一种用于生态区域的智能监测与防控方法及系统与流程

本发明涉及生态区域的智能监测与防控技术领域，特别是涉及一种用于生态区域的智能监测与防控方法及系统。

背景技术：

农田地表水径流流失导致的水环境恶化已成为世界普遍存在的环境问题。农田地表水径流流失具有广泛性、间歇性和随机性，污染负荷时间和空间变化幅度大，不同汇水区尺度上的地表水径流流失输出及其影响因素往往呈现出不同的特性。目前的农田地表水径流流失机理和过程研究主要集中在农田尺度或径流小区尺度的试验观测、数据分析和过程模拟，但少有针对生态系统的整体研究。因此，农田地表水径流流失的监测体系的建立显得尤为重要。

该体系建立的难点有，第一，由于检测区间变成流域区间，传统的农田土壤雨水监测仪器已经不能满足需要；第二，由于流域区间范围广阔，工作人员很难同时在径流上游、中游、下游进行监测记录，其工作量和工作难度加倍。第三，由于工作人员不能在农田里等着下雨，传统的监测方式是当收到降雨通知时，工作人员再赶到监测现场携带仪器进行测量，这样往往会导致降雨前期重要的数据丢失。

且农田地表水径流流失的主控因子随环境的不同而改变(如地形、耕作模式、土壤性质、施肥方式、气候特点)，因此其防控技术和手段也很难确定。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于生态区域的智能监测与防控方法，通过此智能监测与防控方法，建立农田地表水径流流失的监测体系，并通过自动采集不同区域中水样品并获取水样品中的水质指标，以及自动检测不同区域其他水质指标，确定相应的防控技术，并评估生态区域防控技术的效果，为田块尺度氮磷径流流失提供了支持。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于生态区域的智能监测与防控方法，所述生态区域包括农田、生态沟渠以及人工湿地；所述智能监测与防控方法包括：

自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品；

自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标；

根据所述农田土壤中滞留的水样品、所述生态沟渠中滞留的水样品以及所述人工湿地入口和出口的水样品，获取各个水样品中的相关水质指标；

根据所述获取各个水样品中的相关水质指标以及所述自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，确定相应的防控技术并评估其防控技术效果。

可选的，在执行所述自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品步骤之前，还包括：获取背景监测数据；所述背景监测数据包括：降雨量、雨前农田土壤水分以及农田土壤紧实度。

可选的，所述智能检测与防控方法，还包括：根据所述背景监测数据，控制自动采集与自动检测设备的开启与关闭。

可选的，所述自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品，具体包括：

在农田土壤中埋置高度1.5米土壤水分抽提装置水桶，并在0.5，1，1.5米处挖空洞，用所述土壤水分抽提装置自动采集农田土壤中滞留的水样品；

在生态沟渠内设置智能多功能雨水采集器，用所述智能多功能雨水采集器自动采集生态沟渠区域中滞留的水样品；

在人工湿地入口和出口设置智能多功能雨水采集器，用所述智能多功能雨水采集器自动采集人工湿地区域入口和出口的水样品。

可选的，所述自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，具体包括：

在生态区域内设置超声波流速仪、浊度测量仪、总有机碳测量仪、土壤水分测量仪以及土壤电导率仪，进行自动检测生态沟渠中部分水质指标；

在人工湿地出口处设置水深测量仪、PH测量仪、叶绿素测量仪、浊度测量仪以及总有机碳测量仪，进行自动检测人工湿地出口处中部分水质指标。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种用于生态区域的智能监测与防控方法，通过自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品并获取各个水样品中的相关水质指标；然后通过自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，并根据所述获取各个水样品中的相关水质指标以及所述自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，确定相应的防控技术，并评估生态区域防控技术的效果，为田块尺度氮磷径流流失提供了支持，同时通过此监测与防控方法，能够建立农田地表水径流流失的监测体系。

本发明的另一目的是提供一种用于生态区域的智能监测与防控系统，建立农田地表水径流流失的监测体系，确定相应的防控技术。

一种用于生态工程的智能监测与防控系统，所述智能监测与防控系统用于监测农田区域、生态沟渠区域以及人工湿地区域；所述智能检测与系统包括自动采集设备和自动检测设备；所述自动采集设备包括智能多功能雨水采集器和土壤水分抽提装置；所述自动检测设备包括土壤水分测量仪、浊度测量仪、总有机碳测量仪、土壤导电率仪、PH测量仪、叶绿素测量仪以及水深测量仪；其中，

所述土壤水分抽提装置，设置在农田土壤内，用于自动采集农田土壤中滞留的水样品；

所述智能多功能雨水采集器，设置在农田区域地面上，用于自动确定降雨量，设置在生态沟渠内和人工湿地入口和出口，用于自动采集生态沟渠区域中滞留的水样品和人工湿地区域入口和出口的水样品；

所述土壤水分测量仪，设置在农田不同层面的土壤中以及生态沟渠区域内部不同层面土壤中，用于反应下渗水量；

所述超声波流速仪，设置在生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的水流流速和地表径流水进入生态沟渠后的水流流速；

所述浊度测量仪，设置在所述生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的水的浊度值和地表径流水进入生态沟渠后的水的浊度值，设置在人工湿地出口处，用于测量水流入河流的浊度值；

所述总有机碳测量仪，设置在所述生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的水的总有机碳值和地表径流水进入生态沟渠后的水的总有机碳值，设置在所述人工湿地出口处，用于测量水流入河流的总有机碳值；

所述土壤导电率仪，设置于所述生态沟渠内，用于测量土壤盐分变化值；

所述PH测量仪，设置于所述生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的PH值和地表径流水进入生态沟渠后的PH值，设置在所述人工湿地出口处，用于测量水流入河流的PH值；

所述叶绿素测量仪，设置所述在人工湿地出口处，用于测量植被叶绿素值；

所述水深测量仪，设置在人工湿地区域内，用于测量水深深度。

可选的，所述智能监测与防控系统还包括：气象站、智能多功能雨水采集器以及土壤样品检测仪；其中，

所述气象站，设置在所述农田区域地面上，用于收集气象数据；

所述智能多功能雨水采集器，设置在农田区域地面上，用于自动采集雨水

所述土壤样品检测仪，设置在所述农田区域地面上，用于检测雨前土壤中水分和土壤紧实度。

可选的，所述智能监测与防控系统还包括：数据接收发送装置；所述数据接收发送装置用于接收命令、传输数据。

可选的，所述智能监测与防控系统还包括：预警系统；

所述预警系统，用于根据不同区域获取的相关水质指标，判断所述相关水质指标是否超过所述智能监测与防控系统中设置的相应阈值，若超过，则发出报警信息。

可选的，所述智能监测与防控系统还包括：中心服务系统；

所述中心服务系统，用于根据所述气象数据、降雨量、雨前土壤中水分以及土壤紧实度，输出控制命令；所述控制命令为控制所述智能监测与防控系统中自动采集设备和自动检测设备的开启与关闭。。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种用于生态区域的智能监测与防控系统，通过在农田、生态沟渠以及人工湿地区域设置多个采集装置以及自动检测装置，实时监测农田地表水径流流失，同时根据自动采集装置以及自动检测装置获取的数据，确定不同区域水质指标，进而确定相应的防控技术，为地表径流流失污染与防控决策提供了支持。

另外，通过研究多源数据采集和智能识别技术，开发智能数据采集设备，集成太阳能发电、低功耗远程数据通信等技术，构建氮磷径流区域关键指标的云监测和服务系统，实现监测的信息化、自动化、智能化，为野外水土环境科学研究提供技术支撑。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种用生态区域的智能监测与防控方法流程图；

图2为本发明实施例中的一种用于用生态区域的智能监测与防控系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种一种用于生态区域的智能监测与防控方法，通过确定获取不同生态区域水质指标，确定相应的防控技术，并评估生态区域防控技术的效果，为田块尺度氮磷径流流失提供了支持。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，图1为一种用于生态区域的智能监测与防控方法流程图，包括：

步骤101：自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品；具体包括：

在农田土壤中埋置高度1.5米土壤水分抽提装置水桶，并在0.5，1，1.5米处挖空洞，用所述土壤水分抽提装置自动采集农田土壤中滞留的水样品。

在生态沟渠内设置智能多功能雨水采集器，用所述智能多功能雨水采集器自动采集生态沟渠区域中滞留的水样品。

在人工湿地入口和出口设置智能多功能雨水采集器，用所述智能多功能雨水采集器自动采集人工湿地区域入口和出口的水样品。

步骤102：自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，具体包括：

在生态区域内设置超声波流速仪、浊度测量仪、总有机碳测量仪、土壤水分测量仪以及土壤电导率仪，进行自动检测生态沟渠中部分水质指标。

在人工湿地出口处设置水深测量仪、PH测量仪、叶绿素测量仪、浊度测量仪以及总有机碳测量仪，进行自动检测人工湿地出口处中部分水质指标。

步骤103：根据所述农田土壤中滞留的水样品、所述生态沟渠中滞留的水样品以及所述人工湿地入口和出口的水样品，获取各个水样品中的相关水质指标。

步骤104：根据所述获取各个水样品中的相关水质指标以及所述自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，确定相应的防控技术并评估其防控技术效果。

例如：在典型稻作耕作模式下，农田地表水径流流失导致的水环境恶化的主控因子是水(灌溉和降雨)肥，根据水质指标中水含量以及氮磷浓度，其防控措施主要源头的控水、控肥及确定合理的施肥技术进行稻田农田地表水径流流失导致的水环境恶化的防控。

在平原旱地耕作模式下，农田地表水径流流失导致的水环境恶化的主控因子是降雨、作物种类、土壤性质、植被覆盖、灌溉、施肥，根据水质指标中水含量、盐分变化值、叶绿素值、PH值以及氮磷浓度等，其防控措施会针对预警指标进行“水肥耦合管理-径流宏观调控”。

在坡耕地耕作模式下，地表水径流流失的主控因子为坡度、降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏，根据水质指标中水含量、盐分变化值、叶绿素值、PH值以及氮磷浓度等，其防控措施会以秸秆或生草覆盖、横坡垄作、等高梯化种植与精准化平衡施肥技术结合为主。

所述智能监测与防控方法还包括：在执行所述自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品步骤之前，还包括：获取背景监测数据；所述背景监测数据包括：降雨量、雨前农田土壤水分以及农田土壤紧实度以及根据所述背景监测数据，控制自动采集与检测设备的开启与关闭。

本实施例通过自动采集农田土壤中滞留的水样品、生态沟渠中滞留的水样品以及人工湿地入口和出口的水样品并获取各个水样品中的相关水质指标；然后通过自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，并根据所述获取各个水样品中的相关水质指标以及所述自动检测生态沟渠中部分水质指标和人工湿地出口处部分水质指标，确定相应的防控技术，并评估生态区域防控技术的效果，为田块尺度氮磷径流流失提供了支持，同时通过此监测与防控方法，能够建立农田地表水径流流失的监测体系。

本发明的另一目的是提供一种用于生态区域的智能监测与防控系统给，能够确定相应的防控技术，为地表水径流流失污染与防控决策提供了支持同时。

为使实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本申请背景技术是基于区域尺度，从农田出口到地表水体入口的过程监测。目前，比较常用的基于区域尺度的防控技术是生态工程技术，包括生态沟渠、植物缓冲带拦截和人工湿地净化，生态工程技术的评估是通过拦截氮磷浓度以及其它相关水质指标(pH值、水体浊度、水体中TOC含量、水流速、水中叶绿素含量等等)所表达的。

如图2所示，图2为一种用于生态区域的智能监测与防控系统结构示意图，包括：农田监测系统201、生态沟渠监测系统202以及人工湿地监测系统203。

每个监测系统分别配置一套太阳能供电装置204和数据接收发送装置205。

所述农田监测系统201包括：智能多功能雨水采集器、土壤水分测量仪、土壤水分抽提装置、气象站以及土壤样品检测仪；其中，

所述气象站，设置在所述农田区域地面上，用于收集气象数据；所述气象数据包含：空气温度、空气湿度、风速、风向、雨量等基本要素。

所述土壤样品检测仪，设置在所述农田区域地面上，用于监测雨前土壤中水分、氮磷浓度以及土壤紧实度。

所述智能多功能雨水采集器，设置在农田区域地面上，用于自动确定降雨量。

所述土壤水分测量仪，设置在农田土壤不同层面内，用于确定农田土壤不同层面内水含量，间接确定下渗水量。

所述土壤水分抽提装置，在农田土壤中埋置高度1.5米水桶，在0.5，1，1.5米处挖空洞，用土壤水分抽提装置将下渗雨水抽出测量，用于自动采集农田土壤中滞留的水样品；所述土壤水分抽提装置包含土壤溶液取样管、负压真空泵、负压真空泵控制器。

所述生态沟渠监测系统202包括：超声波流速仪、浊度测量仪、总有机碳测量仪、土壤水分测量仪、土壤导电率仪以及智能多功能雨水采集器。

所述超声波流速仪，设置在生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的水流流速和地表径流水进入生态沟渠后的水流流速。

所述浊度测量仪，设置在所述生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的水的浊度值和地表径流水进入生态沟渠后的水的浊度值。

所述总有机碳测量仪，设置在所述生态沟渠内，用于测量地表径流水进入生态沟渠前的水的总有机碳值和地表径流水进入生态沟渠后的水的总有机碳值。

所述土壤导电率仪，设置于所述生态沟渠内，用于测量土壤盐分变化值。

所述土壤水分测量仪，设置生态沟渠区域内部不同层面土壤中，用于确定农田土壤不同层面内水含量，间接确定下渗水量。

所述智能多功能雨水采集器，设置在生态沟渠内，用于自动采集生态沟渠区域中滞留的水样品。

所述人工湿地监测系统203包括：水深测量仪、智能多功能雨水采集器、PH测量仪、叶绿素测量仪、浊度测量仪以及总有机碳测量仪。

所述智能多功能雨水采集器，设置在人工湿地入口和出口，用于自动采集人工湿地区域入口和出口的水样品。

所述浊度测量仪，设置在人工湿地出口处，用于测量水流入河流的浊度值；

所述总有机碳测量仪，设置在所述人工湿地出口处，用于测量水流入河流的总有机碳值。

所述PH测量仪，设置在所述人工湿地出口处，用于测量水流入河流的PH值。

所述叶绿素测量仪，设置所述在人工湿地出口处，用于测量植被叶绿素值。

所述水深测量仪，设置在人工湿地区域内，用于测量水深深度。

由于氮磷等物质很难通过在线方式实时检测获取，需要获取相应区域中的水样品，然后在实验室中进行分析，进而获取确定不同区域中水样品水质指标。

数据接收发送系统205：用于接收命令和所述农田监测系统201、生态沟渠监测系统202以及人工湿地监测系统203自动检测的水质指标数据并发送至所述农田监测系统201、生态沟渠监测系统202以及人工湿地监测系统203中设置的自动采集设备和自动检测设备。

所述智能检测与防控系统还包括：中心服务系统206；

所述中心服务系统206，用于根据所述气象数据、降雨量、雨前土壤中水分以及土壤紧实度，输出控制命令至数据接收发送装置205；所述控制命令为控制所述农田监测系统201、生态沟渠监测系统202以及人工湿地监测系统203中自动采集设备和自动检测设备的开启与关闭。

所述中心服务系统206，还用于接收数据接收发送装置205传输的所述农田监测系统201、生态沟渠监测系统202以及人工湿地监测系统203自动检测的水质指标数据，并根据上述从实验室分析确定的水质指标，汇总整个生态区域中不同区域的水质指标。

如根据气象站、土壤样品检测仪以及土壤水分测量仪中的获取的数据，设定农田土壤水样品取样的阀值，若从气象站、土壤样品检测仪以及土壤水分测量仪中的采集的数据超过农田土壤水样品取样的阀值，则土壤水分抽提装置开始工作。如当有降雨时或者土壤水分变化超过5％时，自动开启土壤水分抽提装置工作。

所述智能监测与防控系统还包括：预警系统207；

所述预警系统207，用于根据中心服务系统206汇总整个生态区域中不同区域的水质指标数据，判断所述相关水质指标是否超过所述智能监测与防控系统中设置的相应阈值，若超过，则发出报警信息或以发短信等形式报警指导管理人员进行人工干预。

所述太阳能供电系统204：用于为所述农田监测系统201、生态沟渠监测系统202以及人工湿地监测系统203提供电源。

本实施例提供的所述智能监测系统在现有野外监测仪器的基础上，通过研究多源数据采集和智能识别技术，开发智能数据采集设备，集成太阳能发电、低功耗远程数据通信等技术，构建氮磷径流区域关键指标的云监测和服务系统，实现监测的信息化、自动化、智能化，为野外水土环境科学研究提供技术支撑。

同时，由于目前国际尚无完善的野外长期的自动监测农田地表水径流流失，本申请技术特征主要是其一，通过自动检测其相关水质指标来评估生态工程技术的防控效果，其二同时兼顾对其相关水质指标的预警，预警的目的是通过告知不同指标接近“警戒线”辅助控制者做出田块尺度的相应的防控技术其三，能够自动采集相应的水质样品：包括土壤中的下渗水分和地表的流失水样。

此外，本发明拟解决的关键技术问题包括三个方面。其一是基于云计算的监测仪器数据的智能获取和识别技术。在保证现有仪器完整的情况下，实现仪器监测数据的统一采集和云端发送，其中包括物理层面的智能接口构建和应用层面的协议识别，特别是基于云计算的协议智能识别技术，能够实现在新增加监测仪器的情况下无需更换数据采集设备，通过云端服务即可完成新设备协议的解析。

其二是智能功耗控制和多源供电技术，现有的监测设备功耗较大，长期野外监测时，稳定的供电是一项严峻的挑战。一方面需要满足仪器工作的供电需求，另一方面又要实现系统的小型化和低成本化，因此，智能化的功耗控制技术是本发明拟解决的一个难点。本发明将研究基于业务需求的功耗智能控制技术，降低系统整体功耗，提高电能使用效率，同时扩展能源获取方式，采用包括太阳能、风能在内的多种发电方式，保证系统的可靠运行。

其三是不同深度的土壤水样本的获取技术。

其次，利用太阳能供电技术与系统休眠模式相结合，不但得到稳定的电源输出，可以满足一系列设备在野外长期监测的供电条件，同时保证部分仪器只在降雨期间工作。这样即减缓了供电压力同时也延长了仪器使用寿命。最后，智能监测系统完全达到了无人操作化，研究人员因此不必在农田等降雨，也能避免了由于突然降雨工作人员不能及时到现场而丢失降雨前期的数据。同时，检测数据通过远程传输系统发送到云端服务器，工作人员可以第一时间在有网络的情况下进行观测及分析数据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。