[发明专利]基于地理空间传感网的土壤水分实时监测和即时制图方法

说明书

 

技术领域

本发明属于地球空间信息领域，尤其涉及一种基于地理空间传感网的土壤水分实时监测方法。

背景技术

土壤水分即土壤干湿程度，通常用土壤含水量占烘干土壤重量的百分数表示，也可用土壤含水量占田间持水量的百分数表示。土壤水分（或土壤湿度、土壤含水量）是地球生态系统的重要组成部分，是陆地植物、土壤生物等赖以生存的重要物质源泉之一，在全球水循环中发挥着重要的作用，也是许多水文模型、气候模型、生态模型等的重要输入参数。土壤水分作为陆面水资源形成、转化、消耗过程中的基本研究参数，是联系地表水与地下水的纽带，也是研究地表能量交换的基本要素，对气候变化起着非常重要的调解作用。土壤水分的变化能影响其本身的水热过程，使地表参数发生变化，如地表反照率、土壤热容量、地表蒸发和植被生长状况等。这就导致地表能量、水分的再分配，并通过改变地表向大气输送的显热、潜热和长波辐射通量，影响气候变化；气候变化又能影响到土壤含水量变化，两者相互作用，其中包涵复杂的反馈过程。此外，土壤水分作为陆面生态系统水循环的重要组成，是植物生长发育的基本条件，也是研究植物水分胁迫、进行旱情监测、农作物估产等的重要指标。可见土壤水分在地球科学的研究中有着非常重要的意义。因此，实现对土壤水分的实时监测，最终还可以专题图的形式直观地展现出来，具有重要的现实价值和巨大的经济价值。

到目前为止，存在两类土壤水分监测方法：地面方法[1]和遥感方法[2]。二者的区别在于，地面方法的设备主要布设在土壤表面，而遥感方法的设备则主要依靠卫星上搭载的各类传感器，运行在太空中。具体来说，地面方法又可根据监测土壤水分的原理分为六类：（1）烘干法；（2）射线法；（3）介电特性法；（4）核磁共振法；（5）分离示踪法；（6）其他方法（如张力计法、光学测量法等）。在这些地面方法中，烘干法费时费力，不能实时监测，对人工操作要求也高，但作为直接测量土壤水分的唯一方法，在测量精度上具有其他方法不可比拟的优势。其他五类方法都是通过间接测量与土壤水分有关的变量，如射线能量、介电系数、核磁共振信号的初始振幅等，来推算土壤水分含量。这些方法在工业都对应有比较成熟的测量仪器，即地面的土壤水分传感器。遥感方法借助于飞行在太空中的土壤水分传感器获取较大面积的、连续的土壤水分。相比于地面单点的测量，遥感方法具有面状测量、综合成本较低的特点，因而成为目前地球空间信息领域研究的重点。遥感方法依据使用的传感器不同，又可分为如下五类：（1）光学法；（2）高光谱法；（3）被动微波法；（4）主动微波法；（5）综合法。这五类方法分别利用不同成像方式、不同成像波段的传感器和最终生成的遥感图像，加上遥感反演模型，推算地面的土壤水分含量。

而在土壤水分监测和制图的软件方面（传感器之间的通讯协议，数据传输、存储和分析方法，土壤水分专题图发布方式等），现有的方法也存在着不同。

基于原位传感器的地面方法通常在局部区域布设若干土壤水分传感器，且这些传感器具有无线通信功能，这些采集节点以某种短距离通讯协议（蓝牙、ZigBee等）将数据实时发送到汇聚节点，汇聚节点通过无线（GPRS、3G等）或有线的途径将采集的土壤水分传输到数据存储和处理中心，中心经过数据解析，处理和展示，最终将土壤水分的结果以图表的形式展示给用户。这种做法可以实现实时或近实时的土壤水分监测，但是目前很多实践都没有结合GIS的空间分析功能，只是将点的观测数据以数字或曲线形式展现出来^[3]，这样就忽略了整个观测区域面状的土壤水分分布规律^[4,5]，导致认识的偏差。而且，由于这些原位传感器网络的建设大多采用局域网设计^[6]，导致系统封闭，不仅处理算法不能网络共享，数据也封闭在系统内部，形成了信息孤岛，大大降低了地理信息的价值。