1.概述

桿式土壤水分溫度電導(dǎo)率觀測系統(tǒng)是采用傳感器管式插入式接觸測量的方式獲得土壤指標(biāo)，常見的桿式的土壤水分觀測屬于FDR（頻域反射）方法。美國Campbell公司新研發(fā)的SoilVUE10 TDR 管式土壤三參數(shù)傳感器則采用的TDR時(shí)域反射法。

首先我們先了解一下土壤水分的幾個(gè)量：

土壤中水分形態(tài)為固態(tài)水和氣態(tài)水

田間持水率是指土壤中不受地下水影響的條件下，土壤中懸著毛管水達(dá)到*大量時(shí)的土壤含水率.

土壤含水量一般是指土壤優(yōu)良含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱土壤含水率.

這些指標(biāo)和土壤的類型息息相關(guān)，土壤的大致類型如下：

典型土壤水分含量：

土壤水的運(yùn)動(dòng)和存儲：

2.土壤含水量的測量方法：

TDR(時(shí)域反射法）

TDR是根據(jù)探測器發(fā)出的電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中的傳輸時(shí)間的不同,而計(jì)算出被測物含水量。電磁波的傳播速度與傳播媒體的介電常數(shù)有密切關(guān)系,而土壤基質(zhì)、水和空氣的介電常數(shù)有很大差異(20℃時(shí),水的介電常數(shù)為80,空氣的介電常數(shù)為1,干燥土壤的介電常數(shù)介于3～7)。故土壤含水量的變化對介電常數(shù)有明顯的影響,由此電磁波的傳播速度,便可確定其含水量。

FDR(頻域反射法）

FDR型土壤水分監(jiān)測儀是一種利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來測定介質(zhì)的介電常數(shù)ε，進(jìn)而通過一定的對應(yīng)關(guān)系反演出土壤水分θv的儀器。 

3. EnviroPro 桿式土壤水分溫度電導(dǎo)率傳感器EP100G

土壤水分分辨率: 0.01%

土壤鹽分分辨率: 0.001 dS/m

土壤溫度分辨率: 0.01 °C

土壤水分精度: +/- 2% @ 0% VWC to 50% VWC

土壤鹽分測量范圍: 0 to 6 dS/m*2

土壤鹽分精度: +/- 5% @ 0 to 4 dS/m

+/- 5% @ 10% to 30% VWC

土壤溫度精度: +/- 1 °C @ 25 °C

信號輸出: SDI-12

供電: +6 to +15 VDC

工作溫度: -20 to +60 °C

功耗： 0.1mA 靜態(tài)  1mA 測量/單個(gè)測點(diǎn)

測點(diǎn)間距：每10cm一層

型號選擇：EP100G-04（4個(gè)測點(diǎn)）；EP100G-08（8個(gè)測點(diǎn)）；EP100G-12（12個(gè)測點(diǎn)）；EP100G-16（16個(gè)測點(diǎn)）

4.Stevenswater 桿式土壤水分溫度傳感器 GroPoint Profile

土壤水分：

測量范圍：0%-100%

精度：0.5%

土壤溫度：

測量范圍：-20°C to +70°C

工作溫度：-40°C to +85°C

精度：±0.5 °C

信號輸出：SDI-12(RS-485)

供電：6 - 14 VDC, *大18 VDC

防水：IP66/IP68

傳感器測量間距：每15cm一層

型號選擇：

GroPoint Profile 2（2層測點(diǎn)）

GroPoint Profile 3（3層測點(diǎn)）

GroPoint Profile 4（4層測點(diǎn)）

GroPoint Profile 5（5層測點(diǎn)）

GroPoint Profile 6（6層測點(diǎn)）

GroPoint Profile 8（8層測點(diǎn)）

5.SOILVUE10-管式TDR土壤水分傳感器

SoilVUE?10是美國Campbell公司研發(fā)的一體式剖面TDR土壤水分傳感器，采用TrueWave?TDR技術(shù)，專為環(huán)境研究人員及環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，可同時(shí)測量一個(gè)剖面多個(gè)測點(diǎn)的土壤水分、溫度、電導(dǎo)率。對于有相似需求的科研人員來說，SoilVUE?10的出現(xiàn)是一個(gè)值得關(guān)注的優(yōu)選。

坎貝爾科學(xué)公司專有的TrueWave?TDR技術(shù)，采用較佳的波形上升時(shí)間和先進(jìn)的波形分析技術(shù)來測定高頻脈沖的真實(shí)行程時(shí)間。這一過程實(shí)現(xiàn)了高分辨率，能得到平滑的測量信號，優(yōu)于其他TDR測量技術(shù)，并非所有基于TDR的傳感器都能獲得同樣好的測量結(jié)果。

技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

l 一個(gè)傳感器可同時(shí)測量9層（1米規(guī)格）或6層（0.5米規(guī)格）土壤水分、介電常數(shù)、電導(dǎo)率和土壤溫度。

l 簡易快速的安裝。

l 1.4版本SDI-12輸出信號，兼容大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集器。

l 專為長期戶外安裝設(shè)計(jì)。

詳細(xì)說明

SOILVUE?10由TDR電路組成，連接到六或九個(gè)螺旋波導(dǎo)，構(gòu)成整個(gè)螺紋設(shè)計(jì)的一部分。螺紋設(shè)計(jì)中內(nèi)置的單個(gè)傳感器改善了傳感器與土壤的接觸，減少空氣間隙照成的潛在誤差。TDR電路產(chǎn)生用于螺旋波導(dǎo)的短上升時(shí)間電磁脈沖，利用外加脈沖經(jīng)過的雙向行程時(shí)間來計(jì)算周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，并用混合模型確定體積含水量。

土壤水分剖面?zhèn)鞲衅骺梢杂脴?biāo)準(zhǔn)的5cm直徑手鉆打孔來安裝。不需要挖掘機(jī)械或昂貴的定制工具。

電纜和傳感器之間采用防水等級IP67的航空插頭連接，方便更換。

6.土壤水分站站點(diǎn)應(yīng)用：

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與合理性檢查的重要保障

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理

方便各級用戶使用管理

不需要固定計(jì)算機(jī),不需要安裝特殊軟件

節(jié)省現(xiàn)場收集,數(shù)據(jù)管理的人力物力

工作原理導(dǎo)圖：

? 在底層搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺

? 在WebGIS（天地圖）平臺基礎(chǔ)上搭建應(yīng)用系統(tǒng)

? 將應(yīng)用系統(tǒng)劃分前后臺，前臺（首頁+中心站頁+地方站頁）用于應(yīng)用展示，后臺用于維護(hù)管理

? 支持PC或者手機(jī)（android百度瀏覽器，手機(jī)UC瀏覽器）在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方在線瀏覽

土壤水分站管理平臺：

無線傳輸功能：

界面顯示

登陸后的界面：有首頁，數(shù)據(jù)，預(yù)警，公告，管理，幫助等選項(xiàng)?？梢灾苯硬樵兡骋粫r(shí)間，某一站點(diǎn)，樣地的數(shù)據(jù)信息。

進(jìn)入“數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，界面左側(cè)為站點(diǎn)。樣地下拉選項(xiàng)，右側(cè)為時(shí)間選項(xiàng)，能夠詳細(xì)觀測某時(shí)某站點(diǎn)樣地的數(shù)據(jù)列表、折線圖、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等信息，并可導(dǎo)出已選時(shí)間、樣地的.csv文件。

數(shù)據(jù)折線圖:

數(shù)據(jù)列表：

土壤水分觀測系統(tǒng)  數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)據(jù)傳輸與管理

界面顯示：

進(jìn)入“預(yù)警”界面，能夠清楚的看到通訊異常的站點(diǎn)、樣地。

“管理”界面，首頁左側(cè)有“用戶管理”“閾值管理”“監(jiān)測站信息”“歷史數(shù)據(jù)”“公告管理”“數(shù)據(jù)上報(bào)管理”選項(xiàng)，首頁右側(cè)為所有“系統(tǒng)管理員”和“臺站用戶信息”

在“監(jiān)測站信息”界面，系統(tǒng)管理員可以對站點(diǎn)、樣地信息進(jìn)行修改，查看。

在“公告管理”界面里，系統(tǒng)管理員可以添加公告和查看公告信息

數(shù)據(jù)信息可按照年份，時(shí)間段批次上報(bào)。系統(tǒng)管理員可以對上報(bào)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查看、刪除等管理。

7.參考文獻(xiàn)：

1.半干旱黃土丘陵區(qū)土壤水分生長季動(dòng)態(tài)分析-徐志堯 ， 張欽弟 ， 楊磊 

2.不同土質(zhì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究-王蘇玉

3.基于有效*大含水量的土壤水分監(jiān)測優(yōu)化布設(shè)方法-王珊， 胡振華 

4.土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性研究進(jìn)展-藺鵬飛 ， 朱喜 ， 何志斌 

5.土壤水分波動(dòng)對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)CO2和N2O排放的影響-王瑞， 王平 ， 高永恒