一種灌溉預報方法、裝置及系統與流程
2023-05-21 03:44:51
本發明涉及灌溉領域，具體涉及一種灌溉預報方法、裝置及系統。
背景技術：
目前，我國水資源嚴重短缺，而農業又是我國第一用水大戶，因此，發展高效節水型農業極為重要。眾所周知，種植業灌溉的用水量佔據了農業總用水量的90％左右，而傳統的灌區建設和節水改造是以灌區水利工程效益最大化為主導，強調多引水、多澆地，這種以工程水利為主導的灌區建設往往過度重視灌排工程的輸配水效率和灌排能力而忽視了灌排工程對區域生態環境的影響，導致我國許多灌區存在水資源利用效率低下等現象，造成了水資源短缺、灌區及其流域水環境汙染、土壤次生鹽鹼化、地下水位持續下降及大面積地下水漏鬥、流域下遊植被與湖泊溼地萎縮等嚴重生態問題，因此，提高農業灌溉用水效率迫在眉睫。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明實施例提供一種灌溉預報方法及裝置，解決現有灌區農業灌溉用水效率低下的問題。
同時，本發明實施例還提供一種灌溉預報系統，解決現有農業灌溉工程不能充分利用水資源的問題。
一種灌溉預報方法，所述方法包括：
實時採集監控數據和外部數據；
根據採集的監控數據和外部數據計算相關參數；
依據獲得的相關參數，運用水量平衡方程計算土壤含水率；
將獲得的土壤含水率的值與設定閾值進行比較，判定是否灌溉。
一種灌溉預報裝置，包括：
獲取數據子模塊10，用於實時採集監控數據和外部數據；
土壤含水率生成子模塊30，用於根據獲得的監控數據和外部數據計算相關參數，並根據獲得的相關參數運用水量平衡方程計算土壤含水率；
判定是否灌溉子模塊40，用於將獲得的土壤含水率的值與設定閾值作比較，當獲得的土壤含水率的值小於設定閾值時，判定結果為需要灌溉，並且進行下一步計算灌溉量的操作；當獲得的土壤含水率的值大於或等於設定閾值時，判定結果為不需要灌溉，則繼續進行循環監測；
灌溉量幹預生成子模塊50，用於計算具體的灌溉量，進行灌溉。
一種灌溉預報系統，包括：
終端採集層100，用於採集灌區的監控數據，並形成主動或被動適配的外部數據接收通道，接收控制數據，以相應的流量和流速進行排給水；
數據存儲層400，用於獲取灌區的地理特徵數據，並響應業務請求，形成相應的業務數據和處理模型，並進行存儲和轉發；
業務應用層300，用於接收採集的灌區監控數據和/或外部數據，並將其進行轉換和封裝以形成統一的上傳數據形式，同時，接收下行數據，將下行數據進行轉換和分發；響應不同類型終端的業務請求，獲取業務數據和處理模型形成發布數據進行轉發，並且根據獲取的業務數據和處理模型，形成業務邏輯並完成業務處理，將業務處理形成的控制數據轉發和/或轉存。
本發明公開的灌溉預報方法、裝置，以及相應的灌溉預報系統，真正做到了適時、適量地計劃用水，提高了灌溉用水效率，解決了傳統灌溉嚴重浪費水資源、破壞生態環境等問題。
附圖說明
圖1為本發明一實施例的灌溉預報方法的流程圖；
圖2為本發明一實施例的灌溉預報裝置的結構圖；
圖3為本發明一實施例的灌溉預報系統的結構圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明白，以下結合附圖及具體實施方式對本發明作進一步說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1為本發明一實施例的灌溉預報方法的流程圖。如圖1所示，本發明一實施例的灌溉預報方法的流程如下：
步驟01：實時採集監控數據和外部數據。
在步驟01中所採集的數據中，監控數據包括但不限於土壤溫度、土壤溼度、墒情、雨情、氣象等各類基礎數據，外部數據包括但不限於天氣預報數據、自然災害數據等氣象預測數據。本發明實施例中，充分採集一切可能影響土壤含水率的數值的數據，目的是為了使計算出的土壤含水率的數值更加趨近於實際數值，從而充分提高本發明實施例提供的灌溉預報方法預報的精準性。
步驟02：根據採集的監控數據和外部數據計算相關參數。
在步驟02中，相關參數包括但不限于田間持水量、凋萎係數、參考需水量ET0值、作物係數、土壤水分無脅迫係數、作物根系吸水深度、計劃溼潤層深度。
田間持水量根據公式φ＝[(m2-m1)/m1]×100％計算得出，其中，φ-田間持水量(％)、m2-溼樣土質量、m1-烘乾樣土質量。
凋萎係數根據田間持水量、土壤溫度、土壤溼度等各類基礎數據，進行具體實驗得出。
參考需水量ET0值根據演算模型公式得出，包括但不限於P-M公式或植物品種基本水汽蒸騰量與氣候和季節的對應數據。
作物係數為待灌溉作物需水量ET和參考需水量ET0的比值。
作物根系吸水深度、計劃溼潤層深度以及土壤水分無脅迫係數均根據待灌溉作物的不同種類、不同生長發育階段、不同地質等原因而具體設定。
步驟03：依據獲得的相關參數，運用水量平衡方程計算土壤含水率。
步驟04：將獲得的土壤含水率的值與設定閾值作比較，獲得的土壤含水率的值小於設定閾值，判定結果為需要灌溉。
步驟05：計算具體的灌溉量，形成控制數據控制執行機構進行灌溉。
應當理解，在步驟05中，具體的灌溉量由步驟02得出的田間持水量的值、計劃溼潤層深度的值、步驟03得出的土壤含水率的值、以及具體的灌區面積綜合計算得出，並根據計算出的具體的灌溉量形成控制數據控制執行機構如水泵等進行灌溉工作。
在上述實施例的基礎上，延伸出本發明另一實施例，在本發明另一實施例中，將上述實施例的步驟04替換為步驟04』，並刪除步驟05，具體的流程如下：
步驟01：實時採集監控數據和外部數據。
步驟02：根據採集的監控數據和外部數據計算相關參數。
步驟03：依據獲得的相關參數，運用水量平衡方程計算土壤含水率。
步驟04』：將獲得的土壤含水率的值與設定閾值進行比較，獲得的土壤含水率的值大於或等於設定閾值，判定結果為不需要灌溉，轉至步驟01進行數據的實時採集。
在步驟04』中，在將獲得的土壤含水率的值與設定閾值作比較時，允許有誤差存在。比如，當設定閾值為60％、絕對誤差為5％時，則設定閾值範圍為55％～65％，此時，當計算獲得的土壤含水率的值小於55％(即小於設定閾值的範圍)時，即需要灌溉；當計算獲得的土壤含水率的值落入設定閾值的範圍或大於設定閾值的範圍時，即不需要灌溉。此外，應當想到，當計算獲得的土壤含水率的值大大超過設定閾值範圍時，應當發出警報，採取緊急措施避免水澇災害，發出警報的具體閾值以及警報過程不再詳細說明。
應當理解，設定閾值的具體值應根據不同的作物種類、作物的不同生長階段以及地質的種類等具體情況的不同而進行區別設定。
本發明上述兩實施例提供的灌溉預報方法，通過實時採集監控數據和外部數據，對採集的數據進行計算處理得出所需要的相關參數，從而運用水量平衡方程計算土壤含水率，將計算得出的土壤含水率的值與設定閾值相比較的方式，來判定是否需要灌溉，具體地，當計算得出的土壤含水率的值小於設定閾值時，則判定為需要灌溉，並根據得出的相關參數等對灌溉量進行計算，繼而開展灌溉工作，灌溉工作過程中及灌溉工作結束後一直進行監控預報；當計算得出的土壤含水率的值大於或等於設定閾值時，則判定為不需要灌溉，此時則繼續進行監控預報，本實施例提供的灌溉預報方法充分考慮了各種可能影響土壤含水率數值的因素，並將各種可能影響土壤含水率數值的因素轉化成具體數值加入到計算含水率的相關公式和過程中，同時，在計算灌溉量的過程中，也充分考慮了灌區面積、計劃溼潤層深度等各種影響灌溉量的因素，真正及時、精準地做到了灌溉的實時預報，提高了灌溉的精準性。
此外，本發明實施例提供的灌溉預報方法，是對監測灌區的實時、循環監測，也就是說，當計算得出的土壤含水率的值小於設定閾值時，計算灌溉量並進行灌溉，同時，實時監測計算土壤含水率的值，一旦所測灌區的土壤含水率的值達到設定閾值範圍，則停止灌溉，並繼續進行監測；當計算得出的土壤含水率的值大於或落入設定閾值範圍時，則不啟動灌溉程序，繼續實時監測計算土壤含水率的值，一旦所測灌區的土壤含水率的值小於設定閾值範圍，則開啟灌溉程序，同時實時監測計算土壤含水率的值，一旦所測灌區的土壤含水率的值達到設定閾值範圍，則停止灌溉程序，並繼續進行監測。
圖2為本發明一實施例的灌溉預報裝置的結構圖。如圖2所示，本發明一實施例的灌溉預報裝置的結構如下：
獲取數據子模塊10，用於實時採集監控數據和外部數據。
其中，獲取數據子模塊10還包括：
實時監控數據採集子模塊101，用於實時採集監控數據；
外部資料採集子模塊102，用於實時採集外部數據。
P-M：ET0生成子模塊20，用於根據獲得的監控數據和外部數據計算出ET0的值。
土壤含水率生成子模塊30，用於根據獲得的監控數據和外部數據計算相關參數，並根據獲得的相關參數運用水量平衡方程計算土壤含水率。
其中，土壤含水率生成子模塊30還包括：
凋萎係數生成子模塊301，用於根據監控數據和外部數據生成凋萎係數的值；
田間持水量生成子模塊302，用於根據田間持水量計算公式生成田間持水量的值；
作物係數生成子模塊303，用於根據待灌溉作物需水量ET和參考需水量ET0的值生成作物係數的值；
土壤水分無脅迫係數生成子模塊304，用於根據監控數據和外部數據生成土壤水分無脅迫係數的值；
作物根系吸水深度生成子模塊305，用於根據監控數據和外部數據生成作物根系吸水深度的值。
判定是否灌溉子模塊40，用於將獲得的土壤含水率的值與設定閾值作比較，當獲得的土壤含水率的值小於設定閾值時，判定結果為需要灌溉，並且進行下一步計算灌溉量的操作；當獲得的土壤含水率的值大於或等於設定閾值時，判定結果為不需要灌溉，則繼續進行循環監測。
灌溉量幹預生成子模塊50，用於計算具體的灌溉量，形成控制數據控制執行機構進行灌溉。
其中，灌溉量幹預生成子模塊50還包括：
計劃溼潤層深度生成子模塊501，用於根據監控數據和外部數據生成計劃溼潤層深度的值。
圖3為本發明一實施例的灌溉預報系統的結構圖。在上述實施例提供的灌溉預報方法和灌溉預報裝置的基礎上，形成本實施例的灌溉預報系統。如圖3所示，本發明一實施例的灌溉預報系統的結構如下：
終端採集層100，用於採集灌區的監控數據，並形成主動或被動適配的外部數據接收通道，接收控制數據，以相應的流量和流速進行排給水。
網絡傳輸層200，用於建立點對點或點對多點的有線和/或無線數據通道。
業務應用層300，用於部署灌溉預報裝置。完成接收採集的灌區監控數據和/或外部數據，並將其進行轉換和封裝以形成統一的上傳數據形式，同時，接收下行數據，將下行數據進行轉換和分發；響應不同類型終端的業務請求，獲取業務數據和處理模型形成發布數據進行轉發，並且根據獲取的業務數據和處理模型，形成業務邏輯並完成業務處理，將業務處理形成的控制數據轉發和/或轉存。
數據存儲層400，用於獲取灌區的地理特徵數據，並響應業務請求，形成相應的業務數據和處理模型，並進行存儲和轉發。
其中，終端採集層100還包括：
傳感器130，用於採集灌區的監控數據。
其中，灌區的監控數據包括但不限於土壤溫度、土壤溼度、墒情、雨情等各類基礎數據。
在本發明一實施例中，土壤溫度數據和/或土壤溼度數據分別由分布於灌區各監測站的土壤溫度傳感器和/或土壤溼度傳感器獲取，獲取的土壤溫度數據和/或土壤溼度數據以報表形式進行展示，相關人員可通過具體日期來對土壤溫度數據和/或土壤溼度數據進行查詢，查詢出的土壤溫度數據和/或土壤溼度數據以過程線的形式進行直觀展示，從而使獲取的土壤溫度數據和/或土壤溼度數據充分為灌區用水提供有效依據。
在本發明一實施例中，灌區的土壤墒情數據的獲取是由相關人員通過墒情速測儀來手動收集，並將獲取的土壤墒情數據以報表形式展示，展示數據中包括但不限於有垂線均含水率、表層含水率、10cm溼度含水率、20cm溼度含水率、30cm溼度含水率、40cm溼度含水率、50cm溼度含水率、60cm溼度含水率、70cm溼度含水率、80cm溼度含水率、90cm溼度含水率、100cm溼度含水率、110cm溼度含水率、幹土層厚度、灌溉相隔時間和降雨相隔天數等相關數據，從而使獲取的土壤墒情數據更加詳細精準，充分為灌區用水提供有效依據。
外部數據接口150，用於形成主動或被動適配的外部數據接收通道。
其中，外部數據包括但不限於天氣預報數據、自然災害數據等氣象預測數據。
執行機構110，用於接收控制數據，以相應的流量和流速進行排給水。
其中，灌區進行排給水的設備包括但不限於水泵、噴淋頭等。
其中，網絡傳輸層200還包括：
有線數據網絡210，用於建立點對點或點對多點有線數據通道。
其中，有限數據網絡類型包括但不限於光纜或電纜的幀中繼、集群、ATM或乙太網。
無線數據網絡220，用於建立點對點或點對多點無線數據通道。
其中，無線數據網絡類型包括但不限於微波、WIFI、移動通信等。
其中，業務應用層300還包括：
數據收發伺服器310，用於接收採集的灌區監控數據和/或外部數據，並將其進行轉換和封裝以形成統一的上傳數據形式，同時，接收下行數據，將下行數據進行轉換和分發。
灌溉預報裝置320，用於根據獲取的灌溉預報裝置的業務數據和處理模型，形成業務邏輯並完成業務處理，並將業務處理形成的控制數據轉發和/或轉存。
數據發布伺服器330，用於響應不同類型終端的業務請求，獲取業務數據形成發布數據。
其中，不同類型終端包括但不限於桌上型電腦、筆記本、平板電腦、手機等設備；業務請求包括但不限於實時監測地表水和/或地下水的主要動向，實時掌握水資源變化情況，對水資源變化趨勢作出預報，對水資源利用實現優化組合，對取水大戶實行取水實時總量控制和定額管理等。
其中，數據存儲層400還包括：
業務資料庫430，用於響應業務請求，形成相應灌溉預報裝置的業務數據和處理模型，並進行存儲和轉發。
地理空間模塊410，用於獲取灌區的地理特徵數據。
在本發明一實施例中，將灌區的地理特徵數據進行圖層化管理，即將地理特徵數據分為基礎地理數據圖層、水利基礎數據圖層、地形圖數據圖層等。在實際應用過程中，可控制圖層是否顯示包括流域界、水文站、雨量站、水庫、河流、湖泊、行洪區、蓄洪區、省界、地區界、縣界、鄉鎮、單元劃分、圖片在內的相關數據，並可按照實際需求設置圖層的疊放次序、添加或刪除圖層數據，另外，還可對各個圖層的屬性進行設置，如線型、充填類型、是否顯示字符等，通過上述對灌區的地理特徵數據進行圖層化設置，並對形成的一系列圖層的顯示屬性和/或自身屬性進行設置，充分增強了地理特徵數據顯示的可操作性，使相關人員可根據實際情況對根據地理特徵數據形成的圖層進行差異化設置，使本發明實施例的灌溉預報系統具有更強的適應性，更具人性化。
在本發明一實施例中，設置有圖層查詢功能，相關人員可在包含有地理特徵數據的圖層中進行搜索查詢操作，搜索查詢的範圍包括但不限於水文站名稱、雨量站名稱與編碼、水庫名稱與編號、河流名稱與編碼、湖泊編碼與名稱、行洪區名稱、蓄洪區名稱、省界名稱、地區界名稱、縣界名稱、鄉鎮名稱等數據，圖層的搜索查詢功能極大簡化了定位等相關工作，提高了本發明實施例給出的灌溉預報系統的工作效率。
本發明一實施例所提供的地理特徵數據的相關圖層，支持點、線、面元素的數據標繪，並且提供動態標繪和數據標繪功能，使相關人員能夠在相應圖層上進行點、線、面的繪製標註以及文字標註，並且可以採取移屏標註的方式進行連續標註，上述多種標註方式和標註方法對於豐富地理特徵數據的相關圖層的數據量有極大幫助，更加有助於相關人員之間的有效數據的傳遞。
實際應用過程中，終端採集層100中的傳感器130實時採集灌區的監控數據，外部數據接口150形成的外部數據接收通道實時採集灌區的外部數據；網絡傳輸層200中的有線數據網絡210和/或無線數據網絡220將獲得的灌區的監控數據和外部數據上傳至業務應用層300的數據收發伺服器310，以供業務應用層300中的灌溉預報裝置320使用，並通過數據收發伺服器310上傳至數據存儲層400的業務資料庫430進行存儲。同時，業務應用層300的數據發布伺服器330響應不同類型終端的業務請求，獲取業務數據形成發布數據，並將發布數據上傳至業務資料庫430中，業務資料庫430綜合發布數據、灌區的監控數據和外部數據，結合通過地理空間模塊410獲得的灌區的地理特徵數據，形成相應的業務數據和處理模型，並將其轉發至灌溉預報裝置320，灌溉預報裝置320根據獲取的業務數據和處理模型，形成業務邏輯並完成業務處理，並將業務處理的業務數據和處理模型形成控制數據，將控制數據通過網絡傳輸層200轉發至執行機構110，執行機構110接收控制數據，以相應的流量和流速進行排給水。
本發明實施例提供的灌溉預報系統，能夠做到對地表水和地下水的主要動向實行實時監測，並且實時掌握監測區域的水資源變化情況，同時，可做到對取水大戶的實時計量管理，本發明實施例提供的灌溉預報系統，為實施地下水資源保護、提高水資源管理水平、促進節約用水以及推進地下水資源保護行動的實施提供了科學依據。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。