지역 토양 수분 자동 모니터링 시스템

1: 시스템 기능

토양은 복잡한 비균질 시스템이다. 전통적인 건조법, 중성자법, 개전 상수법 등 토양 수분 모니터링 방법은 비록 측정점의 토양 함수량을 비교적 정확하게 반영할 수 있지만, 넓은 범위의 토양 함수량은 왕왕 제한된 측정점 데이터를 통해서만 추정할 수 있다;원격 탐지는 비록 지역 토양 표층의 함수량을 빠르게 측정할 수 있지만, 원격 탐지 제품은 일반적으로 시간 척도 확장 및 지상 관측 데이터를 응용하여 검증해야 한다.그러므로 농토, 소유역 등 중소척도에서 상술한 방법은 흔히 날로 발전하는 토양과학연구와 현대화 정밀농업이 대량, 신속, 정확한 토양수분동태정보에 대한 수요를 만족시키지 못한다.

미국 과학자들은 근지면 환경의 우주 방사선의 빠른 중성자 농도와 토양의 함수량 관계에 기초하여, 위해성, 비접촉, 토양 구조를 파괴하지 않고, 토양의 재질, 염분 또는 토양의 수분의 물리적 상태 등의 영향을 받지 않으며, 측정 범위가 넓고, 측정 깊이가 적당한 지역의 토양 수분을 설계하였다/설심 모니터링 시스템, 이 시스템은 야외에서 연속적으로 대면적의 토양 함수량 또는 등효 적설 깊이를 자동으로 측정할 수 있으며, 원격 감지 반연 토양 함수량의 효과적인 검증 수단이다.

2: 기본 원리

환경 속의 우주 방사선 입자와 원자핵이 충돌하여 고에너지 중성자를 생성하는데, 이러한 고에너지 중성자는 공기와 토양을 통과할 때 매체 중의 원자핵 특히 수소 원자와 탄성 충돌하여 방향을 바꾸고 일부 에너지를 잃어 점차 느려진다.충돌 후 지표 부분으로 돌아오는 빠르고 느린 중성자는 지표에서 매우 빠른 속도로 균형에 도달할 것이며, 그 농도는 표층 토양의 습도의 현저한 영향을 받는다.중성자 탐지기를 통해 지표 부근의 특정 에너지 범위의 빠른 중성자 또는 느린 중성자 강도를 탐지하면 수정 관계를 통해 대면적의 토양 평균 함수량을 계산할 수 있다.빠른 중성자 강도는 토양의 함수량을 계산하는 데 쓰이고, 느린 중성자 강도는 지표면의 적설 깊이를 계산하는 데 쓰인다.

3: 응용 분야

주로 토양수분측량, 가뭄상황감측, 설심측량, 농업관개지도, 비탈면안정성분석, 산홍수예보, 급수관리, 수치예보, 기후모형 등에 응용된다.이밖에 이동플랫폼에 설치하여 넓은 범위의 토양습도도를 그릴수 있다.

4: 시스템 특징

설치가 편리하고 견고하며 내구성이 있으며 조작이 간단하고 전문인원이 필요하지 않아 야외에서 장시간 련속 자동측정에 적합하다.

측정 범위 * 최대700미터(40헥타르), 측정 깊이 * 깊이는 70센티미터에 달한다;

무위해, 비접촉, 토양구조를 파괴하지 않는다;

토양의 재질, 밀도, 염분 등 이화학적 성질의 영향을 거의 받지 않는다;

눈의 깊이를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

원격 감지 반연 토양 함수량은 픽셀 척도에 맞는 지면 검증을 제공한다;

데이터 처리 소프트웨어가 포함되어 있어 데이터를 쉽게 처리할 수 있습니다.

시스템 매개변수

시스템 전원 공급:6～26VDC；

시스템 전력 소비량:95mA@12V；

채집 간격:1min~1year 옵션;

데이터 저장소: 내부SD 카드, 외부 교체 가능한 SD 카드;

데이터 인터페이스:USB、RS232；

측정 범위: * 큰 측정 범위700미터, * 대측정 깊이 70센티미터;

재다 도정:0~포화;

불확실성:0～4%；

소프트웨어 특징: 그래픽 디스플레이 인터페이스를 시각화하여 사용자가 쉽게 조작할 수 있도록 합니다.

소프트웨어 기능: 데이터 품질 제어, 계수 비교 선정, 토양 수분 계산;

소프트웨어 입력 데이터 형식:txt 또는 excel;

소프트웨어 출력 데이터 형식:txt；

한 시간 간격으로 계산하면 소프트웨어가 한 번에 처리 가능3년간의 데이터

소프트웨어는 토양 수분 계산 결과를 선형으로 나타낼 수 있다.

5: 시스템 구성

주로 중성자 탐지기, 데이터 수집기, 태양열 전력 공급 시스템, 장착 브래킷, 섀시,GSM 전송 모듈, 데이터 처리 소프트웨어 등으로 구성되며 토양 습도, 강우량 등 센서를 선택할 수 있다.

전용 데이터 처리 소프트웨어

우주 방사선 중성자 토양 수분 관측 시스템 데이터 처리 소프트웨어는 우주 방사선 중성자 방법을 이용하여 토양의 수분을 측정하는 데이터 처리 소프트웨어이다.소프트웨어는 우주선 중성자 센서를 통해(The cosmic-ray sensing sensor)에서 측정한 중성자 수와 관련 기상 데이터는 관련 계산 공식과 결합하여 지역 토양 수분 값을 계산하고 출력한다.

소프트웨어의 데이터 처리 결과 인터페이스는 다음 그림과 같습니다.

6: 참고 문헌

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.

초기순, 주충례, 류소민, 등. 우주선속중성자법이 농토토양수분측정에서의 연구와 응용J]. 지구과학의 진전, 2013, 28(10): 1136-1143.

가효준, 시생금, 황빈향 등, 우주선 중성자법으로 토양의 수분을 측정하는 원리 및 응용, 중국농학통보,2014,21:113-117.