1:系統(tǒng)功能

土壤是復雜的非均質系統(tǒng)，傳統(tǒng)烘干法、中子法、介電常數法等土壤水分監(jiān)測方法雖能較準確反映測定點的土壤含水量，但大范圍土壤含水量往往只能通過有限測點數據來推斷；遙感雖能快速測定區(qū)域土壤表層含水量，但遙感產品通常需要時間尺度擴展及應用地面觀測數據進行驗證。因此在農田、小流域等中小尺度上，上述方法往往不能滿足日益發(fā)展的土壤科學研究和現(xiàn)代化精準農業(yè)對大量、快速、準確的土壤水分動態(tài)信息的需求。

美國科學家設計了一種基于近地面環(huán)境宇宙射線快中子濃度與土壤含水量關系，無危害、非接觸、不破壞土壤結構、不受土壤質地、鹽分或土壤水分的物理狀態(tài)等影響、測量范圍大、測量深度適中的區(qū)域土壤水分/雪深監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可野外連續(xù)自動測定大面積的土壤含水量或等效積雪深度，是遙感反演土壤含水量的有效驗證手段。

2:基本原理

環(huán)境中的宇宙射線粒子與原子核碰撞生成高能中子，這些高能中子在穿過空氣與土壤時，與介質中的原子核尤其是氫原子發(fā)生彈性碰撞而改變方向，并失去部分能量，逐漸慢化。碰撞后返回地表部分的快、慢中子將在地表以極快的速度達到平衡，其濃度受表層土壤濕度顯著影響。通過中子探測器，探測地表附近的特定能量范圍的快中子或慢中子強度，就可以通過修正關系計算出大面積的土壤平均含水量。快中子強度用于計算土壤含水量，而慢中子強度用于計算地表積雪深度。

3:應用領域

主要應用在土壤水分測量、旱情監(jiān)測、雪深測量、農業(yè)灌溉指導、坡面穩(wěn)定性分析、山洪預報、供水管理、數值預報、氣候模型等。此外，可以安裝在移動平臺上用來繪制大范圍的土壤墑情圖。

4:系統(tǒng)特點

安裝方便，堅固耐用，操作簡單，無需專業(yè)人員，適于野外長時間連續(xù)自動測量；

測量范圍*大可達700米（40公頃），測量深度*深可達70厘米；

無危害、非接觸、不破壞土壤結構；

幾乎不受土壤質地、密度、鹽分等理化性質影響；

可用于測量雪深；

遙感反演土壤含水量提供匹配像元尺度的地面驗證；

附帶數據處理軟件，方便對數據進行處理。

系統(tǒng)參數

系統(tǒng)供電：6～26VDC；

系統(tǒng)耗電：95mA@12V；

采集間隔：1min～1year可選；

數據存儲：內部SD卡，外部可更換SD卡；

數據接口：USB、RS232；

測量范圍：*大測量范圍700米，*大測量深度70厘米；

量 程：0～飽和；

不確定性：0～4%；

軟件特點：可視化圖形顯示界面，便于用戶操作；

軟件功能：數據質量控制、系數比較選定、土壤水分計算；

軟件輸入數據格式：txt或excel；

軟件輸出數據格式：txt；

若一小時計數間隔，軟件可一次性處理不低于3年的數據；

軟件可線性顯示土壤水分計算結果。

5:系統(tǒng)組成

主要由中子探測器、數據采集器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架、機箱、GSM傳輸模塊、數據處理軟件等組成，可選配土壤濕度、雨量等傳感器。

專用數據處理軟件

宇宙射線中子土壤水分觀測系統(tǒng)數據處理軟件是一款針對利用宇宙射線中子方法測定土壤水分的數據處理軟件。軟件通過宇宙射線中子傳感器(The cosmic-ray sensing sensor)所測量出的中子數與相關氣象數據，結合相關計算公式，計算并輸出區(qū)域土壤水分值。

軟件的數據處理結果界面如下圖所示：

6:參考文獻

M. Zreda, W. J. Shuttleworth, X. Zeng, C. Zweck, D. Desilets, T. Franz, et al.(2012): COSMOS: The COsmic-ray Soil Moisture Observing System, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 9, 4505–4551.

Rivera Villarreyes, C. A., Baroni, G., and Oswald, S. E. (2011): Integral quantification of seasonal soil.

moisture changes in farmlａnd by cosmic-ray neutrons, Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, 3843–3859,

Desilets, D., Zreda, M., and Ferre, T. (2010): Nature’s neutron probe: land-surface hydrology at an elusive scale with cosmic rays, Water Resour. Res., 46, W11505.

Zreda, M., Desilets, D., Ferré, T. P. A., and Scott, R. L. (2008): Measuring soil moisture content non-invasively at intermediate spatial scale using cosmic-ray neutrons, Geophys. Res. Lett., 23(9), 949-952.

焦其順，朱忠禮，劉紹民，等．宇宙射線快中子法在農田土壤水分測量中的研究與應用［J］．地球科學進展，2013，28 ( 10) : 1136-1143。

賈曉俊，施生錦，黃彬香等，宇宙射線中子法測量土壤水分的原理及應用，中國農學通報，2014,21:113-117.