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一種基于農業系統模型的灌溉決策系統及方法.pdf

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一種 基于 農業 系統 模型 灌溉 決策 方法
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摘要
申請專利號:

CN201611127292.0

申請日:

20161209

公開號:

CN106688827A

公開日:

20170524

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A01G25/16,G06Q50/02 主分類號: A01G25/16,G06Q50/02
申請人: 中國科學院新疆生態與地理研究所
發明人: 齊志明,顧哲,桂東偉,王燁,劉云飛,曾凡江
地址: 830011 新疆維吾爾自治區烏魯木齊市北京南路40號附3號
優先權: CN201611127292A
專利代理機構: 烏魯木齊中科新興專利事務所 代理人: 張莉
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201611127292.0

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明提供了一種基于農業系統模型的灌溉決策系統及方法,屬于農業灌溉決策技術領域,該系統包括氣象數據接口、氣象數據庫、率定的農業系統模型、率定的農業系統模型庫、灌溉決策算法、灌溉決策算法庫和灌溉控制系統,氣象數據接口為率定的農業系統模型提供計算所需的氣象數據,率定的農業系統模型根據氣象條件進行計算,得到作物生長信息及土壤、作物的水分狀況,灌溉決策算法根據模型計算結果,判斷是否灌水并計算灌水量,灌溉控制系統根據灌溉決策算法計算出的灌水量進行灌溉。本發明克服現有灌溉決策系統和方法的不足,在不安裝田間傳感器的情況下,制定出準確的灌溉計劃,并可預測未來的灌水計劃和灌溉效果。

權利要求書

1.一種基于農業系統模型的灌溉決策系統,其特征在于,該系統包括氣象數據接口、氣象數據庫、率定的農業系統模型、率定的農業系統模型庫、灌溉決策算法、灌溉決策算法庫和灌溉控制系統,所述氣象數據接口為率定的農業系統模型提供計算所需的氣象數據,將提供的氣象數據直接存儲到氣象數據庫中,所述率定的農業系統模型通過氣象數據庫獲取數據進行計算,得到作物生長信息及土壤、作物的水分狀況;所述灌溉決策算法從所述灌溉決策算法庫中選取一種或多種組合算法進行計算,給出優化的灌水決策,判斷當天是否灌水并計算灌水量,所述灌溉控制系統根據灌溉決策算法計算出的灌水量進行灌溉。2.根據權利要求1所述的基于農業系統模型的灌溉決策系統,其特征在于,氣象數據接口包括氣象站歷史數據和網絡預報氣象數據;率定的農業系統模型采用率定后的RZWQM2模型進行計算,獲得作物水分脅迫系數、田間持水率、土壤含水量、作物根系深度。3.根據權利要求1所述的基于農業系統模型的灌溉決策系統,其特征在于從所述率定的農業系統模型庫中選擇所述率定的農業系統模型,修改所述率定的農業系統模型的種植及管理參數,顯示氣象數據以及所述率定的農業系統模型計算結果,輔助用戶選擇所述灌溉決策算法,并將所述灌溉決策算法計算的灌水量發送給所述灌溉控制系統。4.一種基于農業系統模型的灌溉決策方法,其特征在于,按下列步驟進行:a、從氣象站獲取已經監測到的歷史氣象數據,從網絡氣象數據接口獲取預報氣象數據,將獲取到的數據存儲到服務器上的氣象數據庫中,或直接提供給率定的農業系統模型進行計算,率定的農業系統模型從氣象數據庫中讀取氣象數據,或直接從氣象數據接口獲取氣象數據;b、率定的農業系統模型根據實際田間參數,結合從氣象數據接口直接或間接獲取的氣象數據進行計算,采用了RZWQM2模型,輸出作物水分脅迫系數,土壤含水量,作物根系深度參數,率定的農業系統模型從率定的農業系統模型庫中選取或由用戶給出;c、灌溉決策算法根據率定的農業系統模型的輸出結果判斷當天是否灌水并計算灌水量,灌溉決策算法從灌溉決策算法庫中選取或由用戶自己定義,灌溉控制系統接收灌溉決策算法計算的灌水量,并控制灌溉系統實施相應水量的精確灌溉;d、每日重復步驟a-步驟c,獲得作物種植期間的灌溉決策表。

說明書

技術領域

本發明屬于農業灌溉決策技術領域,具體涉及一種基于農業系統模型的灌溉決策系統及方法。

背景技術

當前,我國農業灌溉模式相對落后,采用傳統的依據經驗的灌溉模式仍然使用廣泛,這種灌溉模式下,不僅水資源的利用效率低下,造成水資源浪費并加劇了農業灌溉缺水問題,而且,過多的灌溉水將造成深層滲漏和氮磷損失,引起土壤次生鹽堿化等問題,這不僅影響了作物的正常生長,降低作物產量,而且還會污染地下水,引發環境生態問題。另一方面,作物生長需要一定量的水分,水分不足將嚴重影響作物產量;作物生長周期內的不同階段對水分的需求也不同,因此,如何適時適量地進行灌溉,在保證作物產量的同時提高水資源利用率,減少農業化學污染,是一個重要的課題。

為確定作物的灌溉時間和灌水量,當前主要有以下幾種方法:1、土壤墑情法,即通過測量土壤的水分含量判斷作物的缺水狀況,當土壤含水量低于某一閾值時進行灌溉;發明專利201510811396.2公開了一種農田灌溉智能決策系統和方法,即采用了土壤墑情法;2、蒸散量法,即根據灌溉區域的蒸散量決定灌水量;發明專利201510734704.6公開了一種灌溉時機和灌溉量的確定方法及裝置,采用待灌溉區域的作物蒸散量和實測水量消耗相結合的方法確定灌水時間和灌水量;3、作物冠氣溫差法,研究表明,作物的冠層與大氣溫差能反應作物的水分含量,因此,通過測量冠層溫度和大氣溫度可以判斷作物的需水量,進而進行灌溉;發明專利200710178192.5公開了一種在線式作物冠氣溫差灌溉決策監測系統,即采用了這種方法;4、基于人工智能算法的作物水分檢測方法,即通過計算機視覺和多種傳感器獲取作物信息,根據神經網絡、遺傳算法等人工智能算法對作物水分進行檢測,從而制定灌溉制度;發明專利201210071823.4公開了一種結合計算機視覺和多傳感器的作物灌溉系統,采用遺傳神經網絡監測作物缺水狀態指導灌溉。這些方法都需要在田間安裝傳感器,且只能根據當前時刻的作物水分狀態進行灌溉決策。

近年來,隨著農業系統模型的發展,采用農業系統模型對大氣-作物-土壤系統的模擬越來越準確。采用農業系統模型,可以全面考慮大氣、作物和土壤的相互影響,從而更加準確地估計作物的水分含量,制定更加合理的灌溉計劃。同時,基于農業系統模型制定灌溉計劃,不需要在田間安裝傳感器,并且能制定過去,當前,甚至未來的灌溉計劃,有利于優化灌溉方案,獲取更大的產量。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于農業系統模型的灌溉決策系統及方法,該系統包括氣象數據接口、氣象數據庫、率定的農業系統模型、率定的農業系統模型庫、灌溉決策算法、灌溉決策算法庫和灌溉控制系統,氣象數據接口為率定的農業系統模型提供計算所需的氣象數據,率定的農業系統模型根據氣象條件進行計算,得到作物生長信息及土壤、作物的水分狀況,灌溉決策算法根據模型計算結果,判斷當天是否灌水并計算灌水量,灌溉控制系統根據灌溉決策算法計算出的灌水量進行灌溉。本發明克服現有灌溉決策系統和方法的不足,在不安裝田間傳感器的情況下,制定出準確的灌溉計劃,并可預測未來的灌水計劃和灌溉效果。

本發明所述的一種基于農業系統模型的灌溉決策系統,該系統包括氣象數據接口、氣象數據庫、率定的農業系統模型、率定的農業系統模型庫、灌溉決策算法、灌溉決策算法庫和灌溉控制系統,所述氣象數據接口為率定的農業系統模型提供計算所需的氣象數據,將提供的氣象數據直接存儲到氣象數據庫中,所述率定的農業系統模型通過氣象數據庫獲取數據進行計算,得到作物生長信息及土壤、作物的水分狀況;所述灌溉決策算法從所述灌溉決策算法庫中選取一種或多種組合算法進行計算,給出優化的灌水決策,判斷當天是否灌水并計算灌水量,所述灌溉控制系統根據灌溉決策算法計算出的灌水量進行灌溉。

氣象數據接口包括氣象站歷史數據和網絡預報氣象數據;率定的農業系統模型采用率定后的RZWQM2模型進行計算,獲得作物水分脅迫系數、田間持水率、土壤含水量、作物根系深度。

從所述率定的農業系統模型庫中選擇所述率定的農業系統模型,修改所述率定的農業系統模型的種植及管理參數,顯示氣象數據以及所述率定的農業系統模型計算結果,輔助用戶選擇所述灌溉決策算法,并將所述灌溉決策算法計算的灌水量發送給所述灌溉控制系統。

一種基于農業系統模型的灌溉決策方法,按下列步驟進行:

a、從氣象站獲取已經監測到的歷史氣象數據,從網絡氣象數據接口獲取預報氣象數據,將獲取到的數據存儲到服務器上的氣象數據庫中,或直接提供給率定的農業系統模型進行計算,率定的農業系統模型從氣象數據庫中讀取氣象數據,或直接從氣象數據接口獲取氣象數據;

b、率定的農業系統模型根據實際田間參數,結合從氣象數據接口直接或間接獲取的氣象數據進行計算,采用了RZWQM2模型,輸出作物水分脅迫系數,土壤含水量,作物根系深度參數,率定的農業系統模型從率定的農業系統模型庫中選取或由用戶給出;

c、灌溉決策算法根據率定的農業系統模型的輸出結果判斷當天是否灌水并計算灌水量,灌溉決策算法從灌溉決策算法庫中選取或由用戶自己定義,灌溉控制系統接收灌溉決策算法計算的灌水量,并控制灌溉系統實施相應水量的精確灌溉;

d、每日重復步驟a-步驟c,獲得作物種植期間的灌溉決策表。

附圖說明

圖1為本發明系統示意圖。

圖2為本發明實施例組成示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖具體實施方式對本發明作進一步詳細說明,但本發明的保護范圍并不限于此。

實施例

本發明所述的一種基于農業系統模型的灌溉決策系統,該系統包括氣象數據接口、氣象數據庫、率定的農業系統模型、率定的農業系統模型庫、灌溉決策算法、灌溉決策算法庫和灌溉控制系統,所述氣象數據接口為率定的農業系統模型提供計算所需的氣象數據,將提供的氣象數據直接存儲到氣象數據庫中,所述率定的農業系統模型通過氣象數據庫獲取數據進行計算,得到作物生長信息及土壤、作物的水分狀況;所述灌溉決策算法從所述灌溉決策算法庫中選取一種或多種組合算法進行計算,給出優化的灌水決策,判斷當天是否灌水并計算灌水量,所述灌溉控制系統根據灌溉決策算法計算出的灌水量進行灌溉;

氣象數據接口包括氣象站歷史數據和網絡預報氣象數據;率定的農業系統模型采用率定后的RZWQM2模型進行計算,獲得作物水分脅迫系數、田間持水率、土壤含水量、作物根系深度;

從所述率定的農業系統模型庫中選擇所述率定的農業系統模型,修改所述率定的農業系統模型的種植及管理參數,顯示氣象數據以及所述率定的農業系統模型計算結果,輔助用戶選擇所述灌溉決策算法,并將所述灌溉決策算法計算的灌水量發送給所述灌溉控制系統;

如圖1所示:所述氣象數據接口通過不同方式獲取所需的氣象數據,氣象數據接口將獲取的氣象數據保存到氣象數據庫中,或直接提供給所述率定的農業系統模型進行計算,率定的農業系統模型從氣象數據庫中讀取氣象數據,或直接從所述氣象數據接口獲取氣象數據,率定的農業系統模型根據實際田間參數,結合從氣象數據接口直接或間接獲取的氣象數據進行計算,得到在輸入的天氣條件下,田間土壤和作物的水分參數以及作物的生長參數等,率定的農業系統模型從率定的農業系統模型庫中選取或由用戶給出,灌溉決策算法根據率定的農業系統模型的輸出結果計算灌水量,灌溉決策算法從灌溉決策算法庫中選取或由用戶自己定義,灌溉控制系統接收灌溉決策算法計算的灌水量,并控制灌溉系統實施相應水量的精確灌溉;

如圖2所示:所述氣象數據接口包括氣象站和網絡氣象數據接口,從氣象站獲取已經監測到的歷史氣象數據,從網絡氣象數據接口獲取預報氣象數據,獲取到的數據存儲到服務器上的所述氣象數據庫中;氣象數據包括大氣最高、最低溫度,濕度,風速,降雨量以及太陽輻射;率定的農業系統模型采用了RZWQM2模型,該模型計算后,將輸出作物的水分脅迫系數,土壤含水量,作物根系深度,作物生長階段等參數,所述的灌溉決策算法是:首先將率定后的RZWQM2模型模擬得到的作物水分脅迫系數與用戶設定的作物水分脅迫閾值進行比較,如果超過閾值,則計算灌水量,進行灌溉,否則不進行灌溉,灌水量的計算采用如下公式:

IR=(FC-SWC)×RD×E (1)

其中,IR為灌水量,單位為cm;FC為田間持水率,單位為cm3/cm3;SWC為土壤水分含量,單位為cm3/cm3;RD為作物根系長度,單位為cm,E為灌溉系數,無量綱,表示當考慮土壤鹽度,灌溉效率,以及高產灌溉經驗時的調整系數;

灌溉決策算法計算得灌水量后,將灌水量數據發送給自動滴灌控制系統,自動滴灌控制系統主要由蓄水池,水泵,輸水管路,電磁閥,滴灌管以及控制器組成,控制器接收到灌水量數據后,自動啟動水泵,打開相應的電磁閥進行滴灌,并根據流量和灌水量,計算定時時間,當定時時間一到即關閉電磁閥和水泵,結束灌溉;本發明所述系統中還包括人機交互界面,所述人機交互界面具體指個人電腦端的軟件,該軟件可實現更新氣象數據庫中的氣象數據;選擇針對某一地點的率定后的RZWQM2模型;設置模型計算的起止時間,即從氣象數據庫中選取的氣象數據的時間范圍;顯示及修改率定的農業系統模型的管理參數;讀取率定的農業系統模型計算的輸出結果;選擇相應的灌溉決策算法;修改作物水分脅迫閾值和灌溉系數;根據灌溉決策算法和模型的計算結果,計算灌水量并將灌水量數據從上位機發送給自動滴灌控制系統的下位機上;以及顯示率定的農業系統模型的主要計算結果和獲取的氣象數據以輔助用戶選擇所述灌溉決策算法,調整算法相關參數等,最終實現保證作物較高產量的灌溉方案。

所述實施例為本發明的優選的實施方式,但本發明并不限于上述實施方式,在不背離本發明的實質內容的情況下,本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。

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