一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法
2023-07-05 11:43:41 1
專利名稱：一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法
技術領域：
本發明涉及一種土壤水分監測方法，特別涉及一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法。
背景技術：
節水灌溉的基礎是作物缺水診斷，作物受旱時會有多方面的響應，能夠反映作物缺水的指標很多，傳統和常用的指標是土壤水分指標，因此土壤水分的測定尤為重要。土壤
水分的測定方法已有較長的發展歷史，經歷了從取土烘乾測定到傳感器實時自動採集的過程。目前土壤水分的快速測量技術已經比較成熟，可實現實時自動監測和數據採集，但是作物根區土壤水分的連續、實時監測仍沒有方便快捷的方法。一般溫室作物根系分布在深度0至100釐米以內的土層中，但是由於傳感器價格昂貴，在作物根區布設傳感器會顯著增加成本，在目前的農業灌溉中，監測土壤水分的手段只在土壤表層0至10釐米的範圍內布設傳感器，並用於指導灌溉決策，但真正被作物利用的是作物根區範圍內的土壤水分，僅以表層土壤水分含量作為灌溉決策的依據，不足以反映作物缺水狀況，顯然不夠合理。為了獲得作物根區的土壤水分狀況，一般方法是在作物根區土壤剖面布設多個傳感器，利用多個傳感器測得的數據進行灌溉決策，這樣不僅破壞原有土體、增加灌溉成本，還將使設置傳感器的成本顯著增加，多個傳感器也會產生大量的冗餘數據，增加了決策的難度。為此，建立合適的作物根區土壤水分監測與灌溉決策方法已成為目前智能灌溉控制系統必須解決的問題。王橋等(專利號CN102252973A)公開了一種土壤含水量遙感監測方法，監測土壤水分的瞬時值。秦齊明等(專利號CN101614651A)公開了一種土壤水分監測的數據同化方法，利用遙感數據和數據同化技術實現時空尺度上大面積土壤水分連續監測。有學者由遙感數據反演的表層土壤水分，根據一定的數學模型計算得到深層土壤含水量，但很難實現深層含水量的實時獲得。目前土壤水模擬方法還只是一種「靜態」模擬，不能實現土壤水分模擬的實時性、動態性，也無法將模擬結果用於智能灌溉系統。
發明內容
為了解決目前無法實現深層土壤含水量的實時獲得，不能實現土壤水分的實時、動態模擬，無法將「靜態」模擬結果用於智能灌溉系統及指導灌溉決策的問題，本發明提出一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法，所採用的技術方案是一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法，包括以下3個方面( I) 土壤水分數據採集使用土壤水分傳感器基於時域反射或頻域反射的原理進行土壤水分數據採集，土壤水分傳感器埋設在土壤溼潤區域的範圍內，土壤水分傳感器布設在表層土壤中；( 2 ) 土壤水分數值修正採用基於動態數據驅動應用系統的數值模擬方法，利用實時監測表層土壤水分獲得作物根區的土壤水分狀況，建立土壤水分數學模型，連續監測的表層土壤含水量經過修正，用於指導灌溉決策，修正的過程以土壤水分變化的機理性模型即土壤水動力學模型為基礎，以動態數據驅動應用系統為土壤水分模擬的技術範式，輔以作物信息和實時氣象信息，建立土壤水分模擬和實際土壤水分監測之間的動態模擬系統，動態模擬系統的模擬結果為作物根區土壤水分含量，將作物根區土壤水分含量進行儲存、顯示，以指導灌溉決策；(3)灌溉數據決策由水動力學模型得到的作物根區土壤水分含量與設定的作物灌溉閾值進行比較，低於灌溉閾值下限時進行灌溉，達到灌溉閾值上限時停止灌溉。一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法，土壤水分變化的機理性模型即土壤水動力學模型的方程為
權利要求
1.ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於包括以下3個方面 (1)土壌水分數據採集 使用土壌水分傳感器基於時域反射或頻域反射的原理進行土壌水分數據採集，土壌水分傳感器埋設在土壤溼潤區域的範圍內，所述土壤水分傳感器布設在表層土壤中； (2)土壤水分數值修正 採用基於動態數據驅動應用系統的數值模擬方法，利用實時監測表層土壌水分獲得作物根區的土壌水分狀況，建立土壌水分數學模型，連續監測的表層土壤含水量經過修正，用於指導灌溉決策，修正的過程以土壌水分變化的機理性模型即土壤水動力學模型為基礎，以動態數據驅動應用系統為土壌水分模擬的技術範式，輔以作物信息和實時氣象信息，建立土壌水分模擬和實際土壌水分監測之間的動態模擬系統，所述動態模擬系統的模擬結果為作物根區土壌水分含量，將作物根區土壌水分含量進行儲存、顯示，以指導灌溉決策； (3)灌概數據決策 由所述水動力學模型得到的作物根區土壌水分含量與設定的作物灌溉閾值進行比較，低於灌溉閾值下限時進行灌溉，達到灌溉閾值上限時停止灌溉。
2.根據權利要求I所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於所述的土壌水分變化的機理性模型即土壤水動力學模型的方程為 「^ = ArD{e)^\ - - Sr {z,t)dt &L az」dz，/,.(/)⑴ !=[丨mぎ-鹽 ft 8z[ 8z] dz，i (t)<cz<cL 式中，0為土壤含水率，t為時間，z為垂直坐標，取向下為正，D( 0 )為非飽和土壤擴散率，K(0)為非飽和土壤導水率，IJt)是作物根系長度，も(z，t)是作物根系吸水率，即根系在單位時間內由單位體積土壤中所吸收的水分的體積，在給定了上邊界條件、下邊界條件和初始條件之後，經過數值計算得到上式的解，即整個土壌剖面含水量，再處理並獲得作物根系範圍內的土壌剖面含水量，即作物根區土壌水分含量，所述上邊界條件由實時監測的表層土壤含水量求得；D( 0 )、K( 0 )等土壌水分運動參數選用經驗模型確定，作物根系吸水速率按下式計算 ,w 、( 1.8 1.6 V.,, ^A-J)= TJa-Tuaz eM KlfV)ド[t) J(2) 其中Ec^t)是作物實際騰發量， 將全部求解域Z=(TL離散化為n個單元，共有n+1個結點，編號i=0，I, 2，……，n，其中i=0和i=n為邊界結點,其餘為內結點,距離步長為Az。時間步長At —般可考慮為變步長，開始階段取較小值，以後可逐步増大；對任意內結點寫出差分方程，經整理後得三對角方程形式
3.根據權利要求2所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於所述公式I的上邊界條件在蒸發和灌溉過程中有所不同，土壌表面處於蒸發狀態時，上邊界是變通量的第三類邊界條件，取蒸發強度為實測表層土壤含水量的減少量與傳感器範圍內根系吸水總量之差，忽略表層土壤水分下滲量；灌溉時，上邊界條件為已知地表通量的第二類邊界條件，地表通量與滴頭流量有夫。蒸發和灌溉時，下邊界均取有限深度處的土壌含水量，其原則是全部計算過程中下邊界以上一定範圍內的含水率無變化，即下邊界維持為初始值。
4.根據權利要求2所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於所述公式(3)方程組中第一個方程的常數項Ii1隨邊界條件的不同而不同；上邊界條件為蒸發時，第一個方程的常數項如下
5.根據權利要求I所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在幹所述作物信息包括作物潛在騰發量、作物實際騰發量、作物根系長度和根系吸水速率，所述作物潛在騰發量採用實時氣象信息應用彭曼蒙特斯公式計算獲得，所述作物實際騰發量採用作物潛在騰發量、作物係數和土壌水分修正係數經過計算獲得。
6.根據權利要求I所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於所述實時氣象信息包括溫度、溼度、風速和輻射強度。
7.根據權利要求I所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於確定土壌水分運動參數的經驗模型為V-G模型。
8.根據權利要求I所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於所述表層土壤是距地表面10釐米之內的土壌。
9.根據權利要求I所述的ー種作物根區土壌水分監測與智能灌溉決策方法，其特徵在於灌溉方式為滴灌，所述土壤水分傳感器布設在橫向距離滴灌滴頭0至10釐米內的表層土壤中。
全文摘要
一種作物根區土壤水分監測與智能灌溉決策方法，包括3個方面(1)使用土壤水分傳感器基於時域反射或頻域反射的原理進行土壤水分數據採集；(2)採用基於動態數據驅動應用系統的數值模擬方法，建立土壤水分數學模型，對土壤水分數值進行修正；(3)由水動力學模型得到的作物根區土壤水分含量與設定的作物灌溉閾值進行比較，決定灌溉數據決策。本發明以動態數據驅動應用系統為技術範式，以各種最新的實測氣象資料為依據，以實測初始土壤水分和實時表層土壤水分狀況、作物生長狀況等為基礎，對土壤水分做出模擬預報，提高土壤水分預報的動態性、實時性，對制定用水計劃有重要意義。
文檔編號G06F19/00GK102726273SQ201210202778
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者徐飛鵬, 曾祥斐, 李雲開, 羅昊, 賈瑞卿, 邱恆清 申請人:中農先飛(北京)農業工程技術有限公司