一种基于重力排水曲线的土壤物理特性测定方法与流程

本发明涉及土壤物理特性测量，具体涉及一种基于重力排水过程中湿度时序数据的土壤物理特性参数化测定方法。

背景技术：

1、土壤的持水性和排水性是评估土壤物理质量的核心指标，对精准灌溉、作物种植和土壤管理具有重要意义。

2、传统的土壤物理特性测量方法依赖压力膜仪、张力计、时域反射仪（tdr）等专业设备。这些设备虽然精度高，但存在以下不足：（1）设备成本高（数千至数万元），普通农户和家庭用户难以承受；（2）操作复杂，需要专业培训；（3）主要限于实验室环境使用，难以在现场快速获取结果；（4）通常一次只能测量单一参数，无法全面描述土壤的持水和排水特征。

3、此外，现有基于低成本土壤湿度传感器的测量方法仅能输出原始湿度读数，无法获得具有明确物理意义的土壤特性参数，难以直接用于灌溉决策。因此，亟需一种低成本、操作简便、能够在实际种植场景中同时获取土壤多种物理特性参数的方法。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：本发明要解决的技术问题是：现有土壤物理特性参数的获取方法依赖昂贵专业设备、操作复杂、仅限于实验室环境，无法低成本、快速地在实际应用场景中全面测定土壤持水和排水物理特性；同时，现有基于低成本传感器的测量方法仅能输出原始湿度数据，无法直接获得具有物理意义的土壤特性参数。

2、技术方案：本发明提供一种基于重力排水曲线的土壤物理特性测定方法，包括：通过插入目标土壤中的土壤湿度传感器，采集所述土壤在浇水饱和后的重力排水过程中的湿度时序数据；对所述湿度时序数据进行参数化建模，提取五参数组，所述五参数组包括饱和含水量、田间持水量、排水量、排水时间窗口和蒸发系数；以所述饱和含水量为基准，对所述五参数组中的至少部分参数进行归一化处理，得到无量纲的归一化指标；基于所述归一化指标之间的数值关系，确定所述目标土壤所属的土壤类型。该方法通过一次自然的浇水-排水事件，利用单颗低成本传感器即可同时获取五个具有明确物理意义的土壤特性参数，并基于参数间的数值关系实现土壤类型的自动判定。

3、进一步地，所述采集湿度时序数据包括：对所述目标土壤进行浇水至饱和状态，所述饱和状态为土壤表面出现水膜；在重力排水过程中，以预设的采样频率连续采集所述土壤湿度传感器的adc读数；基于所述adc读数和预设的校准参数，将所述adc读数转换为湿度值，得到所述湿度时序数据。

4、进一步地，所述校准参数通过以下方式获取：基于全水adc校准获取湿端基准值，所述全水adc校准包括：将所述土壤湿度传感器完全浸入纯水中，采集预设次数的adc读数并取均值，得到所述湿端基准值；基于干端锚点稳定性，将干端基准值设为固定值。

5、进一步地，所述参数化建模包括：从所述湿度时序数据中确定饱和状态下的饱和含水量；从所述湿度时序数据中确定排水结束后的田间持水量；基于所述饱和含水量和所述田间持水量，提取表征排水速率的特征参数。

6、进一步地，所述归一化处理包括：以所述饱和含水量为基准，计算所述田间持水量的归一化持水指标；以所述饱和含水量为基准，计算所述排水量的归一化排水指标。

7、进一步地，所述确定所述目标土壤所属的土壤类型包括：将所述归一化指标与预设的土壤分类阈值进行比较；根据比较结果将所述目标土壤归入多种预设土壤类型中的一种，所述预设土壤类型包括砂型土壤、砂壤型土壤、壤土型土壤、黏壤型土壤和黏型土壤。

8、进一步地，所述方法还包括：基于所述五参数组中的田间持水量和排水时间窗口，结合当前大气蒸发需求vpd，计算所述目标土壤的蒸发系数k；基于所述蒸发系数k和预设的萎蔫点含水量，预估所述目标土壤降至萎蔫点所需的时间，以生成灌溉预警信息。

9、进一步地，所述方法还包括：通过无线通信方式将所述五参数组和所述土壤类型发送至移动终端；在所述移动终端的显示界面上，以五轴雷达图的形式展示所述五参数组中的至少部分参数和所述土壤类型，所述五轴雷达图的五个轴分别对应所述五参数组中的五个参数。

10、进一步地，所述方法还包括：在所述移动终端的显示界面上，同时展示所述五参数组的当前值和预设的参考范围；所述参考范围包括：饱和含水量40%~60%、田间持水量78%~97%、排水量3%~23%、排水时间窗口1.5~36小时、蒸发系数0.75~0.97。

11、进一步地，在所述参数化建模之后还包括预判步骤：在重力排水过程开始后的预设时间，基于已采集的部分数据进行初步参数估计；基于所述初步参数估计，生成土壤类型预判结果和预计完成时间；将所述土壤类型预判结果和预计完成时间输出至用户终端。

12、有益效果：本发明与现有技术相比具有以下有益效果：（1）极大降低了土壤物理特性测量的成本，采用零售价低于10元人民币的土壤湿度传感器即可完成五个物理参数的提取，成本降至传统专业设备的千分之一以下；（2）操作简便，用户只需一次浇水即可自动完成测量和分析，无需专业培训；（3）可在现场完成测量，无需将土壤样本送至实验室；（4）一次测量可同时获取五个具有明确物理意义的参数，全面描述土壤的持水、排水和水分运动特性；（5）通过以饱和含水量为基准的归一化处理，消除了不同传感器、不同校准设置带来的读数偏差，使结果具有跨设备、跨场景的可比性；（6）基于参数间数值关系的土壤分类，为精准灌溉和土壤管理提供直观、量化的决策依据；（7）通过预判模式，用户可在等待期间提前获知土壤类型，提升用户体验。

1.一种基于重力排水曲线的土壤物理特性测定方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，通过插入目标土壤中的土壤湿度传感器，采集所述目标土壤在浇水饱和后的重力排水过程中的湿度时序数据；s2，对所述湿度时序数据进行参数化建模，从所述湿度时序数据中提取五参数组，所述五参数组包括饱和含水量、田间持水量、排水量、排水时间窗口和蒸发系数；s3，以所述饱和含水量为基准，对所述五参数组中的至少部分参数进行归一化处理，得到无量纲的归一化指标；s4，基于所述归一化指标之间的数值关系，确定所述目标土壤所属的土壤类型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述采集湿度时序数据包括：对所述目标土壤进行浇水至饱和状态，所述饱和状态为土壤表面出现水膜；在重力排水过程中，以预设的采样频率连续采集所述土壤湿度传感器的adc读数；基于所述adc读数和预设的校准参数，将所述adc读数转换为湿度值，得到所述湿度时序数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述校准参数通过以下方式获取：基于全水adc校准获取湿端基准值，所述全水adc校准包括：将所述土壤湿度传感器完全浸入纯水中，采集预设次数的adc读数并取均值，得到所述湿端基准值；基于干端锚点稳定性，将干端基准值设为固定值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，所述参数化建模包括：从所述湿度时序数据中确定饱和状态下的饱和含水量；从所述湿度时序数据中确定排水结束后的田间持水量；基于所述饱和含水量和所述田间持水量，提取表征排水速率的特征参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述归一化处理包括：以所述饱和含水量为基准，计算所述田间持水量的归一化持水指标；以所述饱和含水量为基准，计算所述排水量的归一化排水指标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中，所述确定所述目标土壤所属的土壤类型包括：将所述归一化指标与预设的土壤分类阈值进行比较；根据比较结果将所述目标土壤归入多种预设土壤类型中的一种，所述预设土壤类型包括砂型土壤、砂壤型土壤、壤土型土壤、黏壤型土壤和黏型土壤。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述五参数组中的田间持水量和排水时间窗口，结合当前大气蒸发需求vpd，计算所述目标土壤的蒸发系数k；基于所述蒸发系数k和预设的萎蔫点含水量，预估所述目标土壤降至萎蔫点所需的时间，以生成灌溉预警信息。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：通过无线通信方式将所述五参数组和所述土壤类型发送至移动终端；在所述移动终端的显示界面上，以五轴雷达图的形式展示所述五参数组中的至少部分参数和所述土壤类型，所述五轴雷达图的五个轴分别对应所述五参数组中的五个参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：在所述移动终端的显示界面上，同时展示所述五参数组的当前值和预设的参考范围；所述参考范围包括：饱和含水量40%~60%、田间持水量78%~97%、排水量3%~23%、排水时间窗口1.5~36小时、蒸发系数0.75~0.97。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s2之后还包括预判步骤：在重力排水过程开始后的预设时间，基于已采集的部分数据进行初步参数估计；基于所述初步参数估计，生成土壤类型预判结果和预计完成时间；将所述土壤类型预判结果和预计完成时间输出至用户终端。