元保軍

（河南省氣象信息網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)保障中心 河南 鄭州 450003）

目前，河南全省布設(shè)了143個(gè)業(yè)務(wù)在運(yùn)行的土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)，全部觀測(cè)站點(diǎn)均采用河南省氣象科學(xué)研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所共同研制開發(fā)的GStarDNZ2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀，各站點(diǎn)正點(diǎn)采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)后上傳到國(guó)家信息中心。根據(jù)對(duì)不同土壤成份實(shí)驗(yàn)標(biāo)定后的處理算法，GStarDNZ基本滿足不同地域八層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)誤差要求，通過(guò)對(duì)本省安陽(yáng)、濮陽(yáng)、南陽(yáng)、信陽(yáng)、落陽(yáng)、三門峽、開封、駐馬店四區(qū)八市的 16 個(gè)站點(diǎn)，10、20、30、40、50、60、80、100cm 土壤重量含水率、土壤相對(duì)濕度、土壤水分總貯存量及土壤有效水分貯存量等人工觀測(cè)值與GStarDNZ采集值的對(duì)比，統(tǒng)計(jì)分析了該16個(gè)站點(diǎn)的極值情況，根據(jù)GStarDNZ采集值誤差補(bǔ)償算法確定了土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件的閾值，并將次閾值的選取辦法應(yīng)用到質(zhì)量控制軟件中的所有站點(diǎn)。

1 閾值確定原理

1.1 GStarDNZ采集算法

GStarDNZ土壤水分采集儀按照不同的地段、地勢(shì)，土壤質(zhì)地、酸堿度等因素，根據(jù)測(cè)定時(shí)間、測(cè)量深度和重復(fù)及測(cè)量?jī)x器工具按照測(cè)定程序測(cè)量計(jì)算出土壤重量含水率、土壤相對(duì)濕度、土壤水分總貯存量及土壤有效水分貯存量。其中土壤農(nóng)業(yè)水文、物理特性的測(cè)定深度為100 cm，分別對(duì)10、20、30、40、50、60、80、100 cm 八層值進(jìn)行測(cè)量計(jì)量。

1）土壤相對(duì)溫度

土壤相對(duì)溫度表示以重量含水率占田間持水量的百分比，它有利于在不同土壤間進(jìn)行比較，計(jì)算公式：

R:土壤相對(duì)濕度（%），取整數(shù)記載；w:土壤重量含水率（%）；fc：田間持水量。

2）土壤重量含水率

土壤重量含水率表示土壤含水量占干土重的百分比，其公式如下：

w:土壤重量含水率（%）；g1：盒重（g）；g2：盒與濕土共重（g）；g3干土與盒共重（g）。GStarDNZ在實(shí)驗(yàn)對(duì)比并概括土壤水分的變化情況對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育滿足程度及其降水、灌溉等關(guān)系

1.2 人工觀測(cè)數(shù)據(jù)樣本

閾值選取使用2009-2011年安陽(yáng)、濮陽(yáng)、南陽(yáng)、信陽(yáng)、落陽(yáng)、三門峽、開封、駐馬店四區(qū)八市的16個(gè)站點(diǎn)八層（10、20、30、40、50、60、80、100cm ）人工觀測(cè)數(shù)據(jù)分析確定閾值算法，2012年數(shù)據(jù)作為閾值合理性檢驗(yàn)樣本。閾值算法確定中根據(jù)GStarDNZ測(cè)量值與人工觀測(cè)值的誤差大小來(lái)規(guī)定數(shù)據(jù)的正確、錯(cuò)誤、可疑，以此來(lái)設(shè)定合理的閾值。誤差以土壤相對(duì)溫度為例，如表1所示。

表1 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)類型劃分Tab.1 The partition of soil moisture data types

1.3 閾值確定

通過(guò)對(duì)GStarDNZ土壤水分采集儀按照不同的地段、地勢(shì)，土壤質(zhì)地、酸堿度等因素對(duì)自身工作性能的影響，統(tǒng)計(jì)分析近三年的歷史采集值，分析對(duì)比不同地域不同深度的土壤水分人工觀測(cè)值的歷年分布和極值狀況，確定了不同站點(diǎn)各層智能評(píng)判閾值，具體步驟如下

1）研究GStarDNZ不同工作條件下的參數(shù)選擇，統(tǒng)計(jì)分析GStarDNZ儀2009-2011年的土壤水分采集值，通過(guò)對(duì)采集值與人工觀測(cè)值的對(duì)比，根據(jù)誤差大小篩選出不同季節(jié)各層土壤水分的極大值、極小值，誤差在3%～5%的確定為正確數(shù)據(jù)的判別閾值，根據(jù)儀器設(shè)計(jì)要求GStarDNZ允許存在小于5%的誤差。

2）根據(jù)篩選的不同季節(jié)各層土壤水分的極值，在此極大值基礎(chǔ)上加n倍的標(biāo)準(zhǔn)差，在極小值基礎(chǔ)上減去n倍的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果作為各層土壤水分判別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的閾值。經(jīng)計(jì)算分析，該閾值在數(shù)值大小上約為5%～8%，因此在自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件中判斷錯(cuò)誤的閾值設(shè)定為8%。

3）取5%～8%的誤差為各層土壤水分的可疑數(shù)據(jù)閾值標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究結(jié)果

根據(jù)上述步驟對(duì)隨機(jī)抽取本省在業(yè)務(wù)運(yùn)行的50個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了閾值確定，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)判系統(tǒng)以50個(gè)臺(tái)站采集的2011年6月～2011年12月時(shí)段土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為測(cè)試樣本，共計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)2 054 800個(gè)，其中缺測(cè)5 272個(gè)，有誤數(shù)據(jù)78 375個(gè)，可疑數(shù)據(jù)33 367個(gè)，形成柄狀圖如圖1所示。

圖1 樣本測(cè)試統(tǒng)計(jì)Fig.1 The test statistic of sample

根據(jù)設(shè)定的閾值選取站點(diǎn)57162 2012-05-12日01時(shí)10 cm土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制軟件處理后，軟件報(bào)警標(biāo)識(shí)出10 cm土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)-0.9錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)對(duì)近一天此站點(diǎn)10 cm土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，10 cm土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化異常，到站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)檢查后發(fā)現(xiàn)是由于土壤水分傳感器10 cm附近土壤裂開，造成土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常變化。圖2為57 162閾值測(cè)試結(jié)果。

圖2 57 162閾值測(cè)試Fig.2 Threshold test of 57 162 station

根據(jù)系統(tǒng)評(píng)判結(jié)果，河南建立了土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)提供的異常信息及時(shí)通知臺(tái)站業(yè)務(wù)人員，使得各臺(tái)站能夠及時(shí)排除設(shè)備故障，保證了我省土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸率。表2為林州等3個(gè)站點(diǎn)體積含水率的閾值。

其中，80 cm、100 cm土壤深度變化率較小，常年基本保持不變，因此使用的閾值和60 cm相同。

3 結(jié) 論

利用文章中閾值確定步驟所設(shè)定的各層閾值對(duì)2012年整年土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)測(cè)試，對(duì)于閾值過(guò)小造成誤判的站點(diǎn)調(diào)整閾值為5%，由于閾值偏大將正確值劃為可疑值較多的站點(diǎn)，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)評(píng)判系統(tǒng)將可疑閾值調(diào)整為3%左右。通過(guò)對(duì)本省各站點(diǎn)土壤體積含水率閾值的細(xì)化和準(zhǔn)確化調(diào)整，根據(jù)不同土壤特性和天氣條件及季節(jié)設(shè)定特定的閾值，大大提高了土壤水分自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評(píng)估軟件的控制精度，提高了土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的可信度。

表2 三站點(diǎn)土壤水分體積含水率閾值界定Tab.2 The threshold definition of percentage of soil moisture of three station

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