用於測量土壤水分含量的系統、設備與方法
2023-12-08 22:14:26 1
專利名稱：用於測量土壤水分含量的系統、設備與方法
技術領域：
本發明涉及用於測量土壤水分含量的系統、方法和設備，更具體地但非排他地 涉及用於以三維測量土壤水分剖面和/或深層排水的技術和電極配置。
背景技術：
有必要對土壤特徵進行了解以確定如何對農田進行最佳灌溉。例如，知曉農田 的水分含量和深層排水特徵十分有助於確定在灌溉活動中在何時和以何量來用水。此 外，可以利用這種信息以基於預測的天氣情況對灌溉活動進行計劃。已經提出多種用於測量土壤水分含量的技術。其中一項技術涉及利用中子探 針。中子探針通過對射如所關心的區域中的中子的能量損失進行測量來進行操作。由 於中子探針的放射性特性，因此在操作該裝置時必須十分小心。此外，中子探針的影響 範圍隨著土壤乾燥周期而變化，因此隨著逐漸靠近土壤表面進行測量，該裝置的精度降 低。另一技術涉及圍繞該區域安裝一組滲漏測定計以提供對深層排水的直接測量。 滲漏測定計收集流動的土壤溶液，隨後該流動的土壤溶液被分析以確定排出水中的可溶 解成分。然而，本領域技術人員可以理解，安裝滲漏測定計可能非常耗費，並且頻繁採 樣並不方便。
發明內容
在第一方面，本發明提供了一種確定土壤水分含量的系統，該系統包括兩個或更多探針，被設置為位於孔洞中，孔洞圍繞所關心的區域間隔開，兩個 或更多探針中的每一個探針包括多個電極，多個電極沿探針的長度並以已知間距間隔 開；以及控制單元，其是可操作的，從而在被選的電極對之間施加經測量的電流以及對其它被選的電極對之間所產生的 電位差進行測量，以取得所述區域的電阻率測量結果，電極對中的每個電極位於所述兩 個或更多探針中的不同探針上；以及對電阻率測量結果進行處理，以確定土壤水分含量。在一個實施方式中，控制單元通過從電阻率測量結果計算土壤的視各向異性指 數(AAI)來確定土壤水分含量，使視各向異性指數與數據集相關以確定土壤水分含量。在一個實施方式中，數據集包括與土壤剖面的多種土壤特性相關聯的數據，土 壤特性與土壤水分含量有關。在一個實施方式中，電極對與其它的電極對鄰近。在一個實施方式中，電極對以正方形配置圍繞所關心的區域設置。在一個實施方式中，控制單元是可操作的以通過在限定的時期內進行相同的測 量來確定所述區域的體電阻率，電阻率的時間特性提供土壤水分含量變化的指示。
在一個實施方式中，在多個深度進行測量以生成三維電阻率剖面。在一個實施方式中，探針圍繞植物根部結構設置，因此孔洞的深度與根部結構 的深度相對應。根據第二方面，本發明提供一種確定土壤水分含量的方法，該方法包括以下步 驟提供被設置為位於孔洞中的兩個或更多探針，孔洞圍繞所關心的區域間隔開， 兩個或更多探針中的每一個包括多個電極，多個電極沿探針的長度並以已知間距間隔 開；通過在被選的電極對之間施加經測量的電流以及測量其它被選的電極對之間所 產生的電位差，獲取所述區域的電阻率測量結果，電極對中的每個電極位於兩個或更多 探針中的不同探針上；以及對電阻率測量結果進行處理，以確定土壤水分含量。在一個實施方式中，通過從電阻率測量結果計算土壤的視各向異性指數(AAI) 來確定土壤水分含量，使視各向異性指數與土壤數據集相關以確定土壤水分含量。在一個實施方式中，土壤數據集包括與土壤剖面的多種土壤特性相關聯的數 據，土壤特性與土壤水分含量有關。在一個實施方式中，電極對與其它的電極對鄰近。在一個實施方式中，在多個深度進行測量以生成三維電阻率剖面。在一個實施方式中，電極對以正方形配置圍繞所關心的區域設置。在一個實施方式中，通過在限定的時期內進行相同的測量來確定所述區域的體 電阻率測量結果，電阻率測量結果的時間特性提供土壤水分含量變化的指示。在一個實施方式中，圍繞植物根部結構設置探針，因此孔洞的深度與根部結構 的深度相對應。根據第三方面，本發明提供一種確定土壤剖面的土壤水分含量和/或深層排水 (deep drainage)的方法，該方法包括以下步驟在多個深度測量土壤剖面的開裂強度；以及將開裂強度的測量結果與數據集進行比較以確定土壤水分含量和/或深層排 水，其中所述數據集包括相關土壤剖面的已知土壤特徵。在一個實施方式中，通過計算所述土壤剖面的視各向異性指數(AAI)來確定土 壤剖面的開裂強度。在一個實施方式中，通過利用根據第一方面所述的系統來計算視各向異性指數。根據第四方面，提供了一種電腦程式代碼，當由處理器執行該電腦程式代 碼時，該電腦程式代碼實施根據第二方面所述的方法。根據第五方面，提供了一種計算機可讀介質，其包括根據第四方面所述的程序 代碼。根據第六方面，提供了一種數據信號，其包括根據第四方面所述的電腦程式 代碼。
現在參照附圖並僅通過實施例對本發明的實施方式進行描述，在附圖中圖1是示出根據本發明的實施方式的電阻率測量技術的示意圖；圖2a是根據一個實施方式的探針配置的示意圖；圖2b和2c分別為圖2a的探針之一的立體圖和俯視圖；圖3是示出根據一個實施方式的實施本發明的方法步驟的流程圖；圖4示出3個獨立的電極配置，其用於通過使用圖2的正方形探針陣列來計算視 各向異性指數(AAI)；圖5是用於對本發明的實施方式進行測試的水箱實驗裝置的示意圖；圖6是示出從圖5的實驗裝置所輸出的AAI測量結果的圖表；圖7a和7b是示出在4個樣本測量時間獲得的用于田間實驗裝置的AAI測量結果 的圖表；圖8是用於在圖7中所使用的相同4個測量時間的電阻率分布圖；以及圖9是小型滲漏測定計裝置所測量的深層排水的曲線圖。
具體實施例方式通過廣泛的研究和測試，本發明人已經發現，通過對位於所關心的區域中的土 壤的開裂強度檢查，可以有效地確定土壤水分含量和/或深層排水的可能性。本發明人 還發現，通過測量土壤中當前流動(current flow)的不均勻性，可以容易地確定開裂深度 和強度(在一個實施方式中，利用各向異性指數測量結果)。本文所描述的實施方式示出 了這種技術，並且還示出了用於實施這種技術的簡單的系統配置。本發明的實施方式還涉及通過利用體電阻率測量結果來確定土壤水分含量的技 術。土壤的體電阻率受土壤基質的性質以及土壤溶液的性質的影響。通常，隨著時間推 移，土壤溶液的性質比土壤基質的性質要顯示出更多的變化。通過使用這種技術，可從 體電阻率的短期時間變化追溯土壤溶液或土壤水分含量的變化。MS可以通過利用圖1所示的電極結構來實現用於以二維確定土壤樣本的電阻率的 基本操作。基本上，低電阻率與潮溼土壤有關，而高電阻率與更加乾燥的土壤有關。這 是因為，隨著水分從土壤中消失，電流將找到更少的流過其中的連續路徑，從而使電阻 率增加。在圖1中，沿著平面分布有4個電極，但是可以根據期望的解析度水平設置更多 的電極。電極中的兩個102a、102b為「載流」電極，其使可操作的以運載由電源106產 生的恆定的測量電流。電源106可以是AC電壓源，也可以是DC電壓源。需要由電源 106輸出的總電壓最終取決於載流電極102之間的最大間距。另兩個電極(即「電壓探 測」電極104a、104b)用於測量載流電極102之間的電壓降(即電位差)。電壓表108連 接至電壓探測電極104以測量電壓降。測量的電流與探測的電壓之間的比值提供對電極 陣列中央下方的區域中的視電導率的一維測量，其中通過結合電極「a」之間距離的幾何 因子使該電流與電壓之間的比值標準化。為了從視電導率分布確定地下的真實電導率， 需要對數據集進行反演(invert)。適於執行該二維反演程序的軟體包是「RES2DINV」包 (從以下URL下載得到www.http://www.geoelectrical.com)。該地帶/區域的近似深度為電極間隔的一半。通過改變4個電極的位置來創建二維測量。本領域技術人員可以理 解，還可以通過調整電極間隔來改變深度。電阻率與土壤水分含量之間的關係在包含低電阻率溶液且具有低表面電導率的沉積物中，可以通過Archies定律 (用於不飽和條件)來表示土壤水分含量與電阻率之間的關係，如以下等式1所示
權利要求
1.一種用於確定土壤水分含量的系統，所述系統包括兩個或更多探針，被設置為位於孔洞中，孔洞圍繞所關心的區域間隔開，所述兩個 或更多探針中的每一個探針包括多個電極，所述多個電極沿探針的長度並以已知間距間 隔開；以及控制單元，其是可操作的，從而在被選的電極對之間施加經測量的電流以及對其它被選的電極對之間所產生的電位 差進行測量，以取得所述區域的電阻率測量結果，電極對中的每個電極位於所述兩個或 更多探針中的不同探針上；以及對電阻率測量結果進行處理，以確定所述土壤水分含量。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述控制單元通過從電阻率測量結果計算土壤 的視各向異性指數(AAI)來確定所述土壤水分含量，使視各向異性指數與數據集相關以 確定所述土壤水分含量。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述數據集包括與土壤剖面的多種土壤特性相 關聯的數據，土壤特性與所述土壤水分含量有關。
4.根據前述權利要求任一項所述的系統，其中，電極對與其它的電極對鄰近。
5.根據前述權利要求任一項所述的系統，其中，電極對以正方形配置圍繞所關心的 區域設置。
6.根據前述權利要求任一項所述的系統，其中，所述控制單元是可操作的以通過在 限定的時期內進行相同的測量來確定所述區域的體電阻率，電阻率的時間特性提供土壤 水分含量變化的指示。
7.根據前述權利要求任一項所述的系統，其中
8.根據前述權利要求任一項所述的系統，其中，探針圍繞植物根部結構設置，因此 孔洞的深度與根部結構的深度相對應。
9.一種確定土壤水分含量的方法，所述方法包括以下步驟提供被設置為位於孔洞中的兩個或更多探針，孔洞圍繞所關心的區域間隔開，所述 兩個或更多探針中的每一個包括多個電極，所述多個電極沿探針的長度並以已知間距間 隔開；通過在被選的電極對之間施加經測量的電流以及測量其它被選的電極對之間所產生 的電位差，獲取所述區域的電阻率測量結果，電極對中的每個電極位於所述兩個或更多 探針中的不同探針上；以及對電阻率測量結果進行處理，以確定所述土壤水分含量。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，通過從電阻率測量結果計算土壤的視各向異 性指數(AAI)來確定所述土壤水分含量，使視各向異性指數與土壤數據集相關以確定所 述土壤水分含量。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述土壤數據集包括與土壤剖面的多種土壤 特性相關聯的數據，土壤特性與所述土壤水分含量有關。
12.根據權利要求9至11任一項所述的方法，其中，電極對與其它的電極對鄰近。
13.根據權利要求9至12任一項所述的方法，其中，在多個深度進行測量以生成三維 電阻率剖面。
14.根據權利要求9至13任一項所述的方法，其中，電極對以正方形配置圍繞所關心 的區域設置。
15.根據權利要求9至14任一項所述的方法，其中，通過在限定的時期內進行相同的 測量來確定所述區域的體電阻率測量結果，所述電阻率測量結果的時間特性提供土壤水 分含量變化的指示。
16.根據權利要求9至15任一項所述的方法，其中，圍繞植物根部結構設置探針，因 此孔洞的深度與所述根部結構的深度相對應。
17.一種確定土壤剖面的土壤水分含量和/或深層排水的方法，所述方法包括以下步驟在多個深度測量所述土壤剖面的開裂強度；以及將開裂強度的測量結果與數據集進行比較以確定土壤水分含量和/或深層排水，其 中所述數據集包括相關土壤剖面的已知土壤特徵。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，通過計算所述土壤剖面的視各向異性指數 (AAI)來確定所述土壤剖面的開裂強度。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，通過利用根據權利要求1至8任一項所述的 系統來計算視各向異性指數。
20.—種電腦程式代碼，當由處理器執行所述電腦程式代碼時，所述電腦程式 代碼實施如權利要求9至19任一項所述的方法。
21.一種計算機可讀介質，包括如權利要求20所述的程序代碼。
22.一種數據信號，包括如權利要求21所述的電腦程式代碼。
全文摘要
本發明提供了用於確定土壤水分含量的系統和方法。一方面，系統包括兩個或更多被設置為位於孔洞中的探針，孔洞圍繞所關的心區域間隔開，兩個或更多探針中的每一個探針包括個電極，電極沿探針的長度以已知間距間隔開。系統還包括控制單元，該控制單元是可操作的，從而在被選的電極對之間施加經測量的電流以及對其它被選的電極對之間所生成的電位差進行測量以獲取所述區域的電阻率測量結果，電極對中的每個電極位於兩個或更多探針中的不同探針上；以及對電阻率測量結果進行處理，以確定土壤水分含量。
文檔編號G01R27/20GK102027366SQ200980117662
公開日2011年4月20日 申請日期2009年3月30日 優先權日2008年3月28日
發明者伊恩·阿克沃斯, 安娜-卡特琳·格瑞維 申請人:棉花集水社區合作研究中心有限公司