土壤自动化监测系统方案.docx

1、土壤自动化监测系统方案墒情监测系统实施方案1 概述1.1 建设墒情监测系统的必要性土壤墒情监测是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源合理利用与抗旱救灾基本信息收集的基础工作。墒情监测负责收集旱作农业、牧业的墒情信息，收集农业和环境干旱的信息。为指导农牧业灌溉、分析干旱的形成与分布发展、抗旱救灾决策提供准确的信息，是水资源合理利用，水资源科学管理和抗旱救灾决策的最重要的基础工作。其最重要的要素是土壤含水量的监测！我国是受干旱影响较为严重的国家，旱灾平均每两年就要出现一次，平均年受旱面积为2000万hm2以上，占我国气候灾害的59.3%，因此干旱缺水已成为制约国家农业和整个国民经济发展的重要因素。我

2、国从上个世纪中叶就开始了土壤水份的监测，先后采用了烘干称重、中子水份计和TDR时域反射仪等方法，这些方法虽然可以实现土壤水份的测量，但均无法在野外、无人职守的状况下自动工作，更无法实现墒情数据的自动传输、处理和统计，无法适应当前的农业、抗旱决策以与城市绿化的现代化建设的需要，造成一种遇旱而抗的被动局面。为此，有必要建设墒情监测自动化系统，以保证我国经济的持续增长和社会稳定。1.2 系统建设任务根据国家墒情监测规和监测站实施方案和实时规程，整个墒情监测系统包括如下建设任务：测站选址、地理勘查、土建施工、设备采购、安装调试、软件开发等。根据墒情监测工作需要，从系统集成角度考虑系统建设任务主要包括以

3、下四方面容：采集系统的建设：包括墒情与气象传感器的选型、率定、安装等；通讯传输系统的建设:包括通信方式的确定，通信设备的选型，安装调试等；监测应用软件系统的建设：完成软件的开发设计，实现系统集成；监测中心网络建设：包括中心站设备配置与其局域网的建设；1.3 系统建设目标通过墒情自动化监测系统的建设，采用先进的墒情监测仪器，实现无人值守状况下的自动监测；采用先进、可靠、稳定的通讯方式，实现墒情数据的自动传输；通过中心监测软件的设计，实现数据的自动处理、统计、分析。通过墒情自动化监测系统的建设准确地引导、组织农民进行农业结构调整和生产布局的宏观决策，为农技推广部门和农民适时采取补充灌溉与农田蓄水保

4、墒措施，提高水资源利用效率和效益，为防早抗旱技术措施的应用等提供科学依据。1.4 系统设计依据设计的主要依据是：土壤墒情监测规SL000-2005国家防汛指挥系统总体设计大纲国家防汛指挥系统一期工程初步设计总报告国家防汛指挥系统一期工程旱情分中心设计指导书计算机软件开发规GB8566。1.5 系统设计原则规性系统建设中必须依据统一的规和标准，包括数据类型与存储格式，输入输出格式，用户界面设计等，标准应参照有关国际、国家和行业的标准与规，符合墒情监测和旱情信息管理系统工程的建设要求。先进性针对系统的具体需要，应综合利用遥测技术、网络技术、GIS技术、数据库技术与其他先进的软件技术与开发工具，来设

5、计和开发系统。可靠性在建设过程中，应采用各种软件质量控制技术，建立质量评估体系，保证系统运行稳定，数据传输安全可靠，数据处理准确无误。 实用性要求系统整体结构清晰，系统界面简明直观，各类安装手册、用户手册等文档详尽明了，系统操作符合工作习惯，易于系统维护，充分满足省抗旱工作需要。系统利用现有资源进行整合开发，具有较高的资源利用率。集成性要求子系统有良好的集成性，数据调用处理和各种功能实现平滑过渡。开放性软件系统统一采用Windows操作系统平台，增强系统移植性。同时为了对系统进行修改、补充和不断完善，应采用开放式的结构设计，使系统在具有可扩充性的软硬件环境下，能在运行过程中不断地添加新的操作功

6、能和加入新的信息，为系统的进一步开发预留接口。1.6 影响墒情变化的主要因素降水量：自然降水是土壤水分的主要来源，因此降水量的多少成为土壤墒情变化的决定因素。气温：气温通过影响土壤中水分的蒸发，对土壤墒情变化产生重要的影响。大风：一般大风持续时间长，空气对流加强，加速了土壤水分损失。地形：地形高低不同墒情的分布也不同，一般地势较低的地形墒情较足。其它因素：人们的耕作措施、植物蒸腾、光照强度等也对土壤墒情产生重要影响。1.7 墒情监测要素墒情和旱情与其发展趋势是同气象条件、土壤、土壤的水分状态，作物种类与其生长发育状况密切相关的，因此墒情监测主要是对气象条件、土壤的物理特性、土壤水分状态、作物种

7、类与生长发育状况四大要素进行监测。（一）气象要素气象观测要素主要有降雨量、气温、气压、温度、风速、水面蒸发量、地温、日照等。对于墒情监测区有气象站的区域，为节省费用、避免重复投资，气象信息可以通过在监测软件系统建立与本地气象中心的，进行自动搜索；或者与本地气象中心进行信息共享，通过发送气象简报的形式获得；对于墒情监测区或临近区无气象站的区域和重点灌区可以建立自己的小型气象站，其中气象观测场的建设应符合气象观测场的规要求，仪器与设备应按照气象部门的要求配置，并按照气象部门的观测规来进行气象要素的观测、记录和资料的整编。墒情监测点除收集气象资料外，还应收集当地气象部门的未来天气趋势预报，以了解墒情

8、监测区的未来天气变化趋势。（二）土壤的物理特性土壤的物理特性由土壤的质地、土壤的结构、土壤的比重、土壤干容重、土壤空隙度来表达。土壤的质地由当地的土壤颗粒级配清况来决定，其判别方法采用国际标准分类方法来进行。土壤垂向分布由层次结构时，需分析不同层次的土壤质地和其他的物理特性。（三）土壤水份状态土壤水份常数施土壤水份特性的重要指标，主要有饱和含水量，田间持水量、凋萎含水量与作物不同生长期适宜的含水量。土壤含水量施墒情和旱情监测的主要指标、土壤水份状态可由重量含水量、体积含水量、土层中的蓄水量和土壤相对湿度四个指标来表达。具体可根据规的换算关系来进行换算。另外浅层地下水水位的变化与地下水埋深也是影

9、响土壤墒情变化的重要要素之一。实际墒情监测中也应对地下水进行监测。（四）作物种类与生长发育状况墒情监测站点还应收集代表区域的作物种植情况，即作物的种类，作物的分布情况与各种作物占总面积的百分比。观测土壤含水量的同时记录作物的播种日期，作物生长发育期，观察作物的生长发育状况。记录代表地块的作物的水分状态，以涝、渍、正常、缺水、受旱等分级来表示。收集不同作物、不同生长期的适宜土壤含水量资料，此含水量值一般以土壤相对湿度来表示。旱地田间积水时间超过24小时为涝、地下水面达与土壤表层为渍、土壤含水量小于适宜土壤含水量时为缺水（脱墒）、土壤含水量小于凋萎含水量时为受旱。收集不同作物不同生长期脱墒和受旱的

10、临界含水量资料，记录脱墒和受旱开始的日期，受旱的天数，代表区域干旱程度与干旱的分布情况。1.8 主要专业术语解释旱作农业区：指主要依靠天然降雨和集水补充灌溉而从事农业生产的区域。除以粮食安全为核心的种植业外，还包括林果、牧草等种植区域。土壤墒情与早情监测：指通过对降雨量、气温、土壤含水量、农业技术配置、作物产量、灾害性天气等的观测记载，分析耕地土壤水分动态变化，分析土壤墒情对作物的影响与旱情程度。土壤墒情评定指标：以土壤含水量与田间持水量比值的百分数表示。根据土壤墒情评价指标，把土壤墒情分为五个等级，即过多、适宜、轻度不足、不足、严重不足。“过多” 为高于相对适宜含水量；“轻度不足”根据生产实

11、际情况确定，介于适宜和不足之间；“不足” 为低于相对毛管断裂联系含水量；“严重不足”介于不足和相对凋萎含水量之间。旱情评价指标：把旱情分为轻早、中旱、重旱、极旱四个等级。墒情“轻度不足”即为“轻旱”；墒情“不足” 即为“中旱”；墒情“严重不足” 即为“重旱”；小于相对凋萎含水量即为“极旱”。2 墒情自动化监测系统总体设计2.1 总体思路墒情自动化监测系统是一套集土壤含水率数据的采集、传输、存储到对大量采集数据的集中管理、统计分析、预测以与显示的完整解决方案。系统是基于墒情监测、墒情预报、旱情分析、旱情统计、抗旱管理功能为一体的综合系统。通过旱情信息中心的建设，完成信息的接收、处理、发布、应用等

12、工作；系统总体设计灾地市级建立旱情信息站、县级以下设立墒情采集点，建立全面、综合的旱情数据库和抗旱管理调度模型，为抗旱决策提供科学依据和技术支持。全面实时监测和掌握旱情的发生与发展趋势，提出相应的抗旱减灾对策，实现由单一农业抗旱向生产、生活、生态全面抗旱，由被动抗旱向主动防旱抗旱，由传统抗旱向现代抗旱转变，提高抗旱工作水平！2.2 系统组成系统整体由采集终端、数据传输系统与监测中心三部分组成，结构如下图所示。2.3 系统功能墒情自动化监测系统能够在线监测土壤湿度、雨量、蒸发量、地下水水位等旱情监测数据，实现旱情数据的自动采集、记录、处理、传输，同时可以将实时数据通过多种通讯方式混合组网传送至中

13、心站，通讯信道可实现主备路由自动切换。系统支持多级网络结构，平稳实现计算机网络与遥测网络连接。系统软件平台采用B/S结构、TCP/IP协议，可在网络计算机上通过浏览器实现数据的在线浏览，数据库存储采用分布动态同步数据存储，实现多个节点数据中心数据库之间任意表、站和参数的数据实时同步。（1）遥测系统功能要求实现全省（市）墒情信息自动采集、传输和接收，可采用中心召测、中心巡测和终端主动发送三种运行方式。（2）旱情信息管理系统功能要求利用现有工作基础，系统采用B/S和C/S混合的多层体系结构。以现有防办综合数据库为载体，进行一定的增加设计，形成旱情数据库，以地理信息系统为平台，通过WEBGIS服务，

14、使用C/S结构旱情相关数据的导入等功能，利用浏览器进行旱情信息的查询、分析、预测、管理等交互。全面实现实时快速准确地搜集全省旱情有关的各类信息，如土壤墒情信息、水情信息、气象信息、农情信息以与水利工程蓄水、引水、提水等情况，通过对各类信息的综合分析，实时监测旱情发展过程和发展趋势，分析干旱灾害程度与造成的损失和影响，拟定抗旱减灾方案和对策。从而使省防汛抗旱总指挥部能与时全面掌握全省围的旱情形势以与旱情对农业生产和群众生活造成的影响，采取有效的防旱、抗旱措施，以使旱灾造成的损失和影响降到最低程度。1）建立旱情综合数据库，实现旱情信息的集中管理和二级信息共享。旱情数据库依据属性不同分为八类：气象水

15、文数据、抗旱水源数据、抗旱工程数据、实时旱情数据、社会经济数据、抗旱管理数据、历史旱灾数据、图形数据。数据库的表结构依据上述八类数据的分类标准，按国家防总表结构形式分别进行表结构设计。数据库管理系统采用大型网络数据等技术来建立，系统软件设计采用C/S体系结构（要求在省市级能用），旱情信息查询系统软件设计采用B/S体系结构（要求在省市级能用）。 2）建立空间数据库，整合GIS数据和其他数据，统立基于服务器（采用ORACLE数据库平台）的空间地理数据库，实现各种应用系统共享。3）完成COM+组件开发，COM+组件包括基于ArcInfo的电子地图组件，数据库访问组件、数据统计分析计算组件、墒情预测模

16、型组件、遥感监测预报模型组件、旱情分析模型组件、旱灾评估模型组件、文件上传组件、用户安全认证组件。4）完成客户端软件开发，包括属性数据和空间数据库维护、各种应用模型管理、日志记录、系统配置。5）完成浏览器端软件开发（要求在省市级能用），包括以下模块：基本信息、水文信息、水资源信息、墒情信息、遥感信息、旱情分析、旱情预测、旱情统计、抗旱预案和评价、抗旱会商、系统管理。6）系统集成和数据库开发要考虑遥感监测系统的数据、二期（77个固定点、23个移动点和试验站）的数据和气象数据的处理、传输和查询。7）完成系统安全设计，包括数据库备份和恢复、系统资源讯问认证和防病毒安全。2.4 系统工作方式与数据流程

17、系统设计采用间隙式连续工作方式，连续采样、实时记录最大墒情数据，采用定时自报和召测/应答的混合工作体制。报送定时可设定为：6小时、8小时、24小时。墒情遥测站可以采用召测、巡测、自报和人工发送四种运行方式。召测：监测中心向墒情监测站发送指令，墒情监测站接收到指令后采集实时墒情数据， 并将数据发送给监测中心；巡测：监测中心逐个向墒情监测站发送指令，墒情监测站接收到指令后采集实时墒情数据， 并将数据逐个发送给监测中心；自报：墒情监测站按设定时间间隔采集数据并发送给监测中心；人工发送：通过终端置数操作，将数据编制并发给监测中心。2.5 系统特点土壤墒情监测终端操作简便易用，高效省时，取代传统的数据采

18、集方式，从而节省大量人力物力和时间；提供特有的四种运行方式和混合式的工作模式，满足各种不同的应用需求；多种数据传输方式可自由选择；数据处理和传输完全实现自动化，有效避免在传输过程终由于人为因素造成的数据失真。3 墒情监测站网与站网布设3.1 墒情监测站网分类墒情监测站网可分为全国墒情监测站网、地方墒情监测站网和灌区墒情监测站网三种类型。属于全国墒情监测站网的基本监测站负责向主管部门与协议单位等部门报送墒情和旱情信息。国家墒情监测站网由国家统一规划，全国墒情监测站网的密度视历史上旱情和旱作农业、牧业的分布情况而定，对一般县、市，每市、县至少有两个监测点，易旱县中每县至少三个监测点，历史上旱情严重

19、的市、县，每市、县需有3个以上的墒情和旱情监测点。地方墒情监测站网由地方负责规划，国家级墒情监测站点可纳入地方监测站网、地方墒情监测站网负责向地方各级主管部门发布墒情监测信息。灌区墒情监测站网由灌区负责规划，主要为灌区的农业灌溉和科学用水管理服务，同时也有义务向上级主管部门报告墒情和旱情，地方和国家级站网也可以利用灌区的墒情监测站点作为自己的基本监测站点。国家和地方墒情监测站点同时也可以纳入灌区的墒情监测站网。国家和地方级墒情监测站网的基本站点可分为两类，即可灌溉耕地和牧场的基本监测站和无灌溉土地的基本监测站，同一地区国家级墒情监测站应有两类墒情监测点。3.2 土壤墒情监测基本站点的设置国家和

20、地方墒情监测基本站点的观测位置应当相对稳定，观测点的位置一经确定不得随意改变，以保持墒情监测资料的一致性和连续性。进行墒情观测的代表性地块的选择应考虑其地貌的代表性，土壤的代表性、气象和水文地质条件的代表性和种植的作物的代表性。土壤含水量监测点设置在代表性地块中，选择代表性地块时应对其进行调查，其主要容有：（1）地理位置，所属行政区划。周围地形与地物、地貌；（2）水文地质条件，地下水测井情况与地下水理深；（3）土壤质地、土层深度与土壤物理特性；（4）作物种植的种类，种植制度；（5）灌溉条件。在经过调查和代表性分析后，选定代表性地块并作代表性地块的土壤含水量空间变异性分析，以确定土壤含水量监测的

21、平面空间的取样数目。国家墒情监测站网代表性地块的选择应考虑气象要素、地下水要素的同期观测条件，代表性地块与气象站在气象条件上不应该有较大的差别。山丘区代表性地块应设在坡面上比降较小而面积较大的地块中，不应设在沟底和坡度大的地块中。平原区代表性地块应设置在平整且不易积水的地块。土壤含水量观测点应布置在地块中央平整的地方，应避开低洼易积水的地点，且同沟漕和供水渠道保持一定的距离，避免沟渠侧渗对土壤含水量的影响。代表性地块平面布点方法可采用均匀布点法，一般同时在三个点采样，墒情监测站的土壤含水量采用同一平面深度三点的均值，采样点之间应保持一定的距离，采样点的位置一经确定，应保持相对的稳定，不应作较大

22、的改变。采样点的确定主要考虑采样位置对周围微地貌的代表性。国家与地方墒情监测站网的基本站点除收集代表性地块的土壤墒情资料外，在发生脱墒和旱情的情况下，应在代表的区域中进行墒情巡测，巡测点的布设视土壤、水文地质条件、作物种类代表性等情况来确定。另外，当确定国家和地方墒情和旱情监测点的位置后，应对站点位置与代表区域的自然地理、水文气象、地质地貌、农田水利工程与农业种植情况进行调查。将调查的结果和统计的报表等输入监测中心的数据库，为监测参数的率定，土壤分类，抗旱决策等更好的服务。3.3 土壤含水量垂向测点的布设土壤含水量垂向测点布设视观测目的、水文地质条件与土层的厚度来确定观测土层的深度、观测点的数

23、目。垂向测点的数目可根据观测区域的具体情况采用以下的方案。测点数测点深度（cm）一点法30二点法20、50三点法 10、30、50四点法 10、30、50、70五点法 10、30、50、70、90六点法 10、30、50、70、90、110土壤层薄的山丘区和地下水埋深浅的平原区可视具体情况采用一点法和二点法。国家和地方墒情监测站点的垂向测点布置应一样，地下水埋深浅的平原区测深可达饱和带上界面。国家和地方墒情测报站网的基本观测站点需采用三点法且测点一经确定后，不得随意改动测点的布置。国家和地方墒情观测站网的代表区域中的巡测点可采用一点法或两点法。灌区墒情监测站网代表性地块的垂向监测深度可达80c

24、m，采用五点法，而巡测点可采用二点法或三点法。以实验和研究为目的土壤含水量观测，当地下水埋深较大时，土壤层的观测深度达含水量稳定的支持毛管水带即可，取土深度超过110cm时取土点的距离步长可加大、间距可取为30cm，超过200cm时间距可采用50cm。当垂向土壤存在层次结构时，垂向测点的布置应考虑土壤的层次结构，在土壤质地有很大变化且厚度超过20cm的层次中应有观测点。在灌区墒情观测站网中，若监测任务重，按规规定的要求难以完成墒情同步观测的条件下可以进行垂向测点精简分析。进行不同测点数计算的土层平均含水量对多点法计算土层实际含水量的代表性分析，精简垂向测点的数目。4 墒情遥测站设计墒情遥测站是

25、一种野外工作、无人职守、自动定时采集墒情数据的自动化遥测站（分为移动站和固定站两种）。主要实现土壤含水率数据的自动采集和存储，并通过各种通信网络向监控中心报送数据和接受监控中心的指令。4.1 设备构成 设备配置主要由墒情传感器、墒情遥测终端机、电源系统、通讯设备等组成。根据地域特点和监测需要遥测站还可配置雨量、温度、蒸发、风速/风向、气压等传感器构成旱情综合测站。如下图所示：4.2 遥测站功能遥测站主要功能：实时、在线自动测量墒情数据；可根据现场通信条件选择通信信道设计；可设置各种参数，如站号、采样间隔时间、定时自报时间、通信参数等；具有随机自报、定时自报和应答功能；具有人工置数功能；具有固态

26、存储功能，断电时能保存数据和设备信息不丢失；具有低功耗特点和电源电压告警功能。4.3 土壤墒情监测点区域选站原则和相关土建土壤墒情监测点区域选建应参照现有的区域类型和农业区划、地貌类型、降水时空分布特点，进行建设。土壤墒情监测点选站原则：标准站建设应体现布局合理、高标准、数据采集可靠原则。在区（片）围，根据代表土壤类型、耕地类型（旱川地、梯田、塬地、坡耕地）和作物种植制度等建立墒情监测标准站。墒情监测标准站(点)的构成：每个墒情监测标准站包括一个主点和若干个辅点，以与10亩试验地。主点位置选择应考虑能够代表当地气候类型、地貌地形、土壤类型、生产布局等因素，须设在空旷平坦、能够反映当地土壤墒情变

27、化特点、并便于进行设备管理的地块上。每个主点设置56个辅点。辅点位置应考虑当地耕作制度、灌溉方式、灌溉保证率、技术模式等因素，位置选择在当地典型旱作农业模式和技术管理水平的地块上。试验地用于不同技术模式的土壤水分变化试验研究。（一）主点的建立墒情监测主点位置确定后，必须应用GPS定位，并设立保护性标志，长期保持不变。主点配置定点实时土壤墒情监测设备和小型气象站各一套（或与当地气象部门共享气象数据）。建立的主要过程是：选好主点后，开挖一个长1m,深度为80cm的土壤剖面坑，将插入探头一面削刮平整，自上而下量取10、20、40、60cm位置标记，手持探头沿平面在标记处平行插入，直至不动，将探头连线

28、加以固定，并将连线通过穿线管埋入地下或沿墙面加以固定，固定好连线后，将连线与由多通道数据采集器与计算机连线分别进行连接，然后进行仪器调试。仪器调试主要包括以下容，一是打开监测仪，将数据采集器采集时间定为5-10分钟进行数据采集，将采集数据和近年来当地采集数据进行比较，若发现数据出现问题，应与时对探头进行调试或将探头重新插入，直至得到较为满意的结果；二是对采集数据进行一定时间跟踪数据比较，并在相邻近的地方，用酒精燃烧法进行同层次土壤水分测定，了解仪器安装后土壤墒情变化；三是仪器稳定后，将数据采集器采集时间定为4小时直至6小时采集数据。（二）辅点的建立辅点位置设立在采用不同技术模式的耕种农田里，配

29、置土壤水分速测仪若干台与土壤采样设备。其监测方法为：根据地形按“S型”线路采样测定，尽可能减少梯田与地边、地中水分含量的误差，采用交叉法、分、中、边三个部位设置取样点，先将10cm探头安装在传感器上，水平插入，打开测试仪器，得到10cm土壤水分数据并进行记录，然后将20cm探头水平插入得到20cm水分数据进行记录，然后向下挖一铣土（约为20cm）,将测定面取平，并将20cm探头水平插入，得到40cm水分数据进行记录，最后沿用以上方法，测定60cm水分数据进行记录。记录数据后，填埋好土坑。以上方法应连续多次，求取同一层次多点平均值作为最终的结果。4.4 仪器安装调试与数据校验监测仪器的数据校验工

30、作是墒情监测工作的基础，也是保证监测数据质量，确保与时、有效地提供上报可靠的监测数据，提高监测技术工作水平重要环节。为此，各监测站建立后，要求抓紧进行墒情监测仪器与常规测定方法间的比较、校验工作，以提高监测数据质量。土壤墒情与旱情监测工作一般采用采用仪器测定与试验室化验分析相结合的方法，以仪器监测为主，以试验室分析数据对仪器进行必要校正的方法。同时各点也采用酒精燃烧法、土壤样品烘干法等常规土壤水分分析方法，进行了土壤水分监测数据的类比、校验分析。主要工作方法是，在用墒情传感器测定墒情数据时，同时用铝盒采集相应土层平行土样，并带化验室统一处理后，用常规测定方法主要使用烘干法测定土壤水分含量，由于

31、烘干法测试的精度较高，样本间测试误差小，能够反映土壤水分真实结果。并以此为基础，通过大量土壤烘干测试样品比较，根据土壤质地、土壤田间持水量、土壤容重等统一进行计算，找出水分经典测试方法与速测仪数据的相关关系与估算值，得出两者间相关数据，对土壤水分数据进行测试校正。4.5 主要设备4.5.1 墒情传感器土壤墒情监测主要采用仪器测试法。这里介绍一下中国农业大学生产的速测仪系列产品。该产品由SWR1型、WR-2型土壤水分传感器和 TSC型智能化土壤水分速测仪（固定式）、TSC型智能化土壤水分速测仪（移动式）两部分构成。土壤墒情监测设备可选为“TSC型固定式土壤水分数据采集器”（固定式）。该设备由4个SWR1型土壤水分传感器、多通道数据采集器和计算机构成。SWR1型土壤水分测量传感器分别埋入010、1020、2040、4060厘米土层。多通道数据采集器带电池RAM，可长期保持数据，备有RS 232通讯接口，可以与计算机进行通讯。并配有专用软件Soil Water，具有数据通讯、数据保存、查看历史数据、删除数据等功能。多通道数据采集器安装在便于管理并有避雨条件的地方。可通过配置