，研究探针插入土壤的角度为多 少时测量的结果和实际的土壤水分最接近。同时，在有些特 定的应用场景由于实测条件的限制可能不能竖直插入土壤 中，探针的插入角度和土壤水分含量之间的关系能预测非垂 直角度下土壤水分含量的测量值。在果园中选定4个测量位点， 分别测定探针与地表成30°、45°、60°、90°下的土壤含水量。1.4

探针插入深度和土壤水分含量测量的关系

在使用土壤水分传感器测量土壤水分时，某些场景中土 壤的深度可能达不到探针的长度。或者土层土壤水分分布不 均匀，不同深度土层的含水量差别较大，需要分开测量。研究 探针的插入深度和土壤含水量之间的关系如何为准确地预测 土壤水分含量提供支持。

2

结果和分析

2. 1 探针固定时的测量结果分析

为了研究传感器的稳定性，在相同探针位置多次进行测 量，每个位点测量数据的极值和标准差详见表1。位点的测

量极差为〇. 04%〜〇. 18%，最大极差为位置4处的0. 18%， 相差很小；同一位置的土壤水分含量测量值的标准差为 0.03%〜0.13%，波动较小。所以在实际测量中测量固定位 置处的土壤水分含量即探针位置固定时，读取1次结果即可。

表1 5个测量位点的极差和标准差

位置点序号

极差（

％)标准差（

％)

10.040.0320.090.0630.130.1040.180.135

0.13

0.10

2.2同一微小区域土壤水分含量测量差异性分析

对于同一个微区域内探针的轻微移动造成测量结果有较

小的变化，每个微区域内的极差2. 52%〜5. 13%，均方差为 1.45%〜1.79% (表2)。这表明虽然在很微小的范围内土壤 水分相同，但使用土壤水分传感器测量仍有一定的差距，最大 不超过5. 13%。在使用传感器测量某一位置的土壤水分含 量时，可以取每一位置的多个点测量，取其平均值作为该位置 的土壤水分含量。

表2 5个测量位置点的极差和标准差

位置点序号

极差（

％)均方差（

％)

1 4.4

2 1.452 3.55 1.47

3 4.89 1.79

4 5.13 1.715

2.52

1.58

2. 3测量角度和土壤水分含量之间的关系

4个测量位置处土壤水分含量都随着探针和地面夹角的 增大而增加，且增加的速度相似。通过线性回归对4种情况 进行拟合（图2)，4个位置拟合直线的一次项系数a 、常数项b 及确定系数纪详见表3。结果表明:4个位置拟合的确定系

探针与土壤之间的夹角(°)

图2探针与土壤之间的夹角与土壤水分含量之间的关系走势表3

探针与地面角度与土壤水分含量之间拟合直线的系数

及确定系数

位置序号

a

b

R21

0.001 340.097 350.92820.001 340.057 580.87030.001 110.062 840.99440.001 430.081 89

0.886

2.4探针插入深度和土壤水分含量之间的关系

4个测量位置处土壤水分含量都随着探针插入土壤深度 的增加而增加，且增加的速度相似（图3)。通过线性回归对 4种情况进行拟合，4个位置拟合直线的一次项系数c、常数 项^及确定系数纪见表4。结果表明，4个位置拟合的确定 系数纪为0. 935〜0. 988，土壤水分含量和探针插入土壤的 深度可以用线性公式拟合，且一次项系数c 相近，取其平均值

90

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