一种土壤冻融过程识别和监测的方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明提供了一种土壤冻融过程识别和监测的方法，涉及到环境监测、农业及水利监测领域，具体而言通过对多深度土壤温度和土壤水分变化进行深度分析实现土壤在融冻过程的识别和监测。


背景技术：

2.土壤冻融通常是因气温变化使得土壤温度在0℃上下波动而出现的土壤冻结
‑
融化反复的现象，其实质为土壤中水分的相态变化过程。土壤冻融不仅会改变土壤的理化性质，而且通过与周围环境的相互反馈和作用，从而改变土壤的水热属性、土壤剖面的生化特性以及土壤水分和养分的时空分布及有效性的情况。故而研究土壤融冻过程有利于掌握水分在土壤中的迁移规律，有效利用土壤水资源，合理确定农田灌溉技术参数从而指导农事生产。并且通过对区域的土壤冻融的识别和监测，有助于区域气候变化和环境变化的监测，这对应对气候和环境变化具有重要的意义。
3.传统的融冻情况的监测通常局限于从高空对地表的观测，采用光学/热红外遥感或是微波遥感对地面的要素进行观测，但是光学/热红外观测方式容易受到大气中的云、水汽及其他天气状况的影响，仅能获取晴空条件下的地表信息。而微波遥感方式虽然受天气影响较小，但是微波穿透能力有限，观测的间隔周期长，而且仅能获取土壤表层的信息，无法观测到土壤多深度的变化情况，不能更好地反应土壤冻融过程的演变情况。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供了一种土壤冻融过程的识别和监测的方法，用以解决传统遥感监测易受天气影响或是观测周期长，无法实时地跟踪土壤冻融变化的情况以及无法深入研究土壤多深度冻融变化规律。为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
5.根据本发明实施例的第一方面，提供一种土壤冻融过程识别和监测的方法，包括：
6.获取土壤多深度的温度和水分数据；
7.根据土壤各个深度的温度和水分数据识别各个深度的土壤的冻融情况。
8.进一步，所述根据土壤各个深度的温度和水分数据识别各个深度的土壤的冻融情况，具体包括：
9.若土壤在一深度的温度小于0℃，则判断土壤在该深度是否已有冻融记录；
10.若有冻融记录，则按照该深度更新冻融深度；
11.若无冻融记录，则通过该深度的水分变化来识别土壤是否进入了冻结以及冻结的深度。
12.进一步，所述通过该深度的水分变化来识别土壤是否进入了冻结以及冻结的深度，具体包括：
13.若该深度的水分数据有突降，则判断该深度的土壤进入了冻结。
14.进一步，所述根据土壤各个深度的温度和水分数据识别各个深度的土壤的冻融情
况，具体包括：
15.若土壤在一深度的温度不小于0℃，则判断土壤在该深度是否已有冻融记录；
16.若有冻融记录，则通过该深度的水分变化来识别土壤是否冻融结束。
17.进一步，所述通过该深度的水分变化来识别土壤是否解冻和冻融结束，具体包括：
18.若该深度的水分数据上升，则判断该深度的土壤解冻或冻融结束。
19.根据本发明实施例的第二方面，提供一种土壤冻融过程识别和监测的系统，包括：
20.数据获取模块，用于获取土壤多深度的温度和水分数据；
21.冻融识别模块，用于根据土壤各个深度的温度和水分数据识别各个深度的土壤的冻融情况。
22.进一步，所述冻融识别模块，具体用于：
23.若土壤在一深度的温度小于0℃，则判断土壤在该深度是否已有冻融记录；
24.若有冻融记录，则按照该深度更新冻融深度；
25.若无冻融记录，则通过该深度的水分变化来识别土壤是否进入了冻结以及冻结的深度。
26.进一步，所述冻融识别模块，具体还用于：
27.若土壤在一深度的温度不小于0℃，则判断土壤在该深度是否已有冻融记录；
28.若有冻融记录，则通过该深度的水分变化来识别土壤是否冻融结束。
29.根据本发明实施例的第三方面，提供一种终端设备，包括：
30.处理器；以及
31.存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被所述处理器执行时，使所述处理器执行如上所述的方法。
32.根据本发明实施例的第四方面，提供一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如上所述的方法。
33.本发明的实施例提供的技术方案，通过水分数据的变化来修正温度数据对冻融过程的影响，减少存在的温度偏差对冻融识别的干扰，提高冻融识别的准确精度。
34.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
35.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
36.图1是一种土壤多深度温度和水分监测的装置的结构示意图；
37.图2是温度和水分数据处理分析的示意性流程图；
38.图3是各个深度的水分含量的变化趋势示意图；
39.图4是各个深度的土壤温度的变化趋势示意图；
40.图5是各个深度的水分含量的变化趋势示意图；
41.图6是整个冻融过程识别的结果示意图；
42.图7是根据本发明一示例性实施例示出的一种计算设备的结构示意图。
具体实施方式
43.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种土壤冻融过程识别和监测的方法做进一步详细的描述。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
44.如图1所示，本发明采用了一种土壤多深度温度和水分监测的装置，该装置为管式一体多深度测量的结构，主要包括温度传感器、水分传感器和数据采集传输模块。
45.该装置为管式结构，容易安装，通过太阳能板进行供电支持装置长时间工作，在管体的不同深度部署温度传感器和水分传感器，例如每10cm部署一个温度传感器和一个水分传感器，就可以同时采集到传感器所在土壤深度的温度数据和水分含量数据，数据同位同源，因此可以进行数据关联分析，传感器将数据传给采集传输模块，该模块对数据进行预处理然后传输到云端的数据处理分析系统。
46.数据处理分析系统接收到温度水分数据会进行数据存储和数据处理分析。
47.如图2所示，数据处理分析的主要过程为：
48.先对t时刻温度数据值进行判断，如果小于0，则判断是否已有冻融记录(有冻融开始时间无结束时间)；
49.如果有冻融记录，则更新冻融深度，d＝d
t
(如果d
t
>d)，其中d
t
为t时刻温度数据所在深度,d为冻融记录的深度；
50.如没有冻融记录，则判断水分数据是否有突降，具体的，如果(m
t
‑1‑
m
t
)/m
t
>5～10％则认为水分突降，其中m
t
为t时刻水分数据，m
t
‑1为t时刻上一次采集水分数据。
51.此时，则判断该地土壤发生了土壤冻结，记录冻融开始时间和冻融深度d；
52.如果t时刻温度数据值不小于0，则判断是否已有冻融记录(有冻融开始时间无结束时间)，如果有冻融记录，判断土壤水分是否有增加((m
t
‑
m
t
‑1)/m
t
>5％～10％)，有则记录该冻融过程结束。
53.值得注意的是，本发明提出了用土壤水分数据的变化来修正土壤温度偏差所导致的精度影响，实际中冻融开始和结束的这两个事件中，会有持续反复的过程(冻结
‑
>融化
‑
>冻结),所以在判断水分数据突降和增加的阈值的设定需要根据土壤的实际情况做调整。
54.以下就1个实施案例进行详细阐述。
55.实施案例1：采用管式智能土壤水分监测仪实现对土壤冻融过程的识别监测的应用。
56.管式智能土壤水分监测仪是集成一体化的设计，土壤水分无需标定既可安装使用，提供了多深度土壤水分的监测和同位多深度土壤温度的监测。
57.本实施案例中，采用了型号为et100的管式智能土壤水分监测仪，可以采集监测到10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm深度的水分和温度数据，实际的操作如下：
58.1.管式智能土壤水分监测仪的安装
59.在野外选择一块平整且不易遭受到外力破坏的土壤，按照管式智能土壤水分监测仪的使用说明正确安装设备如图3所示，设备可正常上报数据相邻深度之间的水分含量差
值不超过5％～8％(水分数据为体积含量)
60.2.搭建数据处理分析系统
61.根据设备厂商提供的数据接入协议搭建数据采集器，将采集到的数据存储到数据库中，并根据图2的数据处理分析流程编写数据处理分析模块，对采集到的土壤温度数据和土壤水分数据进行分析处理。
62.图4和图5为管式智能土壤水分监测仪采集的数据(2020年12月26日到2021年1月30日)。
63.从图4可以得出10cm深度的土壤温度从12月29日降低到0℃以下，从图5对应的时间可以得出10cm的水分数据在迅速下降，因此可以识别出12月29日开始进入了冻融过程，在1月19日，温度升高到了0℃以上，水分数据也上升到一个较为平稳的时期，此时识别出10cm的冻融过程结束；
64.在12月30日20cm深度的温度降低到0℃以下，对应的20cm深度的水分数据也迅速下降，识别出12月30日20cm深度的土壤进入了冻融过程，在1月18日，温度升高到了0℃以上，水分数据也上升到一个较为平稳的时期，此时识别出20cm的冻融过程结束；
65.在1月9日30cm深度的温度降低到0℃以下，对应的30cm深度的水分数据也迅速下降，识别出1月9日30cm深度的土壤进入了冻融过程，在1月12日，温度升高到了0℃以上，水分数据也上升到一个较为平稳的时期，此时识别出30cm的冻融过程结束。
66.整个冻融过程识别的结果如图6所示，冻融从2020年12月29日开始到2021年1月19日结束，冻融时长为22天，冻融深度达到了30cm。
67.图7是根据本发明一示例性实施例示出的一种计算设备的结构示意图。
68.参见图7，计算设备700包括存储器710和处理器720。
69.处理器720可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
70.存储器710可以包括各种类型的存储单元，例如系统内存、只读存储器(rom)，和永久存储装置。其中，rom可以存储处理器720或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中，永久性存储装置采用大容量存储装置(例如磁或光盘、闪存)作为永久存储装置。另外一些实施方式中，永久性存储装置可以是可移除的存储设备(例如软盘、光驱)。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备，例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外，存储器710可以包括任意计算机可读存储媒介的组合，包括各种类型的半导体存储芯片(dram，sram，sdram，闪存，可编程只读存储器)，磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中，存储器710可以包括可读和/或写的可移除的存储设备，例如激光唱片(cd)、只读数字多功能光盘(例如dvd
‑
rom，双层dvd
‑
rom)、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡(例如sd卡、min sd卡、micro
‑
sd卡等等)、磁性软盘等等。计算机可读存
储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。
71.存储器710上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器720处理时，可以使处理器720执行上文述及的方法中的部分或全部。
72.上文中已经参考附图详细描述了本发明的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。另外，可以理解，本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减，本发明实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
73.此外，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本发明的上述方法中部分或全部步骤的计算机程序代码指令。
74.或者，本发明还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或计算设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本发明的上述方法的各个步骤的部分或全部。
75.本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。
76.附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
77.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。