测量原理

宇宙射线是来自外层空间的高能粒子，银河系宇宙线可能在银河系超新星遗迹的冲击波中加速。太阳宇宙线是在太阳剧烈喷发后，在太阳或其附近的高能过程中产生的。太阳调节（ solar modulation）指太阳或太阳风改变进入太阳系的银河系宇宙射线强度和能谱的过程。当太阳处于活跃时期，相比安静时期，银河系的宇宙射线会较少的进入太阳系。基于这个原因，银河系宇宙射线与太阳一样遵从11年周期，但不同的是：剧烈的太阳活动对应低宇宙射线（进入太阳系），反之亦然。在地磁场的作用下宇宙射线进入大气层，与大气层中的氮、氧等碰撞，产生二次粒子，即次级宇宙射线，进入土壤。这些次级宇宙射线可以分为三类：

（ 1）高能中子，能量约为GeV，由主质子和较重的原子将大气中的原子核分裂成含有中子的粒子而形成；

（ 2）快中子，能量约为1MeV，由高能中子与原核子进行碰撞而产生，此过程也被称为“核蒸发”；

（ 3）通过快中子与原子核碰撞而产生的低能热中子（0.025eV）和超热中子（>0.5eV）中的一部分会被土壤所吸收。

因此，进入土壤中的快中子，一部分终会变为热中子被土壤所吸收，另一部分则会扩散到近地表中。

近地表的氢元素在上述次级宇宙射线能量衰变为热中子的过程中，起决定性作用，而近地表极大的氢库通常即为土壤水。土壤含水量越高，氢原子数量就越多，快中子慢化速度也就越快，近地表所能检测到的快中子就越少。因此，扩散到地表的快中子量与土壤含水量（氢原子）呈显著负相关关系，宇宙射线土壤水分测量系统就是利用这种相关关系，通过中子探测器监测近地表中子数（主要为快中子）进行土壤水分观测的系统。

传统的土壤水分测量方法有土壤取样称重烘干法、原位传感器测量法和空天遥感法三类。称重法（烘干法）、电容法、张力计法、中子仪法、时域反射计法（ TDR）和频域反射计法（FDR）等, 这些测量方法都属于对土壤有损的单点测量方式, 其测量尺度较小、空间代表性差,一般只能代表取样点或安装位置周边几厘米到几十厘米范围的土壤含水量情况，难以得到土壤含水量在田亩尺度上的综合数据。

遥感监测土壤水分可以实现快速、大面积区域土壤水分监测 , 但遥感获取的土壤含水量是像元尺度的平均值，其空间分辨率一般在数十米（航空遥感）到数十公里（航天遥感）之间, 且只是飞机或卫星过境时刻的瞬时值, 无法获取连续数据, 限制了遥感大尺度测量在实际土壤水分检测中的应用。而且遥感方法只能反映地表数厘米的土壤含水量，无法测量10厘米以下土壤的含水量，对农业生产和生态研究的代表性不足。由于土壤成分的复杂性，不同的遥感测量方法，也会导致测量测量结果的一定差异。

传统点测量和遥感大尺度监测之间，存在一个空间尺度上的缺口 , 即无法获取农田或小流域尺度上的区域土壤水分信息。同样, 在验证遥感反演的土壤水分过程中，无法直接获取所需对应像元尺度土壤水分数据。因此上述传统的土壤水分测量方法在农田、小流域等中小尺度上，往往不能满足日益发展的土壤科学研究和现代化精准农业对大面积、快速、准确的土壤水分动态信息的需求。

近年来 , 利用宇宙射线快中子数量来测量地表土壤含水量的研究逐渐引起人们的重视, 地表以上宇宙射线快中子强度与土壤水分含量呈反相关关系, 通过架设在地表上方的中子探头测量宇宙射线快中子的强度, 反演地表附近土壤水分含量。宇宙射线快中子土壤水分测量法是一种被动、非侵入式的中尺度土壤水分测量方法, 其测量半径为300米左右, 有效测量深度 12～70厘米（两者均与土壤水分含量反相关）。 该方法可以长期固定点位监测，也可以进行移动监测，代表区域广。

应用领域

主要应用在土壤水分测量、干旱监测、雪深测量、农业灌溉指导、坡面稳定性分析、山洪预报、供水管理、数值预报、气候模型等。此外，可以安装在移动平台上用来绘制大 范围的土壤墒情图。

样例数据曲线

技术指标

要素	测量 范围	分辨率	极大误差	测量直径	测量深度
区域土壤水分（重量含水率）	2%～45%	0 .1 %	±4 %	极大700米	80 cm
气压	5 00 ～ 1 100 hPa	0 .1 hPa	± 0 .3 hPa	-	-
温度	-40 ℃～ + 6 0 ℃	0.1 ℃	±0.2 ℃	-	-
相对湿度	5 % ～100%	1%	±3% （ ≤ 80% ）	-	-
			±5% （ ＞ 80% ）
降水	0~50 mm/hr	0.1 mm	1%	-	-