面向遥感产品验证的土壤水分无线传感器网络节点设计与实验.pptx

面向遥感产品验证的土壤水分无线传感器网络节点设计与实验 屈永华，蒋玲梅，赵少杰 遥感科学国家重点实验室/北京师范大学地理学与遥感科学学院 背景（1/2） 遥感土壤水分产品 the special sensor microwave Imager (SSM/I)/(SSMI/S), the scanning multichannel microwave radiometer (SSMR) NASA, the Vrije Universiteit Amsterdam: the global land surface moisture C-band AMSR-E microwave ESA’s Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) SMAP：NASA，soil moisture active passive AMSR2：The Global Change Observation Mission-Water (GCOM-W) launched by the Japanese Space Agency WCOM（中科院先导专项重点支持卫星计划之一） SSMI/S GCOM-W SMOS 背景（2/2） 受限于微波频率以及传感器天线尺寸，当前遥感反演得到的土壤水分产品分辨率较低，空间分辨率基本上在5km-50km之间。 土壤水分产品验证，主要困难是如何得到与卫星产品尺度具有可比性的地面观测数据？ SGP99：Southern Great Plains，1999 SMEX02 ：Soil Moisture Experiments， 2002 SCAN ：Soil Climate Analysis Network，2007 全球土壤水分数据银行（GSMDB） 国际土壤水分网络（ISMN） 基于无线传感器网络技术获取土壤水分地面观测数据正在成为一种趋势 如面向中低分辨率（1-5 km）的黑河生态水文无线传感器网络. 2 问题 基于无线传感器网络的土壤水分地面观测中的问题 数据采集方法：离线？ 在线? 低功耗运行模式：外部电源？自供电？ 增加了仪器的部署成本 妨碍对大田机械化作业 增加被人为破坏的概率 外部电源-太阳能等供电方式 离线获取--将传感器与数采设备埋入地下 无法实时或近实时了解数据质量情况 无法远程控制仪器的工作模式 实现了一种土壤水分无线传感器节点——SoilNet 方法 系统设计基本思想 1 埋藏式测量：不影响大田机械化作业；防止产品意外损失 2 低功耗设计：无需外部电源；普通内置电池，连续工作时间不低于一年 3 数据实时查看：无需定期野外采集数据，（准）实时了解数据质量 稳定性测试 在性能测试中，我们选择了13个SoilNet节点 将节点埋入地下50cm深度处 设置节点的采样频率为5分钟一次 数据上传频率是8小时一次 最长61天的连续观测（从2015年11月到2016年1月） 采集精度测试 选择Decagon公司生产的5TM 传感器作为参考 1台 Decagon 公司EM50数据采集器 3台自主开发的SoilNet节点 配置了7个水分梯度 实验验证 土样处理流程 a) 将土壤风干、磨碎，并过1mm筛； b) 将处理后的土样放到保鲜盒中进行配水，共7个水分梯度，其中一个为风干土不加水，其它土样分别加入100、200、300、400、500、600ml水； c) 将土样静置72小时，使土样中水分均匀分布。 5TM传感器 电池功耗测试 休眠电流10μA 数据采集工作电流是13mA GPRS数据传输工作电流是75mA 按照5分钟采集频率（288次/天） 按照8小时上传频率（3次/天） 节点的理论最长工作时间是3361天,如果将传感器个数从1个增加到5个，则最长工作天数为2339天 结果（1/4） 每天电量衰减率平均为0.08%，最低0.03%，最大0.20%，以此计算，在节点降低到初始电量40%情况下所需要的理论时间分别是最大2000天，最小300天，平均937天。 2015年11月到2016年1月电量衰减统计特征（61天） 结果（2/4） 电池功耗测试 2016年1月到4月（118天） 电量测试结果：连续运行6个月时候，电量衰减量不到10%。 无线采集数据稳定性测试 测量节点的信号强度最低56%，最高为87%，平均为63%。 远程服务器接收数据的成功率最低为98%，最高100%，平均99%。 结果（3/4） 测试结果表明，我们所设计的土壤水分自动测量节点能够低功耗长时间稳定自动运行，可以满足长时间序列遥感土壤水分产品验证工作的需要。 土壤水分测量结果对比测试 SoilNet节点与EM50数据采集器采集到的土壤水分值非常接近 在7个水分含量梯度中，两者的决定系数(R2)均大于0.99，均方根