CN110244018A - 一种基于3s技术的土壤墒情远程实时监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及RS技术、GIS技术、GPS技术和滴灌技术领域，尤其涉及滴灌设备可视化管理的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，包括下述步骤:步骤1）、原始遥感影像获取；步骤2）、裁剪遥感影像；步骤3）、遥感影像预处理；步骤4）、坐标系转换；步骤5）、勾勒要素；步骤6）、规划、绘制设备位置分布图；步骤7）、上传移动端：将预处理后的影像、图层要素和设备分布图通过云端上传到移动端；步骤8)、设备安置与埋设；步骤9）、实时远程操作。本发明提供的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法具有监测信息准确、土壤墒情反馈及时准确、设备科学化铺设和可视化管理的优点。
Description
技术领域
本发明涉及RS技术、GIS技术、GPS技术和滴灌技术领域，尤其涉及滴灌设备可视化管理的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法。
背景技术
土壤墒情关系着作物的长势与产量，反映了作物在各个生长期土壤水分的供给状况。土壤中的水分主要靠降水量维持，当降水量不足或土壤水分分布不均匀作物在生长期对水分又需求较大时，一般采用人为灌水的方式及时补充土壤含水量。因此对土壤墒情进行监测和调节，可提高作物生长环境因素的稳定性。
已有土壤墒情监控技术中不能对其设备进行科学布设和可视化管理，且现有滴灌方式没有结合墒情变化依旧存在传统作业的影子。
随着技术不断的发展和融合，由遥感、地理信息系统和全球卫星定位系统三者紧密结合起来的测绘“3S'’一体化技术已显示出更为广阔的应用前景。以RS、GIS、GPS为基础，将RS、GIS、GPS三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系。把3S技术运用到土壤墒情监控中，可实现对土壤空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。
发明内容
本发明为解决现有的土壤墒情监测、调节不及时和不准确的问题，而提供具有科学布设和可视化管理设备的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法。
本发明采用的技术方案是：
一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法,包括下述步骤:
步骤1）原始遥感影像获取：影像的挑选原则为,空间分辨率优于1m，选择最新一次的成相影像，研究区没有云团遮挡，影像清晰、层次丰富、色调均匀、反差适中，数据文件完整；
步骤2）、裁剪遥感影像：裁减掉研究区域以外的遥感影像；
步骤3）、遥感影像预处理：预处理过程包括正射校正和融合；
步骤4）、坐标系转换：将预处理后的影像转换成国内常用的国家2000高斯-克吕格投影坐标系；
步骤5）、勾勒要素：转换过的影像图作为底图，建立要素图层人工目视解译并勾画道路、水体、居民区、耕地要素；
步骤6）、规划、绘制设备位置分布图：参考步骤4）和步骤5）进行规划和绘制设备分布图，所述设备包括储水罐、滴灌水管、电子阀门开关和监测仪器；
步骤7）、上传移动端：将预处理后的影像、图层要素和设备分布图通过云端上传到移动端；
步骤8)、设备安置与埋设：根据移动端的GPS定位结合GIS地图将设备埋设到规划地点；
步骤9）、实时远程操作：根据移动端接收的各项数据，远程操作电子开关，完成对土壤墒情的远程监控。
2、根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤5）要素绘制满足下述要求：
51）、道路要素采用面图层绘制，绘制研究区内的国、省、县、乡、村级道路及田间小路；
52）、水体要素采用面图层绘制，绘制研究区内的水塘水坑、小溪小河、水库湖泊；
53）居民地要素采用面图层绘制，绘制研究区内的居民区，以“集中画大圈，零散画小圈”为原则；
54）耕地要素采用面图层绘制，绘制研究区内的耕地。
3、根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤6）设备分布图规划和绘制方法如下：
61）、首先确定储水罐的位置。在靠近水体、水源丰富的地方选择储水罐的位置。储水罐的位置用点图层绘制；
62）、其次在耕地图层覆盖区域内规划布置滴灌水管的位置。滴灌水管避免贯穿于居民地图层，主线滴灌水管可贯穿于道路图层和水体图层并避免裸露在外，支线滴灌水管尽量避免贯穿于道路图层和水体图层且避免裸露在外。靠近水体的区域应布置少量的支线滴灌水管，靠近道路的区域应多布置支线滴灌水管。滴灌水管分布采用线图层绘制；
63）、再其次规划电子阀门开关的安装位置。在主线滴灌水管和支线滴灌水管连接处、支线滴灌水管和支线滴灌水管连接处设置电子阀门开关；
64）、最后规划监测仪器的安放位置。在耕地图层覆盖区域内规划监测仪器的安放位置，避免在靠近水体和滴灌水管区域选择，根据研究区耕地面积大小和局部土壤水分流失情况确定监测仪器的埋藏位置，监测仪器的安放位置用点图层绘制。
4、根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤8）埋设设备中的滴灌水管和电子阀门开关一同铺设到相应位置的地下，将监测仪器埋藏在规划地点，主线滴灌水管一端与储水罐相连接另一端向外延伸埋藏于地下，支线滴灌水管一端与主线滴灌水管一端相连接另一端向外延伸同样埋藏于地下。
5、根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤9）移动端接收的数据包括设备发送的GPS定位数据、土壤的温度数据和土壤的湿度数据；移动端在某一时刻收到的一组由某一个检测仪器传来的土壤温度和土壤湿度数据，代表该监测仪器检测范围内的实时墒情。
6、根据权利要求4所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤8）埋设设备中的滴灌水管、电子阀门和监测仪器在地下40cm深度之间平行埋设，所述监测仪器可以通过移动端设置阈值。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法具有监测信息准确、土壤墒情反馈及时准确、设备科学化铺设和可视化管理的优点。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法的结构框图；
图2是实施例的GIS图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法。
下面结合附图对本发明的内容作进一步说明：
本实施例以河南省商丘市宁陵县平落村为研究区。
步骤一、原始遥感影像获取：遵循原始遥感影像挑选原则，在高分二号遥感影像数据中筛选出包含河南省商丘市宁陵县平落村行政界线内的全部研究区的一景影像，原始遥感影像挑选原则为：
1）空间分辨率优于1m。
2）最近成相时间。
3）研究区没有云团遮挡。
4）影像清晰、层次丰富、色调均匀、反差适中。
5）数据文件无丢失。
步骤二、裁剪研究区：步骤一获得的原始影像占用内存为576M，且平落村以外的大部分区域不是本次的研究区。为了避免其他区域对研究区的干扰、保证精准作业、提高效率，把遥感影像和平落村的行政区界限套合，用软件把其他区域裁剪掉，只保留平落村行政界线以内的区域。保留下来的就是本次研究区。
步骤三、遥感影像预处理：对上述步骤二获得的研究区影像进行预处理，预处理主要包括正射校正、融合。经过软件对影像的预处理，能得到分辨率为0.8米的多光谱影像。
步骤四、坐标系转换：高分二号遥感卫星的原始坐标系是WGS-84，属于经纬度坐标，是地理坐标系，其单位为度、分、秒。为了使用方便，用ArcMap软件把步骤三获得的经过预处理后的影像的坐标系转换成国内常用投影坐标系——国家2000高斯投影坐标系，其单位为米。
坐标系转换前先根据研究区所在经度计算其高斯投影3度带的带号，再根据高斯投影3度带的带号计算其所在带号的中央经线。
研究区经度处于东经115°左右，按照N=L/3 （四舍五入）的计算公式可求研究区所在高斯投影3度带的带号为38带。其中N代表所求高斯投影3度的带号，L代表研究区所在经度。即115°/3=38.33333°，38.33333°四舍五入为38°，求得研究区所在高斯投影3度带的带号为38带。
根据所在高斯投影3度带的带号，按照L0=3N的计算公式可求研究区所在高斯投影3度带38带的中央经线为114°。其中N代表所在高斯投影3度带的带号，L0代表所在高斯投影3度带某带的中央经线。即3*38°=114°，求得研究区所在高斯投影3度带38带的中央经线为114°。
利用ArcMap软件的“投影栅格”工具将研究区影像的投影坐标设置为：CGCS_2000_3_Degree_GK_CM_114E。其中CGCS_2000代表国家2000大地坐标系，3_Degree_GK_CM代表高斯投影3度带，114E代表中央经线为东经114°。
步骤五、勾勒要素：把步骤四经过坐标系转换的影像图做为底图参考，在软件里建立点、线、面要素图层，要素图层的坐标系与影像的坐标系保持一致，既CGCS_2000_3_Degree_GK_CM_114E坐标系。人工目视解译并按要素绘制要求勾画研究区内的道路、水体、居民地、耕地要素。如图2所示，要素绘制要求如下：
1）道路要素采用面图层绘制，绘制研究区内的国、省、县、乡、村级道路及田间小路。
2）水体要素采用面图层绘制，绘制研究区内的水塘水坑、小溪小河、水库湖泊。
3）居民地要素采用面图层绘制，绘制研究区内的居民区，以“集中画大圈，零散画小圈”为原则。
4）耕地要素采用面图层绘制，绘制研究区内的耕地。
步骤六、规划、绘制设备位置分布图：以步骤四经过坐标系转换的影像图做为底图参考，把步骤五中的道路、水体、居民地、耕地要素图层作为规划的重要依据。分析判断研究区的地形、地貌、要素等特点，按照规划、绘制设备位置分布图原则和方法确定出储水罐位置、滴灌水管的位置、电子阀门开关的位置、监测仪器的位置。把储水罐位置绘制进步骤五中建立的点图层里，把滴灌水管的位置绘制进骤五中建立的线图层里，把电子阀门开关的位置绘制进骤五中建立的点图层里、监测仪器的位置绘制进骤五中建立的点图层里。根据研究区耕地面积大小和局部土壤水分流失情况确定监测仪器的埋藏位置。如图2所示，规划、绘制设备位置分布图原则和方法如下：
1）首先确定储水罐的位置。在靠近水体、水源丰富的地方选择储水罐的位置。储水罐的位置用点图层绘制。
2）其次在耕地图层覆盖区域内规划布置滴灌水管的位置。滴灌水管避免贯穿于居民地图层，主线滴灌水管可贯穿于道路图层和水体图层并避免裸露在外，支线滴灌水管尽量避免贯穿于道路图层和水体图层且避免裸露在外。靠近水体的区域应布置少量的支线滴灌水管，靠近道路的区域应多布置支线滴灌水管。滴灌水管分布采用线图层绘制。
3）再其次规划电子阀门开关的安装位置。在主线滴灌水管和支线滴灌水管连接处、支线滴灌水管和支线滴灌水管连接处设置电子阀门开关。
4)最后规划监测仪器的安放位置。在耕地图层覆盖区域内规划监测仪器的安放位置，避免在靠近水体和滴灌水管区域选择，根据研究区耕地面积大小和局部土壤水分流失情况确定监测仪器的埋藏位置。这里平均每300平方米的区域内规划放置一个监测仪器且监测仪器均匀分布到整个耕地图层。监测仪器的安放位置用点图层绘制。
步骤七，上传移动端：把步骤四经过坐标系转换的影像图、步骤五获得的道路、水体、居民地、耕地要素图层、步骤六获得的设备位置分布图叠加后通过云端上传到移动端，形成GIS地图。叠加顺序从下到上依次为：影像图层、道路图层、居民地图层、水体图层、耕地图层、监测仪器图层、电子阀门开关图层、支线滴灌水管、主线滴灌水管、储水罐图层。如图2所示。
步骤八，设备安置与埋设：技术人员随身携带移动端，通过移动端对自身的定位结合步骤七上传到移动端的GIS地图把储水罐、主线滴灌水管、支线滴灌水管、电子阀门开关、监测仪器按规划位置放置或埋设。主线滴灌水管一端与储水罐相连接另一端向外延伸埋藏于地下，支线滴灌水管一端与主线滴灌水管一端相连接另一端向外延伸同样埋藏于地下。滴灌水管、电子阀门开关、监测仪器在地下40cm深度之间平行埋设。滴灌水管的埋藏深度在40cm时，能够使作物生长和水分利用达到最佳的效果。（40cm的埋管深度是引用于《农业工程学报》2001年11月第17卷第6期《地下滴灌埋管深度对冬小麦根冠生长及水分利用效率的影响》，作者：何华，康绍忠，曹红霞。文章编号：1002-6819（2001）06-0031-04。）
步骤九、实时远程操作：各单元安置或埋设完毕后开启工作模式，电子阀门开关和监测仪器通过云端连接移动端，电子阀门开关和监测仪器具备GPS定位功能，实时发送定位信息到移动端，监测仪器在发送定位的同时实时监测并发送土壤温度和土壤湿度数据到移动端。每个监测仪器的监测数据代表本监测仪器方圆300平方米的土壤温度和土壤湿度数据。技术人员接到移动端各个监测仪器传来的数据反馈后，根据作物在不同生长时期对土壤含水量的不同需求，通过移动端给监测仪器设置阈值，当监测仪器监测到的数据低于或高于阈值时发出警报信息到移动端。技术人员在移动端收到监测仪器发出的警报后，可在移动端给电子阀门开关下达“关闭”或“开启”的指令。当某一区域的监测仪器发出警报而其他监测仪器数据正常时，技术人员可选择打开或关闭通向该监测仪器方向上的电子阀门开关，只针对该区域的墒情进行调控。如电子阀门开关或监测仪器损坏，或需要挪动位置时，技术人员通过移动端的定位可迅速、准确的找到设备的位置。
根据上述具体实施方式可见，本发明提供的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法具有监测信息准确、土壤墒情反馈及时准确、设备科学化铺设和可视化管理的优点。
Claims (6)
1.一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：包括下述步骤:
步骤1）、原始遥感影像获取：影像的挑选原则为,空间分辨率优于1m，选择最新一次的成相影像，研究区没有云团遮挡，影像清晰、层次丰富、色调均匀、反差适中，数据文件完整；
步骤2）、裁剪遥感影像：裁减掉研究区域以外的遥感影像；
步骤3）、遥感影像预处理：预处理过程包括正射校正和融合；
步骤4）、坐标系转换：将预处理后的影像转换成国内常用的国家2000高斯-克吕格投影坐标系；
步骤5）、勾勒要素：转换过的影像图作为底图，建立要素图层人工目视解译并勾画道路、水体、居民区、耕地要素；
步骤6）、规划、绘制设备位置分布图：参考步骤4）和步骤5）进行规划和绘制设备分布图，所述设备包括储水罐、滴灌水管、电子阀门开关和监测仪器；
步骤7）、上传移动端：将预处理后的影像、图层要素和设备分布图通过云端上传到移动端；
步骤8)、设备安置与埋设：根据移动端的GPS定位结合GIS地图将设备埋设到规划地点；
步骤9）、实时远程操作：根据移动端接收的各项数据，远程操作电子开关，完成对土壤墒情的远程监控。
2.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤5）要素绘制满足下述要求：
51）、道路要素采用面图层绘制，绘制研究区内的国、省、县、乡、村级道路及田间小路；
52）、水体要素采用面图层绘制，绘制研究区内的水塘水坑、小溪小河、水库湖泊；
53）居民地要素采用面图层绘制，绘制研究区内的居民区，以“集中画大圈，零散画小圈”为原则；
54）耕地要素采用面图层绘制，绘制研究区内的耕地。
3.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤6）设备分布图规划和绘制方法如下：
61）、首先确定储水罐的位置：在靠近水体、水源丰富的地方选择储水罐的位置，储水罐的位置用点图层绘制；
62）、其次在耕地图层覆盖区域内规划布置滴灌水管的位置：滴灌水管避免贯穿于居民地图层，主线滴灌水管可贯穿于道路图层和水体图层并避免裸露在外，支线滴灌水管尽量避免贯穿于道路图层和水体图层且避免裸露在外，靠近水体的区域应布置少量的支线滴灌水管，靠近道路的区域应多布置支线滴灌水管，滴灌水管分布采用线图层绘制；
63）、再其次规划电子阀门开关的安装位置：在主线滴灌水管和支线滴灌水管连接处、支线滴灌水管和支线滴灌水管连接处设置电子阀门开关；
64）、最后规划监测仪器的安放位置：在耕地图层覆盖区域内规划监测仪器的安放位置，避免在靠近水体和滴灌水管区域选择，根据研究区耕地面积大小和局部土壤水分流失情况确定监测仪器的埋藏位置，监测仪器的安放位置用点图层绘制。
4.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤8）埋设设备中的滴灌水管和电子阀门开关一同铺设到相应位置的地下，将监测仪器埋藏在规划地点，主线滴灌水管一端与储水罐相连接另一端向外延伸埋藏于地下，支线滴灌水管一端与主线滴灌水管一端相连接另一端向外延伸同样埋藏于地下。
5.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤9）移动端接收的数据包括设备发送的GPS定位数据、土壤的温度数据和土壤的湿度数据；移动端在某一时刻收到的一组由某一个检测仪器传来的土壤温度和土壤湿度数据，代表该监测仪器检测范围内实时墒情。
6.根据权利要求4所述的一种基于3S技术的土壤墒情远程实时监控方法，其特征在于：所述步骤8）埋设设备中的滴灌水管、电子阀门和监测仪器在地下40cm深度之间平行埋设，所述监测仪器可以通过移动端设置阈值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105638387A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 嵊州市意海电机配件厂 | 一种配有水泵的节水灌溉施工方法 |
| CN108805364A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 扬州大学 | 一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法 |
| CN108959661A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-12-07 | 安徽大学 | 一种基于3s技术的土壤养分等级分类图生成方法及其精度评价方法 |
| CN109287187A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-02-01 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 一种基于卫星遥感图像的植被恢复系统及其监测方法 |
-
2019
- 2019-03-28 CN CN201910245651.XA patent/CN110244018A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105638387A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 嵊州市意海电机配件厂 | 一种配有水泵的节水灌溉施工方法 |
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| CN109287187A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-02-01 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 一种基于卫星遥感图像的植被恢复系统及其监测方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 程帅: "基于智能算法与GIS的灌溉水资源多目标优化配置", 《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）》 * |
| 蒋明等: "高分辨率遥感影像在土壤环境质量监测点位布设中的应用", 《环境监测管理与技术》 * |
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