CN116686689B - 考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法、系统及介质。该方法包括：收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征；获取并以土壤‑作物‑大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差VPD的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型；根据作物叶片水势模型，确定土壤水势与VPD限制作用的平衡状态，确定随VPD变化的土壤水势动态阈值，再结合土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值，当土壤含水量降低到给定VPD对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。本发明能够同时考虑土壤含水量过低和VPD过高造成的作物水分胁迫，进而及时采取灌溉控制措施。
Description
技术领域
本发明属于农业灌溉的技术领域，具体涉及一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法、系统及介质。
背景技术
农业灌溉是保障干旱区或半干旱区农业生产力的重要农业生产活动，能够有效缓解农作物的水分胁迫，减轻农业干旱对作物的影响，提高作物产量。目前，农业灌溉管理大多基于农民自身经验，缺乏有效的科学灌溉指导。随着大数据和信息时代的发展，精准农业和智慧农业受到了高度关注，科学灌溉也慢慢受到大家重视。目前，基于土壤含水量的灌溉管理是最常用、最广泛认可的一种科学灌溉模式，主要通过土壤含水量是否降低到土壤含水量阈值来判断是否需要灌溉和灌溉水量；然而，在土壤-作物-大气连续体中，作物不仅受到土壤含水量过低时的胁迫，还会受到大气水汽含量过低（即饱和水汽压差过高）时的胁迫。目前基于土壤含水量的灌溉模式只考虑了土壤含水量过低对作物造成的影响，忽略了大气水汽含量过低对作物造成的影响，进而限制了农业节水灌溉效益。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法、系统及介质。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一个方面，提供了一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，包括以下步骤：
收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征；
获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据；
以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型：，其中/>为土壤水势，/>为作物叶片水势，VPD为大气饱和水汽压差；
根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值；
根据所述随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，以及由土壤类型确定土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值，当土壤含水量降低到给定大气饱和水汽压差对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。
作为优选的技术方案，所述研究区域地理包括经纬度和海拔高度，所述气候条件包括降雨、温度、湿度、风速以及辐射，所述土壤特性包括田间持水量、凋萎系数以及土壤水分特征曲线，其中，/>为土壤含水量，h为研究区域土壤水分特征曲线函数；
基于中国气象局陆面数据同化系统数据、中国高分辨率国家土壤信息格网基本属性数据集，整理得到研究区域气象和土壤特性数据集。
作为优选的技术方案，所述获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和饱和大气水汽压差的日尺度数据，具体为：
通过模型-数据融合方法模拟得到土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据，通过模型率定或数据同化方法优化确定模型参数，其中模型率定选用作物蒸散发ET、作物生产力GPP或产量数据作为目标变量，选用回归系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE作为评价指标，进而率定作物模型相关参数，包括光合和呼吸作用的相关参数。
作为优选的技术方案，所述作物叶片水势模型通过土壤水势与叶片水势的影响、大气饱和水汽压差与叶片水势的影响确定，具体为：
，
其中，a1、a2、a3、a4和a5均为作物叶片水势模型参数，基于土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据，选用作物叶片水势的回归系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE作为评价指标，通过优化算法优化确定作物叶片水势模型参数。
作为优选的技术方案，所述优化算法包括遗传算法GA、SCE-UA单目标启发式优化算法，或者为多目标启发式优化算法，包括NSGA2、PA-DDS。
作为优选的技术方案，所述根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压变化的土壤水势动态阈值，具体为：
在给定不同大气饱和水汽压条件下，绘制土壤水势与叶片水势的散点图，使用分段线性拟合找出土壤水势与叶片水势变化趋势变化的转折点，并连接形成转折点线L；
点绘土壤水势和饱和水汽压差的二维散点图，叶片水势通过散点颜色表示；在此基础上，基于作物叶片水势模型，绘制作物叶片等势线图；
找出作物叶片等势线图与转折点线L最接近的等势线作为土壤和大气限制作用的平衡状态，最终得到一组随着大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，即，g为土壤水势动态阈值与大气饱和水汽压差之间的函数关系。
作为优选的技术方案，所述求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值，具体为：
基于土壤水势动态阈值，采用土壤水分特征曲线推求土壤含水量动态阈值θ threshold ，即。
作为优选的技术方案，启动灌溉时的灌溉水量I t 为将土壤含水量蓄满至田间持水量所需的水资源总量，具体为：
，
其中，为田间持水量；θ t 为研究区域某个时间段t的土壤含水量；VPD t 为研究区域某个时间段t的大气饱和水汽压差；θ threshold 为土壤含水量动态阈值；D为作物根系土壤层厚度；h为研究区域土壤水分特征曲线函数；g为土壤水势动态阈值与大气饱和水汽压差之间的函数关系。
本发明的另一个方面，还提供了一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制系统，应用于上述的一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，包括数据收集模块、作物叶片水势模型构建模块、土壤水势动态阈值确定模块、土壤含水量动态阈值确定模块以及灌溉控制模块：
所述数据收集模块用于收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征，并获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据；
所述作物叶片水势模型构建模块用于以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型：，其中/>为土壤水势，/>为作物叶片水势，VPD为大气饱和水汽压差；
所述土壤水势动态阈值确定模块用于根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值；
所述土壤含水量动态阈值确定模块用于根据所述随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，以及由土壤类型确定土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值；
所述灌溉控制模块用于当土壤含水量降低到给定大气饱和水汽压差对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。
本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）传统基于土壤含水量的灌溉方法通常只考虑土壤含水量过低时对作物造成的水分胁迫，本发明能够同时考虑土壤含水量过低和饱和水汽压差过高造成的作物水分胁迫，进而及时采取灌溉措施缓解作物水分胁迫；
（2）与传统基于土壤含水量的灌溉方法相比，本发明能够在不降低作物产量的条件下，节约农业灌溉用水量，从而提高农业效益，促进农业可持续发展。
附图说明
图1是本发明实施例一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法的流程图；
图2是本发明实施例一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制系统的结构示意图；
图3是本发明实施例的存储介质的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，包括：
步骤1，收集获取研究区域地理（经纬度、海拔高度）、气候条件（降雨、温度、湿度、风速、辐射）、土壤特性（田间持水量、凋萎系数、土壤水分特征曲线，其中θ为土壤含水量，h为研究区域土壤水分特征曲线函数）、作物种植类型和农田管理措施特征。
基于中国气象局陆面数据同化系统数据（CLDAS-V2.0）、中国高分辨率国家土壤信息格网基本属性数据集，整理得到研究区域气象和土壤特性数据集。
本步骤原始数据收集整理属于已有技术，在此不作赘述。
步骤2，获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势/>和大气饱和水汽压差VPD的日尺度数据。
本具体实施中采用作物模型模拟得到土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势/>和饱和大气水汽压差VPD的日尺度数据，主要借助模型-数据融合方法完成，例如通过模型率定或数据同化方法优化确定模型参数，提高模型模拟精度。
模型率定选用作物蒸散发ET、作物生产力GPP或作物产量数据作为目标函数，选用相关系数R2（即回归系数）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）作为评价指标，进而率定作物模型相关参数，包括光合和呼吸作用相关参数。
本步骤再分析或观测数据收集整理属于已有技术，在此不作赘述。
步骤3，以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势/>和大气饱和水汽压差日尺度VPD的数据为输入，构建作物叶片水势模型/>。
所述的作物叶片水势模型由土壤水势和大气饱和水汽压差对叶片水势的影响两部分构成，分别通过土壤水势与叶片水势、饱和水汽压差与叶片水势两部分影响确定。叶片水势与土壤水势和饱和水汽压差之间呈现非线性关系，优化确定作物叶片水势模型/>。
，
其中，a1、a2、a3、a4和a5均为作物叶片水势模型参数，基于土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据，选用作物叶片水势的回归系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE作为评价指标，通过优化算法优化确定作物叶片水势模型参数。
进一步的，所述优化算法包括遗传算法GA、SCE-UA单目标启发式优化算法，或者为多目标启发式优化算法，包括NSGA2、PA-DDS。
进一步的，所述作物叶片水势模型参数通过MATLAB中createFit函数优化确定。
步骤4，根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差VPD限制作用的平衡状态，确定随VPD变化的土壤水势动态阈值/>。
设定八个不同VPD取值下情景，VPD为0.5 kPa, 1.0 kPa, 1.5 kPa, 2.0 kPa,2.5 kPa, 3.0 kPa, 3.5 kPa, 4.0 kPa，分别绘制八个情景下土壤水势与叶片水势的散点图，使用分段线性拟合找出土壤水势与叶片水势变化趋势变化的转折点，并连接形成转折线L。
点绘土壤水势和饱和水汽压差的二维散点图，叶片水势通过散点颜色表示。在此基础上，基于作物叶片水势模型，绘制作物叶片等势线图。找出等势线图与转折点线L最接近的等势线，以此作为土壤和大气限制作用的平衡状态，最终得到一组随着大气饱和水汽压差VPD变化的土壤水势动态阈值/>，即，g为土壤水势动态阈值与大气饱和水汽压差之间的函数关系。
步骤5，基于土壤水分特征曲线和土壤和大气胁迫作用平衡状态中土壤水势，推求土壤含水量动态阈值，作为考虑土壤和大气协同胁迫作用的灌溉控制策略，进而进行灌溉控制决策管理。
基于土壤水势动态阈值，采用土壤水分特征曲线，推求土壤含水量动态阈值/>，即，并以此作为该方法农业灌溉控制策略中的土壤含水量动态阈值。
采用本方法进行农业灌溉控制管理时，灌溉时间的确定不仅需要考虑土壤含水量，还需要考虑饱和水汽压差VPD。
给定VPD条件，当土壤含水量降低到VPD对应的土壤含水量阈值（）时，才会启动灌溉；灌溉水量I t 是将土壤含水量蓄满至田间持水量所需的水资源总量，具体如下：
，
其中，为田间持水量；θ t 为研究区域某个时间段t的土壤含水量；VPD t 为研究区域某个时间段t的大气饱和水汽压差；θ threshold 为土壤含水量动态阈值；D为作物根系土壤层厚度；h为研究区域土壤水分特征曲线函数；g为土壤水势动态阈值与大气饱和水汽压差之间的函数关系。
如图2所示，在本申请的另一个实施例中，提供了一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制系统，包括数据收集模块、作物叶片水势模型构建模块、土壤水势动态阈值确定模块、土壤含水量动态阈值确定模块以及灌溉控制模块：
所述数据收集模块用于收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征，并获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据；
所述作物叶片水势模型构建模块用于以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型：，其中/>为土壤水势，/>为作物叶片水势，VPD为大气饱和水汽压差；
所述土壤水势动态阈值确定模块用于根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值；
所述土壤含水量动态阈值确定模块用于根据所述随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，以及由土壤类型确定土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值；
所述灌溉控制模块用于当土壤含水量降低到给定大气饱和水汽压差对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。
在此需要说明的是，上述实施例提供的系统仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，该系统还可应用于上述实施例的一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法。
如图3所示，在本申请的另一个实施例中，还提供了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述实施例的一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，具体为：
步骤1，收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征；
步骤2，获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据；
步骤3，以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型：，其中/>为土壤水势，为作物叶片水势，VPD为大气饱和水汽压差；
步骤4，根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值；
步骤5，根据所述随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，以及由土壤类型确定土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值，当土壤含水量降低到给定大气饱和水汽压差对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征；
获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据；
以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型：Ψleaf＝f(Ψsoil，VPD)，其中Ψsoil为土壤水势，Ψleaf为作物叶片水势，VPD为大气饱和水汽压差；
根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，具体为：
在给定不同大气饱和水汽压条件下，绘制土壤水势与叶片水势的散点图，使用分段线性拟合找出土壤水势与叶片水势变化趋势变化的转折点，并连接形成转折点线L；
点绘土壤水势和大气饱和水汽压差的二维散点图，叶片水势通过散点颜色表示；在此基础上，基于作物叶片水势模型Ψleaf＝f(Ψsoil，VPD)，绘制作物叶片等势线图；
找出作物叶片等势线图与转折点线L最接近的等势线作为土壤和大气限制作用的平衡状态，最终得到一组随着大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值Ψsoil，threshold，即Ψsoil，threshold＝g(VPD)，g为土壤水势动态阈值与大气饱和水汽压差之间的函数关系；
根据所述随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，以及由土壤类型确定土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值，当土壤含水量降低到给定大气饱和水汽压差对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。
2.根据权利要求1所述的考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，所述研究区域地理包括经纬度和海拔高度，所述气候条件包括降雨、温度、湿度、风速以及辐射，所述土壤特性包括田间持水量、凋萎系数以及土壤水分特征曲线Ψsoil＝h(θ)，其中，θ为土壤含水量，h为研究区域土壤水分特征曲线函数；
基于现有的公开的气象和土壤基本属性数据集，整理得到研究区域气候条件和土壤特性数据集。
3.根据权利要求1所述的考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，所述获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据，具体为：
通过模型-数据融合方法模拟得到土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据，通过模型率定或数据同化方法优化确定模型参数，其中模型率定选用作物蒸散发ET、作物生产力GPP或产量数据作为目标变量，选用回归系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE作为评价指标，进而率定作物模型相关参数，包括光合和呼吸作用的相关参数。
4.根据权利要求1所述的考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，所述作物叶片水势模型通过土壤水势与叶片水势的影响、大气饱和水汽压差与叶片水势的影响确定，具体为：
其中，a1、a2、a3、a4和a5均为作物叶片水势模型参数，基于土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据，选用作物叶片水势的回归系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE作为评价指标，通过优化算法优化确定作物叶片水势模型参数。
5.根据权利要求4所述的考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，所述优化算法包括遗传算法GA、SCE-UA单目标启发式优化算法，或者为多目标启发式优化算法，其中多目标启发式优化算法包括NSGA2、PA-DDS。
6.根据权利要求1所述的考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，所述求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值，具体为：
基于土壤水势动态阈值Ψsoil，thresnhold＝g(VPD)，采用土壤水分特征曲线θ＝h-1(Ψsoil)推求土壤含水量动态阈值θthreshold，即θthhreshold＝h-1(Ψsoil，threshold)＝h-1(g(VPD))。
7.根据权利要求1所述的考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，其特征在于，启动灌溉时的灌溉水量It为将土壤含水量蓄满至田间持水量所需的水资源总量，具体为：
其中，θfield为田间持水量；θt为研究区域某个时间段t的土壤含水量；VPDt为研究区域某个时间段t的大气饱和水汽压差；θthreshold为土壤含水量动态阈值；D为作物根系土壤层厚度；h为研究区域土壤水分特征曲线函数；g为土壤水势动态阈值与大气饱和水汽压差之间的函数关系。
8.一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制系统，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法，包括数据收集模块、作物叶片水势模型构建模块、土壤水势动态阈值确定模块、土壤含水量动态阈值确定模块以及灌溉控制模块：
所述数据收集模块用于收集研究区域地理、气候条件、土壤特性、作物种植类型和农田管理措施的特征，并获取土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据；
所述作物叶片水势模型构建模块用于以土壤-作物-大气连续体中土壤水势、作物叶片水势和大气饱和水汽压差的日尺度数据为输入，构建作物叶片水势模型：Ψleaf＝f(Ψsoil，VPD)，其中Ψsoil为土壤水势，Ψleaf为作物叶片水势，VPD为大气饱和水汽压差；
所述土壤水势动态阈值确定模块用于根据作物叶片水势模型，确定土壤水势限制作用与大气饱和水汽压差限制作用的平衡状态，确定随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值；
所述土壤含水量动态阈值确定模块用于根据所述随大气饱和水汽压差变化的土壤水势动态阈值，以及由土壤类型确定土壤水分特征曲线，求得土壤水势动态阈值对应的土壤含水量动态阈值；
所述灌溉控制模块用于当土壤含水量降低到给定大气饱和水汽压差对应的土壤含水量阈值时，启动灌溉。
9.一种存储介质，存储有程序，其特征在于：所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-7任一项所述的一种考虑土壤和大气双重胁迫作用的灌溉控制方法。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101799465A (zh) * | 2010-03-08 | 2010-08-11 | 天津工程师范学院 | 基于微环境信息的旱地农田水势软测量方法及软测量网络 |
| WO2017106962A1 (en) * | 2015-11-17 | 2017-06-29 | Universite Laval | System and method for real-time water management |
| CN107945042A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 上海华维节水灌溉股份有限公司 | 一种作物生长灌溉决策控制系统 |
| KR20210045253A (ko) * | 2019-10-16 | 2021-04-26 | 대한민국(농촌진흥청장) | 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템 및 방법 |
| CN114600751A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-06-10 | 西安建筑科技大学 | 一种基于计算机视觉监测的灌溉系统及方法 |
| CN114916355A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-19 | 河南农业大学 | 基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统 |
| CN115039676A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-13 | 东方智感(浙江)科技股份有限公司 | 一种灌溉方法及系统 |
| CN115455086A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-12-09 | 江苏省水利科学研究院 | 一种灌区农业灌溉用水量的估算方法及系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9756797B2 (en) * | 2011-04-18 | 2017-09-12 | Larry C. Sarver | System and method for optimizing evapotranspiration based irrigation control using a moisture sensor |
-
2023
- 2023-08-01 CN CN202310952044.3A patent/CN116686689B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101799465A (zh) * | 2010-03-08 | 2010-08-11 | 天津工程师范学院 | 基于微环境信息的旱地农田水势软测量方法及软测量网络 |
| WO2017106962A1 (en) * | 2015-11-17 | 2017-06-29 | Universite Laval | System and method for real-time water management |
| CN107945042A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 上海华维节水灌溉股份有限公司 | 一种作物生长灌溉决策控制系统 |
| KR20210045253A (ko) * | 2019-10-16 | 2021-04-26 | 대한민국(농촌진흥청장) | 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템 및 방법 |
| CN114600751A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-06-10 | 西安建筑科技大学 | 一种基于计算机视觉监测的灌溉系统及方法 |
| CN114916355A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-19 | 河南农业大学 | 基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统 |
| CN115039676A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-13 | 东方智感(浙江)科技股份有限公司 | 一种灌溉方法及系统 |
| CN115455086A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-12-09 | 江苏省水利科学研究院 | 一种灌区农业灌溉用水量的估算方法及系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 不同水分条件下盆栽苹果树蒸腾速率动态模拟;高照全 等;植物生理学报;第49卷(第12期);第1385-1392页 * |
| 节水灌溉控制中需水信号的述评;苏臣 等;江苏大学学报(自然科学版);第12卷(第1期);第41-47页 * |
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