一种植被生态高效用水智能化精准调配系统的制作方法

本发明涉及一种灌溉系统，具体涉及一种植被生态高效用水智能化精准调配系统。

背景技术：

公告号为cn104351020a的中国发明专利，公开了“基于图像采集的农田自动灌溉系统”。其通过采集农田图像，并与已有的干旱程度对照表比较，判断作物的需水情况。这种方法在一定程度上可以节约水资源并保证植被的合理灌溉。此外，还有通过使用湿度传感器实时检测土壤含水量来控制灌溉水量。但是，现有的灌溉系统无法根据实际情况，实时动态地监测植被生态需水状况，灌溉方式粗放、浪费水资源、且不利于植被生长。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种植被生态高效用水智能化精准调配系统。本发明能够实时动态地监测植被生态需水状况并选择合理的灌溉方式，节约了水资源且有利于植被生长。

技术方案：本发明所述的植被生态高效用水智能化精准调配系统，包括立体感知装置、决策与服务装置、灌溉装置，还包括中央控制装置；

所述立体感知装置用于采集土壤、植被、气象和植被现场硬件信息，所述中央控制装置用于计算植被生态需水量，所述决策与服务装置用于制定灌溉方案，所述灌溉装置用于执行灌溉指令；

所述立体感知装置将采集的信息传输给中央控制装置计算得出植被生态需水量，所述中央控制装置将植被生态需水量再传输给决策与服务装置制定灌溉方案，所述决策与服务装置将灌溉方案传输给灌溉装置执行灌溉指令。

进一步地，所述立体感知装置包括土壤传感器、植被传感器、气象传感器、监控设施、模数转换器和无线数据传输设备；

所述土壤传感器用于测量土壤水分，所述植被传感器用于测量植被水分和长势，所述气象传感器用于测量光照、气温、湿度、风速和雨量，所述监控设施用于采集植被、各种硬件设备和灌溉设施的实时图像，所述模数转换器用于将土壤传感器、植被传感器、气象传感器、监控设施采集的模拟信号转化成数字信号，所述无线数据传输设备用于将处理后的数字信号传输给中央控制装置；

所述土壤传感器、植被传感器、气象传感器和监控设施将采集的信息传输给模数转化器进行处理，所述模数转化器再将处理后的数据通过无线数据传输设备传输给中央控制装置。

进一步地，所述中央控制装置包括无线数据接收设备、中央计算机、植被生态需水计算平台；

所述无线数据接收设备用于接收立体感知装置传输的数据，然后将数据传输给中央计算机和植被生态需水计算平台计算出植被生态需水量。

进一步地，所述植被生态需水计算平台包括4个计算模块，分别为面积定额法模块、潜水蒸发法模块、植被蒸散发法模块和水量平衡法模块。

进一步地，所述面积定额法以某一地区某一类型植被的面积乘以其生态需水定额计算得到该种植被的生态需水量，该地区各种植被生态需水量之和即为该地区生态需水总量；此方法适用于基础工作较好的地区与植被类型，如防风固沙林、人工绿洲等生态需水的计算；计算公式为：

w＝∑wi＝σairi；

其中，w为植被生态需水总量(m³)，wi为植被类型i的生态需水量(m³)，ai为植被类型i的面积(m²)，a通过实际测量得到；ri为植被类型i的生态需水定额(m³/m²)，r＝kckspe0，pe0为由气候条件决定的潜在蒸散量，通常由彭曼公式计算；kc为植物系数，是植物最大实测需水量与最大可能蒸散量的比值，其值的大小与植物种类、林龄、和生长季节的环境状况等有关，常通过试验取得；ks为土壤水分修正系数，与土壤质地及土壤含水量有关；ks＝ln[(s-sw)/(sc-sw)×100+1]/ln101，s为土壤实际含水量；sw为土壤凋萎含水量；sc为土壤临界含水量。

进一步地，所述潜水蒸发法根据潜水蒸发量的计算来间接计算生态需水量，即某一植被类型在某一地下水位的面积乘以该地下水位的潜水蒸发量与植被系数，得到该面积下该植被生态需水量，各种植被生态需水量之和即为该地区植被生态需水总量；该方法适用于干旱区植被生存主要依赖于地下水的区域；计算公式为：

w＝∑wi＝σaiwgkc；

wgi＝a(1-hi/hmax)^be601；

w为植被生态需水总量(m³)；wi为植被类型i的生态需水量(m³)；ai为植被类型i的面积(m²)；wgi为植被类型i所处某一地下水埋深时的潜水蒸发量(m³)；kc为植被系数，是有植被地段的潜水蒸发量与无植被地段的潜水蒸发量之比值，常由试验确定；a、b为经验系数；hi为地下水位的埋深(mm)；hmax为潜水蒸发极限埋深(mm)；e601为601型蒸发皿水面蒸发量(m³)。

进一步地，所述植被蒸散发法通过计算植被的蒸散发耗水量来确定植被的生态需水量；一般使用改进后的彭曼公式法计算植被的蒸散发耗水量；

潜在蒸散发计算公式：et0＝c[wrn+(1-w)f(u)(ea-ed)]；

其中，et0为潜在蒸发量(mm/d)；w为与温度有关的权重系数；c为补偿白天与夜晚天气条件所起作用的修正系数；rn为按等效蒸发量计算得到的净辐射量(mm/d)；f(u)是与风速u有关的函数；ea-ed为在平均气温中，空气的饱和水汽压ea与实际平均水汽压ed之差值(mb)；

实际需水量的计算公式：et＝et0kef(s)；

其中，et为植物实际需水量(mm/d)；ke为植物系数，随植物种类、生长发育阶段而异，生长初期和末期较小，中期较大，接近或大于1.0，一般通过试验取得；f(s)为土壤影响因素，在非充分灌溉条件下或水分不足时，f(s)主要反映土壤水分状况对植物蒸腾量的影响；

当θ≥θq时，f(s)＝1；

当θ0≤θ＜θq时，f(s)＝ln(1+θ)/ln101；

当θ＜θ0时，f(s)＝α·exp(θ-θ0)/θ0；

α为经验系数，一般取0.8-0.95；θ为实际平均土壤含水率；θq为土壤水分适宜含水率；θ0为土壤水分胁迫临界含水率，为与植物永久凋萎系数相对应的土壤含水率。

进一步地，所述水量平衡法把植被生态系统视为植被—土壤综合系统，对该系统列水量平衡方程，求出一个时段植被的蒸散量，用植被蒸散量加上时段末土壤含水量作为此时段植被生态需水量，适合于完整流域的生态环境需水计算；计算公式为：

et+(wt+1-wt)＝(p+c)-(r+d)；

其中，ec为t到t+1时刻时段植被蒸散量，由植被传感器获得；p为降雨量，由气象传感器获得；c为地下水补给量，由水文部门获得；r为地表径流量，由水文部门获得；d为土壤水渗漏量，由土壤传感器获得；wt为t时刻土壤含水量，由土壤传感器获得；wt+1为t+1时刻土壤含水量，由土壤传感器获得；以上各量的单位为mm；其中，在地下水埋深较大时，c和d可以忽略不计。

进一步地，所述决策与服务装置包括无线数据接收设备、灌溉方案选择模块和智能控制终端；

所述无线数据接收设备用于接收中央控制装置传输的植被需水量信息，所述灌溉方案选择模块用于选择灌溉方案，所述智能控制终端用于实时查看植被现场信息，并向灌溉装置发送灌溉指令；

所述无线数据接收设备将从中央控制装置接收的信息传输给灌溉方案选择模块制定灌溉方案，所述灌溉方案选择模块再将灌溉方案传输给智能控制终端，所述智能控制终端给灌溉装置发送灌溉指令。

进一步地，所述灌溉装置包括解码器、电磁阀和灌溉设施；

所述解码器连接电磁阀，电磁阀连接灌溉设施；

所述解码器用于接收和反馈智能控制终端传输的运行指令，所述电磁阀用于控制灌溉阀门的开闭，所述灌溉设施用于实现植被的灌溉。

有益效果：(1)本发明可以根据土壤、气候和植被实时状态，计算出植被生态需水量，并实现远程监测植被需水情况、智能选择灌溉方案、自动进行植被灌溉。

(2)本发明包括4个植被生态需水计算模块，可以适用于不同植被类型、区域气象、土壤、水文地质和生态条件的植被生态需水计算；可以根据灌区实际情况和植被类型，选择合适的灌溉方式，并可以远程智能选择灌溉方案，精准确定灌溉时间和灌溉量。本发明符合植被需水规律，既有利于植被生长，又避免了水资源的浪费。

附图说明

图1为本发明所述的植被生态高效用水智能化精准调配系统的整体框图；

图2为立体感知装置的结构框图；

图3为中央控制装置的结构框图；

图4为决策与服务装置的结构框图；

图5为灌溉装置的结构框图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种植被生态高效用水智能化精准调配系统，如图1所示，其包括立体感知装置、中央控制装置、决策与服务装置和灌溉装置。立体感知装置用于实时监测土壤、植被、气象和硬件信息，并传输给中央控制装置；中央控制装置用于计算植被生态需水量，并传输给决策与服务装置；决策与服务装置用于制定灌溉方案，并向灌溉装置发送控制指令；灌溉装置用于接收决策与服务装置的指令并自动灌溉。

如图2所示，立体感知装置包括土壤传感器、植被传感器、气象传感器、监控设施、模数转换器和无线数据传输设备。所述土壤传感器用于测量土壤水分，所述植被传感器用于测量植被水分和长势，所述气象传感器用于测量光照、气温、湿度、风速和雨量，所述监控设施用于采集植被、各种硬件设备和灌溉设施的实时图像，所述模数转化器用于将各类传感器采集到的电流模拟信号转换为数字信号，并通过无线数据传输设备传输至中央控制装置。

如图3所示，中央控制装置包括无线数据接收设备、中央计算机和植被生态需水计算平台。所述无线数据接收设备用于接收立体感知装置传输的信息，再将信息传输给中央计算机和植被生态需水计算平台计算出植被生态需水量。

植被生态需水计算平台包含了目前针对不同植被类型、区域气象、土壤、水文地质和生态条件的4个植被生态需水计算模块，分别为面积定额法模块、潜水蒸发法模块、植被蒸散发法模块和水量平衡法模块。

所述面积定额法以某一地区某一类型植被的面积乘以其生态需水定额计算得到该种植被的生态需水量，该地区各种植被生态需水量之和即为该地区生态需水总量；此方法适用于基础工作较好的地区与植被类型，如防风固沙林、人工绿洲等生态需水的计算；计算公式为：

w＝∑wi＝∑airi；

其中，w为植被生态需水总量(m³)，wi为植被类型i的生态需水量(m³)，ai为植被类型i的面积(m²)，a通过实际测量得到；ri为植被类型i的生态需水定额(m³/m²)，r＝kckspe0，pe0为由气候条件决定的潜在蒸散量，通常由彭曼公式计算；kc为植物系数，是植物最大实测需水量与最大可能蒸散量的比值，其值的大小与植物种类、林龄、和生长季节的环境状况等有关，常通过试验取得；ks为土壤水分修正系数，与土壤质地及土壤含水量有关；ks＝ln[(s-sw)/(sc-sw)×100+1]/ln101，s为土壤实际含水量；sw为土壤凋萎含水量；sc为土壤临界含水量。

所述潜水蒸发法根据潜水蒸发量的计算来间接计算生态需水量，即某一植被类型在某一地下水位的面积乘以该地下水位的潜水蒸发量与植被系数，得到该面积下该植被生态需水量，各种植被生态需水量之和即为该地区植被生态需水总量；该方法适用于干旱区植被生存主要依赖于地下水的区域；计算公式为：

w＝∑wi＝∑aiwgikc；

wgi＝a(1-hi/hmax)^be601；

w为植被生态需水总量(m³)；wi为植被类型i的生态需水量(m³)；ai为植被类型i的面积(m²)；wgi为植被类型i所处某一地下水埋深时的潜水蒸发量(m³)；kc为植被系数，是有植被地段的潜水蒸发量与无植被地段的潜水蒸发量之比值，常由试验确定；a、b为经验系数；hi为地下水位的埋深(mm)；hmax为潜水蒸发极限埋深(mm)；e601为601型蒸发皿水面蒸发量(m³)。

所述植被蒸散发法通过计算植被的蒸散发耗水量来确定植被的生态需水量；一般使用改进后的彭曼公式法计算植被的蒸散发耗水量；

潜在蒸散发计算公式：et0＝c[wrn+(1-w)f(u)(ea-ed)]；

其中，et0为潜在蒸发量(mm/d)；w为与温度有关的权重系数；c为补偿白天与夜晚天气条件所起作用的修正系数；rn为按等效蒸发量计算得到的净辐射量(mm/d)；f(u)是与风速u有关的函数；ea-ed为在平均气温中，空气的饱和水汽压ea与实际平均水汽压ed之差值(mb)；

实际需水量的计算公式：et＝et0kef(s)；

其中，et为植物实际需水量(mm/d)；ke为植物系数，随植物种类、生长发育阶段而异，生长初期和末期较小，中期较大，接近或大于1.0，一般通过试验取得；f(s)为土壤影响因素，在非充分灌溉条件下或水分不足时，f(s)主要反映土壤水分状况对植物蒸腾量的影响；

当θ≥θq时，f(s)＝1；

当θ0≤θ＜θq时，f(s)＝ln(1+θ)/ln101；

当θ＜θ0时，f(s)＝α·exp(θ-θ0)/θ0；

α为经验系数，一般取0.8-0.95；θ为实际平均土壤含水率；θq为土壤水分适宜含水率；θ0为土壤水分胁迫临界含水率，为与植物永久凋萎系数相对应的土壤含水率。

所述水量平衡法把植被生态系统视为植被—土壤综合系统，对该系统列水量平衡方程，求出一个时段植被的蒸散量，用植被蒸散量加上时段末土壤含水量作为此时段植被生态需水量，适合于完整流域的生态环境需水计算；计算公式为：

et+(wt+1-wt)＝(p+c)-(r+d)；

其中，ec为t到t+1时刻时段植被蒸散量，由植被传感器获得；p为降雨量，由气象传感器获得；c为地下水补给量，由水文部门获得；r为地表径流量，由水文部门获得；d为土壤水渗漏量，由土壤传感器获得；wt为t时刻土壤含水量，由土壤传感器获得；wt+1为t+1时刻土壤含水量，由土壤传感器获得；以上各量的单位为mm；其中，在地下水埋深较大时，c和d可以忽略不计。

如图4所示，决策与服务装置包括无线数据接收设备、灌溉方案选择模块和智能控制终端。所述无线数据接收设备用于接收中央控制装置发送的植被生态需水量信息；所述灌溉方案选择模块用于根据植被生态需水量选择科学合理的灌溉方案；所述智能控制终端用于实时查看立体感知装置传输的土壤、植被、气象和各种现场设施的图像信息，并向灌溉装置发送控制指令。

如图5所示，灌溉装置包括解码器、电磁阀和灌溉设施。所述解码器用于接收和反馈智能控制终端发来的运行程序指令；所述电磁阀可以接收解码器传输的指令，控制植被灌溉阀门的开闭；所述灌溉设施用于实现植被的灌溉。灌溉方式可以根据灌区实际情况和植被类型，选择合适的灌溉方式，如喷灌、微灌、滴灌和渗灌等。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。