一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型是農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務(wù)中使用的一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)裝置(MSM-COD/M)，它被用于點(diǎn)、區(qū)域和衛(wèi)星像元等多尺度下土壤墑情的協(xié)同觀測(cè)，意義在于同步獲取不同空間尺度下的土壤墑情，服務(wù)于農(nóng)業(yè)旱情觀測(cè)業(yè)務(wù)及土壤墑情模型率定、驗(yàn)證與尺度問(wèn)題等科學(xué)研宄，為提高灌溉效益和水資源利用率提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，屬于水利行業(yè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤水分布在地面以下、地下水面以上的土壤層中，也被稱作土壤中的非飽和帶水分，是一種重要的水資源(在農(nóng)田水利中也被稱作土壤墑情或土壤濕度)。土壤水是土壤與作物、大氣相互作用的重要因子，是作物生長(zhǎng)、發(fā)育的基本條件，對(duì)地表蒸散發(fā)、水分運(yùn)移、碳循環(huán)有很強(qiáng)的控制作用，是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域衡量土壤干旱程度的重要指標(biāo)。土壤水的時(shí)空分布與變化對(duì)陸地-植被-大氣間水量平衡具有顯著的影響，準(zhǔn)確定量地觀測(cè)土壤水分，對(duì)研宄區(qū)域水循環(huán)、觀測(cè)干旱的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程、指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐、合理進(jìn)行水資源調(diào)控等工作均具有重要意義。
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種土壤水觀測(cè)技術(shù)，按測(cè)量的空間尺度可大體劃分為三種:一是點(diǎn)尺度，主要包括烘干法、中子法、時(shí)域反射儀法(TDR)、頻域反射儀法(FDR)等，這些方法測(cè)定的數(shù)據(jù)能較準(zhǔn)確地反映觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量，但都存在耗時(shí)費(fèi)力并對(duì)土壤具有一定破壞性等問(wèn)題；二是區(qū)域尺度，主要包括探地雷達(dá)(GPR)技術(shù)和近地面環(huán)境宇宙射線中子法等，是無(wú)危害，非接觸，不破壞土壤，不受土壤質(zhì)地、密度、鹽分等影響的土壤水測(cè)量方法，適合幾十公頃等較大面積的土壤墑情持續(xù)觀測(cè)，該技術(shù)在不斷完善；三是衛(wèi)星像元尺度，衛(wèi)星遙感反演土壤水是通過(guò)測(cè)量土壤表面反射或發(fā)射的電磁能量、指數(shù)等，建立遙感信息與土壤含水量之間的關(guān)系，從而反演出地表土壤水分的過(guò)程，按遙感波段劃分主要有可見(jiàn)光-近紅外法(反射率法、植被指數(shù)法)，熱紅外法(熱慣量法、作物缺水指數(shù)法、溫度狀態(tài)指數(shù)法)和微波遙感法(主動(dòng)微波法、被動(dòng)微波法)等，具有快速、覆蓋范圍大和定期重復(fù)觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)。但是遙感方法只能對(duì)表層土壤進(jìn)行觀測(cè)(一般小于20cm)，尤其是反演結(jié)果的地面同尺度驗(yàn)證一直是該方法推廣應(yīng)用的瓶頸。充分認(rèn)識(shí)各種方法的利弊，取長(zhǎng)補(bǔ)短，開(kāi)展多尺度土壤墑情的協(xié)同觀測(cè)，對(duì)于提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果，更好服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐，具有積極意義。
[0004]以下介紹本實(shí)用新型應(yīng)用到的點(diǎn)、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種空間尺度上的土壤墑情觀測(cè)技術(shù)方法:
[0005]點(diǎn)尺度的土壤水傳感器無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)。地面觀測(cè)相對(duì)于其他觀測(cè)手段而言更加直接，因此常被認(rèn)為是真值。隨著用于野外點(diǎn)尺度土壤水分測(cè)量的傳感器變得越來(lái)越精巧、廉價(jià)、可靠和低功耗，大量部署這些傳感器已完全成為可能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetwork, WSN)是指將傳感器技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲(chǔ)、處理與分析技術(shù)集成的現(xiàn)代信息技術(shù)，具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)、可控的數(shù)據(jù)獲取能力，還具有小型化、集成化和高效節(jié)能的突出優(yōu)勢(shì)，便于野外大范圍安裝布設(shè)和維護(hù)。但真正意義上的地毯式測(cè)量相對(duì)于地表異質(zhì)性是無(wú)法窮舉的。同時(shí)，單點(diǎn)觀測(cè)缺乏對(duì)遙感像元尺度的代表性，尤其是在非均一地表?xiàng)l件下，兩者之間的尺度不匹配，兩者之間的差異難以解釋。只有考慮地表變量的時(shí)空變異特征，提高觀測(cè)點(diǎn)布局的代表性，才能為正確評(píng)估遙感產(chǎn)品精度，實(shí)現(xiàn)遙感真實(shí)性檢驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。
[0006]遙感像元尺度的土壤水反演(本實(shí)用新型采用條件溫度植被指數(shù)(VTCI)法)。研宄表明，衛(wèi)星遙感反演得到的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度(LST)之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其與土壤濕度密切相關(guān)。當(dāng)作物供水正常時(shí)，植被指數(shù)和作物冠層的溫度在生長(zhǎng)期內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，如果遇到干旱，作物供水不足，生長(zhǎng)受到影響時(shí)，衛(wèi)星遙感植被指數(shù)降低，這時(shí)作物沒(méi)有足夠的水分供給葉面蒸發(fā)，被迫關(guān)閉一部分氣孔，導(dǎo)致作物冠層的溫度升高。研宄表明，NDV1-Ts構(gòu)成的特征空間有兩種可能的存在關(guān)系，即三角形關(guān)系和梯形關(guān)系。在NDV1-Ts構(gòu)成的三角形空間的基礎(chǔ)上，研宄者提出了條件植被溫度指數(shù)(VTCI) ? 土壤濕度與條件溫度植被指數(shù)之間存在著較好的線性相關(guān)關(guān)系，根據(jù)觀測(cè)的土壤濕度，以及獲得的條件溫度植被指數(shù)，建立二者的線性關(guān)系，推求土壤濕度空間分布信息。然而利用遙感技術(shù)反演土壤墑情也存在一些不足，如遙感像元較大，而地面觀測(cè)數(shù)據(jù)通常是點(diǎn)尺度，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)關(guān)系回歸存在尺度不匹配問(wèn)題、反演結(jié)果的地面同尺度驗(yàn)證無(wú)法開(kāi)展、人為確定干/濕邊的做法也會(huì)帶來(lái)主觀因素的影響等。
[0007]區(qū)域尺度土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B。土壤水的點(diǎn)尺度測(cè)量方法和大尺度遙感反演方法之間，即在農(nóng)田和小流域等中小尺度上存在一個(gè)空間尺度上的技術(shù)空白。近年來(lái)，美國(guó)科學(xué)家基于近地面環(huán)境宇宙射線中的快中子濃度與土壤含水量的關(guān)系發(fā)展了一種無(wú)危害、非接觸、不破壞土壤、不受土壤質(zhì)地等影響的區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B，測(cè)量半徑最大可達(dá)300米，測(cè)量深度為0-50cm 土壤或等效于20cm水深的積雪深度，安裝方便，低功耗，可長(zhǎng)時(shí)間(測(cè)量時(shí)間間隔從分鐘到年)連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)平均土壤含水量，使得中小尺度上的土壤含水量野外觀測(cè)成為可能。該系統(tǒng)主要應(yīng)用在土壤水分測(cè)量、雪深測(cè)量、干旱觀測(cè)、農(nóng)業(yè)灌溉指導(dǎo)、坡面穩(wěn)定性分析、山洪預(yù)報(bào)、供水管理、數(shù)值預(yù)報(bào)、氣候模型等，還可以安裝在移動(dòng)平臺(tái)上用來(lái)繪制大范圍的土壤墑情圖。
[0008]針對(duì)農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務(wù)中對(duì)多尺度土壤墑情準(zhǔn)確獲取能力的需求，中國(guó)水利水電科學(xué)研宄院防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研宄中心利用已有和新引進(jìn)的遙感反演與土壤墑情觀測(cè)設(shè)備，通過(guò)協(xié)同觀測(cè)時(shí)空特征設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)裝置(MSM-COD/M)，用于點(diǎn)、區(qū)域和遙感像元三種尺度上的土壤墑情協(xié)同觀測(cè)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]本實(shí)用新型的目的是提供一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)裝置(MSM-COD)，它適用于在野外開(kāi)展點(diǎn)、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種典型空間尺度的土壤墑情協(xié)同觀測(cè)，滿足農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務(wù)中對(duì)于不同空間尺度的土壤墑情觀測(cè)的需求，為實(shí)現(xiàn)多尺度土壤墑情同步協(xié)同觀測(cè)、模型參數(shù)率定和結(jié)果驗(yàn)證等提供裝置保障、數(shù)據(jù)支持和方法途徑，拓展了農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務(wù)中多尺度土壤墑情協(xié)同獲取能力和手段。
[0010]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)裝置(MSM-COD)，它利用點(diǎn)尺度的土壤水傳感器無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)、區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B和條件溫度植被指數(shù)(VTCI)衛(wèi)星遙感反演方法等三種不同尺度土壤墑情觀測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種空間尺度下的土壤墑情協(xié)同觀測(cè)。
[0011]本實(shí)用新型一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)裝置，它由多個(gè)TDR 土壤水傳感器組成的無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)、區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B、衛(wèi)星平臺(tái)、筆記本電腦等硬件裝置平臺(tái)和多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)控制終端軟件組成(見(jiàn)圖1)，在點(diǎn)、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)方案下(見(jiàn)圖2)開(kāi)展土壤墑情協(xié)同觀測(cè)。他們之間的連接與邏輯關(guān)系是:多個(gè)TDR 土壤水傳感器組成無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)尺度上對(duì)一定深度土壤墑情的多點(diǎn)同步觀測(cè)和無(wú)線傳輸；區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B，通過(guò)文件配置可實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度平均土壤墑情的實(shí)時(shí)觀測(cè)與按時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；衛(wèi)星平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)區(qū)植被和地表溫度的瞬時(shí)觀測(cè)；通過(guò)多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)控制終端軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)TDR 土壤水傳感器和區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B觀測(cè)時(shí)間、步長(zhǎng)間隔和傳輸時(shí)間的設(shè)置，可通過(guò)集成的VTCI模型算法得到條件植被溫度指數(shù)(VTCI)，進(jìn)而通過(guò)回歸分析，得到衛(wèi)星像元尺度的土壤墑情。上述三種尺度的土壤墑情觀測(cè)是在點(diǎn)、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種尺度協(xié)同觀測(cè)方案下進(jìn)行的，保證了觀測(cè)時(shí)間、步長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐絽f(xié)調(diào)和裝置架設(shè)空間關(guān)系的合理布置。
[0012]所述多個(gè)TDR 土壤水傳感器組成的無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)，是由多個(gè)用于一定深度土壤墑情觀測(cè)的TDR土壤水傳感器構(gòu)成，在無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)組網(wǎng)下工作，每個(gè)TDR土壤水傳感器都帶有通信模塊，將測(cè)量結(jié)果按時(shí)自動(dòng)發(fā)送，為市場(chǎng)購(gòu)買產(chǎn)品。
[0013]所述區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B，由中子探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集器、氣壓等輔助傳感器、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、安裝支架、機(jī)箱、GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等組成，用來(lái)觀測(cè)區(qū)半徑約300m、從地表到地下一定深度(0-50cm)的圓柱形土層的平均土壤含水量。該方法可以輕松得到中小區(qū)域平均土壤含水量，且不需要破壞土壤，對(duì)于研宄土壤水的動(dòng)態(tài)變化具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而且該系統(tǒng)預(yù)留開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)接口，可增加傳感器實(shí)現(xiàn)生物量觀測(cè)和冠層截留水觀測(cè)。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)儀器觀測(cè)土壤墑情差異大、耗時(shí)、費(fèi)力、破壞大等問(wèn)題，為水利部“948項(xiàng)目”從國(guó)外引進(jìn)購(gòu)買的產(chǎn)品。
[0014]所述衛(wèi)星平臺(tái)，是進(jìn)行衛(wèi)星通信或獲取條件溫度植被指數(shù)VTCI所需植被指數(shù)和地表溫度等參數(shù)遙感空間數(shù)據(jù)的公共服務(wù)平臺(tái)。
[0015]所述筆記本電腦，要求內(nèi)存4G，硬盤(pán)320G，采用Win XP操作系統(tǒng)，用于無(wú)線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)和CRS1000B觀測(cè)數(shù)據(jù)的接收和處理，以及運(yùn)行多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)控制終端軟件，為市場(chǎng)購(gòu)買產(chǎn)品。
[0016]所述多尺度土壤墑情協(xié)同觀測(cè)控制終端軟件，集成了 TDR 土壤水傳感器和區(qū)域土壤水分測(cè)量系統(tǒng)CRS1000B的控制功能模塊和VTCI模型算法，是應(yīng)用IDL語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)編寫(xiě)的軟件程序，可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)時(shí)間、步長(zhǎng)間隔和傳輸時(shí)間的協(xié)同設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)了 VTCI模型算法中“干邊”和“濕邊”的程序化自動(dòng)提取、VTCI計(jì)算及像元尺度的土壤墑情反演計(jì)算等，為自主開(kāi)發(fā)程序軟件。
[0017]所述點(diǎn)、區(qū)域