農(nóng)業(yè)信息采集與處理-土壤信息的采集與處理

土壤信息的采集與處理目錄0102土壤含水量的監(jiān)測土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測03智能化農(nóng)田節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)01土壤含水量的監(jiān)測土壤信息的采集與處理TDR土壤水分測定系統(tǒng)負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)中子土壤濕度儀

電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)FDR土壤水分測定系統(tǒng)土壤水分遙感監(jiān)測土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（一）TDR土壤水分測定系統(tǒng)TDR系統(tǒng)類似一個短波雷達(dá)系統(tǒng)通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來測定土壤介電常數(shù)，進(jìn)而計算整個探針長度土層土壤平均體積含水量可以直接、快速、方便、可靠地同時獨(dú)立監(jiān)測土壤水鹽狀況測定結(jié)果幾乎與土壤類型、密度、溫度等因素?zé)o關(guān)無需埋設(shè)中子管缺點(diǎn)是儀器價格昂貴TDR法的特點(diǎn)土壤信息的采集與處理TDR系統(tǒng)的組成輸出幅度穩(wěn)定、頻率可調(diào)（20MHz～1GHz）的系列階躍脈沖信號。顯示器并實(shí)現(xiàn)脈沖幅度和脈沖延遲時間的測量。輸出時標(biāo)脈沖，控制階躍脈沖產(chǎn)生器與接收器同步，以便在顯示器上顯示和測量。應(yīng)用脈沖調(diào)制技術(shù)，將接收到的高頻反射脈沖信號變換為低頻脈沖信號，送往示波器顯示、測量。一、土壤含水量的監(jiān)測（一）TDR土壤水分測定系統(tǒng)土壤信息的采集與處理將長度為L的波導(dǎo)棒插入土壤介質(zhì)中，高頻電磁脈沖信號從波導(dǎo)棒的始端傳播到終端，并在探頭周圍產(chǎn)生一個電磁場，由于波導(dǎo)棒終端處于開路狀態(tài)，脈沖信號受反射又沿波導(dǎo)棒返回到始端。檢測脈沖從輸入到反射回的時間以及反射時的脈沖幅度的衰減，可以反映出土壤的電導(dǎo)率，繼而計算土壤水鹽含量。土壤水鹽的電磁測定是基于土壤的介電性質(zhì)。介電常數(shù)又與土壤水分含量的多少有密切關(guān)系。TDR監(jiān)測土壤水鹽的原理一、土壤含水量的監(jiān)測（一）TDR土壤水分測定系統(tǒng)土壤信息的采集與處理常見的TDR土壤水分測定系統(tǒng)有Trase土壤水分測定系統(tǒng)、Trime土壤水分測定系統(tǒng)等。不同型號的TDR土壤水分測定系統(tǒng)通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不同長度的波導(dǎo)探頭可供選擇?？梢苑謩e采用插入式、埋入式和管道式探頭測定表土層和土壤剖面不同深度的土壤含水量,剖面濕度最深可達(dá)3m。如果與多路盒相連可以連接多個探頭，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)土壤水分同時監(jiān)測。TDR土壤水分測定系統(tǒng)的應(yīng)用一、土壤含水量的監(jiān)測（一）TDR土壤水分測定系統(tǒng)土壤信息的采集與處理（二）負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)土壤含水量與毛管力之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，毛管力變化能夠反映土壤含水量變化。負(fù)壓計，又稱張力計，以測量土壤負(fù)壓（張力）來顯示土壤水分狀況。一、土壤含水量的監(jiān)測土壤信息的采集與處理負(fù)壓計包括一個多孔的陶瓷杯和一個液壓計。陶瓷杯埋于所測的土壤中，負(fù)壓計內(nèi)部的水分通過陶瓷杯上的微孔同土壤水分進(jìn)行交換而使內(nèi)外水勢漸趨平衡，由于水分滲入和滲出使負(fù)壓計讀數(shù)發(fā)生變化，儀器上所指示的負(fù)壓值即代表土壤水勢，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度，同時又可換算為土壤含水率。（二）負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)一、土壤含水量的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（二）負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)壓計結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價錢便宜、使用方便，可以在不同測點(diǎn)多處埋設(shè)，可進(jìn)行連續(xù)多次觀測。但需要提前測定土壤水分特性曲線來換算土壤含水量，安裝前要注水除氣、密封和標(biāo)定，需要1～2d的土壤吸力平衡過程才能正常觀測。測試土壤吸力范圍為0～0.86×105Pa，土壤干燥、吸力大于0.86×105Pa時會使陶瓷杯擊穿，因而不適合于干旱土地，適用于灌溉地、噴灌和滴灌田。同時，負(fù)壓計易于受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差，觀測結(jié)果具有滯后性，往往不能及時反映土壤水分狀況。一、土壤含水量的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（三）中子土壤濕度儀

利用中子熱化原理，快中子源發(fā)出的中子在遇到氫原子后，失去部分動能轉(zhuǎn)化成慢中子，儀器根據(jù)測出的慢中子數(shù)量計算出土壤含水量。土壤含水量愈多，快中子轉(zhuǎn)化為慢中子的數(shù)量也愈多，儀器可以將計數(shù)器的計數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤含水量值。一、土壤含水量的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（三）中子土壤濕度儀

中子儀由探頭和計數(shù)器組成。探頭由快中子源和一個三氟化硼慢中子檢測器組成。計數(shù)器用來監(jiān)測土壤散射的慢中子通道。中子儀使用方法較為簡單，只需將探頭插入預(yù)設(shè)的測量孔某一位置，即可測出該位置（點(diǎn)）周圍的土壤含水量。沿測孔上下移動即可測定不同深度土層的土壤含水量，可測量多達(dá)30m深的土壤剖面含水量。一、土壤含水量的監(jiān)測土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（三）中子土壤濕度儀

中子儀法的特點(diǎn)是能快速、周期性的反復(fù)測定深層土壤含水量而不破壞土壤，但當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量高時測定精度差，且儀器價格較貴，需要提前埋設(shè)鋁管，導(dǎo)致設(shè)備成本較高，同時30cm表土層因輻射危害健康，需要采用其它方法測定。目前主要采用手工方法測量，也可改造為自動化或半自動化監(jiān)測儀。土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（四）電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)通過測量埋入土壤中的感濕元件的電阻值得到感濕元件的濕度，從而間接求得土壤濕度。測量結(jié)果易受土壤鹽分影響，且有滯后性。根據(jù)土壤介電常數(shù)隨土壤濕度變化的原理來測定土壤濕度。受土壤鹽分的影響較小。電阻式土壤濕度傳感器電容式土壤濕度傳感器土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（四）電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)如石膏塊土壤水分測定系統(tǒng)，通過測量石膏塊內(nèi)兩個電極間的電阻可以顯示含水量。石膏塊永久埋入土壤中，壽命為3～5年，適用于干燥土壤環(huán)境（張力計無法使用），測量范圍3～100kPa。土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（五）FDR土壤水分測定系統(tǒng)FDR頻域反射儀是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù),從而得到土壤容積含水量。FDR具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，在土壤干旱條件下測定結(jié)果誤差小于TDR。FDR的探針類似于TDR。Thetaprobe土壤水分測量系統(tǒng)，其傳感器測量范圍是5%～55%的體積濕度，精確度為2%。土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（六）土壤水分遙感監(jiān)測

利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤水分的方法具有宏觀、高時效、經(jīng)濟(jì)、視野廣、周期快和動態(tài)條件好等特點(diǎn)。成為區(qū)域性土壤水分和農(nóng)作物干旱監(jiān)測與評估的重要手段。遙感技術(shù)可以迅速、大面積與多時相地獲得地面信息，且具有簡便、不破壞環(huán)境的特點(diǎn)，而且其監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)俱到,較容易畫出土壤不同含水量區(qū)域之間的界線，便于對不同含水量區(qū)域面積的統(tǒng)計和分析，已成為一種監(jiān)測土壤含水量的全新方法。土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測（六）土壤水分遙感監(jiān)測

若地表有植被覆蓋時，可用多譜段遙感技術(shù)來區(qū)分植物反射和土壤反射光譜，找出土壤含水量與多譜段反射率的關(guān)系，確定土壤含水量。裸地，可利用熱紅外遙感土壤水分，其內(nèi)容包括：一是通過熱紅外遙感方法獲取的熱圖像數(shù)據(jù)推算地表溫度的時空分布，二是確定土壤水分含量與地表溫度之間的定量關(guān)系，推算土壤濕度的地區(qū)分布。此外，還可采用微波遙感土壤水分和應(yīng)用NOAA—AVHRR數(shù)據(jù)探測土壤水分。土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測02土壤信息的采集與處理二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測（一）土壤養(yǎng)分的連續(xù)流動分析連續(xù)流動分析技術(shù)（Continuous-Flow

Analysis-CFA）將樣品顯色與檢測合為一體，使浸提樣品的檢測效率成倍提高。德國布朗盧比公司推出的AutoAnalyzer

3系統(tǒng)，由自動進(jìn)樣器、蠕動泵、化學(xué)分析盒、檢測器和計算機(jī)等5個獨(dú)立部分組成。土壤信息的采集與處理（一）土壤養(yǎng)分的連續(xù)流動分析能進(jìn)行在線消解、在線溶劑萃取、在線蒸餾、在線過濾、氧化還原、在線離子交換、自動稀釋、自動進(jìn)樣，WINDOWS下全計算機(jī)自動系統(tǒng)控制軟件，結(jié)果自動報表打印，多功能化學(xué)分析盒，高低量程轉(zhuǎn)換，不用裝電子除氣泡裝置。大量應(yīng)用于海水、自來水、地表水、污水、煙草、土壤、植株、肥料、食品等樣品的自動檢測。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（一）土壤養(yǎng)分的連續(xù)流動分析二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（二）土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測——ISFET法化學(xué)量傳感器是繼物理量傳感器之后興起的另一類傳感器?；瘜W(xué)量傳感器的傳感對象包括離子與分子。離子傳感器是能把溶液中離子活度轉(zhuǎn)換為電位或電流等電信號的傳感器。離子傳感器的基本原理是離子識別，利用固定在敏感膜上的離子識別材料有選擇性地結(jié)合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電流的改變。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（二）土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測——ISFET法ISFET（IonSensitiveFieldEffectTransistor）即離子敏場效應(yīng)晶體管或稱離子選擇性場效應(yīng)管是常見的離子傳感器。ISFET是由ISE敏感膜和MOSFET場效應(yīng)晶體管組合而成的、對離子具有一定選擇性的新型半導(dǎo)體器件，能在被測離子作用下產(chǎn)生相應(yīng)的漏—源電流IDS，以顯示該種離子的濃度。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（二）土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測——ISFET法其離子的主要探測元件為固態(tài)或液態(tài)的離子敏感膜，選擇不同的敏感膜，可以測定不同的離子濃度。ISFET主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl－、F－、Br－、I－、CN－、Ag+、S2－、NH4+等幾種。也可以將H＋、K＋、Na＋、Cl－等離子敏感膜集成在一個芯片上，通過模擬開關(guān)使4個ISFET輸出信號，分別測定離子的濃度。對于土壤營養(yǎng)監(jiān)測來說，ISFET器件的技術(shù)關(guān)鍵是在于離子選擇性敏感膜的研制?？梢詫⒍郔SFET傳感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系統(tǒng)中進(jìn)行土壤營養(yǎng)成分的監(jiān)測。也可以用ISFET連續(xù)檢測土壤pH值。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（三）土壤養(yǎng)分測試儀如國產(chǎn)土壤養(yǎng)分測定儀TPY-6，可測定土壤速效氮、速效磷、有效鉀、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸堿度及土壤含鹽量（定量）等指標(biāo)，具有存儲和打印功能。國內(nèi)外已研制出適宜于野外使用的眾多型號的土壤養(yǎng)分和肥料快速測定設(shè)備。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（三）土壤養(yǎng)分測試儀國外生產(chǎn)的Rqflex便攜式反射光度計——土壤養(yǎng)分測定儀，利用反射分光光度計原理，用于多種有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)離子的快速測定，測試的種類包括氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽、鉀、硫酸鹽、鈣、氯、鉻、鈷、銅、鋁、鐵、鉛、鎂、錳、鉬、鎳、過氧化物、pH、酒石酸、甲醛、維生素C、葡萄糖等?？稍谠貙?shí)時測量，數(shù)據(jù)隨機(jī)存貯，可方便用戶即時決策。儀器主要包括顯色試紙、含儀器校正和控制功能的條形碼、反射光度計表頭三個部分二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（三）土壤養(yǎng)分測試儀利用可見和近紅外光譜技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和融合技術(shù)，研制而成的光譜法土壤養(yǎng)分分析儀，是一種新型土壤養(yǎng)分快速測試分析方法，不破壞樣品，不需要化學(xué)試劑，不需要前處理，即可實(shí)現(xiàn)了土壤養(yǎng)分的實(shí)時快速測試。可以測試土壤、肥料、植株中全量的和速效的氮、磷、鉀；有機(jī)質(zhì)和酸堿度，可溶性含鹽量以及腐殖酸的含量二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測大地電導(dǎo)儀是快速勘查大面積土壤電導(dǎo)率的專門儀器。土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)包含了土壤含鹽量、土壤水分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤壓實(shí)度、質(zhì)地結(jié)構(gòu)、空隙度等土壤理化信息。接觸式土壤電導(dǎo)率傳感器是一種電極式傳感器，采用電流－電壓四端法，將恒流電源、電壓表、電極和土壤構(gòu)成回路，用車輛牽引并集成GPS系統(tǒng)，用于測定土壤電導(dǎo)率。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測如美國的Veris公司的Veris3100大地電導(dǎo)儀，有6個犁刀式電極，用車輛牽引并集成GPS系統(tǒng)，可同時獲得0～30.5cm和0～91.5cm的土壤電導(dǎo)率，每隔1s記錄一組數(shù)據(jù)，記錄在閃存中，經(jīng)過配備的專門數(shù)據(jù)處理與分析軟件，就可得到農(nóng)田土壤電導(dǎo)率分布圖。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測非接觸式土壤電導(dǎo)率傳感器，如加拿大Geonics公司的EM38大地電導(dǎo)儀，重量較輕，長度也僅1m，能以極好靈敏度快速地進(jìn)行勘查。主其要工作原理是在電導(dǎo)儀后端有一個小型發(fā)射線圈，它可以產(chǎn)生一個隨時間變化的初級磁場，這個磁場在大地中誘導(dǎo)出微小電子渦流，而其前端有一個小型接受線圈，這個接受器既接受發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場，又接受由初級磁場誘導(dǎo)出的次級磁場，通過測量誘導(dǎo)出的次級磁場來測量大地電導(dǎo)率。其主磁場強(qiáng)度和副磁場強(qiáng)度比值與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測正常進(jìn)行測定時，只要把儀器放在地上，就可記錄土壤含鹽量。也可以把它安裝在木制滑橋上，以步行速度在地上拖著走，并用DSA70數(shù)采將數(shù)據(jù)上連續(xù)記錄下來，（大約每隔0.3m記一次數(shù)），在一小時以內(nèi)記下3000個數(shù)