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為科學(xué)灌溉提供決策支持

目前,農(nóng)業(yè)用水已占到全球淡水資源消耗的92%。在中國,農(nóng)業(yè)灌溉用水的全國平均利用率僅為45%（參閱百度百科“灌溉水利用系數(shù)”）,55%的水以過量灌溉后大量滲漏滲透到植物根部以下、地表徑流流失、輸水渠道滲漏等方式被浪費(fèi)。在45%被保存在土壤的水中,又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥一體化不到位等原因,很多的水未能被作物有效利用。

使用土壤水分傳感器能動態(tài)跟蹤掌握農(nóng)作物根系在土層中的具體深度位置、作物根系的動態(tài)吸收消耗水分情況；使用土壤水分傳感器所記錄生成的土壤水分曲線圖,能夠以直觀、量化的方式展現(xiàn)出土壤中不同土層的水分含量隨著時(shí)間的變化情況,進(jìn)而做出農(nóng)田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉開始時(shí)間、灌溉持續(xù)時(shí)間、灌溉量上限、土壤水分含量下限等關(guān)鍵因素。

科學(xué)的灌溉決策,使農(nóng)作物生活在一個(gè)農(nóng)作物真正感到舒服的土壤環(huán)境中,對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量大有裨益。

另一方面,人們也不總是希望控制農(nóng)作物生存在舒服的環(huán)境當(dāng)中以提高產(chǎn)量,人們也會考慮農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量因素。比如,合適的土壤濕度會使葡萄的產(chǎn)量很高,但葡萄就會不一定很甜。在法國、西班牙、美國等優(yōu)質(zhì)的葡萄酒產(chǎn)區(qū),在葡萄生育的后期,人們使用土壤水分傳感器的目的卻是監(jiān)測土壤水分含量,使土壤水分含量保持相對偏低的狀態(tài)。

為政府部門提供數(shù)據(jù)支持、政策依據(jù)

由土壤水分傳感器監(jiān)測到的土壤水分、土壤溫度數(shù)據(jù),是農(nóng)業(yè)、水利、氣象和國土等政府部門進(jìn)行相關(guān)政府活動、制定和執(zhí)行相關(guān)政策的依據(jù),也是政府為百姓提供的基礎(chǔ)公共服務(wù)之一。比如近些年來,各地方政府踴躍推出的政府惠農(nóng)信息服務(wù)平臺,為當(dāng)?shù)乩习傩仗峁┝舜罅康耐寥缐勄閿?shù)據(jù)、春種秋收指南,土壤水分傳感器是這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)來源之一。

在國家抗旱防汛體系中,有大量安裝在全國各地的旱情、墑情監(jiān)測站,水文站,土壤水分傳感器是這些站點(diǎn)最重要、最基礎(chǔ)的儀器。

為山體滑坡等自然災(zāi)害提供預(yù)警

2013年,中國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害15403起,其中滑坡9849起,造成不可估量的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。大量的山體滑坡是由降雨等因素使山體含水量增加、山坡重量增大,山坡重力超過下層土壤見摩擦力進(jìn)而山體滑坡。土壤水分傳感器是山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中最重要、最基礎(chǔ)的儀器。

為土壤、植物、環(huán)境等科研提供數(shù)據(jù)

土壤水分傳感器被廣泛的應(yīng)用于土壤學(xué)、植物生長于水的關(guān)系研究、垃圾填埋場的滲漏監(jiān)測、肥料利用率優(yōu)化、全球變暖的影響研究等領(lǐng)域。

TDR（TimeDomainReflectometry）法水分傳感器

TDR法是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種土壤水分測定方法,中文為時(shí)域反射儀。這種方法在國外應(yīng)用相當(dāng)普遍,國內(nèi)才剛開始引進(jìn),各部門都相當(dāng)重視。TDR是一個(gè)類似于雷達(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng),有較強(qiáng)的獨(dú)立性,其結(jié)果與土壤類型、密度、溫度基本無關(guān)。而且還有很重要的一點(diǎn)就是,TDR能在結(jié)冰下測定土壤水分,這是其他方法無法比擬的。另外,TDR能同時(shí)監(jiān)測土壤水鹽含量,且前后兩次測量的結(jié)果幾乎沒有差別。這種測定方法的精確度可見一斑。

FDR和FD法水分傳感器

因?yàn)門DR法設(shè)備昂貴,在80年代后期,許多公司(如AquaSPY, Sentek. Delta-T, Decagon)開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤的介電常數(shù),FDR和FD法不僅比TDR便宜,而且測量時(shí)間更短,在經(jīng)過特定的土壤校準(zhǔn)之后,測量精度高,而且探頭的形狀不受限制,可以多深度同時(shí)測量,數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)較容易。

電阻法水分傳感器

電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻和它們的含水量有關(guān)。當(dāng)把這些中間物加上電極放置在潮濕的土壤中,然后一段時(shí)間后,這些東西的含水量達(dá)到平衡。由于電阻和含水量間的關(guān)系,我們先前標(biāo)定電阻和百分?jǐn)?shù)間一定的對應(yīng)關(guān)系,然后就可以通過這些組件,得到1~15大氣壓吸力范圍內(nèi)的水分讀數(shù)。

中子散射(neutronscattering)法水分傳感器

中子法適合測定野外土壤水分。它根據(jù)氫在急劇減低快中子的速度并把它們散射開的原則,現(xiàn)在市面上已經(jīng)有1測定土壤水分的中子水分計(jì)。中子水分計(jì)有很多方面的優(yōu)點(diǎn),但是對有機(jī)質(zhì)土壤有相當(dāng)?shù)南拗?而且它不適宜測定0-15cm的土壤水分含量。

γ射線法水分傳感器

與中子儀類似,γ射線透射法利用放射源137Cs放射出γ線,用探頭接收γ射線透過土體后的能量,與土壤水分含量換算得到。

水分?jǐn)?shù)據(jù)盡可能與土壤特征無關(guān)

這樣,產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)知識便于比較、傳播和推廣。目前所有的技術(shù)都是計(jì)算體積或重量含水量,由于缺乏現(xiàn)場實(shí)時(shí)獲得田間持水量的技術(shù),所以很難獲得真正準(zhǔn)確的相對含水量數(shù)據(jù),導(dǎo)致土壤含水量測量無法直接用于對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)。

大數(shù)據(jù)量和歷史數(shù)據(jù)的長期獲取

科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究一味追求檢測數(shù)據(jù)的單點(diǎn)精度,但在對實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)方面意義不大,原因是目標(biāo)土壤體積的尺度相對于測試點(diǎn)來說大很多,而水分在土壤中也絕不是高度均勻的。只有獲得輸出穩(wěn)定、歷史數(shù)據(jù)可比較性強(qiáng)、足夠大體積平均的數(shù)據(jù)才是可用的。

安裝方便,操作簡單,便于現(xiàn)場部署

在安裝和校準(zhǔn)儀器設(shè)備方面,科學(xué)研究所需要的精度和操作規(guī)程在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中是無法保證的,導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備應(yīng)用到生產(chǎn)上無法保證得到可用可靠的數(shù)據(jù)。提供簡單方便免現(xiàn)場校準(zhǔn)設(shè)備是這類現(xiàn)場安裝設(shè)備必須具備的特點(diǎn)。

有效消除實(shí)際應(yīng)用過程中環(huán)境的影響

在傳感設(shè)備的運(yùn)行過程中,很多因素對測量精度和可靠性影響較大,例如：戶外溫度變化對電池能量轉(zhuǎn)換效能的影響,最終影響設(shè)備輸出可靠性；土壤溫度和鹽分變化對水分測量精度的影響；由于田間農(nóng)業(yè)設(shè)備作業(yè)等因素引發(fā)的土壤震動對測量可靠性的影響；安裝方式導(dǎo)致的土壤擾動對測量精度的影響；目標(biāo)土壤有變化（耕作等）,但是由于傳感器未移動并且周邊土壤未變化,導(dǎo)致目標(biāo)被測土壤和實(shí)際測量土壤產(chǎn)生差別引起的誤差；傳感器件長期和土壤接觸產(chǎn)生的相互作用對精度的影響。

土壤水分信息需要關(guān)聯(lián)其他信息

在生產(chǎn)實(shí)踐中,土壤水分傳感器往往和其它外部系統(tǒng)或參數(shù)關(guān)聯(lián)使用,例如土壤水分突然增加,可能是灌溉系統(tǒng)開始工作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表運(yùn)動導(dǎo)致,所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分傳感器數(shù)量、關(guān)聯(lián)地面氣象站或者氣象局?jǐn)?shù)據(jù)、連通灌溉控制系統(tǒng)來確定數(shù)據(jù)的意義。這其實(shí)是對更大規(guī)模的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用和處理提出的要求,但是目前市場上的產(chǎn)品對此需求的響應(yīng)者寥寥。

插針式土壤水分傳感器

插針式土壤水分傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成,可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用,對表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測和在線測量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用,可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測或移動測量的工具。

優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)小巧、簡單、價(jià)格便宜,單個(gè)傳感器價(jià)格相對便宜。

缺點(diǎn)：

A. 所測量土壤水分的土樣代表性不夠高

感應(yīng)的土壤范圍是直徑125毫米、高為200毫米的圓柱體,土壤水分代表性不足夠高,當(dāng)插針位置土質(zhì)不均勻,影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

B. 破壞土層結(jié)構(gòu),造成土壤擾動

當(dāng)監(jiān)測不同土層深度土壤含水量時(shí),需要挖開土壤剖面,在土壤中插入針式水分儀后,再回填土壤。這種不得已的做法實(shí)際上已經(jīng)破壞了土壤的結(jié)構(gòu),因?yàn)榛靥钔寥赖娜葜�、土壤顆粒間的結(jié)合方式已經(jīng)被改變。

C. 安裝現(xiàn)場組成復(fù)雜,易受到外界信號干擾

插針式是半數(shù)字化的,從傳感探針到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊之間傳輸?shù)氖鞘�分微弱的模擬量,這一段就十分容易受到外界信號干擾,影響分辨率、可靠性和準(zhǔn)確性。

插針式要成組多點(diǎn)應(yīng)用的時(shí)候就涉及復(fù)雜的連線,實(shí)施時(shí)需要在土壤中挖一個(gè)深坑掩埋,安裝時(shí)如此維護(hù)時(shí)也需要同樣的工作。由此產(chǎn)生的是設(shè)備的不可靠、安裝和維護(hù)時(shí)對被測對象的徹底干擾,工作量和人員因素影響大。

D. 使用壽命有限

外露的鋼針,鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染。

E. 能耗高,安裝現(xiàn)場工作量大,后期設(shè)備殘留。

插針式組成的系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大量的連線及連結(jié)裝置、耗能較高（電源一般采用鉛酸電池）。特別是大規(guī)模野外實(shí)施時(shí),一旦需要回收,插針式系統(tǒng)即使地面上的電池以及太陽能板和無線發(fā)射單元拆卸收回,人們往往不會再將其地下部件挖出,勢必會有大量傳感器探頭、金屬連線留在土壤中造成長期重金屬、塑料等污染。

F.多深度監(jiān)測時(shí),綜合安裝、施工成本較高

G.當(dāng)監(jiān)測不同土層深度土壤含水量時(shí),需要挖開土壤剖面,在土壤中插入針式水分儀后,再回填土壤。目前中國大部分農(nóng)村為留守老人和兒童,當(dāng)野外安裝部署水分監(jiān)測儀時(shí),尋找人工顯得極為困難。[1]

插針式土壤水分速測儀

當(dāng)插針式水分傳感器與數(shù)據(jù)采集器配合使用,就是插針式土壤水分速測儀。優(yōu)缺點(diǎn)同上插針式土壤水分傳感器。

導(dǎo)管式水分儀

優(yōu)點(diǎn)

導(dǎo)管式土壤水分儀設(shè)計(jì)精巧、安裝要求高、精度和穩(wěn)定性能夠達(dá)到長期科學(xué)研究的要求。在國內(nèi)僅在氣象系統(tǒng)有規(guī)模性應(yīng)用。

缺點(diǎn)

安裝復(fù)雜,耗時(shí)耗力

為了追求最小的土壤擾動,導(dǎo)管式采取釘管、管中掏土、內(nèi)壁清理、現(xiàn)場校準(zhǔn)、現(xiàn)場密封的操作流程�；�本上屬于現(xiàn)場組裝類產(chǎn)品。在我國幅員遼闊、受訓(xùn)技術(shù)人員不足、農(nóng)村和野外勞動力缺乏、自然環(huán)境復(fù)雜等情況下,大規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)管式的可能性是沒有的。

沒有溫度校準(zhǔn)

根據(jù)測水原理可知,土壤含水率的檢測本質(zhì)上是檢測土壤和水混合物的介電常數(shù),其中水在80左右,土壤在3-5之間。水的介電常數(shù)其實(shí)是隨溫度變化的,這個(gè)變化經(jīng)過一些實(shí)驗(yàn),可以測到每10攝氏度的變化,會導(dǎo)致土壤0.6%的含水率變化。所以理論上說,要在戶外環(huán)境中,測準(zhǔn)土壤含水率就必須對溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀

在重新審視土壤水分的應(yīng)用要求和社會環(huán)境基礎(chǔ)上,借助互聯(lián)網(wǎng)的顛覆性創(chuàng)新理念,結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中用戶體驗(yàn)的分析技術(shù),以及大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的平臺,重新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,它繼承了導(dǎo)管式和插針式的各項(xiàng)優(yōu)勢,又彌補(bǔ)了他們的不足,開發(fā)了面向大規(guī)模、更廣泛的應(yīng)用場景的號稱“中國管”的新一代土壤含水率測量設(shè)備。它擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)（具有受發(fā)明專利保護(hù)的水分儀,自主版權(quán)的軟件系統(tǒng)）；它具有土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的處理、分析能力,可以為客戶提供灌溉咨詢指導(dǎo)。此產(chǎn)品在最近公布的水利部《第一批土壤水分監(jiān)測儀器檢測合格產(chǎn)品目錄》上輕松奪冠,排在第一位。(水利部政府網(wǎng)址：http://fxkh.mwr.gov.cn/tzgg/201402/t20140221_548660.html)

第一代“中國管”的產(chǎn)品已經(jīng)具備如下特性：

① 低能耗、集成一體化

即物聯(lián)網(wǎng)通訊終端、數(shù)據(jù)存儲和處理單元、多深度水分及溫度傳感器、高性能電池在一個(gè)管中集成；低能耗,可用太陽能電池供電,無外部供電工作時(shí)間超過30天；

③ 精度和穩(wěn)定性

精度達(dá)到正負(fù)2%以下,含同位溫度校準(zhǔn)；穩(wěn)定性達(dá)到0.05%；

④ 安裝及實(shí)施

15分鐘現(xiàn)場操作,無土壤擾動,無需現(xiàn)場校準(zhǔn),智能啟停,極大降低人力需求；

⑤ 環(huán)境保護(hù)

工作期間對環(huán)境無污染；設(shè)備撤場后對環(huán)境無殘留污染；

⑥ 大數(shù)據(jù)支持

產(chǎn)品生命期數(shù)據(jù)完整記錄及備份,支持大數(shù)據(jù)分析及移動設(shè)備訪問；

⑦ 知識產(chǎn)權(quán)

跟國外產(chǎn)品在知識產(chǎn)權(quán)上無現(xiàn)實(shí)的和潛在的沖突,能夠?qū)�核心特性的知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)。

典型的插針式傳感器感應(yīng)的土壤范圍是直徑125毫米、高為200毫米的圓柱體,而“中國管”的感應(yīng)范圍是外徑637.5毫米、壁厚250毫米、高為250毫米的管柱體。導(dǎo)管式感應(yīng)范圍是插針式的31倍,表性就提高了30倍。再考慮到土壤水分的不一致性,導(dǎo)管式的測量方式顯得“靠譜”多了。

最低的土壤擾動

插針式的特征是外露的鋼針,導(dǎo)管式是指傳感器全封閉于一個(gè)管中的墑情儀。鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染,而且當(dāng)插針式要成組多點(diǎn)應(yīng)用的時(shí)候就涉及復(fù)雜的連線,實(shí)施時(shí)需要在土壤中挖一個(gè)深坑掩埋,安裝時(shí)如此維護(hù)時(shí)也需要同樣的工作。由此產(chǎn)生的是設(shè)備的不可靠、安裝和維護(hù)時(shí)對被測對象的徹底干擾,工作量和人員因素影響大。而導(dǎo)管式水分儀,打一個(gè)洞在地上,插入設(shè)備,無論單點(diǎn)還是多組,程序都是一樣的,土壤擾動降到最低,設(shè)備長期使用中傳感器件不會受到腐蝕或者污染,基本無人員因素干擾。

數(shù)據(jù)的精度及穩(wěn)定性

插針式是半數(shù)字化的,導(dǎo)管式是全數(shù)字化設(shè)計(jì)的。插針式從傳感探針到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊之間傳輸?shù)氖鞘�分微弱的模擬量,這一段就十分容易受到外界信號干擾,影響分辨率、可靠性和準(zhǔn)確性。而對于導(dǎo)管式的水分傳感器,傳感器出來的頻率信號直接轉(zhuǎn)數(shù)字化,這使得受干擾的機(jī)會就沒有了,所以導(dǎo)管式既能保證高分辨率又能保證高可靠性和100%傳輸準(zhǔn)確性。因而導(dǎo)管式可以徹底消除困擾插針式用戶多年的“數(shù)據(jù)突跳”及“變濕不變數(shù)”問題。

"中國管"數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性案例

下表為河北保定冉莊水文試驗(yàn)站在2013年底用烘干法做的與傳感器對比數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對比了20厘米,50厘米和80厘米三個(gè)土層的結(jié)果顯示,傳感器的輸出數(shù)值在穩(wěn)定的有規(guī)律的變化,而烘干法數(shù)值則由于實(shí)驗(yàn)誤差引起毫無規(guī)律的波動。

"中國管"的使用壽命

“中國管”土壤水分、溫度檢測儀采用全封閉結(jié)構(gòu),整體設(shè)備在插入土壤部分滿足IP68防護(hù)級別,地上部分滿足IP67防護(hù)級別。傳感器的電子元器件內(nèi)置于高強(qiáng)度的防護(hù)材料之中,與土壤不發(fā)生直接接觸。內(nèi)置可反復(fù)充電的磷酸鐵鋰電池,電池具有獨(dú)特的電池防護(hù)設(shè)計(jì)。

在防雷方面,由于傳統(tǒng)的RTU支架高出于地面數(shù)米,且大部分金屬構(gòu)件直接暴露在空氣中,有眾多被雷擊的案例。

"中國管"數(shù)據(jù)的防盜

當(dāng)把土壤水分儀長期固定安裝在田間后,在沒有圍欄、農(nóng)場保安等外部保護(hù)的情況下,在有被盜的潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí),“中國管”主要從以下幾個(gè)方面考慮防盜問題。

靠一個(gè)人的力量并不能將“中國管”土壤水分、溫度檢測儀從地面拔出來。尤其是在土壤濕度較大、壤土、粘性土的情況下。只有在兩個(gè)或以上的人數(shù),通過使用繩子,抬杠,垂直往上的用力,才能將“中國管”從土壤中拔出來。

在有農(nóng)作物正常生長的地塊,當(dāng)農(nóng)作物高于18厘米時(shí),農(nóng)作物都會把水分儀遮蓋,植物長得茂密時(shí),傳感器更不容易被發(fā)現(xiàn)。

無開關(guān)的設(shè)計(jì)模式,實(shí)時(shí)的智能數(shù)據(jù)監(jiān)控,當(dāng)設(shè)備由土壤中拔出地面后,設(shè)備仍然正常發(fā)送數(shù)據(jù),但采集到的含水量數(shù)據(jù)均為0。當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集間隔為1小時(shí)時(shí),可以在一小時(shí)以內(nèi)發(fā)現(xiàn)設(shè)備被盜。

另外,可以采用偽裝,保護(hù)色的方式將設(shè)備地上部分涂刷成與環(huán)境一致的顏色進(jìn)行防盜。但這種做法需要留心記住傳感器所在的位置,避免發(fā)生傳感器的主人也找不到傳感器的情況發(fā)生。

"中國管"的人性化設(shè)計(jì)

① 現(xiàn)場安裝時(shí)間小于15分鐘

現(xiàn)場部署安裝時(shí)間小于15分鐘,極大降低人力需求�！爸袊�管”的安裝現(xiàn)場,客戶僅需要做兩件事情：使用“中國管”配套的取土鉆鉆孔取土；將“中國管”插入土壤中。

② 多樣化數(shù)據(jù)通訊方式

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀有以下3大類通訊方式可供選擇：

A. 全網(wǎng)支持移動、聯(lián)通、電信GPRS 無線通訊； B. RS232通訊,通訊距離：5米； C. CAN通訊,通訊距離：大于500米⑧ 可持續(xù)性

③ 免現(xiàn)場校準(zhǔn)模式

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀都過出廠校準(zhǔn)的模式,使各支傳感器的性能參數(shù)保持高度的一致性,進(jìn)而在客戶提出做土壤參數(shù)率定需求時(shí),Insentek 通過使用其他通規(guī)格的傳感器就能完成土壤參數(shù)率定工作。

④ 無開關(guān)設(shè)計(jì)

無開關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì),把現(xiàn)場安裝人員的操作環(huán)節(jié)及對人員的素質(zhì)需求降到了最低,通過遠(yuǎn)程模式智能控制“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀的工作和停止。

⑤ 智能檢測燈

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀上安裝有一智能按鈕檢測燈,當(dāng)現(xiàn)場安裝人員按按鈕檢測燈時(shí),如果燈亮,說明設(shè)備狀態(tài)正常,同時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)測量發(fā)送工作。

⑥ 內(nèi)外結(jié)合的供電方式

磷酸鐵鋰電池內(nèi)部供電（+3.3VDC）（GPRS通訊模式）或外部+12VDC供電（串口通訊）。