CN116530286A - 用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统及方法，涉及灌溉领域；该管理系统包括：农田管理模块、植株管理模块、水肥配置模块和灌溉管理模块；农田管理模块监测农田环境内的相关活动和数据；植株管理模块监测管理农田内农作物生长植株的生长态势和生长情况；水肥配置模块根据要求对水肥灌溉溶液进行配置运输；灌溉管理模块将对灌溉方法和灌溉水量进行计算处理，并按照灌溉策略进行灌溉；本发明快速识别了植株的种类和生长周期，做到了精准灌溉；按照灌溉任务需求调节灌溉水量，使用一个灌溉喷头即可对多个区域不同生长周期的不同植株进行灌溉，无需进行大幅度的角度调整，提高了灌溉的效率，减少了对喷头的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及灌溉领域，具体为用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统及方法。
背景技术
生态高标农田是指土地平整的高标准农田，具有设施完善、集中连片、土壤肥沃和生态良好等特点，与现代化的农业生产方式相适应，产量稳定；生态高标农田通常的作业方式为大农场机械化作业，机械化程度高，农业作业利用机械手段，在耕种的过程中，节约了人力劳动力资源，作业集成度高，生产效率提升大；生态高标农田更注重生态环保，致力于减少农业种植对环境的影响，对环境的保护提出了更高要求，因此对种植灌溉方式的要求也更高；
水肥一体化是将灌溉和施肥融为一体的农业新技术，将兑配的肥液和灌溉用水一起通过管道运输，供水供肥；通过滴灌喷头将水肥溶液和灌溉用水进行喷洒，浸润作物发育生长区域，供给农作物植株，避免了水肥溶液人工灌溉造成灌溉不均和漫灌浪费，杜绝了过量施肥造成的水体污染问题，实现了精细量化灌溉，保证了灌溉的效果和效率，提高了农作物的产量；
在进行灌溉时，高标农田内不同区域种植的农作物种类不同，所需的水肥溶液浓度也不相同，分区域多次进行灌溉费时费力，工作效率低下，并且浪费时间，对设备损耗大，现提出用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统及方法，来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统及方法来解决上述背景技术中提出的问题，通过检测农田种植植株种类，配置相对于的水肥溶液，优化灌溉策略，来提升灌溉效率和灌溉效果。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案，用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，该管理系统包括：农田管理模块、植株管理模块、水肥配置模块和灌溉管理模块；
所述农田管理模块监测农田环境内的机械作业的相关活动和数据，量化种植区域农业设施相关数据和农田土地相关属性；所述植株管理模块监测管理农田内农作物生长植株的生长态势和生长情况，识别农作物的种类和数量；所述水肥配置模块根据要求对水肥灌溉溶液进行配置，并通过指定渠道进行运输；所述灌溉管理模块将对灌溉方法和灌溉水量进行计算处理，并按照灌溉策略进行灌溉；
通过对农田设施和种植作物进行管理，对农田设备运转情况进行监测，对作物生长情况进行监测管理，及时得到种植相关情况和作物生长情况；通过对农田环境的监测了解，适应性地针对地形条件，农田种植区域特性，调整灌溉策略，使得农田内土壤含水量均匀，达到种植植株所需水肥要求；
进一步的，所述农田管理模块包括土壤监测单元、湿度监测单元、地形管理单元；所述土壤监测单元通过传感器获取土壤属性特点，检测土壤酸碱度、矿物质含量、含水量和有机质含量，监测土壤属性变化，根据土壤属性，确定适宜的植株种植种类，并在每次耕种结束后上传土壤数据，对退化土壤进行警戒并处理；所述湿度监测单元通过湿度传感器监测农田土壤环境的湿度和空气中的湿度，获得数据后，根据湿度条件进行判别，预警干燥干旱环境；所述地形管理单元定位当前高标农田地理位置，从数据库中捕获农田的地形特征，记录农田的方位、梯度变化和海拔高度；
进一步的，所述植株管理模块包括图像识别单元、数据存储单元和异常单元；所述图像识别单元通过摄像仪识别农田区域中的农作物植株，判断农作物植株种类，并将相同相邻的农作物植株所在区域进行划分，归为同一类，标记所在区域；所述数据存储单元将图像识别得到的数据进行存储，存储植株种类、植株数量、植株所在区域信息和区域大小信息；所述异常单元根据图像识别结果，判断图像识别过程中是否出现错误，图像识别出现坏点和黑点，说明图像识别的摄像仪出现故障，此时将故障上报维修，检索图像识别的数据，若数据传输异常，导致未能按照指定格式传输数据，数据完整度受损，将受损数据段打包上传，进行数据修正，对不能修正的数据，上报工作人员进行排查，使得图像识别过程可控，提高图像识别的准确率，对摄像仪的工作状态进行了监控，及时发现摄像仪设备的异常，进行相应的检修；
进一步的，所述水肥配置模块包括配置单元、元素管理单元、反应管理单元和计量单元；所述配置单元根据施肥土壤和施肥植株对象的性质，从数据库中检索对应的水肥配置溶液清单，确定水肥配置的元素比，根据酸碱度调节要求，加入其他元素调节PH值，如石灰和草木灰；所述元素管理单元将元素按照比例进行配置，确定每个元素的数量；所述反应管理单元控制水肥溶液进行反应的时间和温度，监测反应效果，设置配置水肥溶液的方式，包括但不限于加热、搅拌、冷却和注入气体等；所述计量单元对放入水肥溶液的各元素含量进行记录，并记录水肥溶液的质量，水肥溶液配置的相关操作数据，量化水肥溶液，使得在后续灌溉管理中，能够通过精准的水肥溶液数据进行相关灌溉策略的确定，合理地使用水肥溶液；
进一步的，所述灌溉管理模块包括灌溉策略单元、水压调节单元、水肥调控单元和喷头管理单元；所述灌溉策略单元根据要浇灌的区域和植株特点确定需要灌溉的量和进行灌溉的喷头；所述水压调节单元根据每次进行喷灌的长度，动态地调节水压，使得喷灌距离覆盖喷灌区域；所述水肥调控单元根据每次灌溉所需的水肥溶液进行调整控制，切换水肥溶液接口，快速喷灌对应的水肥溶液；所述喷头管理单元根据灌溉任务，控制选定的喷头，设置喷头转动的角度，对应的俯仰角，并设置喷灌次数和喷灌时长，并选定每次喷灌的水肥溶液种类；使得对不同生长周期的农作物实现按需求灌溉，进行不同浓度的灌溉；
用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，包括下列步骤：
S1、识别植株种类，确定植株生长周期，确定相同种类的植株生长区域，标定区域和植株的关系；
S2、接收灌溉任务，确定需要灌溉的植株和灌溉区域，根据所处生长周期确定灌溉量；
S3、根据灌溉线路选择灌溉喷头，设定灌溉喷头浇灌角度和俯仰角；
S4、计算灌溉次数和每次灌溉的水肥溶液浓度，每次灌溉的喷灌量，调节水压；
进一步的，在步骤S1中，利用图像识别高标农田不同区域的植株种类，根据植株的形态确定植株的生长周期，扫描相同种类相同生长周期植株的种植范围，对区域进行标定；
S101、识别植株的特征点，如根茎、叶片和种粒等，对比数据库中植株种类的数据，确定植株的种类，引入CenterNet模型，对检测目标建立边界框中心点，并回归方向，使得扩散数据向一个方向聚拢，识别外观，定义边界框如下：
其中(Ym，Yn)对中心点进行了预测，(φm，φn)对偏移量进行了预测，(w，b)对尺寸进行了预测，R是常量，改变常量的值使得边界框大小可变，提高计算的精确度，通过旋转矩阵进行计算；建立边界框识别图像的特征点，通过添加对特征点框选的区域的预测，提高识别的精确度，同时在改变向量方向的基础上，不对向量大小进行改变，使得检测具备更多适用方向；同时在总的损失函数中引入角度损失函数Lgle，加入在角度回归上的损失，对不同角度上的植株，提高检测的准确性；
L＝LC+CsiLsi+CgleLgle
其中LC是中心点识别的损失，Lsi是偏移回归的损失，Csi和Cgle是系数常量，通常拟合得到；
S104、识别植株种类和植株生长周期后，基于检测结果，进行相同生长周期的同种植株的种植范围确认，并比较区域大小和位置；
进一步的，在步骤S2中，根据灌溉任务，接收数据识别需要灌溉的植株种类和灌溉区域，通过图像识别得到灌溉区域的植株的生长周期，确定灌溉所需的灌溉水肥溶液量；植物生长周期不同和种类不同，对水肥的需求也不相同，基于植物种类、植物生长周期和植株数量进行区域灌溉水肥溶液的计算，每块区域需要的水肥溶液灌溉量如下：
其中wv是水肥溶液蒸发强度，与水肥溶液的种类和所处环境的湿度、温度和风量有关，可通过软件1stOpt拟合，Pi是区域内植株的数量，通过图像识别检测的数据得到，PWi是当前生长周期植株的单株需水量，不同时期的不同种类植株需水量不同，可考据信息库中数据得到，Hu表示湿度，湿度越大，对灌溉量的需求越小，U是水肥溶液的浓度，每次灌溉若切换不同浓度的水肥溶液，则在计算中改变这一数据；
进一步的，在步骤S3中，根据灌溉线路选择灌溉喷头，设定灌溉喷头浇灌角度和俯仰角，通过转动喷头角度和改变俯仰角，确定灌溉的区域；首先根据灌溉区域Ij和每个区域的灌溉用水量Qi，确定灌溉路线，从灌溉水肥溶液浓度高区域到灌溉水肥溶液浓度低区域进行排列，放入有序数列FK＝{I1,I2,I3,···,Ij}，按照顺序检索，挑选地理位置相接壤的放入有序数列子集fK，直到将有序数列FK中所有的区域遍历结束，若有序数列中还剩下区域，则每个区域单独放入一个子集；按照子集个数设定灌溉任务个数，每次灌溉对子集中的区域进行灌溉；根据每个任务子集中的灌溉区域，选择相应的灌溉喷头进行作业，寻找距离子集排序第一个的区域最近的灌溉喷头作为对该子集内灌溉区域进行作业的喷头，根据子集内灌溉区域的个数，距离当前喷头的位置，调整喷头的转动角度和俯仰角，使得喷头能够完全覆盖所有需要灌溉的区域；根据灌溉区域的距离和大小调整喷头的供给，根据喷灌面积和喷灌距离和供水强度的关系，动态调节供水强度，来达到每次灌溉的要求；
灌溉面积和水压的关系如下：
其中SP是运输管道的截面面积，g是重力加速度，ρ是密度，A是常系数，Pwa是管道内水压，随着距离衰减，但是衰减程度低，对具体数值计算影响较小，通过常系数A拟合可以消除，Ir是供水强度，通过调节供水强度，可以动态地调整灌溉面积，覆盖在任务子集中的所有的灌溉区域；
进一步的，在步骤S4中，计算灌溉次数和每次灌溉的水肥溶液浓度，每次灌溉的喷灌量；根据灌溉区域不同的灌溉需求和灌溉区域距离喷头的距离，优化灌溉策略，确定灌溉的次数和每次灌溉的区域，根据灌溉总量要求计算每次灌溉的水肥溶液的浓度，以及每次灌溉的喷灌量；按照子集fK内的灌溉区域的顺序，检测每个区域内作物的种类和生长周期，每个区域内作物种类不同，所处的生长周期不同需求的水肥溶液浓度和水肥溶液灌溉总量都不相同，在喷灌任务执行的过程中，按照从高浓度到低浓度的水肥溶液浓度喷灌次序，进行喷灌，这样的喷灌顺序使得距离喷头较近的灌溉区域水肥溶液喷灌浓度高，距离较远的灌溉区域的水肥溶液喷灌浓度低，符合子集中灌溉区域的排序，无需进行大幅度的角度调整；有效地完成灌溉任务，根据每次灌溉任务进行灌溉次数，确定每次灌溉的水肥溶液的喷洒面积和灌溉用的水肥溶液的浓度，喷洒面积的调节根据供水强度来调节，切换阀门和管道来自适应每次喷灌的水肥溶液浓度需求；
设每次任务对n块灌溉区域进行灌溉n次灌溉，每块灌溉区域Ij所需的水肥总量为NIj，第n次灌溉的水肥溶液浓度最低，等同于距离最远的灌溉区域的灌溉水肥溶液浓度，第n-1次水肥溶液浓度等同于距离第二远的灌溉区域所需的水肥溶液浓度，以此类推，计算根据水肥溶液浓度计算每次灌溉需要的水肥溶液量。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明对植株进行的确认，快速识别了植株的种类，通过特征点比对，确认了植株的生长周期，实现了对农田内不同作物植株的快速精准识别，并且根据植株的数量和生长周期确定灌溉量，做到了精准灌溉；按照灌溉任务需求调节灌溉水量，调整俯仰角确定浇灌区域，并根据灌溉任务要求调节灌溉水量；使用一个灌溉喷头即可对多个区域不同生长周期的不同植株进行灌溉，无需进行大幅度的角度调整，提高了灌溉的效率，减少了对喷头的损耗。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统的模块组成示意图；
图2是用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，该管理系统包括：农田管理模块、植株管理模块、水肥配置模块和灌溉管理模块；
所述农田管理模块监测农田环境内的机械作业的相关活动数据，量化种植区域农业设施相关数据和农田土地相关属性；所述植株管理模块监测管理农田内农作物生长植株的生长态势和生长情况，识别农作物的种类和数量；所述水肥配置模块根据要求对水肥灌溉溶液进行配置，并通过指定渠道进行运输；所述灌溉管理模块将对灌溉方法和灌溉水量进行计算处理，并按照灌溉策略进行灌溉；
通过对农田设施和种植作物进行管理，对农田设备运转情况进行监测，对作物生长情况进行监测管理，及时得到种植相关情况和作物生长情况；通过对农田环境的监测了解，适应性地针对地形条件，农田种植区域特性，调整灌溉策略，使得农田内土壤含水量均匀，达到种植植株所需水肥要求；
所述农田管理模块包括土壤监测单元、湿度监测单元、地形管理单元；所述土壤监测单元通过传感器获取土壤属性特点，检测土壤酸碱度、矿物质含量、含水量和有机质含量，监测土壤属性变化，根据土壤属性，确定适宜的植株种植种类，并在每次耕种结束后上传土壤数据，对退化土壤进行警戒并处理；所述湿度监测单元通过湿度传感器监测农田土壤环境的湿度和空气中的湿度，获得数据后，根据湿度条件进行判别，预警干燥干旱环境；所述地形管理单元定位当前高标农田地理位置，从数据库中捕获农田的地形特征，记录农田的方位、梯度变化和海拔高度；
所述植株管理模块包括图像识别单元、数据存储单元和异常单元；所述图像识别单元通过摄像仪识别农田区域中的农作物植株，判断农作物植株种类，并将相同相邻的农作物植株所在区域进行划分，归为同一类，标记所在区域；所述数据存储单元将图像识别得到的数据进行存储，存储植株种类、植株数量、植株所在区域信息和区域大小信息；所述异常单元根据图像识别结果，判断图像识别过程中是否出现错误，图像识别出现坏点和黑点，说明图像识别的摄像仪出现故障，此时将故障上报维修，检索图像识别的数据，若数据传输异常，导致未能按照指定格式传输数据，数据完整度受损，将受损数据段打包上传，进行数据修正，对不能修正的数据，上报工作人员进行排查，使得图像识别过程可控，提高图像识别的准确率，对摄像仪的工作状态进行了监控，及时发现摄像仪设备的异常，进行相应的检修；
所述水肥配置模块包括配置单元、元素管理单元、反应管理单元和计量单元；所述配置单元根据施肥土壤和施肥植株对象的性质，从数据库中检索对应的水肥配置溶液清单，确定水肥配置的元素比，根据酸碱度调节要求，加入其他元素调节PH值，如石灰和草木灰；所述元素管理单元将元素按照比例进行配置，确定每个元素的数量；所述反应管理单元控制水肥溶液进行反应的时间和温度，监测反应效果，设置配置水肥溶液的方式，包括但不限于加热、搅拌、冷却和注入气体等；所述计量单元对放入水肥溶液的各元素含量进行记录，并记录水肥溶液的质量，水肥溶液配置的相关操作数据，量化水肥溶液，使得在后续灌溉管理中，能够通过精准的水肥溶液数据进行相关灌溉策略的确定，合理地使用水肥溶液；
所述灌溉管理模块包括灌溉策略单元、水压调节单元、水肥调控单元和喷头管理单元；所述灌溉策略单元根据要浇灌的区域和植株特点确定需要灌溉的量和进行灌溉的喷头；所述水压调节单元根据每次进行喷灌的长度，动态地调节水压，使得喷灌距离覆盖喷灌区域；所述水肥调控单元根据每次灌溉所需的水肥溶液进行调整控制，切换水肥溶液接口，快速喷灌对应的水肥溶液；所述喷头管理单元根据灌溉任务，控制选定的喷头，设置喷头转动的角度，对应的俯仰角，并设置喷灌次数和喷灌时长，并选定每次喷灌的水肥溶液种类；使得对不同生长周期的农作物实现按需求灌溉，进行不同浓度的灌溉。
实施例2：用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，包括下列步骤：在步骤S1中，利用图像识别高标农田不同区域的植株种类，根据植株的形态确定植株的生长周期，扫描相同种类相同生长周期植株的种植范围，对区域进行标定；
S101、识别植株的特征点，如根茎、叶片和种粒等，对比数据库中植株种类的数据，确定植株的种类，引入CenterNet模型，对检测目标建立边界框中心点，并回归方向，使得扩散数据向一个方向聚拢，识别外观，定义边界框如下：
其中(Ym，Yn)对中心点进行了预测，(φm，φn)对偏移量进行了预测，(w，b)对尺寸进行了预测，R是常量，改变常量的值使得边界框大小可变，提高计算的精确度，通过旋转矩阵进行计算；建立边界框识别图像的特征点，通过添加对特征点框选的区域的预测，提高识别的精确度，同时在改变向量方向的基础上，不对向量大小进行改变，使得检测具备更多适用方向；同时在总的损失函数中引入角度损失函数Lgle，加入在角度回归上的损失，对不同角度上的植株，提高检测的准确性；
L＝LC+CsiLsi+CgleLgle
其中LC是中心点识别的损失，Lsi是偏移回归的损失，Csi和Cgle是系数常量，通常拟合得到；
S102、引入特征选择模块，自适应地聚合方向和边界信息，使用具有不同卷积核的旋转卷积层提取多重属性，引入注意力机制，扩展特征；优化检测头，使得识别针对不同种类的植株同样做出响应；
S103、确定植株种类后，扩展边界框个数，确定边界框与检测植株的相对位置，调取数据库中数据，通过图像对比植株相同位置特征点的相似度，比较确定植株所处的生长周期；
S104、识别植株种类和植株生长周期后，基于检测结果，进行相同生长周期的同种植株的种植范围确认，并比较区域大小和位置。
在步骤S2中，根据灌溉任务，接收数据识别需要灌溉的植株种类和灌溉区域，通过图像识别得到灌溉区域的植株的生长周期，确定灌溉所需的灌溉水肥溶液量；植物生长周期不同和种类不同，对水肥的需求也不相同，基于植物种类、植物生长周期和植株数量进行区域灌溉水肥溶液的计算，每块区域需要的水肥溶液灌溉量如下：
其中wv是水肥溶液蒸发强度，与水肥溶液的种类和所处环境的湿度、温度和风量有关，可通过软件1stOpt拟合，Pi是区域内植株的数量，通过图像识别检测的数据得到，PWi是当前生长周期植株的单株需水量，不同时期的不同种类植株需水量不同，可考据信息库中数据得到，Hu表示湿度，湿度越大，对灌溉量的需求越小，U是水肥溶液的浓度，每次灌溉若切换不同浓度的水肥溶液，则在计算中改变这一数据；
在步骤S3中，根据灌溉线路选择灌溉喷头，设定灌溉喷头浇灌角度和俯仰角，通过转动喷头角度和改变俯仰角，确定灌溉的区域；首先根据灌溉区域Ij和每个区域的灌溉用水量Qi，确定灌溉路线，从灌溉水肥溶液浓度高区域到灌溉水肥溶液浓度低区域进行排列，放入有序数列FK＝{I1,I2,I3,···,Ij}，按照顺序检索，挑选地理位置相接壤的放入有序数列子集fK，直到将有序数列FK中所有的区域遍历结束，若有序数列中还剩下区域，则每个区域单独放入一个子集；按照子集个数设定灌溉任务个数，每次灌溉对子集中的区域进行灌溉；根据每个任务子集中的灌溉区域，选择相应的灌溉喷头进行作业，寻找距离子集排序第一个的区域最近的灌溉喷头作为对该子集内灌溉区域进行作业的喷头，根据子集内灌溉区域的个数，距离当前喷头的位置，调整喷头的转动角度和俯仰角，使得喷头能够完全覆盖所有需要灌溉的区域；根据灌溉区域的距离和大小调整喷头的供给，根据喷灌面积和喷灌距离和供水强度的关系，动态调节供水强度，来达到每次灌溉的要求；
灌溉面积和水压的关系如下：
其中SP是运输管道的截面面积，g是重力加速度，ρ是密度，A是常系数，Pwa是管道内水压，随着距离衰减，但是衰减程度低，对具体数值计算影响较小，通过常系数A拟合可以消除，Ir是供水强度，通过调节供水强度，可以动态地调整灌溉面积，覆盖在任务子集中的所有的灌溉区域；
在步骤S4中，计算灌溉次数和每次灌溉的水肥溶液浓度，每次灌溉的喷灌量；根据灌溉区域不同的灌溉需求和灌溉区域距离喷头的距离，优化灌溉策略，确定灌溉的次数和每次灌溉的区域，根据灌溉总量要求计算每次灌溉的水肥溶液的浓度，以及每次灌溉的喷灌量；按照子集fK内的灌溉区域的顺序，检测每个区域内作物的种类和生长周期，每个区域内作物种类不同，所处的生长周期不同需求的水肥溶液浓度和水肥溶液灌溉总量都不相同，在喷灌任务执行的过程中，按照从高浓度到低浓度的水肥溶液浓度喷灌次序，进行喷灌，这样的喷灌顺序使得距离喷头较近的灌溉区域水肥溶液喷灌浓度高，距离较远的灌溉区域的水肥溶液喷灌浓度低，符合子集中灌溉区域的排序，无需进行大幅度的角度调整；有效地完成灌溉任务，根据每次灌溉任务进行灌溉次数，确定每次灌溉的水肥溶液的喷洒面积和灌溉用的水肥溶液的浓度，喷洒面积的调节根据供水强度来调节，切换阀门和管道来自适应每次喷灌的水肥溶液浓度需求；
设每次任务对n块灌溉区域进行灌溉n次灌溉，每块灌溉区域Ij所需的水肥总量为NIj，第n次灌溉的水肥溶液浓度最低，等同于距离最远的灌溉区域的灌溉水肥溶液浓度，第n-1次水肥溶液浓度等同于距离第二远的灌溉区域所需的水肥溶液浓度，以此类推，计算根据水肥溶液浓度计算每次灌溉需要的水肥溶液量。
实施例3
确定灌溉所需的灌溉水肥溶液量；
Q1＝250
Q2＝200
Q3＝300
首先根据灌溉区域Ij和每个区域的灌溉用水量Qi，确定灌溉路线，从灌溉水肥溶液浓度高区域到灌溉水肥溶液浓度低区域进行排列，放入有序数列FK＝{I3,I1,I2}，按照顺序检索，挑选地理位置相接壤的放入有序数列子集fK，I3和I1地理位置接壤，f1＝{I3,I1}，f2＝{I2}，对f1内的两个灌溉区域进行同一批次的灌溉，转动角度和俯仰角，第一次喷灌浓度调整至I1区域内的植株所需水肥溶液浓度，灌溉水肥溶液量为250，第二次喷灌调整至I3区域内的植株所需水肥溶液浓度，灌溉水肥溶液量为300。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，其特征在于：该管理系统包括农田管理模块、植株管理模块、水肥配置模块和灌溉管理模块；
所述农田管理模块监测农田环境内的机械作业的数据，量化种植区域农业设施相关数据和农田土地相关属性；所述植株管理模块监测管理农田内农作物生长植株的生长态势和生长情况，识别农作物的种类和数量；所述水肥配置模块根据要求对水肥灌溉溶液进行配置，并通过指定渠道进行运输；所述灌溉管理模块将对灌溉方法和灌溉水量进行计算处理，并按照灌溉策略进行灌溉。
2.根据权利要求1所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，其特征在于：所述农田管理模块包括土壤监测单元、湿度监测单元、地形管理单元；所述土壤监测单元通过传感器获取土壤属性特点，检测土壤酸碱度、矿物质含量、含水量和有机质含量，监测土壤属性变化，根据土壤属性，确定植株种植种类，并在每次耕种结束后上传土壤数据，对退化土壤进行警戒并处理；所述湿度监测单元通过湿度传感器监测农田土壤环境的湿度和空气中的湿度，获得数据后，根据湿度条件进行判别，预警干燥干旱环境；所述地形管理单元定位当前高标农田地理位置，从数据库中捕获农田的地形特征，记录农田的方位、梯度变化和海拔高度。
3.根据权利要求1所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，其特征在于：所述植株管理模块包括图像识别单元、数据存储单元和异常单元；所述图像识别单元通过摄像仪识别农田区域中的农作物植株，判断农作物植株种类，并将相同相邻的农作物植株所在区域进行划分，归为同一类，标记所在区域；所述数据存储单元将图像识别得到的数据进行存储，存储植株种类、植株数量、植株所在区域信息和区域大小信息；所述异常单元根据图像识别结果，判断图像识别过程中是否出现错误，和故障，将故障上报维修，检索图像识别的数据，若数据传输异常，导致未能按照指定格式传输数据，数据完整度受损，将受损数据段打包上传，进行数据修正，对不能修正的数据，上报工作人员进行排查。
4.根据权利要求1所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，其特征在于：所述水肥配置模块包括配置单元、元素管理单元、反应管理单元和计量单元；所述配置单元根据施肥土壤和施肥植株对象的性质，从数据库中检索对应的水肥配置溶液清单，确定水肥配置的元素比，根据酸碱度调节要求，加入元素调节PH值；所述元素管理单元将元素按照比例进行配置，确定每种元素的含量；所述反应管理单元控制水肥溶液进行反应的时间和温度，监测反应效果，设置配置水肥溶液的方式；所述计量单元对放入水肥溶液的各元素含量进行记录，并记录水肥溶液的质量，水肥溶液配置的相关操作数据，量化水肥溶液。
5.根据权利要求1所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理系统，其特征在于：所述灌溉管理模块包括灌溉策略单元、水压调节单元、水肥调控单元和喷头管理单元；所述灌溉策略单元根据要浇灌的区域和植株特点确定需要灌溉的量和进行灌溉的喷头；所述水压调节单元根据每次进行喷灌的长度，动态地调节水压，使得喷灌距离覆盖喷灌区域；所述水肥调控单元根据每次灌溉所需的水肥溶液进行调整控制，切换水肥溶液接口，快速喷灌对应的水肥溶液；所述喷头管理单元根据灌溉任务，控制选定的喷头，设置喷头转动的角度，对应的俯仰角，并设置喷灌次数和喷灌时长，并选定每次喷灌的水肥溶液种类；使得对不同生长周期的农作物实现按需求灌溉，进行不同浓度的灌溉。
6.用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，包括下列步骤：S1、识别植株种类，确定植株生长周期，确定相同种类的植株生长区域，标定区域和植株的关系；
S2、接收灌溉任务，确定需要灌溉的植株和灌溉区域，根据所处生长周期确定灌溉量；
S3、根据灌溉线路选择灌溉喷头，设定灌溉喷头浇灌角度和俯仰角；
S4、计算灌溉次数和每次灌溉的水肥溶液浓度，每次灌溉的喷灌量，调节水压。
7.根据权利要求6所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，其特征在于：在步骤S1中，利用图像识别高标农田不同区域的植株种类，根据植株的形态确定植株的生长周期，扫描相同种类相同生长周期植株的种植范围，对区域进行标定；
S101、识别植株的特征点，对比数据库中植株种类的数据，确定植株的种类，引入模型，对检测目标建立边界框中心点，并回归方向，识别外观，定义边界框，建立边界框识别图像的特征点；同时在总的损失函数中引入角度损失函数Lgle，加入在角度回归上的损失；
L＝LC+CsiLsi+CgleLgle
其中LC是中心点识别的损失，Lsi是偏移回归的损失，Csi和Cgle是系数常量；
S102、引入特征选择模块，自适应地聚合方向和边界信息，使用具有不同卷积核的旋转卷积层提取多重属性，引入注意力机制，扩展特征；
S103、确定植株种类后，扩展边界框个数，确定边界框与检测植株的相对位置，调取数据库中数据，通过图像对比植株相同位置特征点的相似度，比较确定植株所处的生长周期；
S104、识别植株种类和植株生长周期后，基于检测结果，进行相同生长周期的同种植株的种植范围确认，并比较区域大小和位置。
8.根据权利要求6所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，其特征在于：在步骤S2中，根据灌溉任务，接收数据识别需要灌溉的植株种类和灌溉区域，通过图像识别得到灌溉区域的植株的生长周期，确定灌溉所需的灌溉水肥溶液量；植物生长周期不同和种类不同，对水肥的需求也不相同，基于植物种类、植物生长周期和植株数量进行区域灌溉水肥溶液的计算，每块区域需要的水肥溶液灌溉量如下：
其中wv是水肥溶液蒸发强度，与水肥溶液的种类和所处环境的湿度、温度和风量有关，Pi是区域内植株的数量，通过图像识别检测的数据得到，PWi是当前生长周期植株的单株需水量，根据信息库中数据得到，Hu表示湿度，U是水肥溶液的浓度。
9.根据权利要求6所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，其特征在于：在步骤S3中，根据灌溉线路选择灌溉喷头，设定灌溉喷头浇灌角度和俯仰角，通过转动喷头角度和改变俯仰角，确定灌溉的区域；首先根据灌溉区域Ij和每个区域的灌溉用水量Qi，确定灌溉路线，从灌溉水肥溶液浓度高区域到灌溉水肥溶液浓度低区域进行排列，放入有序数列FK＝{I1,I2,I3,···,Ij}，按照顺序检索，挑选地理位置相接壤的放入有序数列子集fK，直到将有序数列FK中所有的区域遍历结束，若有序数列中还剩下区域，则每个区域单独放入一个子集；按照子集个数设定灌溉任务个数，每次灌溉对子集中的区域进行灌溉；根据每个任务子集中的灌溉区域，选择相应的灌溉喷头进行作业，寻找距离子集排序第一个的区域最近的灌溉喷头作为对该子集内灌溉区域进行作业的喷头，根据子集内灌溉区域的个数，距离当前喷头的位置，调整喷头的转动角度和俯仰角；根据灌溉区域的距离和大小调整喷头的供给，根据喷灌面积和喷灌距离和供水强度的关系，动态调节供水强度；
灌溉面积和水压的关系如下：
其中SP是运输管道的截面面积，g是重力加速度，ρ是密度，A是常系数，Pwa是管道内水压，随着距离衰减，通过常系数A拟合可以消除，Ir是供水强度，通过调节供水强度，动态地调整灌溉面积，覆盖在任务子集中的所有的灌溉区域。
10.根据权利要求6所述的用于生态高标农田下的水肥一体化灌溉管理方法，其特征在于：在步骤S4中，计算灌溉次数和每次灌溉的水肥溶液浓度，每次灌溉的喷灌量；根据灌溉区域不同的灌溉需求和灌溉区域距离喷头的距离，优化灌溉策略，确定灌溉的次数和每次灌溉的区域，根据灌溉总量要求计算每次灌溉的水肥溶液的浓度，以及每次灌溉的喷灌量；按照子集fK内的灌溉区域的顺序，检测每个区域内作物的种类和生长周期，在喷灌任务执行的过程中，按照从高浓度到低浓度的水肥溶液浓度喷灌次序，进行喷灌；根据每次灌溉任务进行灌溉次数，确定每次灌溉的水肥溶液的喷洒面积和灌溉用的水肥溶液的浓度，喷洒面积的调节根据供水强度来调节，切换阀门和管道来自适应每次喷灌的水肥溶液浓度需求；设每次任务对n块灌溉区域进行灌溉n次灌溉，每块灌溉区域Ij所需的水肥总量为NIj，第n次灌溉的水肥溶液浓度最低，等同于距离最远的灌溉区域的灌溉水肥溶液浓度，第n-1次水肥溶液浓度等同于距离第二远的灌溉区域所需的水肥溶液浓度，以此类推，计算根据水肥溶液浓度计算每次灌溉需要的水肥溶液量。
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