CN109496797A - 一种农业节水灌溉系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业节水灌溉技术领域，公开了一种农业节水灌溉系统，所述农业节水灌溉系统包括：视频监控模块、水分检测模块、温度检测模块、主控模块、灌溉面积确定模块、需水量计算模块、抽水模块、喷洒模块、报警模块、显示模块。本发明通过需水量计算模块获取准确的最大土壤地表渗水速率、实际土壤地表渗水速率、一次灌溉需水量数据，进而确保农田灌溉活动正常进行；同时，通过灌溉面积确定模块建立了基于修正垂直干旱指数差异阈值的灌溉面积监测方法，利用卫星遥感手段和少量地面标定点实现了对实际灌溉面积的监测，提高灌溉水量核算精度，提高灌区管理水平及用水效率。

Description

一种农业节水灌溉系统及控制方法

技术领域

本发明属于农业节水灌溉技术领域，尤其涉及一种农业节水灌溉系统及控制方法。

背景技术

灌溉为地补充作物所需水分的技术措施。为了保证作物正常生长，获取高产稳产，必须供给作物以充足的水分。在自然条件下，往往因降水量不足或分布的不均匀，不能满足作物对水分要求。因此，必须人为地进行灌溉，以补天然降雨之不足。灌溉，即用水浇地。灌溉原则是灌溉量、灌溉次数和时间要根据药用植物需水特性、生育阶段、气候、土壤条件而定，要适时、适量，合理灌溉。其种类主要有播种前灌水、催苗灌水、生长期灌水及冬季灌水等。然而，现有的节水灌溉不能准确获取土壤需水量；同时，不能准确获取灌溉面积，导致灌溉浪费水。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有的节水灌溉不能准确获取土壤需水量；同时，不能准确获取灌溉面积，导致灌溉浪费水。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种农业节水灌溉系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种农业节水灌溉系统的控制方法，所述农业节水灌溉系统的控制方法包括通过灌溉面积确定模块利用遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；具体有：

(1)根据灌溉时间，分别选取灌溉前和灌溉后的遥感影像，并对选取的遥感影像进行数据预处理；

(2)布设地面标定点，收集标定点是否灌溉的信息；

(3)利用预处理后的灌溉前和灌溉后的遥感影像，分别计算灌溉前和灌溉后的修正垂直干旱指数MPDI；

(4)计算灌域内灌溉前和灌溉后的MPDI差值，结合标定点是否灌溉的信息，确定MPDI差异阈值；

(5)根据所述MPDI差异阈值，提取MPDI差值大于MPDI差异阈值的面积为灌域的实际灌溉面积；

(6)利用空间分辨率在预设值以上的遥感影像，识别灌域的种植结构；

(7)利用种植结构识别结果影像和实际灌溉面积提取结果影像融合，分析得到分作物种类的实际灌溉面积。

进一步，所述农业节水灌溉系统的控制方法具体包括：

通过视频监控模块利用摄像头实时监控农田场景；

通过水分检测模块利用水分传感器实时检测土壤水分数据；

通过温度检测模块利用温度传感器实时检测农田环境温度数据；

主控模块通过灌溉面积确定模块利用遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；

通过需水量计算模块计算土壤需水量数据；

利用水泵抽取水源；

利用喷灌头向农田喷洒水；

通过报警模块利用报警器根据检测的异常水分、温度数据进行及时报警通知；通过显示模块利用显示器农业节水灌溉系统界面及采集的监控视频、水分、温度数据信息。

进一步，所述步骤(1)包括：

根据灌溉时间，选取灌溉开始之前最近日期和灌溉结束之后最近日期的遥感影像，所述遥感影像需有红光波段影像和近红外波段影像；

对选取的遥感影像进行数据预处理，根据获取到的遥感影像的级别，进行相应的大气校正、几何校正和配准处理；

根据灌域范围对处理后的遥感影像进行裁剪。

进一步，所述步骤(2)包括：

根据土地利用类型、农作物类型、空间分布上的均匀性和调查的难易性布设地面标定点，位于耕地内的标定点不少于2个；

在灌溉结束之后，调查并记录标定点是否进行过灌溉；

所述需水量计算模块计算方法包括：

1)在田间布置一个或多个土壤水分传感器；

2)所述土壤水分传感器垂直分布并实时测量土壤含水量，以计算获取最大土壤地表渗水速率，和/或实际土壤地表渗水速率，和/或一次灌溉需水量灌溉数据；

所述土壤水分传感器适于在每6cm深度间隔布置一个水分感应器件，且采样速率设置在10分钟；

在垂直测量深度H范围内，水分感应器件分别对应n个测量点，即n＝1，2…N，N为水分传感组件对应的测量点数，且将n＝1定义为土壤表层测量点，并以10分钟时间间隔内进行数据扫描采集，获得土壤含水量，即土壤体积水分含量瞬时值SM_n_t；

所述在获得土壤体积水分含量瞬时值SM_n_t的基础上，建立土壤水分含量时间变化率SMD_n_t的计算方式，即

其中，ΔSM_n_t为在时间t、且时间间隔Δt时，测量点n处的土壤水分含量变化；

所述获取最大土壤地表渗水速率和实际土壤地表渗水速率的方法包括：

设定最大土壤地表渗水速率为SIR_max，即

其中，SMD_n_max为在确保土壤水分含量SM_n满足小于田间持水量FD_n条件，即SM_n<FD_n状态前提下，在测量点n处，通过获得的土壤水分最大变化率；m为可以观测到土壤水分有变化的最深测量点位置标号数；

设定实际土壤表面渗水速率为SIR_t，即

其中，SMD_n_t为在测量时间t，在确保土壤水分含量SM_n满足小于田间持水量FD_n条件，即SM_n<FD_n状态前提下，在测量点n处获得的土壤水分变化率；m_t为在测量时间t，观测到土壤水分有变化的最深测量点位置标号数。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述农业节水灌溉系统的控制方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现项所述农业节水灌溉系统的控制方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如所述的农业节水灌溉系统的控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种农业节水灌溉系统，所述农业节水灌溉系统包括：

视频监控模块，与主控模块连接，用于通过摄像头实时监控农田场景；

水分检测模块，与主控模块连接，用于通过水分传感器实时检测土壤水分数据；

温度检测模块，与主控模块连接，用于通过温度传感器实时检测农田环境温度数据；

主控模块，与视频监控模块、水分检测模块、温度检测模块、灌溉面积确定模块、需水量计算模块、抽水模块、喷洒模块、报警模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

灌溉面积确定模块，与主控模块连接，用于通过遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；

需水量计算模块，与主控模块连接，用于计算土壤需水量数据；

抽水模块，与主控模块连接，用于通过水泵抽取水源；

喷洒模块，与主控模块连接，用于通过喷灌头向农田喷洒水；

报警模块，与主控模块连接，用于通过报警器根据检测的异常水分、温度数据进行及时报警通知；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器农业节水灌溉系统界面及采集的监控视频、水分、温度数据信息。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述农业节水灌溉系统的互联网农业节水灌溉平台。

本发明的优点及积极效果为：

本发明通过需水量计算模块在田间布置一个或多个土壤水分传感器，垂直且实时测量土壤含水量，以获取准确的最大土壤地表渗水速率、实际土壤地表渗水速率、一次灌溉需水量数据，进而确保农田灌溉活动正常进行；同时，通过灌溉面积确定模块建立了基于修正垂直干旱指数差异阈值的灌溉面积监测方法，利用卫星遥感手段和少量地面标定点实现了对实际灌溉面积的监测，填补了我国实际灌溉面积监测采集技术上的空白。本方案具有快速、短周期、大范围获取信息的特点，可以较低成本支撑实际灌溉面积监测信息的获取，弥补灌溉管理中的不足，提高灌溉水量核算精度，提高灌区管理水平及用水效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的农业节水灌溉系统结构图。

图中：1、视频监控模块；2、水分检测模块；3、温度检测模块；4、主控模块；5、灌溉面积确定模块；6、需水量计算模块；7、抽水模块；8、喷洒模块；9、报警模块；10、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的农业节水灌溉系统，包括：视频监控模块1、水分检测模块2、温度检测模块3、主控模块4、灌溉面积确定模块5、需水量计算模块6、抽水模块7、喷洒模块8、报警模块9、显示模块10。

视频监控模块1，与主控模块4连接，用于通过摄像头实时监控农田场景；

水分检测模块2，与主控模块4连接，用于通过水分传感器实时检测土壤水分数据；

温度检测模块3，与主控模块4连接，用于通过温度传感器实时检测农田环境温度数据；

主控模块4，与视频监控模块1、水分检测模块2、温度检测模块3、灌溉面积确定模块5、需水量计算模块6、抽水模块7、喷洒模块8、报警模块9、显示模块10连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

灌溉面积确定模块5，与主控模块4连接，用于通过遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；

需水量计算模块6，与主控模块4连接，用于计算土壤需水量数据；

抽水模块7，与主控模块4连接，用于通过水泵抽取水源；

喷洒模块8，与主控模块4连接，用于通过喷灌头向农田喷洒水；

报警模块9，与主控模块4连接，用于通过报警器根据检测的异常水分、温度数据进行及时报警通知；

显示模块10，与主控模块4连接，用于通过显示器农业节水灌溉系统界面及采集的监控视频、水分、温度数据信息。

本发明提供的灌溉面积确定模块5确定方法包括：

(1)根据灌溉时间，分别选取灌溉前和灌溉后的遥感影像，并对选取的遥感影像进行数据预处理；

(2)布设地面标定点，收集标定点是否灌溉的信息；

(3)利用预处理后的灌溉前和灌溉后的遥感影像，分别计算灌溉前和灌溉后的修正垂直干旱指数MPDI；

(4)计算灌域内灌溉前和灌溉后的MPDI差值，结合标定点是否灌溉的信息，确定MPDI差异阈值；

(5)根据所述MPDI差异阈值，提取MPDI差值大于MPDI差异阈值的面积为灌域的实际灌溉面积；

(6)利用空间分辨率在预设值以上的遥感影像，识别灌域的种植结构；

(7)利用种植结构识别结果影像和实际灌溉面积提取结果影像融合，分析得到分作物种类的实际灌溉面积。

本发明提供的步骤(1)包括：

根据灌溉时间，选取灌溉开始之前最近日期和灌溉结束之后最近日期的遥感影像，所述遥感影像需有红光波段影像和近红外波段影像；

对选取的遥感影像进行数据预处理，根据获取到的遥感影像的级别，进行相应的大气校正、几何校正和配准处理；

根据灌域范围对处理后的遥感影像进行裁剪。

本发明提供的步骤(2)包括：

根据土地利用类型、农作物类型、空间分布上的均匀性和调查的难易性布设地面标定点，位于耕地内的标定点不少于2个；

在灌溉结束之后，调查并记录标定点是否进行过灌溉。

本发明提供的需水量计算模块6计算方法如下：

1)在田间布置一个或多个土壤水分传感器；

2)所述土壤水分传感器垂直分布并实时测量土壤含水量，以计算获取最大土壤地表渗水速率，和/或实际土壤地表渗水速率，和/或一次灌溉需水量灌溉数据。

本发明提供的土壤水分传感器适于在每6cm深度间隔布置一个水分感应器件，且采样速率设置在10分钟；

在垂直测量深度H范围内，水分感应器件分别对应n个测量点，即n＝1，2…N，N为水分传感组件对应的测量点数，且将n＝1定义为土壤表层测量点，并以10分钟时间间隔内进行数据扫描采集，获得土壤含水量，即土壤体积水分含量瞬时值SM_n_t。

本发明提供的在获得土壤体积水分含量瞬时值SM_n_t的基础上，建立土壤水分含量时间变化率SMD_n_t的计算方式，即

其中，ΔSM_n_t为在时间t、且时间间隔Δt时，测量点n处的土壤水分含量变化。

本发明提供的获取最大土壤地表渗水速率和实际土壤地表渗水速率的方法包括：

设定最大土壤地表渗水速率为SIR_max，即

其中，SMD_n_max为在确保土壤水分含量SM_n满足小于田间持水量FD_n条件，即SM_n<FD_n状态前提下，在测量点n处，通过获得的土壤水分最大变化率；m为可以观测到土壤水分有变化的最深测量点位置标号数；

设定实际土壤表面渗水速率为SIR_t，即

其中，SMD_n_t为在测量时间t，在确保土壤水分含量SM_n满足小于田间持水量FD_n条件，即SM_n<FD_n状态前提下，在测量点n处获得的土壤水分变化率；m_t为在测量时间t，可以观测到土壤水分有变化的最深测量点位置标号数。

本发明实施例提供的农业节水灌溉系统的控制方法包括：通过视频监控模块1利用摄像头实时监控农田场景；通过水分检测模块2利用水分传感器实时检测土壤水分数据；通过温度检测模块3利用温度传感器实时检测农田环境温度数据；其次，主控模块4通过灌溉面积确定模块5利用遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；通过需水量计算模块6计算土壤需水量数据；通过抽水模块7利用水泵抽取水源；通过喷洒模块8利用喷灌头向农田喷洒水；然后，通过报警模块9利用报警器根据检测的异常水分、温度数据进行及时报警通知；最后，通过显示模块10利用显示器农业节水灌溉系统界面及采集的监控视频、水分、温度数据信息。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种农业节水灌溉系统的控制方法，其特征在于，所述农业节水灌溉系统的控制方法包括通过灌溉面积确定模块利用遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；具体有：

(1)根据灌溉时间，分别选取灌溉前和灌溉后的遥感影像，并对选取的遥感影像进行数据预处理；

(2)布设地面标定点，收集标定点是否灌溉的信息；

(3)利用预处理后的灌溉前和灌溉后的遥感影像，分别计算灌溉前和灌溉后的修正垂直干旱指数MPDI；

(4)计算灌域内灌溉前和灌溉后的MPDI差值，结合标定点是否灌溉的信息，确定MPDI差异阈值；

(5)根据所述MPDI差异阈值，提取MPDI差值大于MPDI差异阈值的面积为灌域的实际灌溉面积；

(6)利用空间分辨率在预设值以上的遥感影像，识别灌域的种植结构；

(7)利用种植结构识别结果影像和实际灌溉面积提取结果影像融合，分析得到分作物种类的实际灌溉面积。

2.如权利要求1所述的农业节水灌溉系统的控制方法，其特征在于，所述农业节水灌溉系统的控制方法具体包括：

通过视频监控模块利用摄像头实时监控农田场景；

通过水分检测模块利用水分传感器实时检测土壤水分数据；

通过温度检测模块利用温度传感器实时检测农田环境温度数据；

主控模块通过灌溉面积确定模块利用遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；

通过需水量计算模块计算土壤需水量数据；

利用水泵抽取水源；

利用喷灌头向农田喷洒水；

通过报警模块利用报警器根据检测的异常水分、温度数据进行及时报警通知；通过显示模块利用显示器农业节水灌溉系统界面及采集的监控视频、水分、温度数据信息。

3.如权利要求1所述农业节水灌溉系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

根据灌溉时间，选取灌溉开始之前最近日期和灌溉结束之后最近日期的遥感影像，所述遥感影像需有红光波段影像和近红外波段影像；

对选取的遥感影像进行数据预处理，根据获取到的遥感影像的级别，进行相应的大气校正、几何校正和配准处理；

根据灌域范围对处理后的遥感影像进行裁剪。

4.如权利要求1所述的农业节水灌溉系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

根据土地利用类型、农作物类型、空间分布上的均匀性和调查的难易性布设地面标定点，位于耕地内的标定点不少于2个；

在灌溉结束之后，调查并记录标定点是否进行过灌溉；

所述需水量计算模块计算方法包括：

1)在田间布置一个或多个土壤水分传感器；

2)所述土壤水分传感器垂直分布并实时测量土壤含水量，以计算获取最大土壤地表渗水速率，和/或实际土壤地表渗水速率，和/或一次灌溉需水量灌溉数据；

所述土壤水分传感器适于在每6cm深度间隔布置一个水分感应器件，且采样速率设置在10分钟；

在垂直测量深度H范围内，水分感应器件分别对应n个测量点，即n＝1，2…N，N为水分传感组件对应的测量点数，且将n＝1定义为土壤表层测量点，并以10分钟时间间隔内进行数据扫描采集，获得土壤含水量，即土壤体积水分含量瞬时值SM_n_t；

所述在获得土壤体积水分含量瞬时值SM_n_t的基础上，建立土壤水分含量时间变化率SMD_n_t的计算方式，即

其中，ΔSM_n_t为在时间t、且时间间隔Δt时，测量点n处的土壤水分含量变化；

所述获取最大土壤地表渗水速率和实际土壤地表渗水速率的方法包括：

设定最大土壤地表渗水速率为SIR_max，即

其中，SMD_n_max为在确保土壤水分含量SM_n满足小于田间持水量FD_n条件，即SM_n<FD_n状态前提下，在测量点n处，通过获得的土壤水分最大变化率；m为可以观测到土壤水分有变化的最深测量点位置标号数；

设定实际土壤表面渗水速率为SIR_t，即

其中，SMD_n_t为在测量时间t，在确保土壤水分含量SM_n满足小于田间持水量FD_n条件，即SM_n<FD_n状态前提下，在测量点n处获得的土壤水分变化率；m_t为在测量时间t，观测到土壤水分有变化的最深测量点位置标号数。

5.一种实现权利要求1～4任意一项所述农业节水灌溉系统的控制方法的计算机程序。

6.一种实现权利要求1～4任意一项所述农业节水灌溉系统的控制方法的信息数据处理终端。

7.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任意一项所述的农业节水灌溉系统的控制方法。

8.一种农业节水灌溉系统，其特征在于，所述农业节水灌溉系统包括：

视频监控模块，与主控模块连接，用于通过摄像头实时监控农田场景；

水分检测模块，与主控模块连接，用于通过水分传感器实时检测土壤水分数据；

温度检测模块，与主控模块连接，用于通过温度传感器实时检测农田环境温度数据；

主控模块，与视频监控模块、水分检测模块、温度检测模块、灌溉面积确定模块、需水量计算模块、抽水模块、喷洒模块、报警模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

灌溉面积确定模块，与主控模块连接，用于通过遥感设备采集灌溉前和灌溉后的遥感影像确定灌溉面积；

需水量计算模块，与主控模块连接，用于计算土壤需水量数据；

抽水模块，与主控模块连接，用于通过水泵抽取水源；

喷洒模块，与主控模块连接，用于通过喷灌头向农田喷洒水；

报警模块，与主控模块连接，用于通过报警器根据检测的异常水分、温度数据进行及时报警通知；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器农业节水灌溉系统界面及采集的监控视频、水分、温度数据信息。

9.一种搭载权利要求8所述农业节水灌溉系统的互联网农业节水灌溉平台。