CN106688827A

CN106688827A - 一种基于农业系统模型的灌溉决策系统及方法

Info

Publication number: CN106688827A
Application number: CN201611127292.0A
Authority: CN
Inventors: 齐志明; 顾哲; 桂东伟; 王烨; 刘云飞; 曾凡江
Original assignee: Xinjiang Institute of Ecology and Geography of CAS
Current assignee: Xinjiang Institute of Ecology and Geography of CAS
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN106688827B

Abstract

本发明提供了一种基于农业系统模型的灌溉决策系统及方法，属于农业灌溉决策技术领域，该系统包括气象数据接口、气象数据库、率定的农业系统模型、率定的农业系统模型库、灌溉决策算法、灌溉决策算法库和灌溉控制系统，气象数据接口为率定的农业系统模型提供计算所需的气象数据，率定的农业系统模型根据气象条件进行计算，得到作物生长信息及土壤、作物的水分状况，灌溉决策算法根据模型计算结果，判断是否灌水并计算灌水量，灌溉控制系统根据灌溉决策算法计算出的灌水量进行灌溉。本发明克服现有灌溉决策系统和方法的不足，在不安装田间传感器的情况下，制定出准确的灌溉计划，并可预测未来的灌水计划和灌溉效果。

Description

一种基于农业系统模型的灌溉决策系统及方法

技术领域

本发明属于农业灌溉决策技术领域，具体涉及一种基于农业系统模型的灌溉决策系统及方法。

背景技术

当前，我国农业灌溉模式相对落后，采用传统的依据经验的灌溉模式仍然使用广泛，这种灌溉模式下，不仅水资源的利用效率低下，造成水资源浪费并加剧了农业灌溉缺水问题，而且，过多的灌溉水将造成深层渗漏和氮磷损失，引起土壤次生盐碱化等问题，这不仅影响了作物的正常生长，降低作物产量，而且还会污染地下水，引发环境生态问题。另一方面，作物生长需要一定量的水分，水分不足将严重影响作物产量；作物生长周期内的不同阶段对水分的需求也不同，因此，如何适时适量地进行灌溉，在保证作物产量的同时提高水资源利用率，减少农业化学污染，是一个重要的课题。

为确定作物的灌溉时间和灌水量，当前主要有以下几种方法：1、土壤墒情法，即通过测量土壤的水分含量判断作物的缺水状况，当土壤含水量低于某一阈值时进行灌溉；发明专利201510811396.2公开了一种农田灌溉智能决策系统和方法，即采用了土壤墒情法；2、蒸散量法，即根据灌溉区域的蒸散量决定灌水量；发明专利201510734704.6公开了一种灌溉时机和灌溉量的确定方法及装置，采用待灌溉区域的作物蒸散量和实测水量消耗相结合的方法确定灌水时间和灌水量；3、作物冠气温差法，研究表明，作物的冠层与大气温差能反应作物的水分含量，因此，通过测量冠层温度和大气温度可以判断作物的需水量，进而进行灌溉；发明专利200710178192.5公开了一种在线式作物冠气温差灌溉决策监测系统，即采用了这种方法；4、基于人工智能算法的作物水分检测方法，即通过计算机视觉和多种传感器获取作物信息，根据神经网络、遗传算法等人工智能算法对作物水分进行检测，从而制定灌溉制度；发明专利201210071823.4公开了一种结合计算机视觉和多传感器的作物灌溉系统，采用遗传神经网络监测作物缺水状态指导灌溉。这些方法都需要在田间安装传感器，且只能根据当前时刻的作物水分状态进行灌溉决策。

近年来，随着农业系统模型的发展，采用农业系统模型对大气-作物-土壤系统的模拟越来越准确。采用农业系统模型，可以全面考虑大气、作物和土壤的相互影响，从而更加准确地估计作物的水分含量，制定更加合理的灌溉计划。同时，基于农业系统模型制定灌溉计划，不需要在田间安装传感器，并且能制定过去，当前，甚至未来的灌溉计划，有利于优化灌溉方案，获取更大的产量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于农业系统模型的灌溉决策系统及方法，该系统包括气象数据接口、气象数据库、率定的农业系统模型、率定的农业系统模型库、灌溉决策算法、灌溉决策算法库和灌溉控制系统，气象数据接口为率定的农业系统模型提供计算所需的气象数据，率定的农业系统模型根据气象条件进行计算，得到作物生长信息及土壤、作物的水分状况，灌溉决策算法根据模型计算结果，判断当天是否灌水并计算灌水量，灌溉控制系统根据灌溉决策算法计算出的灌水量进行灌溉。本发明克服现有灌溉决策系统和方法的不足，在不安装田间传感器的情况下，制定出准确的灌溉计划，并可预测未来的灌水计划和灌溉效果。

本发明所述的一种基于农业系统模型的灌溉决策系统，该系统包括气象数据接口、气象数据库、率定的农业系统模型、率定的农业系统模型库、灌溉决策算法、灌溉决策算法库和灌溉控制系统，所述气象数据接口为率定的农业系统模型提供计算所需的气象数据，将提供的气象数据直接存储到气象数据库中，所述率定的农业系统模型通过气象数据库获取数据进行计算，得到作物生长信息及土壤、作物的水分状况；所述灌溉决策算法从所述灌溉决策算法库中选取一种或多种组合算法进行计算，给出优化的灌水决策，判断当天是否灌水并计算灌水量，所述灌溉控制系统根据灌溉决策算法计算出的灌水量进行灌溉。

气象数据接口包括气象站历史数据和网络预报气象数据；率定的农业系统模型采用率定后的RZWQM2模型进行计算，获得作物水分胁迫系数、田间持水率、土壤含水量、作物根系深度。

从所述率定的农业系统模型库中选择所述率定的农业系统模型，修改所述率定的农业系统模型的种植及管理参数，显示气象数据以及所述率定的农业系统模型计算结果，辅助用户选择所述灌溉决策算法，并将所述灌溉决策算法计算的灌水量发送给所述灌溉控制系统。

一种基于农业系统模型的灌溉决策方法，按下列步骤进行：

a、从气象站获取已经监测到的历史气象数据，从网络气象数据接口获取预报气象数据，将获取到的数据存储到服务器上的气象数据库中，或直接提供给率定的农业系统模型进行计算，率定的农业系统模型从气象数据库中读取气象数据，或直接从气象数据接口获取气象数据；

b、率定的农业系统模型根据实际田间参数，结合从气象数据接口直接或间接获取的气象数据进行计算，采用了RZWQM2模型，输出作物水分胁迫系数，土壤含水量，作物根系深度参数，率定的农业系统模型从率定的农业系统模型库中选取或由用户给出；

c、灌溉决策算法根据率定的农业系统模型的输出结果判断当天是否灌水并计算灌水量，灌溉决策算法从灌溉决策算法库中选取或由用户自己定义，灌溉控制系统接收灌溉决策算法计算的灌水量，并控制灌溉系统实施相应水量的精确灌溉；

d、每日重复步骤a-步骤c，获得作物种植期间的灌溉决策表。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为本发明实施例组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例

本发明所述的一种基于农业系统模型的灌溉决策系统，该系统包括气象数据接口、气象数据库、率定的农业系统模型、率定的农业系统模型库、灌溉决策算法、灌溉决策算法库和灌溉控制系统，所述气象数据接口为率定的农业系统模型提供计算所需的气象数据，将提供的气象数据直接存储到气象数据库中，所述率定的农业系统模型通过气象数据库获取数据进行计算，得到作物生长信息及土壤、作物的水分状况；所述灌溉决策算法从所述灌溉决策算法库中选取一种或多种组合算法进行计算，给出优化的灌水决策，判断当天是否灌水并计算灌水量，所述灌溉控制系统根据灌溉决策算法计算出的灌水量进行灌溉；

气象数据接口包括气象站历史数据和网络预报气象数据；率定的农业系统模型采用率定后的RZWQM2模型进行计算，获得作物水分胁迫系数、田间持水率、土壤含水量、作物根系深度；

从所述率定的农业系统模型库中选择所述率定的农业系统模型，修改所述率定的农业系统模型的种植及管理参数，显示气象数据以及所述率定的农业系统模型计算结果，辅助用户选择所述灌溉决策算法，并将所述灌溉决策算法计算的灌水量发送给所述灌溉控制系统；

如图1所示：所述气象数据接口通过不同方式获取所需的气象数据，气象数据接口将获取的气象数据保存到气象数据库中，或直接提供给所述率定的农业系统模型进行计算，率定的农业系统模型从气象数据库中读取气象数据，或直接从所述气象数据接口获取气象数据，率定的农业系统模型根据实际田间参数，结合从气象数据接口直接或间接获取的气象数据进行计算，得到在输入的天气条件下，田间土壤和作物的水分参数以及作物的生长参数等，率定的农业系统模型从率定的农业系统模型库中选取或由用户给出，灌溉决策算法根据率定的农业系统模型的输出结果计算灌水量，灌溉决策算法从灌溉决策算法库中选取或由用户自己定义，灌溉控制系统接收灌溉决策算法计算的灌水量，并控制灌溉系统实施相应水量的精确灌溉；

如图2所示：所述气象数据接口包括气象站和网络气象数据接口，从气象站获取已经监测到的历史气象数据，从网络气象数据接口获取预报气象数据，获取到的数据存储到服务器上的所述气象数据库中；气象数据包括大气最高、最低温度，湿度，风速，降雨量以及太阳辐射；率定的农业系统模型采用了RZWQM2模型，该模型计算后，将输出作物的水分胁迫系数，土壤含水量，作物根系深度，作物生长阶段等参数，所述的灌溉决策算法是：首先将率定后的RZWQM2模型模拟得到的作物水分胁迫系数与用户设定的作物水分胁迫阈值进行比较，如果超过阈值，则计算灌水量，进行灌溉，否则不进行灌溉，灌水量的计算采用如下公式：

IR＝(FC-SWC)×RD×E (1)

其中，IR为灌水量，单位为cm；FC为田间持水率，单位为cm³/cm³；SWC为土壤水分含量，单位为cm³/cm³；RD为作物根系长度，单位为cm，E为灌溉系数，无量纲，表示当考虑土壤盐度，灌溉效率，以及高产灌溉经验时的调整系数；

灌溉决策算法计算得灌水量后，将灌水量数据发送给自动滴灌控制系统，自动滴灌控制系统主要由蓄水池，水泵，输水管路，电磁阀，滴灌管以及控制器组成，控制器接收到灌水量数据后，自动启动水泵，打开相应的电磁阀进行滴灌，并根据流量和灌水量，计算定时时间，当定时时间一到即关闭电磁阀和水泵，结束灌溉；本发明所述系统中还包括人机交互界面，所述人机交互界面具体指个人电脑端的软件，该软件可实现更新气象数据库中的气象数据；选择针对某一地点的率定后的RZWQM2模型；设置模型计算的起止时间，即从气象数据库中选取的气象数据的时间范围；显示及修改率定的农业系统模型的管理参数；读取率定的农业系统模型计算的输出结果；选择相应的灌溉决策算法；修改作物水分胁迫阈值和灌溉系数；根据灌溉决策算法和模型的计算结果，计算灌水量并将灌水量数据从上位机发送给自动滴灌控制系统的下位机上；以及显示率定的农业系统模型的主要计算结果和获取的气象数据以辅助用户选择所述灌溉决策算法，调整算法相关参数等，最终实现保证作物较高产量的灌溉方案。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于农业系统模型的灌溉决策系统，其特征在于，该系统包括气象数据接口、气象数据库、率定的农业系统模型、率定的农业系统模型库、灌溉决策算法、灌溉决策算法库和灌溉控制系统，所述气象数据接口为率定的农业系统模型提供计算所需的气象数据，将提供的气象数据直接存储到气象数据库中，所述率定的农业系统模型通过气象数据库获取数据进行计算，得到作物生长信息及土壤、作物的水分状况；所述灌溉决策算法从所述灌溉决策算法库中选取一种或多种组合算法进行计算，给出优化的灌水决策，判断当天是否灌水并计算灌水量，所述灌溉控制系统根据灌溉决策算法计算出的灌水量进行灌溉。

2.根据权利要求1所述的基于农业系统模型的灌溉决策系统，其特征在于，气象数据接口包括气象站历史数据和网络预报气象数据；率定的农业系统模型采用率定后的RZWQM2模型进行计算，获得作物水分胁迫系数、田间持水率、土壤含水量、作物根系深度。

3.根据权利要求1所述的基于农业系统模型的灌溉决策系统，其特征在于从所述率定的农业系统模型库中选择所述率定的农业系统模型，修改所述率定的农业系统模型的种植及管理参数，显示气象数据以及所述率定的农业系统模型计算结果，辅助用户选择所述灌溉决策算法，并将所述灌溉决策算法计算的灌水量发送给所述灌溉控制系统。

4.一种基于农业系统模型的灌溉决策方法，其特征在于，按下列步骤进行：

c、灌溉决策算法根据率定的农业系统模型的输出结果判断当天是否灌水并计算灌水量，灌溉决策算法从灌溉决策算法库中选取或由用户自己定义，灌溉控制系统接收灌溉决策算法计算的灌水量，并控制灌溉系统实施相应水量的精确灌溉;

d、每日重复步骤a-步骤c，获得作物种植期间的灌溉决策表。