CN117291906A - 一种园林景观节能灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及园林浇水灌溉领域，具体涉及一种园林景观节能灌溉系统，包括：数据采集模块，数据分析模块，方案评估模块，方案确定模块；采集园林景观图像，获取园林图像；获取若干个分割区域和每个像素点的需水量，得到每个周期内每个像素点的总实际授水量；根据每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值和所有像素点需水量的均值得到旋转周期次数，得到总时间内每个像素点的最终授水量，得到总时间内所有像素点的差异程度和总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度；得到方案的评估值；根据方案的评估值得到园林景观节能灌溉的最优方案。本发明通过对园林图像进行分析，提高了园林景观的节能灌溉的效率。

Description

一种园林景观节能灌溉系统

技术领域

本发明涉及园林浇水灌溉领域，具体涉及一种园林景观节能灌溉系统。

背景技术

园林景观在城市和农村环境中起着重要的美化和生态平衡维护作用。为了维持园林景观的健康和美观，灌溉系统被广泛应用于供应植物和草坪所需的水源；同时随着互联网行业兴起，基于物联网的智能灌溉系统也逐渐普遍。

目前园林景观中喷口一般都是均匀分布在园林的植被中，但是由于不同植被的需水量是不同的，如果在园林景观中的使用均匀分布的喷头对园林中的植被进行喷洒时出现过度灌溉等情况，过度灌溉导致水资源浪费甚至损害园林植被等；同时，由于园林景观在设计时不同种类植被的铺设、道路的嵌入，使得单个喷口覆盖范围过大或过小因而导致整个园林内所有喷口单次灌溉出水量过大、或喷洒至道路上造成浪费等情况发生，因此需要园林内所有喷口分布位置以及喷口个数的一个最优喷洒方案。

发明内容

本发明提供一种园林景观节能灌溉系统，以解决现有的问题。

本发明的一种园林景观节能灌溉系统采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了一种园林景观节能灌溉系统，该系统包括以下模块：

数据采集模块，用于采集园林景观的园林图像；

数据分析模块，用于获取园林图像中每个像素点的需水量，根据每个喷口在每秒钟的出水量、喷口的旋转周期和每个喷口的喷洒范围内总共包含的像素点的个数，得到每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量；

方案评估模块，用于根据每个喷口与喷口的喷洒范围内每个像素点之间的距离，对每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量进行修正，得到每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量，对所有喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量求和得到每个周期内每个像素点的总实际授水量；

根据每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值和所有像素点的需水量的均值得到旋转周期次数，根据旋转周期次数对每个周期内每个像素点的总实际授水量进行修正，得到总时间内每个像素点的最终授水量，根据总时间内每个像素点的最终授水量与需水量的差异得到总时间内所有像素点的差异程度；

根据总时间内每个像素点的最终授水量和需水量得到总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度；根据每两个喷口之间的距离、喷口的个数、园林图像中所有像素点在不同方案下的授水影响程度和所有像素点的差异程度得到方案的评估值；

方案确定模块，用于根据方案的评估值得到园林景观节能灌溉的最优方案。

进一步地，所述获取园林图像中每个像素点的需水量，包括：

根据语义分割对园林图像进行分割，得到若干个分割区域；再使用卷积神经网络对园林图像中的各个分割区域进行分类，将园林图像划分为道路对应的分割区域以及各种植被对应的分割区域，根据分割区域中各种植被需水量获得每个分割区域的需水量，将每个分割区域的需水量作为每个分割区域中每个像素点的需水量。

进一步地，所述每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量的计算公式为：

式中，ΔV_i表示第i个喷口在每秒钟的出水量，T表示喷口的旋转周期，G表示喷口的喷洒范围内总共包含的像素点的个数，p_i表示在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量。

进一步地，所述每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量的计算公式为：

式中，P_i,j表示在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的授水量，d_i,j表示第i个喷口与喷口的喷洒范围内的第j个像素点之间的欧氏距离，p_i,j表示修正后在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的实际授水量，exp()表示以自然常数为底的指数函数。

进一步地，所述根据每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值和所有像素点的需水量的均值得到旋转周期次数，包括：

获得所有像素点的需水量的均值与每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值的比值，然后对比值进行向上取整得到旋转周期次数。

进一步地，所述根据旋转周期次数对每个周期内每个像素点的总实际授水量进行修正，得到总时间内每个像素点的最终授水量，包括：

根据旋转周期次数与每个周期内每个像素点的总实际授水量的乘积得到总时间内每个像素点的最终授水量。

进一步地，所述总时间内所有像素点的差异程度的计算公式为：

式中，H_j表示在总时间内第j个像素点的最终授水量，Q_j表示第j个像素点的需水量，k表示园林图像中所有像素点的个数，ΔQ表示总时间内所有像素点的差异程度，||表示绝对值符号。

进一步地，所述总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度的计算公式为：

式中，H_j表示在总时间内第j个像素点的最终授水量，Q_j表示第j个像素点的需水量，k表示园林图像中所有像素点的个数，σ表示总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，||表示绝对值符号。

进一步地，所述方案的评估值的计算公式为：

式中，ΔQ表示总时间内所有像素点的差异程度，σ表示总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，m表示喷口的个数，D_s表示第s种组合中每两个喷口之间的欧式距离，S表示每两个喷口之间的组合总数，f表示方案的评估值。

进一步地，所述根据方案的评估值得到园林景观节能灌溉的最优方案，包括的具体步骤如下：

选取方案的评估值最大时对应的方案为园林景观节能灌溉的最优方案。

本发明的技术方案的有益效果是：本发明通过对园林图像进行处理，得到每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量，根据每个像素点离喷口之间的距离和每次浇水灌溉的总时间对每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量进行修正得到总时间内每个像素点的最终授水量，提高了对每个像素点授水量检测的准确性；再根据总时间内每个像素点的最终授水量和每个像素点的需水量得到总时间内所有像素点的差异程度和总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，根据差异程度和授水影响程度得到方案的评估值，提高了园林景观的节能灌溉的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种园林景观节能灌溉系统的模块流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种园林景观节能灌溉系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种园林景观节能灌溉系统的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种园林景观节能灌溉系统的模块流程图，该系统包括以下模块：

模块101：数据采集模块。

需要说明的是，由于本实施例是针对园林景观的灌溉系统进行分析，且为了保证水资源没有太多的浪费，将获取园林景观的正俯视图，获取园林景观中的道路和不同植被的分布情况，根据园林景观中的道理和植被的分布情况确定出喷口的位置和个数，用来确定出最佳的喷洒方案。

具体地，使用无人机在园林景观的正上方采集园林景观图像，并通过灰度化和均值滤波处理得到处理后的园林图像。

至此，得到园林图像。

模块102：数据分析模块。

需要说明的是，在园林景观的灌溉中，要尽可能的在道路区域不要喷洒，防止水的过度浪费；而且在园林中不同植被的需水量是不同的，根据植被的需水量来确定喷口的位置和个数；因此本步骤需要先获取园林景观中的道路区域和不同植被的分布区域，根据不同区域的植被需水量进行分析。

具体地，根据语义分割对园林图像进行分割，得到若干个分割区域；再使用卷积神经网络对园林图像中的各个分割区域进行分类，将园林图像划分为道路对应的分割区域以及各种植被对应的分割区域，根据分割区域中各种植被需水量获得每个分割区域的需水量，将每个分割区域的需水量作为每个分割区域中每个像素点的需水量；其中需水量的范围在0到1，包括0和1，道路区域的需水量为0，且同一个区域中不同像素点的需水量是相同的。

其中，语义分割和卷积神经网络为公知技术，此处不再进行赘述。

至此，得到每个像素点的需水量。

在本实施例中每个喷口的喷洒水的范围为120度，每个喷口的旋转周期和半径都是相同的。其中在喷口的喷洒范围内，每个像素点位置上的授水量是相同的。获取在每个喷口喷洒范围内的每个像素点的位置上在喷口的每个周期内的授水量，用公式表示为：

式中，ΔV_i表示第i个喷口在每秒钟的出水量，T表示喷口的旋转周期，即一个旋转周期总共多少秒，G表示喷口的喷洒范围内总共包含的像素点的个数，p_i表示在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量。

则园林图像中每个像素点的总授水量等于该像素点在多个喷口的喷洒范围内所有喷口授水量的总和，记为p。

至此，得到每个周期内每个像素点的总授水量。

模块103：方案评估模块。

(1)根据每个喷口与喷口的喷洒范围内每个像素点之间的距离，对每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量进行修正，得到每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量，对所有喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量求和得到每个周期内每个像素点的总实际授水量。

需要说明的是，在园林灌溉系统中，每个喷口在其喷洒范围内，离喷口越近的区域喷洒的水量会相对较多，离喷口越远的区域喷洒的水量相对较少。即通过每个像素点离喷口的位置对每个喷口在每个周期内给喷洒范围内的像素点的授水量进行修正。

具体地，获取每个像素点和喷口之间的距离，根据像素点和喷口之间的距离对每个像素点的授水量进行修正，用公式表示为：

式中，p_i,j表示在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的授水量，d_i,j表示第i个喷口与该喷口的喷洒范围内的第j个像素点之间的欧氏距离，p_i,j表示修正后在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的实际授水量，exp()表示以自然常数为底的指数函数。其中，公式中加0.5的目的是让位置居中的像素点的授水量保持不变，让靠近喷口的像素点的授水量增加，让远离喷口的像素点的授水量减少，以此来保证喷口在每个周期内的总出水量不变。

其中，当每个像素点离喷口的距离越近，即d_i,j越小时，喷口范围的每个像素点的实际授水量越大，当每个像素点离喷口的距离越远，即d_i,j越大时，喷口范围的每个像素点的实际授水量越小。

至此，得到在每个喷口范围的每个周期内每个像素点的实际授水量。

则园林图像中每个像素点的总实际授水量等于该像素点在多个喷口的喷洒范围内所有喷口实际授水量的总和，记为P，则每个周期内第j个像素点的总实际授水量为其中，m表示喷口的个数，P_i,j表示修正后在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的实际授水量。

(2)根据每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值和所有像素点的需水量的均值得到旋转周期次数，根据旋转周期次数对每个周期内每个像素点的总实际授水量进行修正，得到总时间内每个像素点的最终授水量，根据总时间内每个像素点的最终授水量与需水量的差异得到总时间内所有像素点的差异程度。

需要说明的是，为了确定出每个像素点位置上的植被在一定时间内水资源是否有被浪费，将通过总实际授水量和需水量之间的差异进行分析，为了确定每个植被是否都达到需水的要求，将根据所有像素点的需水量的均值确定出每次灌溉浇水的总时间，根据时间确定出最终每个像素点的最终授水量，以此来进行分析水资源的浪费情况。

具体地，获取所有像素点需水量的均值，记为X，根据所有像素点的需水量的均值确定出每次灌溉浇水的总时间，即旋转周期次数，用公式表示为：

式中，X表示所有像素点的需水量的均值，P表示每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值，表示对/>的向上取整，n表示旋转周期的旋转周期次数。

则根据旋转周期的旋转周期次数和每个周期内每个像素点的总实际授水量得到每个植被的最终授水量，则在总时间内第j个像素点的最终授水量H_j＝n×P_j，其中，P_j表示每个周期内第j个像素点的总实际授水量。其中，总时间为旋转周期次数乘积旋转周期的时间，即为每次浇水灌溉的时间。

根据总时间内每个像素点的最终授水量与需水量的差异得到总时间内所有像素点的差异程度，用公式表示为：

式中，H_j表示在总时间内第j个像素点的最终授水量，Q_j表示第j个像素点的需水量，k表示园林图像中所有像素点的个数，ΔQ表示总时间内所有像素点的差异程度，||表示绝对值符号。

至此，得到园林图像中所有像素点的差异程度。

(3)根据总时间内每个像素点的最终授水量和需水量得到总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度。

需要说明的是，由于在一定时间内喷口的不同位置和喷口的个数对每个像素点位置上的植被是否达到需水饱和还是未知的，因此，根据像素点的最终授水量和需水量获得不同方案下的授水影响程度，根据不同方案下的授水影响程度来进行分析。

具体地，根据像素点的最终授水量和需水量获得总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，用公式表示为：

式中，H_j表示在总时间内第j个像素点的最终授水量，Q_j表示第j个像素点的需水量，k表示园林图像中所有像素点的个数，σ表示总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，||表示绝对值符号；分子和分母同时加0.1的目的是为了防止分母为0的情况出现。

其中，当在每次灌溉的总时间内每个像素点的最终授水量大于需水量，则该像素点的授水影响程度为1，当在每次灌溉的总时间内每个像素点的最终授水量大于需水量，则该像素点的授水影响程度为-1。

至此，得到园林图像中所有像素点在不同方案下的授水影响程度。

(4)根据每两个喷口之间的距离、喷口的个数、园林图像中所有像素点在不同方案下的授水影响程度和所有像素点的差异程度得到方案的评估值。

需要说明的是，由于在园林灌溉中，喷口的位置直接影响着不同像素点位置上植被的授水情况，为了使得授水均匀，通过授水量与需水量进行分析；又为了节约水资源，在不同方案中使用的喷口的数量越少越好，因此，根据喷口的位置和喷口的个数获取不同的方案。

根据每两个喷口之间的距离、喷口的个数、园林图像中所有像素点在不同方案下的授水影响程度和所有像素点的差异程度得到方案评估值，用公式表示为：

式中，ΔQ表示总时间内所有像素点的差异程度，σ表示总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，m表示喷口的个数，D_s表示第s种组合中每两个喷口之间的欧式距离，S表示每两个喷口之间的组合总数，f表示方案的评估值。

其中，当喷口之间的距离越大，所有像素点在不同方案下的授水影响程度越大，在园林中使用的喷口个数越少，园林图像中所有像素点的差异程度越小，即对应的方案越佳，则方案的评估值越大对应的方案越好；反之，方案越不好。

至此，得到每种方案的评估值。

模块104：方案确定模块。

预设一个阈值M，其中本实施例以M＝100为例进行叙述，本实施例不进行具体限定，其中M可根据具体实施情况而定。M也表示喷口的最大个数。喷口的个数从1个到预设阈值M的过程中进行迭代获取不同的方案，其迭代获取不同方案的过程为：

(1)选取1个喷口个数，然后将这一个喷口放置在园林图像中每个像素点的位置上，得到喷口个数为1时，喷口不同放置位置的所有方案；

(2)选取2个喷口个数，然后在园林图像中对2个喷口在图像中的位置进行排列组合，得到喷口个数为2时，所有组合方式中，喷口不同放置位置的所有方案；

(3)选取3个喷口个数，然后在园林图像中对3个喷口在图像中的位置进行排列组合，得到喷口个数为3时，所有组合方式中，喷口不同放置位置的所有方案；

以此类推，选取M个喷口个数，然后在园林图像中对M个喷口在图像中的位置进行排列组合，得到喷口个数为M时，所有组合方式中，喷口不同放置位置的所有方案。

至此，得到所有的方案。

根据方案的评估值对每种方案进行评估，选取方案的评估值最大时对应的方案，即为最优方案。

至此，得到园林景观节能灌溉的最优方案。

至此，本实施例完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，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)

1.一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，该系统包括以下模块：

数据采集模块，用于采集园林景观的园林图像；

数据分析模块，用于获取园林图像中每个像素点的需水量，根据每个喷口在每秒钟的出水量、喷口的旋转周期和每个喷口的喷洒范围内总共包含的像素点的个数，得到每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量；

方案评估模块，用于根据每个喷口与喷口的喷洒范围内每个像素点之间的距离，对每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量进行修正，得到每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量，对所有喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量求和得到每个周期内每个像素点的总实际授水量；

根据每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值和所有像素点的需水量的均值得到旋转周期次数，根据旋转周期次数对每个周期内每个像素点的总实际授水量进行修正，得到总时间内每个像素点的最终授水量，根据总时间内每个像素点的最终授水量与需水量的差异得到总时间内所有像素点的差异程度；

根据总时间内每个像素点的最终授水量和需水量得到总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度；根据每两个喷口之间的距离、喷口的个数、园林图像中所有像素点在不同方案下的授水影响程度和所有像素点的差异程度得到方案的评估值；

方案确定模块，用于根据方案的评估值得到园林景观节能灌溉的最优方案。

2.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述获取园林图像中每个像素点的需水量，包括：

根据语义分割对园林图像进行分割，得到若干个分割区域；再使用卷积神经网络对园林图像中的各个分割区域进行分类，将园林图像划分为道路对应的分割区域以及各种植被对应的分割区域，根据分割区域中各种植被需水量获得每个分割区域的需水量，将每个分割区域的需水量作为每个分割区域中每个像素点的需水量。

3.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量的计算公式为：

式中，ΔV_i表示第i个喷口在每秒钟的出水量，T表示喷口的旋转周期，G表示喷口的喷洒范围内总共包含的像素点的个数，p_i表示在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的授水量。

4.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述每个喷口的喷洒范围的每个周期内每个像素点的实际授水量的计算公式为：

P_i,j＝(0.5+exp(-d_i,j))×p_i,j

式中，P_i,j表示在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的授水量，d_i,j表示第i个喷口与喷口的喷洒范围内的第j个像素点之间的欧氏距离，p_i,j表示修正后在第i个喷口的喷洒范围的每个周期内第j个像素点的实际授水量，exp()表示以自然常数为底的指数函数。

5.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述根据每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值和所有像素点的需水量的均值得到旋转周期次数，包括：

获得所有像素点的需水量的均值与每个周期内所有像素点的总实际授水量的均值的比值，然后对比值进行向上取整得到旋转周期次数。

6.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述根据旋转周期次数对每个周期内每个像素点的总实际授水量进行修正，得到总时间内每个像素点的最终授水量，包括：

根据旋转周期次数与每个周期内每个像素点的总实际授水量的乘积得到总时间内每个像素点的最终授水量。

7.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述总时间内所有像素点的差异程度的计算公式为：

式中，H_j表示在总时间内第j个像素点的最终授水量，Q_j表示第j个像素点的需水量，k表示园林图像中所有像素点的个数，ΔQ表示总时间内所有像素点的差异程度，||表示绝对值符号。

8.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度的计算公式为：

式中，H_j表示在总时间内第j个像素点的最终授水量，Q_j表示第j个像素点的需水量，k表示园林图像中所有像素点的个数，σ表示总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，||表示绝对值符号。

9.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述方案的评估值的计算公式为：

式中，ΔQ表示总时间内所有像素点的差异程度，σ表示总时间内所有像素点在不同方案下的授水影响程度，m表示喷口的个数，D_s表示第s种组合中每两个喷口之间的欧式距离，S表示每两个喷口之间的组合总数，f表示方案的评估值。

10.根据权利要求1所述一种园林景观节能灌溉系统，其特征在于，所述根据方案的评估值得到园林景观节能灌溉的最优方案，包括的具体步骤如下：

选取方案的评估值最大时对应的方案为园林景观节能灌溉的最优方案。