一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務中使用的一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測裝置(MSM-COD/M)，它被用于點、區(qū)域和衛(wèi)星像元等多尺度下土壤墑情的協(xié)同觀測，意義在于同步獲取不同空間尺度下的土壤墑情，服務于農(nóng)業(yè)旱情觀測業(yè)務及土壤墑情模型率定、驗證與尺度問題等科學研宄，為提高灌溉效益和水資源利用率提供技術和數(shù)據(jù)支持，屬于水利行業(yè)技術應用領域。
【背景技術】
[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、發(fā)育的基本條件，對地表蒸散發(fā)、水分運移、碳循環(huán)有很強的控制作用，是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領域衡量土壤干旱程度的重要指標。土壤水的時空分布與變化對陸地-植被-大氣間水量平衡具有顯著的影響，準確定量地觀測土壤水分，對研宄區(qū)域水循環(huán)、觀測干旱的發(fā)生及發(fā)展過程、指導當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐、合理進行水資源調(diào)控等工作均具有重要意義。
[0003]隨著科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多種土壤水觀測技術，按測量的空間尺度可大體劃分為三種:一是點尺度，主要包括烘干法、中子法、時域反射儀法(TDR)、頻域反射儀法(FDR)等，這些方法測定的數(shù)據(jù)能較準確地反映觀測點的土壤含水量，但都存在耗時費力并對土壤具有一定破壞性等問題；二是區(qū)域尺度，主要包括探地雷達(GPR)技術和近地面環(huán)境宇宙射線中子法等，是無危害，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量方法，適合幾十公頃等較大面積的土壤墑情持續(xù)觀測，該技術在不斷完善；三是衛(wèi)星像元尺度，衛(wèi)星遙感反演土壤水是通過測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系，從而反演出地表土壤水分的過程，按遙感波段劃分主要有可見光-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(主動微波法、被動微波法)等，具有快速、覆蓋范圍大和定期重復觀測等優(yōu)勢。但是遙感方法只能對表層土壤進行觀測(一般小于20cm)，尤其是反演結果的地面同尺度驗證一直是該方法推廣應用的瓶頸。充分認識各種方法的利弊，取長補短，開展多尺度土壤墑情的協(xié)同觀測，對于提高觀測數(shù)據(jù)的應用效果，更好服務于生產(chǎn)實踐，具有積極意義。
[0004]以下介紹本發(fā)明應用到的點、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種空間尺度上的土壤墑情觀測技術方法:
[0005]點尺度的土壤水傳感器無線觀測網(wǎng)絡(WSN)。地面觀測相對于其他觀測手段而言更加直接，因此常被認為是真值。隨著用于野外點尺度土壤水分測量的傳感器變得越來越精巧、廉價、可靠和低功耗，大量部署這些傳感器已完全成為可能。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)是指將傳感器技術，自動控制技術，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸、存儲、處理與分析技術集成的現(xiàn)代信息技術，具有自動、實時、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，便于野外大范圍安裝布設和維護。但真正意義上的地毯式測量相對于地表異質(zhì)性是無法窮舉的。同時，單點觀測缺乏對遙感像元尺度的代表性，尤其是在非均一地表條件下，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空變異特征，提高觀測點布局的代表性，才能為正確評估遙感產(chǎn)品精度，實現(xiàn)遙感真實性檢驗提供數(shù)據(jù)支持。
[0006]遙感像元尺度的土壤水反演(本發(fā)明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)之間存在明顯的負相關關系，其與土壤濕度密切相關。當作物供水正常時，植被指數(shù)和作物冠層的溫度在生長期內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，如果遇到干旱，作物供水不足，生長受到影響時，衛(wèi)星遙感植被指數(shù)降低，這時作物沒有足夠的水分供給葉面蒸發(fā)，被迫關閉一部分氣孔，導致作物冠層的溫度升高。研宄表明，NDV1-Ts構成的特征空間有兩種可能的存在關系，即三角形關系和梯形關系。在NDV1-Ts構成的三角形空間的基礎上，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關系，根據(jù)觀測的土壤濕度，以及獲得的條件溫度植被指數(shù)，建立二者的線性關系，推求土壤濕度空間分布信息。然而利用遙感技術反演土壤墑情也存在一些不足，如遙感像元較大，而地面觀測數(shù)據(jù)通常是點尺度，進行統(tǒng)計關系回歸存在尺度不匹配問題、反演結果的地面同尺度驗證無法開展、人為確定干/濕邊的做法也會帶來主觀因素的影響等。
[0007]區(qū)域尺度土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B。土壤水的點尺度測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空間尺度上的技術空白。近年來，美國科學家基于近地面環(huán)境宇宙射線中的快中子濃度與土壤含水量的關系發(fā)展了一種無危害、非接觸、不破壞土壤、不受土壤質(zhì)地等影響的區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B，測量半徑最大可達300米，測量深度為0-50cm 土壤或等效于20cm水深的積雪深度，安裝方便，低功耗，可長時間(測量時間間隔從分鐘到年)連續(xù)自動觀測平均土壤含水量，使得中小尺度上的土壤含水量野外觀測成為可能。該系統(tǒng)主要應用在土壤水分測量、雪深測量、干旱觀測、農(nóng)業(yè)灌溉指導、坡面穩(wěn)定性分析、山洪預報、供水管理、數(shù)值預報、氣候模型等，還可以安裝在移動平臺上用來繪制大范圍的土壤墑情圖。
[0008]針對農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務中對多尺度土壤墑情準確獲取能力的需求，中國水利水電科學研宄院防洪抗旱減災工程技術研宄中心利用已有和新引進的遙感反演與土壤墑情觀測設備，通過協(xié)同觀測時空特征設計，自主研發(fā)了一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測裝置(MSM-COD/M)，用于點、區(qū)域和遙感像元三種尺度上的土壤墑情協(xié)同觀測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測裝置(MSM-COD)，它適用于在野外開展點、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，滿足農(nóng)田水利及防洪抗旱業(yè)務中對于不同空間尺度的土壤墑情觀測的需求，為實現(xiàn)多尺度土壤墑情同步協(xié)同觀測、模型參數(shù)率定和結果驗證等提供裝置保障、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)務中多尺度土壤墑情協(xié)同獲取能力和手段。
[0010]本發(fā)明的技術方案是:一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測裝置(MSM-COD)，它利用點尺度的土壤水傳感器無線觀測網(wǎng)絡(WSN)、區(qū)域土壤水分測量系統(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方法，實現(xiàn)點、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。
[0011]本發(fā)明一種多尺度土壤墑情協(xié)同觀測裝置，它由多個TDR 土壤水傳感器組成的無線觀測網(wǎng)絡(WSN)、區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B、衛(wèi)星平臺、筆記本電腦等硬件裝置平臺和多尺度土壤墑情協(xié)同觀測控制終端軟件組成(見圖1)，在點、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種尺度土壤墑情協(xié)同觀測方案下(見圖2)開展土壤墑情協(xié)同觀測。他們之間的連接與邏輯關系是:多個TDR 土壤水傳感器組成無線觀測網(wǎng)絡(WSN)，實現(xiàn)點尺度上對一定深度土壤墑情的多點同步觀測和無線傳輸；區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B，通過文件配置可實現(xiàn)區(qū)域尺度平均土壤墑情的實時觀測與按時數(shù)據(jù)傳輸；衛(wèi)星平臺可實現(xiàn)對觀測區(qū)植被和地表溫度的瞬時觀測；通過多尺度土壤墑情協(xié)同觀測控制終端軟件，可實現(xiàn)對TDR 土壤水傳感器和區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B觀測時間、步長間隔和傳輸時間的設置，可通過集成的VTCI模型算法得到條件植被溫度指數(shù)(VTCI)，進而通過回歸分析，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是在點、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種尺度協(xié)同觀測方案下進行的，保證了觀測時間、步長、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐絽f(xié)調(diào)和裝置架設空間關系的合理布置。
[0012]所述多個TDR 土壤水傳感器組成的無線觀測網(wǎng)絡(WSN)，是由多個用于一定深度土壤墑情觀測的TDR土壤水傳感器構成，在無線觀測網(wǎng)絡(WSN)組網(wǎng)下工作，每個TDR土壤水傳感器都帶有通信模塊，將測量結果按時自動發(fā)送，為市場購買產(chǎn)品。
[0013]所述區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B，由中子探測器、數(shù)據(jù)采集器、氣壓等輔助傳感器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架、機箱、GSM無線網(wǎng)絡傳輸模塊等組成，用來觀測區(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，對于研宄土壤水的動態(tài)變化具有獨特優(yōu)勢。而且該系統(tǒng)預留開放式標準接口，可增加傳感器實現(xiàn)生物量觀測和冠層截留水觀測。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)儀器觀測土壤墑情差異大、耗時、費力、破壞大等問題，為水利部“948項目”從國外引進購買的產(chǎn)品。
[0014]所述衛(wèi)星平臺，是進行衛(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)的公共服務平臺。
[0015]所述筆記本電腦，要求內(nèi)存4G，硬盤320G，采用Win XP操作系統(tǒng)，用于無線觀測網(wǎng)絡(WSN)和CRS1000B觀測數(shù)據(jù)的接收和處理，以及運行多尺度土壤墑情協(xié)同觀測控制終端軟件，為市場購買產(chǎn)品。
[0016]所述多尺度土壤墑情協(xié)同觀測控制終端軟件，集成了 TDR 土壤水傳感器和區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B的控制功能模塊和VTCI模型算法，是應用IDL語言自主開發(fā)編寫的軟件程序，可實現(xiàn)觀測時間、步長間隔和傳輸時間的協(xié)同設置，并實現(xiàn)了 VTCI模型算法中“干邊”和“濕邊”的程序化自動提取、VTCI計算及像元尺度的土壤墑情反演計算等，為自主開發(fā)程序軟件。
[0017]所述點、區(qū)域和衛(wèi)星像元三種尺度土壤墑情協(xié)同觀測方案，包括觀測時間、步長間隔、數(shù)據(jù)傳送等的時間協(xié)同和觀測點布置的空間協(xié)同。在時間上，設置TDR 土壤水傳感器與區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B的觀測時間、步長間隔與數(shù)據(jù)傳送頻率，使其與衛(wèi)星過境時間及重訪周期同步，最大程度上實現(xiàn)三者的同步觀測；在空間上，協(xié)調(diào)衛(wèi)星過境像元覆蓋、TDR 土壤水傳感器觀測點布置與區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B安裝位置三者的空間分布與尺度匹配關系，保證三者的觀測結果在空間尺度上有比較好的覆蓋、包含和可比較關系，使多尺度土壤墑情觀測結果的對比分析、尺度匹配等工作科學可行。
[0018]本發(fā)明的工作原理和技術特點是通過土壤水傳感器組成的無線觀測網(wǎng)絡(WSN)、國外引進的區(qū)域土壤水分測量系統(tǒng)CRS1000B和衛(wèi)星平臺三種較為先進的測量