1:系統(tǒng)功能
土壤是復雜的非均質(zhì)系統(tǒng),傳統(tǒng)烘干法、中子法、介電常數(shù)法等土壤水分監(jiān)測方法雖能較準確反映測定點的土壤含水量,但大范圍土壤含水量往往只能通過有限測點數(shù)據(jù)來推斷;遙感雖能快速測定區(qū)域土壤表層含水量,但遙感產(chǎn)品通常需要時間尺度擴展及應用地面觀測數(shù)據(jù)進行驗證。因此在農(nóng)田、小流域等中小尺度上,上述方法往往不能滿足日益發(fā)展的土壤科學研究和現(xiàn)代化精準農(nóng)業(yè)對大量、快速、準確的土壤水分動態(tài)信息的需求。
美國科學家設(shè)計了一種基于近地面環(huán)境宇宙射線快中子濃度與土壤含水量關(guān)系,無危害、非接觸、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、不受土壤質(zhì)地、鹽分或土壤水分的物理狀態(tài)等影響、測量范圍大、測量深度適中的區(qū)域土壤水分/雪深監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)可野外連續(xù)自動測定大面積的土壤含水量或等效積雪深度,是遙感反演土壤含水量的有效驗證手段。
2:基本原理
環(huán)境中的宇宙射線粒子與原子核碰撞生成高能中子,這些高能中子在穿過空氣與土壤時,與介質(zhì)中的原子核尤其是氫原子發(fā)生彈性碰撞而改變方向,并失去部分能量,逐漸慢化。碰撞后返回地表部分的快、慢中子將在地表以極快的速度達到平衡,其濃度受表層土壤濕度顯著影響。通過中子探測器,探測地表附近的特定能量范圍的快中子或慢中子強度,就可以通過修正關(guān)系計算出大面積的土壤平均含水量。快中子強度用于計算土壤含水量,而慢中子強度用于計算地表積雪深度。
3:應用領(lǐng)域
主要應用在土壤水分測量、旱情監(jiān)測、雪深測量、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。此外,可以安裝在移動平臺上用來繪制大范圍的土壤墑情圖。
4:系統(tǒng)特點
安裝方便,堅固耐用,操作簡單,無需專業(yè)人員,適于野外長時間連續(xù)自動測量;
測量范圍*大可達700米(40公頃),測量深度*深可達70厘米;
無危害、非接觸、不破壞土壤結(jié)構(gòu);
幾乎不受土壤質(zhì)地、密度、鹽分等理化性質(zhì)影響;
可用于測量雪深;
遙感反演土壤含水量提供匹配像元尺度的地面驗證;
附帶數(shù)據(jù)處理軟件,方便對數(shù)據(jù)進行處理。
系統(tǒng)參數(shù)
系統(tǒng)供電:6~26VDC;
系統(tǒng)耗電:95mA@12V;
采集間隔:1min~1year可選;
數(shù)據(jù)存儲:內(nèi)部SD卡,外部可更換SD卡;
數(shù)據(jù)接口:USB、RS232;
測量范圍:*大測量范圍700米,*大測量深度70厘米;
量 程:0~飽和;
不確定性:0~4%;
軟件特點:可視化圖形顯示界面,便于用戶操作;
軟件功能:數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、系數(shù)比較選定、土壤水分計算;
軟件輸入數(shù)據(jù)格式:txt或excel;
軟件輸出數(shù)據(jù)格式:txt;
若一小時計數(shù)間隔,軟件可一次性處理不低于3年的數(shù)據(jù);
軟件可線性顯示土壤水分計算結(jié)果。
5:系統(tǒng)組成
主要由中子探測器、數(shù)據(jù)采集器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架、機箱、GSM傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理軟件等組成,可選配土壤濕度、雨量等傳感器。
專用數(shù)據(jù)處理軟件
宇宙射線中子土壤水分觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件是一款針對利用宇宙射線中子方法測定土壤水分的數(shù)據(jù)處理軟件。軟件通過宇宙射線中子傳感器(The cosmic-ray sensing sensor)所測量出的中子數(shù)與相關(guān)氣象數(shù)據(jù),結(jié)合相關(guān)計算公式,計算并輸出區(qū)域土壤水分值。
軟件的數(shù)據(jù)處理結(jié)果界面如下圖所示:
6:參考文獻
M. Zreda, W. J. Shuttleworth, X. Zeng, C. Zweck, D. Desilets, T. Franz, et al.(2012): COSMOS: The COsmic-ray Soil Moisture Observing System, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 9, 4505–4551.
Rivera Villarreyes, C. A., Baroni, G., and Oswald, S. E. (2011): Integral quantification of seasonal soil.
moisture changes in farmland by cosmic-ray neutrons, Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, 3843–3859,
Desilets, D., Zreda, M., and Ferre, T. (2010): Nature’s neutron probe: land-surface hydrology at an elusive scale with cosmic rays, Water Resour. Res., 46, W11505.
Zreda, M., Desilets, D., Ferré, T. P. A., and Scott, R. L. (2008): Measuring soil moisture content non-invasively at intermediate spatial scale using cosmic-ray neutrons, Geophys. Res. Lett., 23(9), 949-952.
焦其順,朱忠禮,劉紹民,等.宇宙射線快中子法在農(nóng)田土壤水分測量中的研究與應用[J].地球科學進展,2013,28 ( 10) : 1136-1143。
賈曉俊,施生錦,黃彬香等,宇宙射線中子法測量土壤水分的原理及應用,中國農(nóng)學通報,2014,21:113-117.