1、吉林省墒情监测中心2015年11月,土壤水分监测仪器监测精度研究,辛玉琛,汇报主要内容：, 开展监测精度研究的必要性 精度研究 技术改进 结论及建议 后续研究,仪器应用现状开展精度研究的必要性,一. 开展研究的必要性,一. 开展研究的必要性,仪器应用现状：防指一期工程市场准入,一. 开展研究的必要性,开展精度研究的必要性：提高站网密度逐步实现点面转换改进监测手段人工监测自动监测提高服务时限随要随报,二. 精度研究,针对旱情应急监测开展对比观测针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,1.针对旱情应急监测开展对比观测,移动式土壤水分采集仪对比观测现场,1.针对旱情应急监测开展对比观测
2、,表1 移动式土壤水分采集仪对比观测统计表 单位：%,注：控制标准15%是在满足吉林省旱情分析最低要求的条件下制定出来的，下同。,1.针对旱情应急监测开展对比观测,经统计:移动式土壤水分采集仪对比观测中,厂家1的合格率为0；厂家2合格率为11.1%。,固定式土壤水分采集仪对比观测现场,1.针对旱情应急监测开展对比观测,1.针对旱情应急监测开展对比观测,表2 固定式土壤水分采集仪对比观测统计表 单位：%,1.针对旱情应急监测开展对比观测,经统计:固定式土壤水分采集仪对比观测中3家公司的合格率分别为56.3%、37.5%、4.2%；,2.针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,室内土
3、壤水分采集仪对比观测现场,2.针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,表3 室内土壤水分采集仪对比观测统计表 (单位：%),2.针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,经统计:室内对比观测中4家公司的合格率分别为22.2%、22.2%、55.6%、33.3%。,2.针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,野外土壤水分采集仪对比观测现场,2.针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,2.针对吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设开展对比观测,经统计:野外对比观测中3家公司的合格率分别为77.8%、74.1%、59.3%。；,改进仪器外形；改进仪
4、器安装方法；,三. 技术改进,三. 技术改进,改进仪器外形：,三. 技术改进,改进仪器安装方法螺旋钻打孔，灌浆排气法安装仪器。,三. 技术改进,三. 技术改进,三. 技术改进,经统计:用灌浆排气法安装仪器，对比观测合格率为75.0%。,监测精度不够理想，难以满足生产要求。但有一种仪器前景看好。监测仪器要经过野外对比观测的验证才能决定是否投入使用；0100%的土壤含水量监测范围不科学；移动监测仪器存在的问题有待进一步解决；其它需要解决的问题。,四. 结论及建议,1. 监测精度不够理想，难以满足生产要求；但有一种仪器前景看好以吉林省开展的对比观测为例，目前已建立了25个站的土壤墒情评价指标。而在中
5、西部的易旱区，各站的每个干旱等级对应的土壤含水量的变化区间绝大部分都在2.0%左右，最小的变化区间是1.6%。如果用目前精度的监测仪器监测土壤含水量，其结果就是：本来是中旱，监测结果就可能是适墒或是特大干旱，中间跨越了轻度干旱或严重干旱；本来是轻度干旱，监测结果就可能是严重干旱或水分过多，有的则更糟，甚至会跨越两个干旱等级，用这样的监测数据进行旱情分析和受旱耕地面积计算显然是不科学的。插管式土壤水分采集仪通过灌浆排气法安装仪器，其监测精度有望达到生产要求，前景看好。从表中可以看出，监测数据非常稳定，误差波动小且接近控制标准，合格率已达75%。,四. 结论及建议,四. 结论及建议,2.监测仪器要
6、经过野外对比观测的验证才能决定是否投入使用从仪器监测土壤含水量的原理可知，即使仪器通过了检测中心的检测，也不能直接用于生产。因为检测中心的检测方法和仪器厂家标定公式的方法均属于实验室法，土壤都是经过人工处理后才进行仪器检测或公式标定，具有明显的半经验半理论的特征。用这样的仪器监测实际农田的土壤含水量一定会产生误差，此前开展的对比观测结果已经证明了这一点。所以，仪器投入使用前，一定要进行野外对比观测的检验。,四. 结论及建议,3. 0100%的土壤含水量监测范围不科学目前仪器厂家提供的技术参数中土壤含水量监测范围都是0100%。表面看这样的仪器很有吸引力，事实上这样的仪器不可选。目前厂家标定的仪
7、器公式多数是三次多项式或幂指数形式。下图是某厂家监测仪器在吉林省墒情监测中心实验地块测得的仪器电压与土壤含水量的关系图。可以看出，关系点呈不同变化趋势的带状，关系线上各点曲率不同，实测点与拟合曲线的误差大小也不同。在抗旱的实际工作中，最受关注的是土壤出现轻旱以后的土壤含水量的变化。对于吉林省来说，最受关注的土壤含水量变化范围是5%15%，往下往上标定公式都没有实际意义。相反由于标定的范围是0100%的整个区间，很容易造成5%15%有效区间的误差增大。如果只针对有意义区间进行公式标定，其公式形式很有可能不是整个区间的公式形式，监测精度也会随之提高。因此，建议仪器厂家在标定仪器公式时事先了解仪器使
8、用者所在地不同干旱等级的土壤含水量变化区间，有针对性的进行仪器公式标定。并在产品说明书中说明，让用户有所选择。这是提高仪器监测精度的有效途径之一。,四. 结论及建议,四. 结论及建议,某厂家监测仪器电压与土壤含水量关系图,4.移动监测仪器存在的问题有待进一步解决（1）插管式移动监测仪器针对插管式移动监测仪器难以承担移动监测任务的实际问题，建议对固定插管式仪器进行改造，实现移动监测之目的。具体思路是：把固定仪器的集成部分与仪器外壳分离，做成即插即拔的形式，同时加工若干个能够密封的仪器外壳与监测仪器配合使用。当要开展移动监测时，事先将仪器外壳用灌浆排气法把外壳安装到监测地块并达到稳定期。开始监测时
9、，只需带着移动仪器到达监测地块，打开仪器外壳，取出集成部分，插到监测地块的仪器外壳里即可开始监测工作，测完后拔出集成部分装回到运输外壳，封好监测地块的仪器外壳，监测工作结束。这样既快捷，又避免了在干旱时人工钻孔的麻烦。,四. 结论及建议,（2）插针式移动监测仪器插针式移动监测仪器存在的主要问题是传感器探针难以准确、轻易地插入目的层。实际应用中发现，水平插入时需开挖一个比较大的土坑，才能把40cm的探针插入目的层，费时、费力、损坏庄稼；垂直插入时，目的层难以控制。当土壤出现干旱时，土壤板结现象十分严重，其硬度象石头一样，单靠人手的力量，探针根本插不进土壤里。而且移动式监测仪器多数是在土壤出现干旱
10、时使用，建议厂家解决探针插入困难的问题。,四. 结论及建议,5. 其它需要解决的问题（1）仪器准确度如何控制现土壤墒情监测规范（SL364-2006）规定，对不同类型的传感器在使用前均应按常规的率定方法来率定检验。土壤含水量的量测误差应为2.5% ，这一误差标准不能有效控制仪器的市场准入,吉林省就是一个明显例子。建议修订规范，由绝对误差控制改为相对误差控制，并确定具体的相对误差值，或根据本省不同干旱等级对应的土壤含水量变化范围而定。就吉林省而言，监测仪器的准确性要满足 15%的相对误差时才能投入实际应用。即吉林省对仪器的准确性控制标准是 15%相对误差。,四. 结论及建议,（2）仪器平均无故障
11、时间如何控制建议将规范中仪器平均无故障时间由25000小时增至50000小时，即实现正常运行期至少达到3-5年。25000小时不过是3年的时间，而从建设、试运行到投入正常运行就得1年半到2年，仪器进入正常运行期1年多就开始出现故障，不够科学。,四. 结论及建议,（3）仪器检测机制需要完善建议在仪器检测中心增加野外对比观测检测环节。实践证明，实验室检测合格的仪器不经过实际对比观测不能直接用于生产，所以应把这一环节纳入检测范围，应把它放在仪器出厂前进行，而不应放在出厂后。这也是提高仪器监测精度的有效途径之一,四. 结论及建议,针对插管式土壤水分采集仪开展的后续研究（用螺旋钻打孔，环刀钻切削钻孔，灌
12、浆排气法安装仪器）,五. 后续研究,五.后续研究,大棚内 大棚外,五.后续研究,某公司监测仪器电压与土壤含水量关系图,五.后续研究,五.后续研究,五.后续研究,五.后续研究,五.后续研究,经统计:用螺旋钻打孔，环刀钻切削钻孔，灌浆排气法安装 仪器，对比观测合格率为:棚内固定设备：100%；棚内移动设备：93.1%；棚外固定设备：93.1%。,五.后续研究,结论：插管式土壤水分采集仪通过幂指数函数拟合公式，用螺旋钻打孔，环刀钻切削钻孔，灌浆排气法安装仪器，适时进行对比观测和参数微调，用满足旱情分析要求的误差做控制等一系列操作，可以达到旱情分析对数据的精度要求。,五.后续研究,插管式土壤水分采集仪
13、使用三字经插管式，形简单。频域法，触面宽。高集成，科技含。先标定，初定参。拟公式，幂指函。想应用，对比关。定误差，靠实践。固定站，怎么办？环刀钻，灌浆安。稳定期，七八天。试运行，微调参。调参期，三五天。运行期，偶检验。第二年，要调参。误差大，重新安。误差小，微调参。合要求，照运转。移动站，怎么办？先安壳，后测验。各环节，同固站。此程序，环扣环。想偷工，必遇难。此循环，很简单。保精度，照此办。,五.后续研究,需要强调的是：土壤水分监测仪器不同于其它仪器仪表，它能否应用于生产实际，解决生产实际问题，不仅取决于仪器出厂时要性能稳定，各项介电参数稳定，标定的公式形式是幂指数形式，经过检测中心检测合格；
14、还取决于使用过程中，能否严格按照操作程序进行安装、调试、检验、运行维护与管理，每一环节都不能疏忽或漏掉。否则，监测精度难以保证。,五.后续研究,需要强调的是：土壤水分监测仪器不同于其它仪器仪表，它能否应用于生产实际，解决生产实际问题，不仅取决于仪器出厂时要性能稳定，各项介电参数稳定，标定的公式形式是幂指数形式，经过检测中心检测合格；还取决于使用过程中，能否严格按照操作程序进行安装、调试、检验、运行维护与管理，每一环节都不能疏忽或漏掉。否则，监测精度难以保证。,五.后续研究,吉林省中西部旱情应急监测系统之自动墒情监测站现场图,五.后续研究,吉林省中西部旱情应急监测系统之受旱面积分析成果图（截图）,汇报到此结束,感谢各位领导和各位同行! 祝大家工作顺利！ 身体健康！,
