多层土壤多高度农业气象环境监测
时间：2025-05-02
涉川
1. 方案介绍
本方案针对现代农业气象环境监测需求，构建一套集“多层土壤墒情监测+多高度农业小气候观测”为一体的智能监测系统。系统通过多层深度土壤水分、温度、电导率等传感器，结合地表至作物冠层上方的温湿度、风速风向、光照、雨量等多参数监测装置，获取作物生长所依赖的土壤和气象综合环境信息，为农业气象分析、墒情评价、精准灌溉、灾害预警等提供数据支撑。
本方案针对现代农业气象环境监测需求，构建一套集“多层土壤墒情监测+多高度农业小气候观测”为一体的智能监测系统。系统通过多层深度土壤水分、温度、电导率等传感器，结合地表至作物冠层上方的温湿度、风速风向、光照、雨量等多参数监测装置，获取作物生长所依赖的土壤和气象综合环境信息，为农业气象分析、墒情评价、精准灌溉、灾害预警等提供数据支撑。
2. 监测目标
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获取0–100cm范围内不同层次土壤水分、温度等数据
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监测作物冠层以下、冠层内及冠层以上的气温、湿度、风速等微气候变化
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监测农业生产环境中的光照、降雨、气压等关键气象要素
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为农田管理、农业模型驱动、产量预估与灾害预警提供支撑
3. 需求分析
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土壤墒情影响播种期、灌溉调控及作物根系发育，需多层次观测
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不同作物种类对冠层内外气象敏感性不同，需要多高度采集微气候信息
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传统人工气象监测缺乏空间层次性，无法精细支持田间管理
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数据必须通过无线传输，支持远程监控和自动报表生成
4. 监测方法
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垂直布设多层（如10cm、20cm、40cm、60cm、100cm）土壤温湿度电导率传感器
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设立多高度（如地表、冠层中部、冠层顶部、2m）温湿度、风速、CO₂浓度监测点
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安装标准雨量筒、光照辐射传感器、气压计等采集外部环境因素
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通过数据采集主机自动记录数据，并经4G模块上传云平台，实现24小时连续监测
5. 应用原理
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土壤传感器根据电容式或频域原理监测各深度水分和温度变化
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冠层气象传感器依据热敏、电阻、超声、光敏等原理感知微气候变化
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所有数据汇集到采集终端，并经通信模块上传，后台可自动分析与图形可视化
6. 功能特点
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垂直多层土壤数据监测，支持分层统计与可视化
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冠层上下多高度微气候采集，准确还原作物生长环境
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自动采集、自动上报，支持4G、Wi-Fi、Lora等方式
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数据支持Excel导出、图表展示、日报/周报/月报输出
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高强度防护结构，适应田间恶劣气候环境，长期运行稳定
7. 硬件清单
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多层土壤传感器（温度+水分+电导率）×1套
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多高度农业气象微环境采集模块（风速、风向、温湿度、CO₂）×1套
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雨量筒/雨量传感器 ×1个
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光照/总辐射传感器 ×1个
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气压传感器 ×1个
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数据采集主机（带4G模块） ×1台
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云平台系统（网页+小程序） ×1套
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太阳能供电系统或220V供电适配器 ×1套
8. 硬件参数（量程、精度）
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土壤水分：0–100%，精度±2%
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土壤温度：-40～+85℃，精度±0.5℃
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电导率（EC）：0–20000μS/cm，精度±2%F.S.
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空气温度：-40～+80℃，精度±0.3℃
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空气湿度：0–100%，精度±3%RH
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风速：0–60 m/s，精度±0.3 m/s
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风向：0–360°，精度±3°
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雨量：0–200 mm/h，分辨率0.2mm
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光照强度：0–2000 W/m²，精度±5%
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气压：300–1100 hPa，精度±1 hPa
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通信方式：4G全网通，支持Modbus
9. 方案实现
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选择典型作物田块，在代表性区域设置传感器立杆
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埋设多层土壤探头，保持与根系活动层一致
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安装传感器于不同高度（地表、冠层中、冠层上），进行风、温、湿、CO₂布点
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所有传感器连接至数据主机，设定上传周期
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数据实时同步上传至平台，可按日、周、月展示趋势曲线
10. 数据分析
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分析各土层水分波动与气温波动的响应关系
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对比冠层上、中、下层温湿度差异，研究小气候结构
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识别灌溉前后土壤含水率恢复情况，优化灌溉时间与频次
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评估不同种植制度或覆膜方式对气候与土壤的调控效果
11. 预警决策
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土壤湿度低于设定阈值自动推送灌溉建议
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高温低湿天气预警提示，辅助防晒防蒸腾管理
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极端降雨过程自动记录，支持灾害应急响应
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为病虫害预测模型提供微气候基础数据支撑
12. 方案优点
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覆盖“土壤—作物—大气”三维环境要素
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立体化多点监测，提高数据全面性与代表性
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软硬件高度集成，易安装易维护
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云平台便于管理人员与科研团队共同使用
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可长期部署，为农业物联网与大数据提供基础数据
13. 应用领域
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高标准农田环境监测与评价
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智慧农业精准种植环境调控
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农业科研实验基地小气候观测
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作物灾害预警、灌溉模型驱动支持
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农业教学、科研与政策评估支撑
14. 效益分析
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农业增产效益：为精准灌溉、播种、施肥提供依据，提高作物产量
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资源节约效益：实现水肥精准调控，减少资源浪费
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科研支持效益：为气象—墒情—作物耦合模型提供真实数据支撑
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管理便利性：平台集中化管理，提升管理效率和科学化水平
15. 国标规范
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GB/T 20481-2017《农田土壤水分自动监测系统技术规范》
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GB/T 21962-2008《农业气象观测规范》
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GB/T 24689.6-2009《农田灌溉水质标准》
16. 参考文献
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《作物生长环境与土壤水分监测技术》
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《农业气象环境监测与应用》
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FAO Irrigation and Drainage Paper 56
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国家农业信息工程技术研究中心报告资料
17. 案例分享
在江苏某国家级农业现代化试验区，部署了本方案的多层土壤+多高度农业气象监测系统，实现玉米、小麦田块全天候环境感知。通过该系统，农技人员可掌握地块内各层墒情、风温湿动态，实现“墒情+气象”双驱动的精准灌溉与病害预警，年均节水22%，农药使用量下降18%，被列入区域农业智慧化改造样板。
在江苏某国家级农业现代化试验区，部署了本方案的多层土壤+多高度农业气象监测系统，实现玉米、小麦田块全天候环境感知。通过该系统，农技人员可掌握地块内各层墒情、风温湿动态，实现“墒情+气象”双驱动的精准灌溉与病害预警，年均节水22%，农药使用量下降18%，被列入区域农业智慧化改造样板。
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