CN115500244B - 一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法及系统，该方法包括确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度；确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度；对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图；根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
Description
技术领域
本发明涉及农业信息测定和农业灌溉技术领域，具体涉及一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法及系统。
背景技术
变量灌溉处方图是指用于控制喷灌机行走速度和每个管理区内特定灌水深度的一套编码指令，是根据田间水分亏缺空间变异性实施适量适位精准水分管理的方法。将田块依据水分亏缺空间分布图划分为不同管理区则是生成变量灌溉处方图的基础。
目前，水分亏缺空间分布图的获取方法主要包括三种类型，一是通过网格取样法获取表征土壤特性的散点值，二是利用地面机载式传感器系统获取冠层温度或土壤电导率的线性分布散点值，三是利用无人机机载相机获取大量高分辨率(例如，在120m的限飞高度内，无人机热成像相机的分辨率约10cm/像素)的冠层温度或植被指数等参数的散点值。基于前两种方法获取散点值后，需借助ArcGIS软件中的插值工具获得水分亏缺空间分布图，无人机机载系统获取的大量单张照片则需通过专业拼图软件直接生成水分亏缺空间分布图。与网格取样法和地面机载式传感器系统获取的水分亏缺空间分布图具有较高的聚类性相比，无人机机载系统获取的水分亏缺空间分布图则存在大量数值离散化现象，难以进行管理区单元的划分。
由于水分亏缺空间分布图的获取方法不同，难以实现在同一共用的控制平台下实现对不同获取方法得到的水分亏缺空间分布图进行合理的管理区划分，进而完成变量灌溉管理决策支持系统的标准化开发与应用。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法及系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提出了一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法，包括以下步骤：
根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度；
根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度；
根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图；
根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种适用于不同数据来源的变量灌溉管理分区方法和变量灌溉处方图生成方法，为变量灌溉管理决策支持系统的标准化开发与应用提供了基础平台。
可选择地，所述根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，具体为：
根据喷灌机喷头间距和最大喷头的喷洒半径计算变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，计算公式为
d＝s×ROUNDUP(rmax/s,0)
其中，d为变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，s为喷灌机喷头间距，rmax为最大喷头的喷洒半径，ROUNDUP(·)为靠近零值向上舍入函数。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种喷头等间距布置方式下，沿喷灌机桁架方向的变量灌溉管理区最小长度确定方法，保证了变量灌溉管理时沿喷灌机桁架方向的灌水均匀性。
可选择地，所述根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，具体为：
根据喷灌机距离中心支轴最远端喷头的喷洒半径和该喷头距离中心支轴的距离计算变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，计算公式为
其中，θ为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，r为距离中心支轴最远端喷头的喷洒半径，L为距离中心支轴最远端喷头与中心支轴的距离。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案综合考虑喷灌机整机喷洒范围，提供了沿喷灌机行走方向的最小角度确定方法，保证了变量灌溉管理时沿喷灌机行走方向的灌水均匀性。
可选择地，所述根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图，具体包括：
以喷灌机中心支轴为圆心，沿喷灌机桁架方向对变量灌溉管理区等间距绘制第一数量的圆环；
沿喷灌机行走方向，对变量灌溉管理区等角度绘制第二数量的半径；
根据绘制的第一数量的圆环和第二数量的半径将变量灌溉管理区划分为第一数量与第二数量乘积数量的最小管理分区。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种能够保证变量灌溉管理时每个最小单元管理区内灌水均匀性的条件下，可以获得的管理区数量最大值。
可选择地，所述第一数量的计算公式为：
n＝ROUNDDOWN(m/d,0)
其中，n为第一数量，m为喷灌机喷头总数量，d为变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，ROUNDDOWN(·)为靠近零值向下舍入函数。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案在保证每个管理区内灌水均匀性的条件下，提供了一种沿喷灌机桁架方向获取最大管理区数量的方法。
可选择地，所述第二数量的计算公式为：
k＝ROUNDDOWN(α/θ,0)
其中，k为第二数量，α为喷灌机控制面积对应的行走角度，θ为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，ROUNDDOWN(·)为靠近零值向下舍入函数。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案在保证每个管理区内灌水均匀性的条件下，提供了一种沿喷灌机行走方向获取最大管理区数量的方法。
可选择地，所述根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图，具体包括：
根据喷灌机整个控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，计算两次灌水时间间隔内的作物耗水量，作为变量灌溉管理时的基础灌水量；
根据无人机热成像系统获取的田间冠层温度图像生成作物水分亏缺空间分布图；
以变量灌溉管理分区图作为底图，将作物水分亏缺空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
根据各个最小管理分区的水分亏缺指标值的平均值进行聚类，将每一类水分亏缺指标值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种针对无人机热成像系统获取作物水分亏缺信息后生成变量灌溉处方图的方法，解决了无人机热成像系统因空间分辨率较高而无法进行变量灌溉管理分区的难题。
可选择地，所述根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图，具体包括：
根据喷灌机整个控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，计算两次灌水时间间隔内的作物耗水量，作为变量灌溉管理时的基础灌水量；
根据喷灌机机载式红外温度传感器系统获取冠层温度线性散点值生成作物水分亏缺空间分布图；
将作物水分亏缺空间分布图采用自然断点法进行分类，并以变量灌溉管理分区图作为底图，将作物水分亏缺空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
判断各个最小管理分区内是否均为同一类水分亏缺；若是，则将水分亏缺指标值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类计算对应最小管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种针对喷灌机机载式红外温度传感器系统的变量灌溉处方图生成方法，解决了基于冠层温度的水分亏缺指标进行插值后，因为沿喷灌机行走方向的采样密度远大于沿喷灌机桁架方向采样密度而引起的部分区域面积较小现象，难以进行管理区划分并确定灌水定额的难题。
可选择地，所述根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图，具体包括：
利用网格取样法获取土壤可利用水量，根据获取的土壤可利用水量生成土壤持水能力空间分布图；
将土壤持水能力空间分布图采用自然断点法进行分类，并以变量灌溉管理分区图作为底图，将土壤持水能力空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
将同一类土壤持水能力所占据的管理分区数量作为其控制面积范围，根据控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当任一类控制面积内的土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，根据灌水上限与测量的土壤含水率的差值计算对应控制面积范围内的灌水定额；
判断各个最小管理分区内是否均为同一类土壤持水能力；若是，则将对应控制面积范围内的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种针对网格取样法获取土壤持水能力后生成变量灌溉处方图的方法，解决了基于土壤可利用水量指标进行插值后，因为同一类型区域边界不规则而难于进行分区管理的难题。
第二方面，本发明还提出了一种应用上述方法的大型喷灌机变量灌溉处方图生成系统，包括：
最小长度确定模块，用于根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度；
最小角度确定模块，用于根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度；
变量灌溉管理分区图生成模块，用于根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图；
变量灌溉处方图生成模块，用于根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
上述方案具有的有益效果是：
上述方案提供了一种综合土壤、作物、大气、喷灌机信息实现变量灌溉管理的方法，解决了基于作物冠层温度水分亏缺信息难于判断灌水时间的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1中变量灌溉管理分区图的结构示意图；
图3为本发明实施例2中一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成系统的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法，包括以下步骤S1至S4：
S1、根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度；
在本发明的一个可选实施例中，目前国内外圆形喷灌机上安装的喷头主要有两种类型，一是R3000旋转喷头，喷洒半径7.6～11.3m，二是D3000散射喷头，喷洒半径2.45～6.1m，喷头布置多按照等间距设计，设计间距各厂家稍有不同，主要分布在2.0-2.9m，由于R3000喷头喷洒半径较大，为满足设计喷灌强度的要求，距离中心支轴最近的1～3跨喷头安装时一般不需遵循2.0-2.9m的间距设计，而是间隔布置，喷头间距为4.0-5.8m。由喷头间距和喷头喷洒半径可知，安装D3000散射喷头的圆形喷灌机灌水深度多为相邻2-3个喷头的水量分布叠加后共同作用结果，安装R3000旋转喷头的圆形喷灌机灌水深度则多为相邻2-6个喷头的水量分布叠加后共同作用结果。
由圆形喷灌机变量灌溉系统水力性能测试结果可知，相邻管理区因为灌水深度的不同，管理区间存在一定长度的过渡区，在沿喷灌机桁架方向，R3000喷头的过渡区长度为0-4m，D3000喷头的过渡区长度为3-6m，在沿喷灌机行走方向，过渡区长度不超过9m。因为过渡区内的灌水均匀度较低，因此管理区数量不宜过多。
因此，本发明根据喷灌机喷头间距和最大喷头的喷洒半径计算变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，计算公式为
d＝s×ROUNDUP(rmax/s,0)
其中，d为变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，s为喷灌机喷头间距，rmax为最大喷头的喷洒半径，ROUNDUP(·)为靠近零值向上舍入函数。
在本实施例中，对于R3000旋转喷头，管理区最小单元尺寸对应的沿喷灌机桁架方向的最小长度为6倍喷头间距，对于D3000散射喷头，管理区最小单元尺寸对应的沿喷灌机桁架方向的最小长度为4倍喷头间距。
S2、根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度；
在本发明的一个可选实施例中，喷灌机处于静止状态时，根据圆形喷灌机喷洒水量分布范围，喷洒范围可近似为以中心支轴为圆心的扇形，扇形角度可由距离中心支轴最远端的喷头喷洒半径和该喷头距离中心支轴的距离进行计算，计算得到的扇形角度即为管理区沿喷灌机行走方的最小角度。
因此本发明根据喷灌机距离中心支轴最远端喷头的喷洒半径和该喷头距离中心支轴的距离计算变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，计算公式为
其中，θ为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，r为距离中心支轴最远端喷头的喷洒半径，L为距离中心支轴最远端喷头与中心支轴的距离。特别地，综合考虑喷灌机运行角度最小控制精度2°，θ的最终取值选取为2°的整倍数。
S3、根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图；
在本发明的一个可选实施例中，本发明在沿喷灌机桁架方向，根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和喷灌机喷头总数量计算对变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向进行划分的圆环数量，即第一数量，其计算公式为：
n＝ROUNDDOWN(m/d,0)
其中，n为第一数量，m为喷灌机喷头总数量，d为变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，ROUNDDOWN(·)为靠近零值向下舍入函数。对于R3000喷头，d＝6s；对于D3000喷头，d＝4s，其中s为喷灌机喷头间距。若m不能被d整除，则最后一个圆环的长度为喷灌机整机长度。
在计算得到圆环数量后，以喷灌机中心支轴为圆心，沿喷灌机桁架方向对变量灌溉管理区等间距绘制第一数量的圆环；
然后再根据变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度和喷灌机控制面积对应的行走角度计算沿喷灌机行走方向进行划分的扇形数量，即第二数量，其计算公式为：
k＝ROUNDDOWN(α/θ,0)
其中，k为第二数量，α为喷灌机控制面积对应的行走角度，θ为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，ROUNDDOWN(·)为靠近零值向下舍入函数。若α不能被θ整除，则以α/k为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度。
在计算得到扇形数量后，沿喷灌机行走方向，对变量灌溉管理区等角度绘制第二数量的半径；
通过上述绘制的第一数量的圆环和第二数量的半径将变量灌溉管理区划分为第一数量与第二数量乘积数量的扇形圆环，即得到n×k个最小管理分区，如图2所示。
以三跨+悬臂圆形喷灌机为例，喷灌机长度为150m，喷头间距为2.5m，安装D3000散射喷头，喷灌机控制面积为全圆3600。经计算，管理区最小单元尺寸为10m，最小角度为6度，沿喷灌机桁架方向可以绘制的圆环数为15个，沿喷灌机行走方向，可以等分的扇形个数为60个，共有900个最小管理区。
S4、根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
在本发明的一个可选实施例中，本发明确定变量灌溉管理时的基础灌水量的方法为：
首先计算喷灌机整个控制面积内或不同管理区控制面积内的平均黏粒含量其计算公式为
其中，n为喷灌机整个控制面积内或不同管理区控制面积内选取的黏粒含量测点数量；Clayi为第i个测点的土壤黏粒含量。
然后在平均黏粒含量设定倍数(如1.1～1.2倍)的位置处选择不少于三处位置，将插针式实时传输土壤水分传感器布设在作物根区20～40cm深度；当土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，利用FAO-56推荐的Penman-Monteith方程和作物系数计算两次灌水时间间隔内的作物耗水量，作为变量灌溉管理时的基础灌水量I，其计算公式为：
I＝Kc×ET0
其中，I为基础灌水量；Kc为作物系数，采用FAO-56推荐值；ET0为参考作物蒸发蒸腾量，利用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式计算：
其中，Rn为作物表面净辐射；G为土壤热通量密度；T为2m高处每日平均气温；u2为2m处的风速；es为饱和水汽压；ea为实际水汽压；es-ea为饱和水汽压差；Δ为饱和水汽压曲线的斜率；γ为湿度计常数。
下面本发明针对无人机热成像系统获取的作物水分亏缺空间分布图、机载式传感器系统获取的作物水分亏缺空间分布图、以及网格取样法获取的土壤持水能力空间分布图生成变量灌溉处方图的方法分别进行详细说明。
在本实施例中，针对无人机热成像系统获取的作物水分亏缺空间分布图：
根据无人机热成像系统获取的田间冠层温度图像生成作物水分亏缺空间分布图；
以变量灌溉管理分区图作为底图，将作物水分亏缺空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
根据各个最小管理分区的水分亏缺指标值的平均值进行聚类，将每一类水分亏缺指标值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理分区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
具体而言，本发明利用无人机热成像系统获取多张田间冠层温度图片，然后在拼图软件中计算水分亏缺指标NRCT，其计算公式为：
其中，T为田间每个像元的冠层温度；Tmax为田间最高冠层温度；Tmin为田间最低冠层温度。
从而可以直接在拼图后获得离散程度较高的NRCT空间分布图。
本发明将n×k个扇形圆环形成的变量灌溉管理分区图作为底图，将NRCT空间分布图与底图按照坐标位置进行对应叠加；
然后将每个最小管理分区内的NRCT值分别计算平均值，然后将所有平均值按照k均值聚类法进行分类，分类数量一般选择为2～7类，每类有不同的NRCT值域范围。在同一类对应的管理分区内，将NRCT值域范围上下限的平均值与基础灌水量I的乘积作为对应类管理分区内的灌水定额；由所有管理分区内的灌水定额形成分布图。
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度θ内，由n个管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，其计算公式为：
其中，v为喷灌机行走速度，I0为喷灌机行走速度为100％时的灌水深度，Im为n个管理分区内的最大灌水定额。
然后根据其它n-1个管理分区内的灌水定额确定电磁阀占空比，即电磁阀打开时间占电磁阀开闭周期的百分比，其计算公式为：
其中，C为电磁阀占空比，Ii为n个管理分区内第i个管理分区的灌水定额，Im为n个管理分区内的最大灌水定额。
由上述方法生成的k个扇形管理分区内的喷灌机行走速度v和n×k个扇形圆环内的电磁阀占空比C构成的一套控制指令，结合所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，生成变量灌溉处方图。
在本实施例中，针对机载式传感器系统获取的作物水分亏缺空间分布图：
根据喷灌机机载式红外温度传感器系统获取冠层温度线性散点值生成作物水分亏缺空间分布图；
将作物水分亏缺空间分布图采用自然断点法进行分类，并以变量灌溉管理分区图作为底图，将作物水分亏缺空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
判断各个最小管理分区内是否均为同一类水分亏缺；若是，则将水分亏缺指标值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类计算对应最小管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
具体而言，本发明利用喷灌机机载式红外温度传感器系统获取冠层温度线性散点值，然后经时间尺度转化方程，将冠层温度统一转化至大气温度最高的时间点，计算所有散点位置的水分亏缺指标NRCT，其计算公式为
其中，T为田间每个像元的冠层温度；Tmax为田间最高冠层温度；Tmin为田间最低冠层温度。
然后经ArcGIS软件插值后生成聚类程度较高的NRCT空间分布图；
作为可选地，本发明也可以利用拖拉机机载式电导率系统获取土壤电导率线性散点值后，经ArcGIS软件插值后生成聚类程度较高的EC空间分布图。
本发明先将NRCT空间分布图或者EC空间分布图利用“Jenks”自然断点法分为2～7类，再将其与上述n×k个扇形圆环形成的变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行对应叠加。
判断各个最小管理分区内是否均为同一类水分亏缺；若是，则将对应最小管理分区内NRCT/EC值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类计算对应最小管理分区内的灌水定额；由所有管理分区内的灌水定额形成分布图。
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度θ内，由n个管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，其计算公式为：
其中，v为喷灌机行走速度，I0为喷灌机行走速度为100％时的灌水深度，Im为n个管理分区内的最大灌水定额。
然后根据其它n-1个管理分区内的灌水定额确定电磁阀占空比，即电磁阀打开时间占电磁阀开闭周期的百分比，其计算公式为：
其中，C为电磁阀占空比，Ii为n个管理分区内第i个管理分区的灌水定额，Im为n个管理分区内的最大灌水定额。
由上述方法生成的k个扇形管理分区内的喷灌机行走速度v和n×k个扇形圆环内的电磁阀占空比C构成的一套控制指令，结合所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，生成变量灌溉处方图。
在本实施例中，针对网格取样法获取的土壤持水能力空间分布图：
利用网格取样法获取土壤可利用水量，根据获取的土壤可利用水量生成土壤持水能力空间分布图；
将土壤持水能力空间分布图采用自然断点法进行分类，并以变量灌溉管理分区图作为底图，将土壤持水能力空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
将同一类土壤持水能力所占据的管理分区数量作为其控制面积范围，根据控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当任一类控制面积内的土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，根据灌水上限与测量的土壤含水率的差值计算对应控制面积范围内的灌水定额；
判断各个最小管理分区内是否均为同一类土壤持水能力；若是，则将对应控制面积范围内的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
具体而言，本发明利用网格取样法获取土壤可利用水量AWC后，经ArcGIS软件插值后生成聚类程度较高的AWC空间分布图。
然后将该分布图利用“Jenks”自然断点法分为2～7类，再将其与上述n×k个扇形圆环形成的变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行对应叠加，将同一类土壤持水能力占据的管理区数量作为其控制面积范围；
再计算平均黏粒含量其计算公式为：
其中，n为同一类管理分区控制面积内选取的黏粒含量测点数量；Clayi为第i个测点的土壤黏粒含量。
在平均黏粒含量设定倍数(如1.1～1.2倍)的位置处选择不少于三处位置，将插针式实时传输土壤水分传感器布设在作物根区20～40cm深度；当任一土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，根据控制面积范围内管理分区的灌水上限与测量的土壤含水率的差值计算对应控制面积范围内的灌水定额；
然后判断各个最小管理分区内是否均为同一类土壤持水能力AWC；若是，则将对应控制面积范围内的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；由所有管理分区内的灌水定额形成分布图。
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度θ内，由n个管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，其计算公式为：
其中，v为喷灌机行走速度，I0为喷灌机行走速度为100％时的灌水深度，Im为n个管理分区内的最大灌水定额。
然后根据其它n-1个管理分区内的灌水定额确定电磁阀占空比，即电磁阀打开时间占电磁阀开闭周期的百分比，其计算公式为：
其中，C为电磁阀占空比，Ii为n个管理分区内第i个管理分区的灌水定额，Im为n个管理分区内的最大灌水定额。
由上述方法生成的k个扇形管理分区内的喷灌机行走速度v和n×k个扇形圆环内的电磁阀占空比C构成的一套控制指令，结合所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，生成变量灌溉处方图。
实施例2
如图3所示，本发明还提出了一种应用实施例1所描述的方法的大型喷灌机变量灌溉处方图生成系统，包括：
最小长度确定模块，用于根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度；
最小角度确定模块，用于根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度；
变量灌溉管理分区图生成模块，用于根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图；
变量灌溉处方图生成模块，用于根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，具体为：
根据喷灌机喷头间距和最大喷头的喷洒半径计算变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，计算公式为
d＝s×ROUNDUP(rmax/s,0)
其中，d为变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，s为喷灌机喷头间距，rmax为最大喷头的喷洒半径，ROUNDUP(•)为靠近零值向上舍入函数；
根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，具体为：
根据喷灌机距离中心支轴最远端喷头的喷洒半径和该喷头距离中心支轴的距离计算变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，计算公式为
其中，θ为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，r为距离中心支轴最远端喷头的喷洒半径，L为距离中心支轴最远端喷头与中心支轴的距离；
根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图，具体包括：
以喷灌机中心支轴为圆心，沿喷灌机桁架方向对变量灌溉管理区等间距绘制第一数量的圆环；
沿喷灌机行走方向，对变量灌溉管理区等角度绘制第二数量的半径；
根据绘制的第一数量的圆环和第二数量的半径将变量灌溉管理区划分为第一数量与第二数量乘积数量的最小管理分区；
其中第一数量的计算公式为：
n＝ROUNDDOWN(m/d,0)
其中，n为第一数量，m为喷灌机喷头总数量，d为变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度，ROUNDDOWN(•)为靠近零值向下舍入函数；
第二数量的计算公式为：
k＝ROUNDDOWN(α/θ,0)
其中，k为第二数量，α为喷灌机控制面积对应的行走角度，θ为变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，ROUNDDOWN(•)为靠近零值向下舍入函数；
根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图，具体包括：
根据喷灌机整个控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，计算两次灌水时间间隔内的作物耗水量，作为变量灌溉管理时的基础灌水量；
根据无人机热成像系统获取的田间冠层温度图像生成作物水分亏缺空间分布图；
以变量灌溉管理分区图作为底图，将作物水分亏缺空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
根据各个最小管理分区的水分亏缺指标值的平均值进行聚类，将每一类水分亏缺指标值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
2.根据权利要求1所述的一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法，其特征在于，所述根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图，具体包括：
根据喷灌机整个控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，计算两次灌水时间间隔内的作物耗水量，作为变量灌溉管理时的基础灌水量；
根据喷灌机机载式红外温度传感器系统获取冠层温度线性散点值生成作物水分亏缺空间分布图；
将作物水分亏缺空间分布图采用自然断点法进行分类，并以变量灌溉管理分区图作为底图，将作物水分亏缺空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
判断各个最小管理分区内是否均为同一类水分亏缺；若是，则将水分亏缺指标值域范围上下限的平均值与基础灌水量乘积作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类计算对应最小管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
3.根据权利要求1所述的一种大型喷灌机变量灌溉处方图生成方法，其特征在于，所述根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图，具体包括：
利用网格取样法获取土壤可利用水量，根据获取的土壤可利用水量生成土壤持水能力空间分布图；
将土壤持水能力空间分布图采用自然断点法进行分类，并以变量灌溉管理分区图作为底图，将土壤持水能力空间分布图与变量灌溉管理分区图按照坐标位置进行叠加；
将同一类土壤持水能力所占据的管理分区数量作为其控制面积范围，根据控制面积内的平均黏粒含量在作物根区布置土壤水分传感器；
当任一类控制面积内的土壤水分传感器测量的土壤含水率达到灌水下限时开始灌溉，根据灌水上限与测量的土壤含水率的差值计算对应控制面积范围内的灌水定额；
判断各个最小管理分区内是否均为同一类土壤持水能力；若是，则将对应控制面积范围内的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；否则按照占比面积最大的水分亏缺类的灌水定额作为对应最小管理分区内的灌水定额；
在沿喷灌机行走方向的同一个扇形角度内，根据所有管理分区内的最大灌水定额确定喷灌机行走速度，并根据其它管理区内的灌水定额确定电磁阀占空比；
根据所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
4.一种应用权利要求1至3任一所述方法的大型喷灌机变量灌溉处方图生成系统，其特征在于，包括：
最小长度确定模块，用于根据喷灌机的喷头信息，确定变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度；
最小角度确定模块，用于根据喷灌机的喷洒水量分布范围，确定变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度；
变量灌溉管理分区图生成模块，用于根据变量灌溉管理区沿喷灌机桁架方向的最小长度和变量灌溉管理区沿喷灌机行走方向的最小角度，对变量灌溉管理区进行划分，生成变量灌溉管理分区图；
变量灌溉处方图生成模块，用于根据变量灌溉管理时的基础灌水量和生成的作物水分亏缺空间分布图或土壤持水能力空间分布图确定各个管理分区内的灌水定额，并由所有管理分区内的灌水定额形成的分布图，结合喷灌机行走速度和电磁阀脉冲占空比，生成变量灌溉处方图。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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