区域土壤水分自动监测系统

1:系统功能  

土壤是复杂的非均质系统，传统烘干法、中子法、介电常数法等土壤水分监测方法虽能较准确反映测定点的土壤含水量，但大范围土壤含水量往往只能通过有限测点数据来推断；遥感虽能快速测定区域土壤表层含水量，但遥感产品通常需要时间尺度扩展及应用地面观测数据进行验证。因此在农田、小流域等中小尺度上，上述方法往往不能满足日益发展的土壤科学研究和现代化精准农业对大量、快速、准确的土壤水分动态信息的需求。  

美国科学家设计了一种基于近地面环境宇宙射线快中子浓度与土壤含水量关系，无危害、非接触、不破坏土壤结构、不受土壤质地、盐分或土壤水分的物理状态等影响、测量范围大、测量深度适中的区域土壤水分/雪深监测系统，该系统可野外连续自动测定大面积的土壤含水量或等效积雪深度，是遥感反演土壤含水量的有效验证手段。

2:基本原理

环境中的宇宙射线粒子与原子核碰撞生成高能中子，这些高能中子在穿过空气与土壤时，与介质中的原子核尤其是氢原子发生弹性碰撞而改变方向，并失去部分能量，逐渐慢化。碰撞后返回地表部分的快、慢中子将在地表以极快的速度达到平衡，其浓度受表层土壤湿度显著影响。通过中子探测器，探测地表附近的特定能量范围的快中子或慢中子强度，就可以通过修正关系计算出大面积的土壤平均含水量。快中子强度用于计算土壤含水量，而慢中子强度用于计算地表积雪深度。  

3:应用领域  

主要应用在土壤水分测量、旱情监测、雪深测量、农业灌溉指导、坡面稳定性分析、山洪预报、供水管理、数值预报、气候模型等。此外，可以安装在移动平台上用来绘制大范围的土壤墒情图。  

4:系统特点           

安装方便，坚固耐用，操作简单，无需专业人员，适于野外长时间连续自动测量；

测量范围*大可达700米（40公顷），测量深度*深可达70厘米；

无危害、非接触、不破坏土壤结构；

几乎不受土壤质地、密度、盐分等理化性质影响；

可用于测量雪深；

遥感反演土壤含水量提供匹配像元尺度的地面验证；

附带数据处理软件，方便对数据进行处理。             

系统参数           

系统供电：6～26VDC；

系统耗电：95mA@12V；

采集间隔：1min～1year可选；

数据存储：内部SD卡，外部可更换SD卡；

数据接口：USB、RS232；

测量范围：*大测量范围700米，*大测量深度70厘米；

量    程：0～饱和；

不确定性：0～4%；

软件特点：可视化图形显示界面，便于用户操作；

软件功能：数据质量控制、系数比较选定、土壤水分计算；

软件输入数据格式：txt或excel；

软件输出数据格式：txt；

若一小时计数间隔，软件可一次性处理不低于3年的数据；

软件可线性显示土壤水分计算结果。

5:系统组成

主要由中子探测器、数据采集器、太阳能供电系统、安装支架、机箱、GSM传输模块、数据处理软件等组成，可选配土壤湿度、雨量等传感器。  

专用数据处理软件   

宇宙射线中子土壤水分观测系统数据处理软件是一款针对利用宇宙射线中子方法测定土壤水分的数据处理软件。软件通过宇宙射线中子传感器(The cosmic-ray sensing sensor)所测量出的中子数与相关气象数据，结合相关计算公式，计算并输出区域土壤水分值。   

软件的数据处理结果界面如下图所示：

6:参考文献

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.

焦其顺，朱忠礼，刘绍民，等．宇宙射线快中子法在农田土壤水分测量中的研究与应用［J］．地球科学进展，2013，28 ( 10) : 1136-1143。

贾晓俊，施生锦，黄彬香等，宇宙射线中子法测量土壤水分的原理及应用，中国农学通报，2014,21:113-117.