基于實(shí)時(shí)氣象信息的灌溉決策支持系統(tǒng)研究

顧 巍，楊 琳，李泰來(lái)

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，武漢 430074)

決策支持系統(tǒng)是一種面向問(wèn)題的基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的信息系統(tǒng)，其一般由數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)及人機(jī)交互模塊3個(gè)基礎(chǔ)部分組成。決策支持系統(tǒng)最初由美國(guó)學(xué)者Scott Morton提出，并與20世紀(jì)90年代應(yīng)用于灌溉管理中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)發(fā)展并與決策支持系統(tǒng)的結(jié)合，使得灌溉管理決策軟件的發(fā)展取得了良好的進(jìn)展[1]。CROPWA在考慮土壤邊界條件及水分平衡原理，編制了灌溉決策軟件[2]。Mateos在水量平衡模型下開(kāi)發(fā)了灌溉用水管理工具SIMIS，提供了長(zhǎng)中短期不同的灌水方案[3]。Bazzani 提出多尺度分析的灌溉決策支持系統(tǒng)DSIRR，該系統(tǒng)對(duì)灌水決策、水價(jià)等對(duì)灌溉效果的影響[4]。我國(guó)在應(yīng)用于灌溉的決策支持系統(tǒng)上的研究起步較晚，近年來(lái)已有許多學(xué)者在結(jié)合GIS、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)等技術(shù)的研究及報(bào)道[5-7]。本系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及軟件設(shè)計(jì)等方面具有較大的改進(jìn)，具有更高的實(shí)用性。本文對(duì)有系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹，為類似的研究開(kāi)發(fā)工作提供參考。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了以下幾方面的功能。

(1)氣象信息采集。系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)氣象站采集灌區(qū)氣壓、大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速等氣象信息。系統(tǒng)可儲(chǔ)存氣象站所采集的歷史數(shù)據(jù)，為作物需水量的計(jì)算、灌溉計(jì)劃的制訂提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)灌溉需水量計(jì)算。作物日蓄水量ET值的計(jì)算是定制灌溉計(jì)劃的關(guān)鍵。本文綜合考慮氣象、作物及土壤含水率等信息，計(jì)算作物日需水量ET值，計(jì)算模型中所需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要來(lái)源與小型氣象站和田間土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備。

(3)灌溉計(jì)劃制定。結(jié)合作物日需水量ET值，根據(jù)灌區(qū)的灌溉管網(wǎng)及作物實(shí)際情況，制定適宜合理的灌溉計(jì)劃。

(4)灌溉自動(dòng)控制。自動(dòng)灌溉功能可通過(guò)控制水泵、電磁閥等設(shè)備執(zhí)行制定的灌溉計(jì)劃。

(5)實(shí)時(shí)計(jì)劃修正。根據(jù)實(shí)時(shí)的氣象信息對(duì)灌溉計(jì)劃進(jìn)行修正調(diào)整，如在灌溉過(guò)程中突遇到降雨，系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)灌溉計(jì)劃進(jìn)行修正。

(6)人工干預(yù)功能。 可通過(guò)實(shí)時(shí)反饋的信息，提供人工干預(yù)功能，對(duì)灌溉計(jì)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要輔助決策者制定灌溉計(jì)劃及控制灌溉運(yùn)行，其系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入系統(tǒng)灌溉計(jì)劃功能，制定灌溉計(jì)劃的步驟如下：①通過(guò)自動(dòng)氣象站中所采集的氣象歷史數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith法計(jì)算參考作物需水量ET0值。結(jié)合作物生產(chǎn)情況和土壤水分影響，計(jì)算作物日需水量。②結(jié)合當(dāng)前實(shí)時(shí)土壤濕度，計(jì)算灌水量并根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況制定灌溉計(jì)劃，并結(jié)合用戶的實(shí)際需求為用戶提供人工調(diào)整計(jì)劃功能。③系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行灌溉計(jì)劃，當(dāng)氣象站監(jiān)測(cè)到降雨時(shí)，灌溉計(jì)劃暫停并對(duì)計(jì)劃的灌水量進(jìn)行修正。如降雨量滿足灌溉需求，則灌溉計(jì)劃停止；如降雨量不滿足灌溉需求，則以修正后的灌溉計(jì)劃繼續(xù)執(zhí)行灌溉。④當(dāng)計(jì)劃執(zhí)行完畢后，打印輸出計(jì)劃及灌溉結(jié)果，結(jié)束灌溉。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤墑情信息、氣象信息等數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、糾錯(cuò)處理，以利于系統(tǒng)制訂方案的模型使用。系統(tǒng)采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)的采集周期為1 min，系統(tǒng)可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢當(dāng)前及歷史氣象數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ)制定的灌溉計(jì)劃，并記錄計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程中的命令及信息，為灌溉結(jié)果的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

3 數(shù)學(xué)模型

(1)作物需水量計(jì)算。本系統(tǒng)采用Penman-Monteith法計(jì)算參考作物蒸騰蒸散發(fā)量ET0值，需要輸入的參數(shù)如：飽和水汽壓-溫度曲線斜率、輸入冠層凈輻射、土壤熱通量、濕度計(jì)常數(shù)、日平均氣溫、2 m 高度的風(fēng)速、飽和水汽壓、實(shí)際水汽壓，需通過(guò)小型氣象站采集氣象數(shù)據(jù)。采用該方法結(jié)合作物的修正系數(shù)及土壤水分脅迫系數(shù)[8]，采用間接法計(jì)算作物需水量，如公式(1)所示。

ETi=ET0iKciKwi

(1)

式中：ETi為第i天的實(shí)際作物蒸發(fā)量；ET0i為第i天的參考作物蒸發(fā)量；Kci為作物修正系數(shù)；Kwi為土壤水分脅迫系數(shù)。

其中作物修正系數(shù)Kci采用作物生育期累計(jì)天數(shù)變化方法進(jìn)行計(jì)算；Kwi土壤修正系數(shù)采用結(jié)合當(dāng)前土壤含水率、作物適宜土壤水分上、下限及田間持水率進(jìn)行計(jì)算，并引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)不同作物類型進(jìn)行修正。具體公式參考文獻(xiàn)[8]中內(nèi)容。

(2)土壤含水率計(jì)算。本文采用水量平衡法預(yù)測(cè)土壤墑情，作物計(jì)劃濕潤(rùn)層的水量平衡方程為：

Wi=Wi-1+P01+WTi-ETi+Mi+Ki

(2)

式中：Wi-1、Wi分別為第i時(shí)段初和時(shí)段末的計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤含水量；P01為第i時(shí)段的有效降雨量；WTi為第i時(shí)段由計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而產(chǎn)生的水量；ETi為作物需水量；Mi為第i時(shí)段的灌溉量；Ki為第i時(shí)段的地下水補(bǔ)給量。為提高系統(tǒng)精度，時(shí)段初的值都采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正。

(3)數(shù)據(jù)修正。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注的是當(dāng)前所采集上數(shù)據(jù)的正確性，在系統(tǒng)的錯(cuò)誤中，由于傳輸故障造成的數(shù)據(jù)缺失時(shí)，數(shù)據(jù)通常為缺省值0。以土壤濕度數(shù)據(jù)為例，當(dāng)前時(shí)段的濕度與前時(shí)段及灌溉過(guò)程相關(guān)。如系統(tǒng)查詢當(dāng)前突然濕度為0，則判斷為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。

采用同一灌溉狀態(tài)中的數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，如一次灌溉過(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)作為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)修正的參考數(shù)據(jù)。模型分為灌溉期間和非灌溉期間的數(shù)據(jù)修正，在灌溉期間采用同一灌溉期的數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；在非灌溉期，利用非灌溉期中所采集的數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。將灌溉過(guò)程中細(xì)分之后，每個(gè)灌溉期的土壤濕度數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)可認(rèn)為是單調(diào)增或減的，有利于趨勢(shì)曲線的擬合和數(shù)據(jù)分析。在此基礎(chǔ)上，本文采用數(shù)據(jù)分析中的線性外推方法對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。數(shù)據(jù)分析技術(shù)是一種數(shù)據(jù)處理和知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，可以從農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)并提高數(shù)據(jù)的可靠性，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在數(shù)據(jù)分析和農(nóng)業(yè)相結(jié)合的領(lǐng)域進(jìn)行了研究[9-11].

本文采用數(shù)據(jù)分析方法中的線性外推方法來(lái)修正錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵诠嗨倪^(guò)程中，如灌水過(guò)程均勻時(shí)土壤濕度的變化是一個(gè)接近線性的過(guò)程。線性外推法是一種研究隨時(shí)間變化而線性變化的事物，可以用來(lái)推斷事物未來(lái)的變化。在文中，利用其可推斷未知數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，以錯(cuò)誤數(shù)據(jù)前時(shí)段和后時(shí)段的數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別從數(shù)據(jù)前相關(guān)時(shí)段和數(shù)據(jù)后相關(guān)時(shí)段推求得到當(dāng)前數(shù)據(jù)的修正值，并取平均值作物當(dāng)前數(shù)據(jù)的值代替錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。以此方法結(jié)合灌溉狀態(tài)的劃分，能方便快速的修正錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)制定灌溉計(jì)劃與決策提供保障。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，選用C++ builder 2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。開(kāi)發(fā)完成的系統(tǒng)適用于Windows XP/2007/2008操作系統(tǒng)，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

本系統(tǒng)應(yīng)用于湖北某農(nóng)業(yè)種植園區(qū)，試驗(yàn)區(qū)灌溉系統(tǒng)完備，系統(tǒng)設(shè)立了小型氣象站、田間土壤墑情監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灌溉控制等設(shè)備，為園區(qū)的種植灌溉決策提供了較好的輔助，不僅實(shí)現(xiàn)了灌溉的適時(shí)適量，同時(shí)節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，取得較為理想的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

在考慮實(shí)時(shí)氣象、作物需水量、土壤墑情等信息，結(jié)合彭曼公式、水量平衡理論，并敘述了各個(gè)參數(shù)的計(jì)算及修正方法。系統(tǒng)功能完善，具有先進(jìn)智能的灌溉計(jì)劃制定、實(shí)時(shí)氣象信息修正灌溉計(jì)劃功能，同時(shí)利用了數(shù)據(jù)分析技術(shù)保障了系統(tǒng)中決策數(shù)據(jù)的正確性。系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單，且具有人工干預(yù)灌溉功能，較好的增強(qiáng)了系統(tǒng)人機(jī)交互性，具有較強(qiáng)的普適性，易于實(shí)際推廣。在實(shí)際中應(yīng)用表明本系統(tǒng)能有效的輔助種植管理，起到節(jié)水、增效及節(jié)省人工的作用。再進(jìn)一步的工作，系統(tǒng)將融合3S技術(shù)，利用其強(qiáng)大的空間技術(shù)分析能力來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化灌溉預(yù)報(bào)，提高預(yù)報(bào)精度，具有較大的擴(kuò)展空間。

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