基于喷灌重叠因子的组合喷灌下喷灌时间的计算方法与流程

本发明具体是涉及一种基于喷灌重叠因子的组合喷灌下喷灌时间的计算方法，属于农业信息化背景下精准喷灌领域，尤其涉及大田种植、温室栽培、大面积农场种植、园林绿化中作物喷灌，或其他相近领域等效的灌溉。

背景技术：

水分是维持农作物生命活动的重要物质，也是农作物生长过程中最大的消耗品，适时适量给农作物供应水分，可以做到既节约用水，又使农作物高产丰产。传统方式喷灌操作简单,但是存在诸如灌溉水多、利用率非常低、喷灌强度过大或过小、喷灌均匀度差且容易造成土地板结等问题,且很少考虑到多喷灌设备的交替布局以及自身喷灌特性造成的喷灌强度和平均度的差异性，进而对所需喷灌量以及喷灌时间造成错误估计。因此,在作物喷灌量确定的情况下，特别是在组合喷灌下对作物喷灌时间预测显得尤为重要。鉴于此,在作物喷灌量已知的情况下亟需研究喷灌时间的精准计算方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于喷灌重叠因子的喷灌时间的精准计算方法，适用于组合喷灌且作物喷灌量已知的场景。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于喷灌重叠因子的组合喷灌下喷灌时间的计算方法，其特征在于包括以下几个步骤：

第一步、将喷灌设备对其所喷灌区域划分成关于喷灌强度的矩阵ρ；并设重叠因子矩阵为F；

第二步、设叠加的喷灌强度矩阵为ρ′，ρ_i,j为测定的对应于组合喷灌中单个喷头所覆盖区域下各小的正方形/矩形区域的喷灌强度；其叠加的喷灌强度矩阵公式如下：

ρ′＝ρ+Fоrot180(ρ) (1)

其中，rot180(ρ)表示将矩阵ρ顺时针旋转180度；

第三步、设净喷灌水量为W，作物喷灌有效面积为S，灌水定额为m，则：

W＝mS (2)

第四步、设喷灌时间为t，单位为h；喷灌系统的平均喷灌强度为ρ单位为：mm/h，则：

对同面积同作物的相同喷灌量下，一般情况下的喷灌强度设为有重叠因子情况下的喷灌强度设为对应的相同灌水定额下时间为t和t′,则：

即：

第五步、喷灌强度的计算公式如下：

其中：ρ_i,j为喷灌强度矩阵ρ中每个小区域的具体强度，其中ρ′_i,j为最终叠加的后喷灌强度矩阵ρ′中每个小区域的具体强度，ΔS为每个小区域面积，a,b分别为喷灌强度矩阵的行列数，t为喷灌时间，i,j取值范围分别为(1～a)、(1～b)；

同理求得：

对应单个喷灌区域喷灌强度下有：

ρ为喷灌强度，K_w为风系数，η为灌溉水利用系数即喷头损耗，Q_P为喷头流量，b₀为支管间距，l₀为喷头间距，S为要喷洒的面积，则：

S＝b₀l₀(10)

第六步、将公式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)带入公式(5)中，得到喷灌重叠因子的喷灌时间t′和预测的单位区域所需的喷灌量W的关系公式如下：

本发明进一步限定的技术方案是：所述重叠因子为喷灌重叠区域喷灌强度系数的叠加系数，所述喷灌重叠因子矩阵F为喷灌叠加因子形成的矩阵。

进一步的，所述重叠因子矩阵F适用于喷灌设备呈矩形分布或三角分布的组合喷灌。

进一步的，所述重叠因子矩阵为3*3矩阵。

进一步的，所述重叠因子矩阵为适用于喷灌设备呈正方形分布的组合喷灌。

进一步的，所述喷灌设备呈正方形分布的组合喷灌矩阵中重叠因子值的计

算方法包括以下几个步骤：

1)设α_上、α_下、α_左、α_右分别对应于正方形矩阵的上下左右重叠区域的重叠因子值；α_上、α_下、α_左、α_右单位为喷灌强度单位；

2)判断该喷灌小区域上面相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_上＝α′_上，若无，则α_上＝0；

3)判断该喷灌小区域下面相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_下＝α′_下，若无，则α_下＝0；

4)判断该喷灌小区域左边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_左＝α′_左，若无，则α_左＝0；

5)判断该喷灌小区域右边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_右＝α′_右，若无，则α_右＝0。

进一步的，所述重叠因子矩阵为喷灌设备呈三角分布的组合喷灌。

进一步的，所述喷灌设备呈三角形分布的组合喷灌矩阵中重叠因子值的计算方法包括以下几个步骤：

1)设β_左上、β′_左、β_左下、β_右上、β′_右、β_右下分别对应相应区域的重叠因子值；β′_左和β′_右为综合左边、右边相邻区域的重叠因子值；

2)判断该喷灌小区域左上方相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_左上＝β′_左上，若无，则β_左上＝0；

3)判断该喷灌小区域左边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β′_左＝β″_左，若无，则β′_左＝0；

4)判断该喷灌小区域左下相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_左下＝β′_左下，若无，则β_左下＝0；

5)判断该喷灌小区域右上相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_右上＝β′_右上，若无，则β_右上＝0；

6)判断该喷灌小区域右边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β′_右＝β″_右，若无，则β′_右＝0；

7)判断该喷灌小区域右下相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_右下＝β′_右下，若无，则β_右下＝0。

进一步的，所述重叠因子矩阵和喷灌强度矩阵可为5*5、7*7或5*3等矩阵。

本发明的有益效果是：本发明引入喷灌强度矩阵和喷灌重叠因子后有效的排除了关于间距对单次喷灌时间影响，且利用喷灌重叠因子对于喷灌时间计算更为精准。不但不同重叠因子区域作物的喷灌时间得到良好的控制，还避免了喷灌强度不均导致的一系列问题，且大大节约了水资源。

附图说明

图1为本实施例中喷灌设备呈正方形和正三角形分布的组合喷灌矩阵布置图。

图2为本实施例发明中3*3区域下喷灌强度和重叠因子分布示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例是利用单个所要喷灌区域的灌溉量的预测，考虑组合喷灌的叠加、坡度、分布方式和间距对喷灌效果的影响，以喷灌设备对所喷灌区域关于喷灌强度形成一个矩阵，则，以3*3正方形和三角形矩阵区域对应布置为例，如图1所示形成喷灌强度矩阵，其中五角星代表喷灌设备。

已知风速、风向、坡度、间距均影响喷灌强度和喷灌均匀度，风速风向可由传感器测得，且每个区域坡度是已知量，喷灌设备的间距也是确定的，此时采用可调角度的球形接头，根据文献“球形接头调角度应用于坡地喷灌”，此时可以近似忽略坡度对喷灌的影响，考虑风速、风向对喷灌的影响，设K_w为风系数。设b₀为支管间距，l₀为喷头间距。正三角布置下也可以用5*3的形式。如图2所示：喷灌强度矩阵为ρ,设重叠因子矩阵为F。

若为正方形布置时，则

F＝FA (1)

若为正三角布置时，则

F＝FB (2)

正方形重叠因子矩阵FA中,α_上、α_下、α_左、α_右分别对应于上下左右重叠区域的重叠因子值；α_上、α_下、α_左、α_右单位即为喷灌强度单位。判断该喷灌小区域上面相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_上＝α′_上，若无，则α_上＝0；同理判断该喷灌小区域下面相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_下＝α′_下，若无，则α_下＝0；同理判断该喷灌小区域左边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_左＝α′_左，若无，则α_左＝0；同理判断该喷灌小区域右边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则α_右＝α′_右，若无，则α_右＝0。

正三角重叠因子矩阵FB中，β_左上、β′_左、β_左下、β_右上、β′_右、β_右下同理分别对应相应区域的重叠因子值。β′_左和β′_右为综合左边、右边相邻区域的重叠因子值；判断该喷灌小区域左上方相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_左上＝β′_左上，若无，则β_左上＝0；同理判断该喷灌小区域左边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β′_左＝β″_左，若无，则β′_左＝0；判断该喷灌小区域左下相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_左下＝β′_左下，若无，则β_左下＝0；同理判断该喷灌小区域右上相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_右上＝β′_右上，若无，则β_右上＝0；同理判断该喷灌小区域右边相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β′_右＝β″_右，若无，则β′_右＝0；同理判断该喷灌小区域右下相邻区域是否有喷灌设备进行喷灌，若有，则β_右下＝β′_右下，若无，则β_右下＝0。

则最终叠加的喷灌强度矩阵为ρ′，其中ρ_i,j为测定的对应于组合喷灌中单个喷头所覆盖区域下各小的正方形/矩形区域的喷灌强度。

ρ′＝ρ+Fοrot180(ρ) (3)

rot180(ρ)表示将矩阵ρ顺时针旋转180度；

某作物一次灌水灌到田间的净的喷灌水量W，S为作物喷灌有效面积，m为灌水定额，有以下公式：

W＝mS (4)

设t为喷灌时间(h),ρ为喷灌系统的平均喷灌强度(mm/h)，m为设计灌水定额(mm)，则有下面公式：

对同面积同作物的相同喷灌量下有，设一般情况下的喷灌强度和考虑有重叠因子情况下的喷灌强度时，对应的相同灌水定额下时间为t和t′，有：

即：

且有公式如下，喷灌平均强度如下面公式，其中ρ_i,j为喷灌强度矩阵ρ中每个小区域的具体强度，其中ρ′_i,j为最终叠加的后喷灌强度矩阵ρ′中每个小区域的具体强度，DS为每个小区域面积，a,b分别为喷灌强度矩阵的行列数，t为喷灌时间，i,j取值范围分别为(1～a)、(1～b)。

同理求得：

对应单个喷灌区域下喷灌强度下有：

ρ为喷灌强度，K_w为风系数，η为灌溉水利用系数(喷头损耗)，Q_P为喷头流量，b₀为支管间距，l₀为喷头间距。S为要喷洒的面积。

S＝b₀l₀(12)

代入以上公式，可得喷灌重叠因子的喷灌时间t′和预测的单位区域所需的喷灌量W的关系如下公式：

上述喷灌强度矩阵和重叠因子矩阵不限定于为3*3矩阵形式，根据所要喷灌区域网格化的密集程度，亦可以为5*5、7*7、5*3等形式。除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。