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(cè)土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)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(cè)土壤信息的采集與處理TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中子土壤濕度儀

電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)土壤水分遙感監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)（一）TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)TDR系統(tǒng)類似一個(gè)短波雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定電磁波沿插入土壤的探針傳播時(shí)間來(lái)測(cè)定土壤介電常數(shù)，進(jìn)而計(jì)算整個(gè)探針長(zhǎng)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(shí)獨(dú)立監(jiān)測(cè)土壤水鹽狀況測(cè)定結(jié)果幾乎與土壤類型、密度、溫度等因素?zé)o關(guān)無(wú)需埋設(shè)中子管缺點(diǎn)是儀器價(jià)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(hào)。顯示器并實(shí)現(xiàn)脈沖幅度和脈沖延遲時(shí)間的測(cè)量。輸出時(shí)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(cè)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(hào)變換為低頻脈沖信號(hào)，送往示波器顯示、測(cè)量。一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)（一）TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)土壤信息的采集與處理將長(zhǎng)度為L(zhǎng)的波導(dǎo)棒插入土壤介質(zhì)中，高頻電磁脈沖信號(hào)從波導(dǎo)棒的始端傳播到終端，并在探頭周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，由于波導(dǎo)棒終端處于開(kāi)路狀態(tài)，脈沖信號(hào)受反射又沿波導(dǎo)棒返回到始端。檢測(cè)脈沖從輸入到反射回的時(shí)間以及反射時(shí)的脈沖幅度的衰減，可以反映出土壤的電導(dǎo)率，繼而計(jì)算土壤水鹽含量。土壤水鹽的電磁測(cè)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(cè)土壤水鹽的原理一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)（一）TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)土壤信息的采集與處理常見(jiàn)的TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)有Trase土壤水分測(cè)定系統(tǒng)、Trime土壤水分測(cè)定系統(tǒng)等。不同型號(hào)的TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)探頭可供選擇。可以分別采用插入式、埋入式和管道式探頭測(cè)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(gè)探頭，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)土壤水分同時(shí)監(jiān)測(cè)。TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)（一）TDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)土壤信息的采集與處理（二）負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測(cè)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(jì)，又稱張力計(jì)，以測(cè)量土壤負(fù)壓（張力）來(lái)顯示土壤水分狀況。一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理負(fù)壓計(jì)包括一個(gè)多孔的陶瓷杯和一個(gè)液壓計(jì)。陶瓷杯埋于所測(cè)的土壤中，負(fù)壓計(jì)內(nèi)部的水分通過(guò)陶瓷杯上的微孔同土壤水分進(jìn)行交換而使內(nèi)外水勢(shì)漸趨平衡，由于水分滲入和滲出使負(fù)壓計(jì)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(shì)，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度，同時(shí)又可換算為土壤含水率。（二）負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（二）負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)壓計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、價(jià)錢(qián)便宜、使用方便，可以在不同測(cè)點(diǎn)多處埋設(shè)，可進(jìn)行連續(xù)多次觀測(cè)。但需要提前測(cè)定土壤水分特性曲線來(lái)?yè)Q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(guò)程才能正常觀測(cè)。測(cè)試土壤吸力范圍為0～0.86×105Pa，土壤干燥、吸力大于0.86×105Pa時(shí)會(huì)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(shí)，負(fù)壓計(jì)易于受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差，觀測(cè)結(jié)果具有滯后性，往往不能及時(shí)反映土壤水分狀況。一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)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(dòng)能轉(zhuǎn)化成慢中子，儀器根據(jù)測(cè)出的慢中子數(shù)量計(jì)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤含水量值。一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)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(jì)數(shù)器組成。探頭由快中子源和一個(gè)三氟化硼慢中子檢測(cè)器組成。計(jì)數(shù)器用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤散射的慢中子通道。中子儀使用方法較為簡(jiǎn)單，只需將探頭插入預(yù)設(shè)的測(cè)量孔某一位置，即可測(cè)出該位置（點(diǎn)）周圍的土壤含水量。沿測(cè)孔上下移動(dòng)即可測(cè)定不同深度土層的土壤含水量，可測(cè)量多達(dá)30m深的土壤剖面含水量。一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)（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(cè)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(shí)測(cè)定精度差，且儀器價(jià)格較貴，需要提前埋設(shè)鋁管，導(dǎo)致設(shè)備成本較高，同時(shí)30cm表土層因輻射危害健康，需要采用其它方法測(cè)定。目前主要采用手工方法測(cè)量，也可改造為自動(dòng)化或半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀。土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的監(jiān)測(cè)（四）電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)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(cè)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(lái)測(cè)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(cè)（四）電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如石膏塊土壤水分測(cè)定系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量石膏塊內(nèi)兩個(gè)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(jì)無(wú)法使用），測(cè)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(cè)（五）FDR土壤水分測(cè)定系統(tǒng)FDR頻域反射儀是一種用于測(cè)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(lái)測(cè)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(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，在土壤干旱條件下測(cè)定結(jié)果誤差小于TDR。FDR的探針類似于TDR。Thetaprobe土壤水分測(cè)量系統(tǒng)，其傳感器測(cè)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(cè)（六）土壤水分遙感監(jiān)測(cè)

利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的方法具有宏觀、高時(shí)效、經(jīng)濟(jì)、視野廣、周期快和動(dòng)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(cè)與評(píng)估的重要手段。遙感技術(shù)可以迅速、大面積與多時(shí)相地獲得地面信息，且具有簡(jiǎn)便、不破壞環(huán)境的特點(diǎn)，而且其監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)俱到,較容易畫(huà)出土壤不同含水量區(qū)域之間的界線，便于對(duì)不同含水量區(qū)域面積的統(tǒng)計(jì)和分析，已成為一種監(jiān)測(cè)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(cè)（六）土壤水分遙感監(jiān)測(cè)

若地表有植被覆蓋時(shí)，可用多譜段遙感技術(shù)來(lái)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(guò)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(shí)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(cè)土壤水分。土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)02土壤信息的采集與處理二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)（一）土壤養(yǎng)分的連續(xù)流動(dòng)分析連續(xù)流動(dòng)分析技術(shù)（Continuous-Flow

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

3系統(tǒng)，由自動(dòng)進(jìn)樣器、蠕動(dòng)泵、化學(xué)分析盒、檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)等5個(gè)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(dòng)分析能進(jìn)行在線消解、在線溶劑萃取、在線蒸餾、在線過(guò)濾、氧化還原、在線離子交換、自動(dòng)稀釋、自動(dòng)進(jìn)樣，WINDOWS下全計(jì)算機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)控制軟件，結(jié)果自動(dòng)報(bào)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(lái)水、地表水、污水、煙草、土壤、植株、肥料、食品等樣品的自動(dòng)檢測(cè)。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（一）土壤養(yǎng)分的連續(xù)流動(dòng)分析二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（二）土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測(cè)——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(duì)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(hào)的傳感器。離子傳感器的基本原理是離子識(shí)別，利用固定在敏感膜上的離子識(shí)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(cè)土壤信息的采集與處理（二）土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測(cè)——ISFET法ISFET（IonSensitiveFieldEffectTransistor）即離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管或稱離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)管是常見(jiàn)的離子傳感器。ISFET是由ISE敏感膜和MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管組合而成的、對(duì)離子具有一定選擇性的新型半導(dǎo)體器件，能在被測(cè)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(cè)土壤信息的采集與處理（二）土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測(cè)——ISFET法其離子的主要探測(cè)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(cè)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(gè)芯片上，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)使4個(gè)ISFET輸出信號(hào)，分別測(cè)定離子的濃度。對(duì)于土壤營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，ISFET器件的技術(shù)關(guān)鍵是在于離子選擇性敏感膜的研制。可以將多ISFET傳感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系統(tǒng)中進(jìn)行土壤營(yíng)養(yǎng)成分的監(jiān)測(cè)。也可以用ISFET連續(xù)檢測(cè)土壤pH值。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（三）土壤養(yǎng)分測(cè)試儀如國(guó)產(chǎn)土壤養(yǎng)分測(cè)定儀TPY-6，可測(cè)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(chǔ)和打印功能。國(guó)內(nèi)外已研制出適宜于野外使用的眾多型號(hào)的土壤養(yǎng)分和肥料快速測(cè)定設(shè)備。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（三）土壤養(yǎng)分測(cè)試儀國(guó)外生產(chǎn)的Rqflex便攜式反射光度計(jì)——土壤養(yǎng)分測(cè)定儀，利用反射分光光度計(jì)原理，用于多種有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)離子的快速測(cè)定，測(cè)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(guò)氧化物、pH、酒石酸、甲醛、維生素C、葡萄糖等?？稍谠貙?shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)隨機(jī)存貯，可方便用戶即時(shí)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(jì)表頭三個(gè)部分二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（三）土壤養(yǎng)分測(cè)試儀利用可見(jiàn)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(cè)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(shí)快速測(cè)試。可以測(cè)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(cè)土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測(cè)大地電導(dǎo)儀是快速勘查大面積土壤電導(dǎo)率的專門(mén)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(cè)定土壤電導(dǎo)率。二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測(cè)土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測(cè)如美國(guó)的Veris公司的Veris3100大地電導(dǎo)儀，有6個(gè)犁刀式電極，用車輛牽引并集成GPS系統(tǒng)，可同時(shí)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(guò)配備的專門(mén)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(cè)土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(gè)小型發(fā)射線圈，它可以產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的初級(jí)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)在大地中誘導(dǎo)出微小電子渦流，而其前端有一個(gè)小型接受線圈，這個(gè)接受器既接受發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又接受由初級(jí)磁場(chǎng)誘導(dǎo)出的次級(jí)磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量誘導(dǎo)出的次級(jí)磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量大地電導(dǎo)率。其主磁場(chǎng)強(qiáng)度和副磁場(chǎng)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(cè)土壤信息的采集與處理（四）土壤鹽分的監(jiān)測(cè)正常進(jìn)行測(cè)定時(shí)，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(lái)，（大約每隔0.3m記一次數(shù)），在一小時(shí)以內(nèi)記下3000個(gè)數(shù)