基于WebGIS變量施肥決策系統(tǒng)的研究

新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （石河子832000） 呂 新

新疆吉爾利數(shù)字技術(shù)有限公司 （石河子832000） 李 軍 羅曉東

國(guó)家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心 （石河子832000） 李富先

引言

自2005年開展測(cè)土施肥、平衡施肥以來，兵團(tuán)各團(tuán)場(chǎng)積累了大量的土壤養(yǎng)分、鹽分、質(zhì)地、施肥情況等資料，對(duì)于這些資料部分團(tuán)場(chǎng)加以利用，開發(fā)出了計(jì)算機(jī)條田信息管理、計(jì)算機(jī)決策施肥等系統(tǒng)。為了對(duì)這些信息進(jìn)行有效、可視、形象的管理，并使它們能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地為更多農(nóng)場(chǎng)職工服務(wù)，開發(fā)了基于Web GIS變量施肥決策系統(tǒng)研究。

1 研究目標(biāo)

（1）利用GIS技術(shù)，建立棉田土壤養(yǎng)分屬性數(shù)據(jù)庫與圖形數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分信息高效管理，為膜下滴灌棉田施肥決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

（2）完善優(yōu)化棉花膜下滴灌施肥決策支持系統(tǒng)，為膜下滴灌棉田變量施肥提供實(shí)時(shí)的肥料施用決策。

（3）研制開發(fā)膜下滴灌棉田變量自動(dòng)控制施肥裝置。

（4）構(gòu)建棉田養(yǎng)分管理、施肥推薦決策與滴灌施肥自動(dòng)控制為一體的綜合管理系統(tǒng)。

2 研究方法與方案

本研究針對(duì)膜下滴灌條件下水肥一體化高效管理與滴灌施肥自動(dòng)化控制問題，以研究開發(fā)滴灌棉田變量施肥裝置為重點(diǎn)，采取模塊化設(shè)計(jì)研究開發(fā)，優(yōu)化集成組裝，協(xié)同高效運(yùn)行的方式，其基本方法為設(shè)計(jì)制定總體設(shè)計(jì)方案，在總體設(shè)計(jì)方案指導(dǎo)下，進(jìn)行棉田土壤養(yǎng)分信息數(shù)據(jù)庫建立、膜下滴灌棉田施肥決策支持系統(tǒng)、滴灌棉田變量自動(dòng)控制施肥裝置三個(gè)主要部分的研究開發(fā)，并將三部分有機(jī)組裝，構(gòu)建棉田養(yǎng)分管理、施肥推薦決策與滴灌施肥自動(dòng)控制為一體的綜合系統(tǒng)；選取一個(gè)典型農(nóng)場(chǎng)，開展實(shí)驗(yàn)研究，獲取棉田養(yǎng)分屬性與圖件數(shù)據(jù)信息，建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；滴灌棉田變量控制裝置采取實(shí)驗(yàn)室模擬、小區(qū)田間試驗(yàn)與大田試驗(yàn)相結(jié)合的方法，反復(fù)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確和穩(wěn)定工作。

組織從事棉花栽培、土壤肥料、機(jī)電、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多方面專業(yè)人員進(jìn)行多學(xué)科合作，集成膜下滴灌棉田施肥技術(shù)等方面的成果，建立膜下滴灌棉田變量自動(dòng)控制施肥系統(tǒng)，為生產(chǎn)管理服務(wù)。

3 膜下滴灌棉田變量自動(dòng)控制施肥裝置設(shè)計(jì)與研制方案

整套自動(dòng)控制施肥裝置設(shè)計(jì)由施肥裝置（施肥灌）和施肥控制裝置（控制箱）兩大部分組成，它與滴灌設(shè)備輸水管主管道并聯(lián)安裝。施肥裝置（施肥灌）能夠?qū)崿F(xiàn)水肥混合和施肥裝置自動(dòng)清理的功能；施肥控制裝置（控制箱）主要通過手動(dòng)控制與軟件控制對(duì)整套自動(dòng)控制施肥裝置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)膜下滴灌棉田變量自動(dòng)控制施肥。整套設(shè)備平面剖切圖見圖1。

圖1 自動(dòng)控制施肥裝置平面剖切圖

①施肥裝置（施肥灌）的設(shè)計(jì)與研制方案：設(shè)計(jì)研發(fā)集肥料存儲(chǔ)、混合與施用的多功能為一體的施肥裝置，主要包括肥料攪拌裝置、水位報(bào)警器與清理裝置，實(shí)現(xiàn)肥料與灌溉水能均勻攪拌，迅速溶解、水位上限、下限報(bào)警、肥料雜質(zhì)清理等主要可控操作。

A．材料的選?。嚎紤]到施肥罐體的工作特性，選用高拉伸強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱率、耐酸堿等生物化學(xué)特性優(yōu)良且成本較低廉的PVC材質(zhì)作為施肥罐罐體材料。

B．容積的設(shè)計(jì)：考慮到各種滴灌肥料溶解特性以及大田滴灌輪灌區(qū)的需水量和灌溉時(shí)間的范圍，進(jìn)行不同型容積施肥罐選型實(shí)驗(yàn)，確定在大田應(yīng)用中最適宜的施肥罐容積。

C．水肥混合功能設(shè)計(jì)：考慮到降低研發(fā)成本、方便定時(shí)清洗，可設(shè)計(jì)成利用管道水壓沖擊出的渦旋將肥料快速溶解。將施肥罐罐體內(nèi)部高于底端出水口部分設(shè)置一內(nèi)置環(huán)形管道，內(nèi)置環(huán)形管道與施肥罐罐體內(nèi)部由6個(gè)逆時(shí)針方向的出水口。通過模擬實(shí)驗(yàn)，確定施肥罐側(cè)壁厚度、內(nèi)置環(huán)形管道直徑、6個(gè)逆時(shí)針方向出水口長(zhǎng)度和直徑及與出水口處的切線夾角（見圖2）。

D．水位感應(yīng)器設(shè)計(jì)：為防止肥料溶液溢出和肥料溶液的干抽，通過模擬試驗(yàn)，選擇水位感應(yīng)器設(shè)備，并確定上下水位感應(yīng)器在施肥罐內(nèi)最合適的安裝位置。

圖2 水肥混合功能設(shè)計(jì)

E．清理裝置的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一種安裝在施肥灌底端的清理裝置，獲取排污管口徑、防止堵塞等設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳清理效果。

②施肥控制裝置（控制箱）的設(shè)計(jì)與研制方案：施肥控制裝置（控制箱）：是實(shí)現(xiàn)棉花膜下滴灌變量控制施肥的主控制部分，主要包括施肥控制設(shè)備部分和軟件控制部分，施肥控制裝置（控制箱）是滴灌變量控制施肥裝置的控制中心（圖3）。它由總開關(guān)、由PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的流量傳感器、變頻器、水位控制器、耐腐蝕泵和電磁閥組成。

圖3 施肥控制裝置設(shè)計(jì)方案

A．電磁閥的選擇：考慮到電磁閥持續(xù)工作時(shí)間的長(zhǎng)短，設(shè)計(jì)4號(hào)電磁閥為常開式電磁閥，1、2、3號(hào)電磁閥為常閉式電磁閥。

B．施肥裝置注水控制設(shè)計(jì)：考慮到水壓對(duì)肥料快速溶解的作用通，設(shè)計(jì)水位控制器對(duì)電磁閥進(jìn)行有效的控制，并通過實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)與施肥罐連接的最佳進(jìn)水管道直徑值。

C．耐腐蝕泵功率的控制設(shè)計(jì)：通過水位控制器發(fā)出的信號(hào)或由PID調(diào)節(jié)器流量傳感器發(fā)出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)耐腐蝕泵功率大小的調(diào)節(jié)。通過試驗(yàn)，選出適合大田滴灌灌溉的耐腐蝕泵型號(hào)。

D．水位傳感器報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)：為了及時(shí)的對(duì)施肥罐內(nèi)上下水位傳感器發(fā)出的報(bào)警信號(hào)做出有效的反應(yīng)，當(dāng)施肥罐注水水位達(dá)到上水位傳感器時(shí)，上水位傳感器向水位控制器發(fā)出信號(hào)，水位控制器接到信號(hào)后控制1、3、4號(hào)電磁閥關(guān)閉，2號(hào)電磁閥開啟；施肥罐中肥料溶液抽取降到下水位傳感器時(shí)，下水位傳感器向水位控制器發(fā)出信號(hào)，水位控制器接到信號(hào)后控制1、4號(hào)電磁閥開啟，3號(hào)電磁閥關(guān)閉，2號(hào)電磁閥保持開啟狀態(tài)。

E．滴灌施肥控制設(shè)計(jì)：將流量傳感器設(shè)計(jì)安裝在耐腐蝕泵上，用來檢測(cè)肥料溶液流量，通過PID調(diào)節(jié)器，將流量傳感器信號(hào)傳遞給變頻器，再由變頻器調(diào)整耐腐蝕泵泵水功率，將施肥罐中的肥料溶液在一定灌溉時(shí)間內(nèi)均勻壓入灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜下滴灌施肥的變量控制。流量傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控耐腐蝕泵工作，實(shí)現(xiàn)耐腐蝕泵→流量傳感器→PID調(diào)節(jié)器→變頻器→耐腐蝕泵的循環(huán)控制。

F．軟件控制設(shè)計(jì)：軟件的功能按各部分工作性質(zhì)，設(shè)計(jì)為較獨(dú)立的4個(gè)工作模塊，主要清理控制開啟/關(guān)閉模塊、輪灌區(qū)施肥控制模塊、實(shí)時(shí)灌溉時(shí)間監(jiān)測(cè)模塊、灌溉施肥時(shí)間監(jiān)測(cè)模塊。采用vb.net編寫，控制指令由USB接口傳輸控制信號(hào)給施肥控制設(shè)備。

4 系統(tǒng)的建立

4.1 數(shù)據(jù)庫的建立

選擇了SQL Server作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)地圖數(shù)據(jù)則由SuperMap IS多制圖引擎完成。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要包括：條田養(yǎng)分、鹽分、質(zhì)地、pH值、灌溉種類、目標(biāo)產(chǎn)量、施肥參數(shù)等。主要用于施肥量及施肥方法的推薦。

地圖數(shù)據(jù)庫的建立。地圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要包括：條田養(yǎng)分、鹽分、質(zhì)地、pH值、灌溉種類、目標(biāo)產(chǎn)量等，主要用于做條田信息專題圖。

作物診斷數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要包括：作物名稱、癥狀關(guān)鍵詞、癥狀圖、防治措施等，用于作物相關(guān)診斷。

4.2 系統(tǒng)用戶權(quán)限

SQL Server提供了2種安全模式：Windows驗(yàn)證模式和混合模式，選擇好安全模式之后須對(duì)安全等級(jí)進(jìn)行設(shè)置。分別按照部門權(quán)限分別設(shè)置為瀏覽權(quán)限、數(shù)據(jù)維護(hù)權(quán)限、系統(tǒng)管理權(quán)限3種權(quán)限，并給于不同的用戶名及密碼，這樣既提高了數(shù)據(jù)的安全性，又防止了其他人員對(duì)數(shù)據(jù)的非法操作。

5 系統(tǒng)的特點(diǎn)

5.1 提高了施肥決策的精準(zhǔn)度

系統(tǒng)克服了僅以目標(biāo)產(chǎn)量法或肥料效應(yīng)函數(shù)法為決策依據(jù)的單一理論模型所存在的參數(shù)不穩(wěn)定、應(yīng)用有局限性等弊端，取之以生態(tài)系統(tǒng)和土壤肥料系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)為基礎(chǔ)，以作物配方專用肥為載體，綜合運(yùn)用地力差減法、養(yǎng)分平衡法和肥料效應(yīng)函數(shù)法，通過綜合評(píng)判，分析、驗(yàn)證建立了多功能施肥模型，可提高施肥決策的精準(zhǔn)度，而且具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

5.2 涵蓋多種主栽作物與灌溉施肥決策

系統(tǒng)克服了僅針對(duì)一種作物、一種灌溉情況來研究的缺陷，它集新疆南北疆現(xiàn)有主栽作物在常規(guī)灌溉條件下的施肥決策和棉花滴灌水肥耦合精準(zhǔn)投入決策于一體，能對(duì)常規(guī)灌溉條件下的棉花、小麥、玉米、甜菜、油葵等多種作物在不同生態(tài)條件、不同氣候條件、不同土壤質(zhì)地，不同肥力水平、不同目標(biāo)產(chǎn)量條件下進(jìn)行施肥決策，對(duì)棉花在滴灌條件下的水肥耦合精準(zhǔn)投入進(jìn)行決策。

5.3 數(shù)字化條田檔案管理

對(duì)于歷年的條田信息，系統(tǒng)利用集成的數(shù)據(jù)捆綁和更新功能，只需通過在Excel中把數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，再通過系統(tǒng)的捆綁和更新功能即可把試驗(yàn)及化驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)人系統(tǒng)中。同時(shí)，利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可將歷年的土壤養(yǎng)分、作物產(chǎn)量和施肥情況等導(dǎo)出備份即為一份完備的條田電子檔案?jìng)浞荨Ａ硗?，系統(tǒng)的條田檔案功能以圖表的形式形象集中的反映了單塊條田的土壤養(yǎng)分、作物單產(chǎn)與施肥情況等方面的歷年變化情況，對(duì)該條田地力的綜合評(píng)價(jià)給予極大的方便。

5.4 GIS地理圖庫管理

數(shù)據(jù)維護(hù)端基于GIS具豐富、全面而直觀的桌面地圖功能。集成了多種作圖工具，使地圖編輯更簡(jiǎn)化、快速，專題圖內(nèi)容更為全面、完善。

5.5 SQL農(nóng)田信息查詢

系統(tǒng)集成有強(qiáng)大的SQL查詢功能，只需通過簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)選即可進(jìn)行單字段模糊查詢、多字段復(fù)雜查詢，使信息查詢和定位更為準(zhǔn)確、快速、方便。

5.6 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)錄入與維護(hù)

系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，只要用戶擁有權(quán)限就可以在瀏覽器端遠(yuǎn)程進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)或基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)，同時(shí)也大大的增強(qiáng)了資源的共享性。

6 小結(jié)

該系統(tǒng)的建立與應(yīng)用，能使作物營(yíng)養(yǎng)與土壤養(yǎng)分處于最佳動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，達(dá)到提高作物產(chǎn)量、改善產(chǎn)品品質(zhì)、維護(hù)土壤養(yǎng)分平衡、培肥地力、減少污染、改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的目的。