电子科技大学研究生精品课程建设项目 遥感地面数据采集与实验方法 主讲教师：周纪 实验5一土壤参数采集实验 1、实验任务 与实验方法》 （1)气温日变化建模 登录中国气象：闲tp:wcma ov.cn,查有安整当日 0时至次日0时郫都区或温江区的逐时气温，拟合得到气温日变化曲 线，并记录拟合参数结果。气温日变化方程见附录5-2。 (2)土壤温度日变化建模 查阅资料，了解土壤热传导方程的 般形式以及不同时间尺度上 土壤热传导方程的区别。利用生壤温湿度观测系统采集至少1小时时 长的5个深度的土壤温度和生壤湿度，深度要求为0cm,2cm,5cm, 10cm,20cm;根据所测的不同深度的土壤温度数据并利用(1)的部 分结果，拟合得到当日的土壤热传导方程的所有参数，并记录拟合结 果。日R度上的土壤热传导方程见附录5-1。提示：1)根据附录5-1 中的假设可由实测表层土壤温度数据得到Ta:2)根据实测表层土壤 子科 温度数据拟合可得到A；3)根据其他层的实测土壤温度数据可拟合 得到D。 (3)土壤温度日变化分析 根据(1)，(2)的结果，在一张图上绘制出：1)实验当天0时 次日0时的气温日变化方程曲线；2)当天0时-次日0时时间段内0cm
电子科技大学研究生精品课程建设项目 遥感地面数据采集与实验方法 主讲教师：周纪 实验 5——土壤参数采集实验 1、实验任务 （1）气温日变化建模 登录中国气象网：http://www.cma.gov.cn/，查询并记录实验当日 0 时至次日 0 时郫都区或温江区的逐时气温，拟合得到气温日变化曲 线，并记录拟合参数结果。气温日变化方程见附录 5-2。 （2）土壤温度日变化建模 查阅资料，了解土壤热传导方程的一般形式以及不同时间尺度上 土壤热传导方程的区别。利用土壤温湿度观测系统采集至少１小时时 长的 5 个深度的土壤温度和土壤湿度，深度要求为 0 cm, 2 cm, 5 cm, 10 cm, 20 cm；根据所测的不同深度的土壤温度数据并利用（1）的部 分结果，拟合得到当日的土壤热传导方程的所有参数，并记录拟合结 果。日尺度上的土壤热传导方程见附录 5-1。提示：1）根据附录 5-1 中的假设可由实测表层土壤温度数据得到 Tsa；2）根据实测表层土壤 温度数据拟合可得到 As；3）根据其他层的实测土壤温度数据可拟合 得到 D。 （3）土壤温度日变化分析 根据（1），（2）的结果，在一张图上绘制出：1）实验当天 0 时- 次日 0 时的气温日变化方程曲线；2）当天 0 时-次日 0 时时间段内 0 cm
电子科技大学研究生精品课程建设项目 与10cm土壤温度的时间变化曲线；3)所查询到的气温数据以散点 形式绘制到图中；4)所测时间段内不同深度的土壤温度数据以散点 形式绘制到图中；5)要求图的横轴为时间，单位为小时，横轴间隔 为1小时；根据实测数据，定量评价拟合得到的0cm与10cm的土 根误差)，并简要分析拟合误差的来源。 (4)土壤温湿度梯度分析 分别绘制出实验时间段内6个不同时刻（如实验时间段为14时 -15时，可选取每隔10分钟的数据)的土壤温度和尘壤湿度梯度（即 土壤温湿度随深度的变化情况)的折线图，要求横轴分别为温度（单 位：K)和湿度（单位：%），纵轴为深度（单位：），且纵轴方向 朝下（说明：温度图和湿度图选取的时刻要一致）；并定性分析1) 同一时刻土壤温度梯度与相应湿度梯度之间的关系；2)不同时刻的 土壤温度梯度的比较，3)不同时刻土壤湿度梯度的比较。 2、实验时间 月xx日下午xx-xx。人员： 免子科支 -XX 组；室外实验及讲解
电子科技大学研究生精品课程建设项目 与 10 cm 土壤温度的时间变化曲线；3）所查询到的气温数据以散点 形式绘制到图中；4）所测时间段内不同深度的土壤温度数据以散点 形式绘制到图中；5）要求图的横轴为时间，单位为小时，横轴间隔 为 1 小时；根据实测数据，定量评价拟合得到的 0 cm 与 10 cm 的土 壤温度日变化曲线的精度（评价指标包括相关系数，绝对误差和均方 根误差），并简要分析拟合误差的来源。 （4）土壤温湿度梯度分析 分别绘制出实验时间段内 6 个不同时刻（如实验时间段为 14 时 -15 时，可选取每隔 10 分钟的数据）的土壤温度和土壤湿度梯度（即 土壤温湿度随深度的变化情况）的折线图，要求横轴分别为温度（单 位：K）和湿度（单位：%），纵轴为深度（单位：m），且纵轴方向 朝下（说明：温度图和湿度图选取的时刻要一致）；并定性分析 1） 同一时刻土壤温度梯度与相应湿度梯度之间的关系；2）不同时刻的 土壤温度梯度的比较；3）不同时刻土壤湿度梯度的比较。 2、实验时间 (1)xx 年 xx 月 xx 日下午 xx-xx。人员： 第 xx-xx 组；室外实验及讲解
电子科技大学研究生精品课程建设项目 3、软件安装 提前安装数据采集箱相关软件。在拟合土壤温度热传导方程以 4、实验报告提交 方法》 及气温日变化方程时，可采用IDL、Matlab、SPSS、1stOPT等 纸质和电子版实验报告各1份，实验数据1份。实验报告)开展 实验后2周提交给助教。要求：作图规范，建议按照学术论文的要求 制作。 5、说明 据采集 由于实验时长的限制，为确保土壤热传导方程参数拟合的准确度
电子科技大学研究生精品课程建设项目 3、软件安装 提前安装数据采集箱相关软件。在拟合土壤温度热传导方程以 及气温日变化方程时，可采用 IDL、Matlab、SPSS、1stOPT 等。 4、实验报告提交 纸质和电子版实验报告各 1 份，实验数据 1 份。实验报告于开展 实验后 2 周提交给助教。要求：作图规范，建议按照学术论文的要求 制作。 5、说明 由于实验时长的限制，为确保土壤热传导方程参数拟合的准确度， 故需要通过实验任务（1）作为辅助步骤，因此请务必仔细阅读附录
电子科技大学研究生精品课程建设项目 附录5-1：土壤热传导方程 日尺度上的土壤热传导方程表达式： (=,t)=T+Aexp(-z/D)sin(@t-z/D+) (1) 式中，T(z,)表示一天当中时刻为t(单位：h(小时)，深度为z(单位：m)处 的土壤温度（单位：K):Ta为土壤层的日平均温度（单位：K),是一与土壤层 法》 深度无关的常数，且在本实验中假定其数值大小等于该天17时-17时30分时间 段内士壤表层温度（即0）的平均值：A,为土壤表层温度的日振幅（单位：K: D为衰减深度（单位：m),可视为一常数：w为角频率（单位：radh),且在数 值上等于2π/24；p为初始相位（单位：rad),可视为一常数。 附录5-2：气温日变化方程 假设某地空气温度日变化与该地土壤表层温度的日变化具有相似的变化趋 势，则该地气温的日变化的方程表达式： T.()=T.+A sin(ort (2) 式中，T()为某天1时刻的空气温度（单位：K),T为该天气温日均值（单位： K):Aa为该天气温日振幅（单位：K)。 附录53：土壤含水量 在陆地遥感所涉及的土壤参数中，土壤含水量（也称土壤湿度）是学术界关 注最多的参数之一。它本身是气候变化的敏感因子，也是干旱监测等的关键参数。 目前，主要的研究手段有热红外遥感、被动微波遥感和雷达遥感。 定义与测量方法：土壤含水量是土壤中所含水分的数量。通常采用重量含水 率和体积含水率两种表示方法。其主要测量方法有称重法、张力计法、电阻法、 中子法、射线法，驻波比法、时域反射法及光学法等。 常用测量方法一称重法：也称烘干法，这是唯一可以直接测量土壤重量含 水量的方法，也是目前国际上的标准方法。用土壤环刀取土样，用0.1g精度的 天平称取土样的重量，记作土样的湿重，在105℃的烘箱内将土样烘干12-24小 时至恒重，然后测定烘干土样，记作土样的干重。 子科 重量含水量的计算方法如下： 重量含水量%=(Wwet-Wdy)/Wwet×100% (1) 式中，Wwet为土壤湿重，Wdy为土壤干重。 体积含水量的计算方法如下： 体积含水量%=(Vwet-Vdry)/Vwet×l00% (2)
电子科技大学研究生精品课程建设项目 附录 5-1：土壤热传导方程 日尺度上的土壤热传导方程表达式： T zt T A z D t z D s sa s ( , exp( / )sin( / ) ) = + - - w f+ (1) 式中，Ts(z,t)表示一天当中时刻为 t（单位：h（小时）），深度为 z（单位：m）处 的土壤温度（单位：K）；Tsa 为土壤层的日平均温度（单位：K），是一与土壤层 深度无关的常数，且在本实验中假定其数值大小等于该天 17 时-17 时 30 分时间 段内土壤表层温度（即 z=0）的平均值；As 为土壤表层温度的日振幅（单位：K）； D 为衰减深度（单位：m），可视为一常数；ω 为角频率（单位：rad/h）,且在数 值上等于 2π/24；φ 为初始相位（单位：rad），可视为一常数。 附录 5-2：气温日变化方程 假设某地空气温度日变化与该地土壤表层温度的日变化具有相似的变化趋 势，则该地气温的日变化的方程表达式： a aa a Tt T A t ( ) sin( ) =+ + w f (2) 式中，Ta(t)为某天 t 时刻的空气温度（单位：K）；Taa 为该天气温日均值（单位： K）；Aa 为该天气温日振幅（单位：K）。 附录 5-3：土壤含水量 在陆地遥感所涉及的土壤参数中，土壤含水量（也称土壤湿度）是学术界关 注最多的参数之一。它本身是气候变化的敏感因子，也是干旱监测等的关键参数。 目前，主要的研究手段有热红外遥感、被动微波遥感和雷达遥感。 定义与测量方法：土壤含水量是土壤中所含水分的数量。通常采用重量含水 率和体积含水率两种表示方法。其主要测量方法有称重法、张力计法、电阻法、 中子法、r-射线法、驻波比法、时域反射法及光学法等。 常用测量方法——称重法：也称烘干法，这是唯一可以直接测量土壤重量含 水量的方法，也是目前国际上的标准方法。用土壤环刀取土样，用 0.1g 精度的 天平称取土样的重量，记作土样的湿重，在 105℃的烘箱内将土样烘干 12-24 小 时至恒重，然后测定烘干土样，记作土样的干重。 重量含水量的计算方法如下： 重量含水量%=(Wwet-Wdry)/ Wwet×100% (1) 式中，Wwet 为土壤湿重，Wdry 为土壤干重。 体积含水量的计算方法如下： 体积含水量%=(Vwet-Vdry)/Vwet×100% (2)
电子科技大学研究生精品课程建设项目 式中，Vwet为土壤湿体积，Vdv为土壤干体积。 常用测量方法一时域反射法(Time Domain Reflectometry,,TDR):也是 一种通过测量土壤介电常数来获得土含水率的一种方法。TDR的原理是电磁波 甲一紫之 沿非磁性介质中的传输导线的传输速度V=℃e,而对于已知长度为L的传输线， 又有V=Lt,于是可得=ctL,其中c为光在真空中的传播速度，ε为非磁性介 子大2保气景 电常数，进而求出土壤的含水率
电子科技大学研究生精品课程建设项目 式中，Vwet 为土壤湿体积，Vdry 为土壤干体积。 常用测量方法——时域反射法（Time Domain Reflectometry, TDR）：也是 一种通过测量土壤介电常数来获得土含水率的一种方法。TDR 的原理是电磁波 沿非磁性介质中的传输导线的传输速度 V=c/ε，而对于已知长度为 L 的传输线， 又有 V=L/t，于是可得 ε=ct/L，其中 c 为光在真空中的传播速度，ε 为非磁性介 质的介电常数，t 为电磁波在导线中的传输时间。而电磁波在传输到导线终点时， 又有一部分电磁波沿导线反射回来，这样入射与反射形成了一个时间差 T。因此 通过测量电磁波在埋入土壤中的导线的入射反射时间差 T 就可以求出土壤的介 电常数，进而求出土壤的含水率