專利名稱：用于測(cè)量土壤水分含量的系統(tǒng)、設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量土壤水分含量的系統(tǒng)、方法和設(shè)備，更具體地但非排他地 涉及用于以三維測(cè)量土壤水分剖面和/或深層排水的技術(shù)和電極配置。
背景技術(shù)：
有必要對(duì)土壤特征進(jìn)行了解以確定如何對(duì)農(nóng)田進(jìn)行最佳灌溉。例如，知曉農(nóng)田 的水分含量和深層排水特征十分有助于確定在灌溉活動(dòng)中在何時(shí)和以何量來(lái)用水。此 外，可以利用這種信息以基于預(yù)測(cè)的天氣情況對(duì)灌溉活動(dòng)進(jìn)行計(jì)劃。已經(jīng)提出多種用于測(cè)量土壤水分含量的技術(shù)。其中一項(xiàng)技術(shù)涉及利用中子探 針。中子探針通過(guò)對(duì)射如所關(guān)心的區(qū)域中的中子的能量損失進(jìn)行測(cè)量來(lái)進(jìn)行操作。由 于中子探針的放射性特性，因此在操作該裝置時(shí)必須十分小心。此外，中子探針的影響 范圍隨著土壤干燥周期而變化，因此隨著逐漸靠近土壤表面進(jìn)行測(cè)量，該裝置的精度降 低。另一技術(shù)涉及圍繞該區(qū)域安裝一組滲漏測(cè)定計(jì)以提供對(duì)深層排水的直接測(cè)量。 滲漏測(cè)定計(jì)收集流動(dòng)的土壤溶液，隨后該流動(dòng)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(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，安裝滲漏測(cè)定計(jì)可能非常耗費(fèi)，并且頻繁采 樣并不方便。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供了一種確定土壤水分含量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多探針，被設(shè)置為位于孔洞中，孔洞圍繞所關(guān)心的區(qū)域間隔開，兩個(gè) 或更多探針中的每一個(gè)探針包括多個(gè)電極，多個(gè)電極沿探針的長(zhǎng)度并以已知間距間隔 開；以及控制單元，其是可操作的，從而在被選的電極對(duì)之間施加經(jīng)測(cè)量的電流以及對(duì)其它被選的電極對(duì)之間所產(chǎn)生的 電位差進(jìn)行測(cè)量，以取得所述區(qū)域的電阻率測(cè)量結(jié)果，電極對(duì)中的每個(gè)電極位于所述兩 個(gè)或更多探針中的不同探針上；以及對(duì)電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，以確定土壤水分含量。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制單元通過(guò)從電阻率測(cè)量結(jié)果計(jì)算土壤的視各向異性指 數(shù)(AAI)來(lái)確定土壤水分含量，使視各向異性指數(shù)與數(shù)據(jù)集相關(guān)以確定土壤水分含量。在一個(gè)實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)集包括與土壤剖面的多種土壤特性相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，土 壤特性與土壤水分含量有關(guān)。在一個(gè)實(shí)施方式中，電極對(duì)與其它的電極對(duì)鄰近。在一個(gè)實(shí)施方式中，電極對(duì)以正方形配置圍繞所關(guān)心的區(qū)域設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制單元是可操作的以通過(guò)在限定的時(shí)期內(nèi)進(jìn)行相同的測(cè) 量來(lái)確定所述區(qū)域的體電阻率，電阻率的時(shí)間特性提供土壤水分含量變化的指示。
在一個(gè)實(shí)施方式中，在多個(gè)深度進(jìn)行測(cè)量以生成三維電阻率剖面。在一個(gè)實(shí)施方式中，探針圍繞植物根部結(jié)構(gòu)設(shè)置，因此孔洞的深度與根部結(jié)構(gòu) 的深度相對(duì)應(yīng)。根據(jù)第二方面，本發(fā)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(shè)置為位于孔洞中的兩個(gè)或更多探針，孔洞圍繞所關(guān)心的區(qū)域間隔開， 兩個(gè)或更多探針中的每一個(gè)包括多個(gè)電極，多個(gè)電極沿探針的長(zhǎng)度并以已知間距間隔 開；通過(guò)在被選的電極對(duì)之間施加經(jīng)測(cè)量的電流以及測(cè)量其它被選的電極對(duì)之間所 產(chǎn)生的電位差，獲取所述區(qū)域的電阻率測(cè)量結(jié)果，電極對(duì)中的每個(gè)電極位于兩個(gè)或更多 探針中的不同探針上；以及對(duì)電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，以確定土壤水分含量。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)從電阻率測(cè)量結(jié)果計(jì)算土壤的視各向異性指數(shù)(AAI) 來(lái)確定土壤水分含量，使視各向異性指數(shù)與土壤數(shù)據(jù)集相關(guān)以確定土壤水分含量。在一個(gè)實(shí)施方式中，土壤數(shù)據(jù)集包括與土壤剖面的多種土壤特性相關(guān)聯(lián)的數(shù) 據(jù)，土壤特性與土壤水分含量有關(guān)。在一個(gè)實(shí)施方式中，電極對(duì)與其它的電極對(duì)鄰近。在一個(gè)實(shí)施方式中，在多個(gè)深度進(jìn)行測(cè)量以生成三維電阻率剖面。在一個(gè)實(shí)施方式中，電極對(duì)以正方形配置圍繞所關(guān)心的區(qū)域設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)在限定的時(shí)期內(nèi)進(jìn)行相同的測(cè)量來(lái)確定所述區(qū)域的體 電阻率測(cè)量結(jié)果，電阻率測(cè)量結(jié)果的時(shí)間特性提供土壤水分含量變化的指示。在一個(gè)實(shí)施方式中，圍繞植物根部結(jié)構(gòu)設(shè)置探針，因此孔洞的深度與根部結(jié)構(gòu) 的深度相對(duì)應(yīng)。根據(jù)第三方面，本發(fā)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(gè)深度測(cè)量土壤剖面的開裂強(qiáng)度；以及將開裂強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較以確定土壤水分含量和/或深層排 水，其中所述數(shù)據(jù)集包括相關(guān)土壤剖面的已知土壤特征。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)計(jì)算所述土壤剖面的視各向異性指數(shù)(AAI)來(lái)確定土 壤剖面的開裂強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)利用根據(jù)第一方面所述的系統(tǒng)來(lái)計(jì)算視各向異性指數(shù)。根據(jù)第四方面，提供了一種計(jì)算機(jī)程序代碼，當(dāng)由處理器執(zhí)行該計(jì)算機(jī)程序代 碼時(shí)，該計(jì)算機(jī)程序代碼實(shí)施根據(jù)第二方面所述的方法。根據(jù)第五方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其包括根據(jù)第四方面所述的程序 代碼。根據(jù)第六方面，提供了一種數(shù)據(jù)信號(hào)，其包括根據(jù)第四方面所述的計(jì)算機(jī)程序 代碼。


現(xiàn)在參照附圖并僅通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，在附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電阻率測(cè)量技術(shù)的示意圖；圖2a是根據(jù)一個(gè)實(shí)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(jù)一個(gè)實(shí)施方式的實(shí)施本發(fā)明的方法步驟的流程圖；圖4示出3個(gè)獨(dú)立的電極配置，其用于通過(guò)使用圖2的正方形探針陣列來(lái)計(jì)算視 各向異性指數(shù)(AAI)；圖5是用于對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行測(cè)試的水箱實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖；圖6是示出從圖5的實(shí)驗(yàn)裝置所輸出的AAI測(cè)量結(jié)果的圖表；圖7a和7b是示出在4個(gè)樣本測(cè)量時(shí)間獲得的用于田間實(shí)驗(yàn)裝置的AAI測(cè)量結(jié)果 的圖表；圖8是用于在圖7中所使用的相同4個(gè)測(cè)量時(shí)間的電阻率分布圖；以及圖9是小型滲漏測(cè)定計(jì)裝置所測(cè)量的深層排水的曲線圖。
具體實(shí)施例方式通過(guò)廣泛的研究和測(cè)試，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)位于所關(guān)心的區(qū)域中的土 壤的開裂強(qiáng)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(fā)明人 還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量土壤中當(dāng)前流動(dòng)(current flow)的不均勻性，可以容易地確定開裂深度 和強(qiáng)度(在一個(gè)實(shí)施方式中，利用各向異性指數(shù)測(cè)量結(jié)果)。本文所描述的實(shí)施方式示出 了這種技術(shù)，并且還示出了用于實(shí)施這種技術(shù)的簡(jiǎn)單的系統(tǒng)配置。本發(fā)明的實(shí)施方式還涉及通過(guò)利用體電阻率測(cè)量結(jié)果來(lái)確定土壤水分含量的技 術(shù)。土壤的體電阻率受土壤基質(zhì)的性質(zhì)以及土壤溶液的性質(zhì)的影響。通常，隨著時(shí)間推 移，土壤溶液的性質(zhì)比土壤基質(zhì)的性質(zhì)要顯示出更多的變化。通過(guò)使用這種技術(shù)，可從 體電阻率的短期時(shí)間變化追溯土壤溶液或土壤水分含量的變化。MS可以通過(guò)利用圖1所示的電極結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)用于以二維確定土壤樣本的電阻率的 基本操作?；旧?，低電阻率與潮濕土壤有關(guān)，而高電阻率與更加干燥的土壤有關(guān)。這 是因?yàn)?，隨著水分從土壤中消失，電流將找到更少的流過(guò)其中的連續(xù)路徑，從而使電阻 率增加。在圖1中，沿著平面分布有4個(gè)電極，但是可以根據(jù)期望的分辨率水平設(shè)置更多 的電極。電極中的兩個(gè)102a、102b為“載流”電極，其使可操作的以運(yùn)載由電源106產(chǎn) 生的恒定的測(cè)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于載流電極102之間的最大間距。另兩個(gè)電極(即“電壓探 測(cè)”電極104a、104b)用于測(cè)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(cè)電極104以測(cè)量電壓降。測(cè)量的電流與探測(cè)的電壓之間的比值提供對(duì)電極 陣列中央下方的區(qū)域中的視電導(dǎo)率的一維測(cè)量，其中通過(guò)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)化。為了從視電導(dǎo)率分布確定地下的真實(shí)電導(dǎo)率， 需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行反演(invert)。適于執(zhí)行該二維反演程序的軟件包是“RES2DINV”包 (從以下URL下載得到www.http://www.geoelectrical.com)。該地帶/區(qū)域的近似深度為電極間隔的一半。通過(guò)改變4個(gè)電極的位置來(lái)創(chuàng)建二維測(cè)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理 解，還可以通過(guò)調(diào)整電極間隔來(lái)改變深度。電阻率與土壤水分含量之間的關(guān)系在包含低電阻率溶液且具有低表面電導(dǎo)率的沉積物中，可以通過(guò)Archies定律 (用于不飽和條件)來(lái)表示土壤水分含量與電阻率之間的關(guān)系，如以下等式1所示
權(quán)利要求
1.一種用于確定土壤水分含量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多探針，被設(shè)置為位于孔洞中，孔洞圍繞所關(guān)心的區(qū)域間隔開，所述兩個(gè) 或更多探針中的每一個(gè)探針包括多個(gè)電極，所述多個(gè)電極沿探針的長(zhǎng)度并以已知間距間 隔開；以及控制單元，其是可操作的，從而在被選的電極對(duì)之間施加經(jīng)測(cè)量的電流以及對(duì)其它被選的電極對(duì)之間所產(chǎn)生的電位 差進(jìn)行測(cè)量，以取得所述區(qū)域的電阻率測(cè)量結(jié)果，電極對(duì)中的每個(gè)電極位于所述兩個(gè)或 更多探針中的不同探針上；以及對(duì)電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，以確定所述土壤水分含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制單元通過(guò)從電阻率測(cè)量結(jié)果計(jì)算土壤 的視各向異性指數(shù)(AAI)來(lái)確定所述土壤水分含量，使視各向異性指數(shù)與數(shù)據(jù)集相關(guān)以 確定所述土壤水分含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)集包括與土壤剖面的多種土壤特性相 關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，土壤特性與所述土壤水分含量有關(guān)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，電極對(duì)與其它的電極對(duì)鄰近。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，電極對(duì)以正方形配置圍繞所關(guān)心的 區(qū)域設(shè)置。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述控制單元是可操作的以通過(guò)在 限定的時(shí)期內(nèi)進(jìn)行相同的測(cè)量來(lái)確定所述區(qū)域的體電阻率，電阻率的時(shí)間特性提供土壤 水分含量變化的指示。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，探針圍繞植物根部結(jié)構(gòu)設(shè)置，因此 孔洞的深度與根部結(jié)構(gòu)的深度相對(duì)應(yīng)。
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(shè)置為位于孔洞中的兩個(gè)或更多探針，孔洞圍繞所關(guān)心的區(qū)域間隔開，所述 兩個(gè)或更多探針中的每一個(gè)包括多個(gè)電極，所述多個(gè)電極沿探針的長(zhǎng)度并以已知間距間 隔開；通過(guò)在被選的電極對(duì)之間施加經(jīng)測(cè)量的電流以及測(cè)量其它被選的電極對(duì)之間所產(chǎn)生 的電位差，獲取所述區(qū)域的電阻率測(cè)量結(jié)果，電極對(duì)中的每個(gè)電極位于所述兩個(gè)或更多 探針中的不同探針上；以及對(duì)電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，以確定所述土壤水分含量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，通過(guò)從電阻率測(cè)量結(jié)果計(jì)算土壤的視各向異 性指數(shù)(AAI)來(lái)確定所述土壤水分含量，使視各向異性指數(shù)與土壤數(shù)據(jù)集相關(guān)以確定所 述土壤水分含量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述土壤數(shù)據(jù)集包括與土壤剖面的多種土壤 特性相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，土壤特性與所述土壤水分含量有關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11任一項(xiàng)所述的方法，其中，電極對(duì)與其它的電極對(duì)鄰近。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12任一項(xiàng)所述的方法，其中，在多個(gè)深度進(jìn)行測(cè)量以生成三維 電阻率剖面。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13任一項(xiàng)所述的方法，其中，電極對(duì)以正方形配置圍繞所關(guān)心 的區(qū)域設(shè)置。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)在限定的時(shí)期內(nèi)進(jìn)行相同的 測(cè)量來(lái)確定所述區(qū)域的體電阻率測(cè)量結(jié)果，所述電阻率測(cè)量結(jié)果的時(shí)間特性提供土壤水 分含量變化的指示。
16.根據(jù)權(quán)利要求9至15任一項(xiàng)所述的方法，其中，圍繞植物根部結(jié)構(gòu)設(shè)置探針，因 此孔洞的深度與所述根部結(jié)構(gòu)的深度相對(duì)應(yīng)。
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(gè)深度測(cè)量所述土壤剖面的開裂強(qiáng)度；以及將開裂強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較以確定土壤水分含量和/或深層排水，其 中所述數(shù)據(jù)集包括相關(guān)土壤剖面的已知土壤特征。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)計(jì)算所述土壤剖面的視各向異性指數(shù) (AAI)來(lái)確定所述土壤剖面的開裂強(qiáng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，通過(guò)利用根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的 系統(tǒng)來(lái)計(jì)算視各向異性指數(shù)。
20.—種計(jì)算機(jī)程序代碼，當(dāng)由處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序代碼時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序 代碼實(shí)施如權(quán)利要求9至19任一項(xiàng)所述的方法。
21.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，包括如權(quán)利要求20所述的程序代碼。
22.一種數(shù)據(jù)信號(hào)，包括如權(quán)利要求21所述的計(jì)算機(jī)程序代碼。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于確定土壤水分含量的系統(tǒng)和方法。一方面，系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多被設(shè)置為位于孔洞中的探針，孔洞圍繞所關(guān)的心區(qū)域間隔開，兩個(gè)或更多探針中的每一個(gè)探針包括個(gè)電極，電極沿探針的長(zhǎng)度以已知間距間隔開。系統(tǒng)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(duì)之間施加經(jīng)測(cè)量的電流以及對(duì)其它被選的電極對(duì)之間所生成的電位差進(jìn)行測(cè)量以獲取所述區(qū)域的電阻率測(cè)量結(jié)果，電極對(duì)中的每個(gè)電極位于兩個(gè)或更多探針中的不同探針上；以及對(duì)電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，以確定土壤水分含量。
文檔編號(hào)G01R27/20GK102027366SQ200980117662
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者伊恩·阿克沃斯, 安娜-卡特琳·格瑞維 申請(qǐng)人:棉花集水社區(qū)合作研究中心有限公司