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专利名称：用于测量土壤水分含量的系统、设备与方法
技术领域：
本发明涉及用于测量土壤水分含量的系统、方法和设备，更具体地但非排他地 涉及用于以三维测量土壤水分剖面和/或深层排水的技术和电极配置。
背景技术：
有必要对土壤特征进行了解以确定如何对农田进行最佳灌溉。例如，知晓农田 的水分含量和深层排水特征十分有助于确定在灌溉活动中在何时和以何量来用水。此 外，可以利用这种信息以基于预测的天气情况对灌溉活动进行计划。已经提出多种用于测量土壤水分含量的技术。其中一项技术涉及利用中子探 针。中子探针通过对射如所关心的区域中的中子的能量损失进行测量来进行操作。由 于中子探针的放射性特性，因此在操作该装置时必须十分小心。此外，中子探针的影响 范围随着土壤干燥周期而变化，因此随着逐渐靠近土壤表面进行测量，该装置的精度降 低。另一技术涉及围绕该区域安装一组渗漏测定计以提供对深层排水的直接测量。 渗漏测定计收集流动的土壤溶液，随后该流动的土壤溶液被分析以确定排出水中的可溶 解成分。然而，本领域技术人员可以理解，安装渗漏测定计可能非常耗费，并且频繁采 样并不方便。

发明内容
在第一方面，本发明提供了一种确定土壤水分含量的系统，该系统包括两个或更多探针，被设置为位于孔洞中，孔洞围绕所关心的区域间隔开，两个 或更多探针中的每一个探针包括多个电极，多个电极沿探针的长度并以已知间距间隔 开；以及控制单元，其是可操作的，从而在被选的电极对之间施加经测量的电流以及对其它被选的电极对之间所产生的 电位差进行测量，以取得所述区域的电阻率测量结果，电极对中的每个电极位于所述两 个或更多探针中的不同探针上；以及对电阻率测量结果进行处理，以确定土壤水分含量。在一个实施方式中，控制单元通过从电阻率测量结果计算土壤的视各向异性指 数(AAI)来确定土壤水分含量，使视各向异性指数与数据集相关以确定土壤水分含量。在一个实施方式中，数据集包括与土壤剖面的多种土壤特性相关联的数据，土 壤特性与土壤水分含量有关。在一个实施方式中，电极对与其它的电极对邻近。在一个实施方式中，电极对以正方形配置围绕所关心的区域设置。在一个实施方式中，控制单元是可操作的以通过在限定的时期内进行相同的测 量来确定所述区域的体电阻率，电阻率的时间特性提供土壤水分含量变化的指示。
在一个实施方式中，在多个深度进行测量以生成三维电阻率剖面。在一个实施方式中，探针围绕植物根部结构设置，因此孔洞的深度与根部结构 的深度相对应。根据第二方面，本发明提供一种确定土壤水分含量的方法，该方法包括以下步 骤提供被设置为位于孔洞中的两个或更多探针，孔洞围绕所关心的区域间隔开， 两个或更多探针中的每一个包括多个电极，多个电极沿探针的长度并以已知间距间隔 开；通过在被选的电极对之间施加经测量的电流以及测量其它被选的电极对之间所 产生的电位差，获取所述区域的电阻率测量结果，电极对中的每个电极位于两个或更多 探针中的不同探针上；以及对电阻率测量结果进行处理，以确定土壤水分含量。在一个实施方式中，通过从电阻率测量结果计算土壤的视各向异性指数(AAI) 来确定土壤水分含量，使视各向异性指数与土壤数据集相关以确定土壤水分含量。在一个实施方式中，土壤数据集包括与土壤剖面的多种土壤特性相关联的数 据，土壤特性与土壤水分含量有关。在一个实施方式中，电极对与其它的电极对邻近。在一个实施方式中，在多个深度进行测量以生成三维电阻率剖面。在一个实施方式中，电极对以正方形配置围绕所关心的区域设置。在一个实施方式中，通过在限定的时期内进行相同的测量来确定所述区域的体 电阻率测量结果，电阻率测量结果的时间特性提供土壤水分含量变化的指示。在一个实施方式中，围绕植物根部结构设置探针，因此孔洞的深度与根部结构 的深度相对应。根据第三方面，本发明提供一种确定土壤剖面的土壤水分含量和/或深层排水 (deep drainage)的方法，该方法包括以下步骤在多个深度测量土壤剖面的开裂强度；以及将开裂强度的测量结果与数据集进行比较以确定土壤水分含量和/或深层排 水，其中所述数据集包括相关土壤剖面的已知土壤特征。在一个实施方式中，通过计算所述土壤剖面的视各向异性指数(AAI)来确定土 壤剖面的开裂强度。在一个实施方式中，通过利用根据第一方面所述的系统来计算视各向异性指数。根据第四方面，提供了一种计算机程序代码，当由处理器执行该计算机程序代 码时，该计算机程序代码实施根据第二方面所述的方法。根据第五方面，提供了一种计算机可读介质，其包括根据第四方面所述的程序 代码。根据第六方面，提供了一种数据信号，其包括根据第四方面所述的计算机程序 代码。


现在参照附图并仅通过实施例对本发明的实施方式进行描述，在附图中图1是示出根据本发明的实施方式的电阻率测量技术的示意图；图2a是根据一个实施方式的探针配置的示意图；图2b和2c分别为图2a的探针之一的立体图和俯视图；图3是示出根据一个实施方式的实施本发明的方法步骤的流程图；图4示出3个独立的电极配置，其用于通过使用图2的正方形探针阵列来计算视 各向异性指数(AAI)；图5是用于对本发明的实施方式进行测试的水箱实验装置的示意图；图6是示出从图5的实验装置所输出的AAI测量结果的图表；图7a和7b是示出在4个样本测量时间获得的用于田间实验装置的AAI测量结果 的图表；图8是用于在图7中所使用的相同4个测量时间的电阻率分布图；以及图9是小型渗漏测定计装置所测量的深层排水的曲线图。
具体实施例方式通过广泛的研究和测试，本发明人已经发现，通过对位于所关心的区域中的土 壤的开裂强度检查，可以有效地确定土壤水分含量和/或深层排水的可能性。本发明人 还发现，通过测量土壤中当前流动(current flow)的不均勻性，可以容易地确定开裂深度 和强度(在一个实施方式中，利用各向异性指数测量结果)。本文所描述的实施方式示出 了这种技术，并且还示出了用于实施这种技术的简单的系统配置。本发明的实施方式还涉及通过利用体电阻率测量结果来确定土壤水分含量的技 术。土壤的体电阻率受土壤基质的性质以及土壤溶液的性质的影响。通常，随着时间推 移，土壤溶液的性质比土壤基质的性质要显示出更多的变化。通过使用这种技术，可从 体电阻率的短期时间变化追溯土壤溶液或土壤水分含量的变化。MS可以通过利用图1所示的电极结构来实现用于以二维确定土壤样本的电阻率的 基本操作。基本上，低电阻率与潮湿土壤有关，而高电阻率与更加干燥的土壤有关。这 是因为，随着水分从土壤中消失，电流将找到更少的流过其中的连续路径，从而使电阻 率增加。在图1中，沿着平面分布有4个电极，但是可以根据期望的分辨率水平设置更多 的电极。电极中的两个102a、102b为“载流”电极，其使可操作的以运载由电源106产 生的恒定的测量电流。电源106可以是AC电压源，也可以是DC电压源。需要由电源 106输出的总电压最终取决于载流电极102之间的最大间距。另两个电极(即“电压探 测”电极104a、104b)用于测量载流电极102之间的电压降(即电位差)。电压表108连 接至电压探测电极104以测量电压降。测量的电流与探测的电压之间的比值提供对电极 阵列中央下方的区域中的视电导率的一维测量，其中通过结合电极“a”之间距离的几何 因子使该电流与电压之间的比值标准化。为了从视电导率分布确定地下的真实电导率， 需要对数据集进行反演(invert)。适于执行该二维反演程序的软件包是“RES2DINV”包 (从以下URL下载得到www.http://www.geoelectrical.com)。该地带/区域的近似深度为电极间隔的一半。通过改变4个电极的位置来创建二维测量。本领域技术人员可以理 解，还可以通过调整电极间隔来改变深度。电阻率与土壤水分含量之间的关系在包含低电阻率溶液且具有低表面电导率的沉积物中，可以通过Archies定律 (用于不饱和条件)来表示土壤水分含量与电阻率之间的关系，如以下等式1所示
权利要求
1.一种用于确定土壤水分含量的系统，所述系统包括两个或更多探针，被设置为位于孔洞中，孔洞围绕所关心的区域间隔开，所述两个 或更多探针中的每一个探针包括多个电极，所述多个电极沿探针的长度并以已知间距间 隔开；以及控制单元，其是可操作的，从而在被选的电极对之间施加经测量的电流以及对其它被选的电极对之间所产生的电位 差进行测量，以取得所述区域的电阻率测量结果，电极对中的每个电极位于所述两个或 更多探针中的不同探针上；以及对电阻率测量结果进行处理，以确定所述土壤水分含量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元通过从电阻率测量结果计算土壤 的视各向异性指数(AAI)来确定所述土壤水分含量，使视各向异性指数与数据集相关以 确定所述土壤水分含量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述数据集包括与土壤剖面的多种土壤特性相 关联的数据，土壤特性与所述土壤水分含量有关。
4.根据前述权利要求任一项所述的系统，其中，电极对与其它的电极对邻近。
5.根据前述权利要求任一项所述的系统，其中，电极对以正方形配置围绕所关心的 区域设置。
6.根据前述权利要求任一项所述的系统，其中，所述控制单元是可操作的以通过在 限定的时期内进行相同的测量来确定所述区域的体电阻率，电阻率的时间特性提供土壤 水分含量变化的指示。
7.根据前述权利要求任一项所述的系统，其中
8.根据前述权利要求任一项所述的系统，其中，探针围绕植物根部结构设置，因此 孔洞的深度与根部结构的深度相对应。
9.一种确定土壤水分含量的方法，所述方法包括以下步骤提供被设置为位于孔洞中的两个或更多探针，孔洞围绕所关心的区域间隔开，所述 两个或更多探针中的每一个包括多个电极，所述多个电极沿探针的长度并以已知间距间 隔开；通过在被选的电极对之间施加经测量的电流以及测量其它被选的电极对之间所产生 的电位差，获取所述区域的电阻率测量结果，电极对中的每个电极位于所述两个或更多 探针中的不同探针上；以及对电阻率测量结果进行处理，以确定所述土壤水分含量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过从电阻率测量结果计算土壤的视各向异 性指数(AAI)来确定所述土壤水分含量，使视各向异性指数与土壤数据集相关以确定所 述土壤水分含量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述土壤数据集包括与土壤剖面的多种土壤 特性相关联的数据，土壤特性与所述土壤水分含量有关。
12.根据权利要求9至11任一项所述的方法，其中，电极对与其它的电极对邻近。
13.根据权利要求9至12任一项所述的方法，其中，在多个深度进行测量以生成三维 电阻率剖面。
14.根据权利要求9至13任一项所述的方法，其中，电极对以正方形配置围绕所关心 的区域设置。
15.根据权利要求9至14任一项所述的方法，其中，通过在限定的时期内进行相同的 测量来确定所述区域的体电阻率测量结果，所述电阻率测量结果的时间特性提供土壤水 分含量变化的指示。
16.根据权利要求9至15任一项所述的方法，其中，围绕植物根部结构设置探针，因 此孔洞的深度与所述根部结构的深度相对应。
17.一种确定土壤剖面的土壤水分含量和/或深层排水的方法，所述方法包括以下步骤在多个深度测量所述土壤剖面的开裂强度；以及将开裂强度的测量结果与数据集进行比较以确定土壤水分含量和/或深层排水，其 中所述数据集包括相关土壤剖面的已知土壤特征。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过计算所述土壤剖面的视各向异性指数 (AAI)来确定所述土壤剖面的开裂强度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，通过利用根据权利要求1至8任一项所述的 系统来计算视各向异性指数。
20.—种计算机程序代码，当由处理器执行所述计算机程序代码时，所述计算机程序 代码实施如权利要求9至19任一项所述的方法。
21.一种计算机可读介质，包括如权利要求20所述的程序代码。
22.一种数据信号，包括如权利要求21所述的计算机程序代码。
全文摘要
本发明提供了用于确定土壤水分含量的系统和方法。一方面，系统包括两个或更多被设置为位于孔洞中的探针，孔洞围绕所关的心区域间隔开，两个或更多探针中的每一个探针包括个电极，电极沿探针的长度以已知间距间隔开。系统还包括控制单元，该控制单元是可操作的，从而在被选的电极对之间施加经测量的电流以及对其它被选的电极对之间所生成的电位差进行测量以获取所述区域的电阻率测量结果，电极对中的每个电极位于两个或更多探针中的不同探针上；以及对电阻率测量结果进行处理，以确定土壤水分含量。
文档编号G01R27/20GK102027366SQ200980117662
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月30日 优先权日2008年3月28日
发明者伊恩·阿克沃斯, 安娜-卡特琳·格瑞维 申请人:棉花集水社区合作研究中心有限公司