基于天氣雷達(dá)估測降雨數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王震洲 劉娟 梁軍輝

摘要：農(nóng)業(yè)用水在水資源的應(yīng)用中占有很大比例，為節(jié)約農(nóng)田灌溉用水，以滿足農(nóng)作物生長需求為前提，提出了一種基于天氣雷達(dá)估測降雨技術(shù)的農(nóng)田灌溉方法。結(jié)合概念模型預(yù)報技術(shù)和交叉相關(guān)法，對降雨進(jìn)行臨近預(yù)報，利用未來時間的降雨量對農(nóng)田作物的需水量進(jìn)行合理補(bǔ)充，并通過檢測裝置獲取土壤含水量，計算出農(nóng)田需水量，實現(xiàn)對檢測區(qū)域作物的定量灌溉。系統(tǒng)試運行結(jié)果顯示，在短時間內(nèi)，采用天氣雷達(dá)估測技術(shù)預(yù)測的結(jié)果與地面雨量計觀測的降水結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)保持一致，驗證了方法的準(zhǔn)確性。該技術(shù)方案將天氣雷達(dá)估測降雨技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)及設(shè)備，充分應(yīng)用了自然降雨資源，在現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)技術(shù)水平基礎(chǔ)上，既滿足了農(nóng)作物自身的生長需求，又避免了過量灌溉等問題，對中國水資源在農(nóng)田灌溉中的合理應(yīng)用有著一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利；天氣雷達(dá)；降雨；節(jié)水灌溉；土壤水分；傳感器

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01011

Design and implementation of water saving irrigation system based on weather radar to estimate rainfall data

WANG Zhenzhou1， LIU Juan1， LIANG Junhui2

（1.School of Information Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018，China；2. Logistics Group， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： The agricultural water occupies a great proportion in the application of water resources. To save the irrigation water， crop growth needs as the premise， a kind of irrigation method for rainfall estimation based on weather radar technology is put forward. This method combines conceptual model forecasting technology and cross method for rainfall nowcasting using future time rainfall as reasonable supplement for water requirement of the crop， and the detection device for acquiring soil moisture， the farmland water demand is calculated， and the quantitative detection of crop irrigation area is realized. The trial operation results of this system show that in a short period of time， the weather radar technique for estimating the prediction results and surface rain gauge observations precipitation is consistent within the allowable error， verifying the accuracy of the method. The weather radar rainfall estimation technology and data acquisition technology combined with modern agricultural science and technology and equipment， making full use of the natural resources in the rain， on the basis of the existing agricultural technology level， can meet the growing demand of the crop itself and avoid excessive irrigation and other issues， providing an important guiding significance for rational use of water resources in irrigation in china.

Keywords：irrigation and water conservancy；weather radar； rainfall； watersaving irrigation； soil moisture； sensor

中國水資源嚴(yán)重不足，農(nóng)業(yè)用水卻占了很大的比例，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，水資源中的92%用于農(nóng)田灌溉[1]。中國的農(nóng)田灌溉雖然在智能化、低成本的灌溉裝備上有了很大程度的突破，但結(jié)合天氣雷達(dá)估測降水進(jìn)行適量灌溉的技術(shù)卻處于研究的初級階段。將天氣雷達(dá)與農(nóng)田水分采集裝置結(jié)合，預(yù)報地區(qū)降水，客觀分析土壤墑情，按需給水，有效地避免了由于重復(fù)灌溉造成水資源的浪費問題。

1方案設(shè)計

基于天氣雷達(dá)估測降雨數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計從土壤水分的采集以及降雨的預(yù)報兩方面進(jìn)行研究，最終通過灌溉決策分析得出灌溉的時間以及水量。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)主要是根據(jù)土壤水分傳感器來獲取土壤水分，判斷土壤目前階段所處的干旱狀態(tài)；降雨臨近預(yù)報可以對降雨信息進(jìn)行有效的把控，包括降雨的產(chǎn)生、發(fā)展和結(jié)束。

本文主要采取交叉相關(guān)法和概念模型預(yù)報技術(shù)對降雨進(jìn)行臨近預(yù)報，預(yù)測未來一段時間內(nèi)的降水情況。根據(jù)土壤水分以及未來時間段內(nèi)降水情況，分析出需灌溉的水量。節(jié)水灌溉架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2天氣雷達(dá)降雨預(yù)報技術(shù)

天氣雷達(dá)[2]多為脈沖雷達(dá)，以一定的仰角重復(fù)頻率發(fā)射出持續(xù)時間很短的脈沖波，脈沖波經(jīng)過目標(biāo)物散射后返回雷達(dá)，得到反射率因子，將天氣雷達(dá)的反射率因子轉(zhuǎn)換成等價的垂直液態(tài)水總量[3]，判斷出降水潛力。在天氣雷達(dá)預(yù)報中，采用由JSOE等建立的概念模型技術(shù)，模型中需輸入降雨量以及垂直累積液態(tài)水（VIL）2個變量，即可完成降雨的臨近預(yù)報，并與交叉相關(guān)法相結(jié)合，確定降雨移動方向。本文主要對天氣雷達(dá)法估測降雨技術(shù)、垂直累積液態(tài)水（VIL）含量獲取技術(shù)以及交叉相關(guān)法、概念模型預(yù)報技術(shù)[4]等進(jìn)行簡單介紹。

2.1天氣雷達(dá)估測降雨技術(shù)

估測地區(qū)降雨是天氣雷達(dá)最重要的功能之一，天氣雷達(dá)利用返回電磁波的功率強(qiáng)度來判斷目標(biāo)物的回波強(qiáng)度，估計降雨量。利用雷達(dá)回波估測降水的方法有很多，其中主要包括：ZR關(guān)系法[5]、標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)法、衰減法、正交偏移法、雙波長法、極化法和雷達(dá)雨量計聯(lián)合估測法等。雷達(dá)定量測量降水最常用的是ZR關(guān)系法，即應(yīng)用雷達(dá)氣象方程由測得的回波功率算出雷達(dá)反射率因子Z值，利用ZR關(guān)系獲取降雨量。

2.1.1反射率因子

雷達(dá)以一定的仰角進(jìn)行掃描，遇到障礙物進(jìn)行反射，將單位體積內(nèi)的所有粒子雷達(dá)截面之和定義為雷達(dá)反射率因子：

其中Di為粒子直徑。

2.1.2最優(yōu)ZR變換

天氣雷達(dá)測量的是有效照射體內(nèi)降水粒子反射率因子，該值大小與降水量存在一定的關(guān)系：

為提高天氣雷達(dá)估測降雨的精度，首先需要對雨量計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到適合當(dāng)前地區(qū)統(tǒng)一類型降雨的雷達(dá)反射率因子Z與降雨強(qiáng)度R的關(guān)系，利用兩者之間的關(guān)系，將天氣雷達(dá)獲得的反射率轉(zhuǎn)化為降雨量，從而得到降雨量以及降雨時間。

最優(yōu)方法的實質(zhì)就是假設(shè)ZR之間的關(guān)系，通過把各個點的雷達(dá)估算值Ri和雨量計實測值Gi代入到判別函數(shù)CTF[6]中，使得判別函數(shù)出現(xiàn)最小值，以提高雷達(dá)估測降雨的精度。

2.2垂直累積液態(tài)水

垂直累積液態(tài)水簡稱為VIL，當(dāng)?shù)酌娣e明確后，順延底面積的柱體所包含的水含量即垂直累積液態(tài)水。其在判斷降水等方面的作用極為突出，所以視為預(yù)測災(zāi)害天氣的有效工具。在這里假設(shè)降雨分布均勻，雨滴譜的分布為 MP 分布，則單位體積內(nèi)所有雨滴的質(zhì)量 M 可以寫為

天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中包括不同仰角下的單位體積內(nèi)雨滴的質(zhì)量，需要首先提取出數(shù)據(jù)，將不同仰角下的VIL數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，最終得到區(qū)域總體的VIL雨量數(shù)據(jù)。

2.3交叉相關(guān)法

交叉相關(guān)法[710]在天氣雷達(dá)中主要用于預(yù)測降雨的移動方向，主要將回波圖劃分為多個圖像子集，計算2幅圖片的最佳匹配區(qū)域，根據(jù)2幅圖片的位置以及2幅圖片的時間間隔，確定圖像子集的移動方向和移動速度，并進(jìn)行分析，做出方向預(yù)報推測。

2.4概念模型預(yù)報技術(shù)

該模型與降雨量和垂直液態(tài)水2個要素相關(guān)聯(lián)，需要在模型中輸入這2個要素，即可預(yù)報未來時間段內(nèi)的降雨量[1112]。降雨量的獲取采用天氣雷達(dá)估測降雨技術(shù)。

降雨中主要水分來源于大氣，可以將大氣分割成若干個垂直于地面的柱體，每個柱體中包含許多水分，在天氣雷達(dá)觀測過程中，雷達(dá)數(shù)據(jù)按照地區(qū)可以劃分為多個格點數(shù)據(jù)，這里將視為若干個的柱體，則空氣柱中的水分VIL可以表示為

式中：S（t）為單位時間內(nèi)柱體中的含有水分；P（t）為單位時間內(nèi)降雨強(qiáng)度。

確定時間段內(nèi)的水分源S（t）：

空氣柱可以將VIL轉(zhuǎn)化為降雨，轉(zhuǎn)換的時間稱為響應(yīng)時間，響應(yīng)時間在一個預(yù)測周期內(nèi)保持不變。可得下列關(guān)系式：

垂直累積液態(tài)水VIL和降雨強(qiáng)度P之間存在一定的關(guān)系：

將式（10）與式（11）聯(lián)立，可得到（t+dt）時刻的降水強(qiáng)度。根據(jù)未來一段時間內(nèi)的降水情況來判斷是否需要適時地為地區(qū)進(jìn)行灌溉，保證農(nóng)作物處于最優(yōu)的生長環(huán)境。

3數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)是節(jié)水灌溉技術(shù)的重要組成單元，具有傳感器模塊、采集模塊等，由電源供應(yīng)模塊統(tǒng)一供電，數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器模塊主要采用土壤傳感器測量土壤含水量。目前測量土壤水分的方法有很多，常見的測量方法有時域反射法（TDR）、石膏法、紅外遙感法等[1315]。土壤水分傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達(dá)底部后返回，檢測探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數(shù)的變化通常取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關(guān)系計算出土壤的含水量。

3.2采集模塊

采集模塊主要是通過內(nèi)部的處理器讀取傳感器的數(shù)據(jù)，通過傳感器傳送來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采樣，并送入A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并將該信號送到存儲器中，當(dāng)存儲器中的數(shù)據(jù)到達(dá)一定數(shù)目時，由處理器將數(shù)據(jù)從存儲器中讀取，通過GPRS將數(shù)據(jù)傳送到灌溉決策分析中心，其中處理器采用的是STM32F103C8T6型號單片機(jī)[1620]。

4數(shù)據(jù)決策分析

數(shù)據(jù)決策分析主要采用土壤濕度法，即根據(jù)作物的需求量以及土壤供水之間的關(guān)系，在作物各生育階段制定出幾個不同水平的土壤濕度下限，當(dāng)土壤濕度接近下限時，結(jié)合天氣雷達(dá)預(yù)報降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤水分墑情，合理灌溉，保證作物產(chǎn)量。在實驗中，土壤水分含量達(dá)到作物需水下限時，根據(jù)估測降水的時間、降水量等要素，需對作物在這段時間內(nèi)蒸騰量損失進(jìn)行灌溉補(bǔ)充，在保證適度干旱未影響作物生長的情況下，采用預(yù)報降水量對土壤水分的缺失部分進(jìn)行合理補(bǔ)充。以小麥作為研究對象，土壤水分下限如表1所示。

5灌溉系統(tǒng)監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺主要是向用戶展示檢測區(qū)域、土壤水分、雷達(dá)回波估測降水、農(nóng)田需灌溉水量、是否開啟灌溉等多項信息。是否開啟灌溉一列中，當(dāng)用戶選擇開啟灌溉時，則可以實現(xiàn)對相應(yīng)地區(qū)定量的進(jìn)行灌溉。該系統(tǒng)目前在石家莊行唐地區(qū)試運行，運行效果較為良好，大體上滿足系統(tǒng)的建設(shè)需求。節(jié)水灌溉監(jiān)控中心如圖3所示。

6結(jié)語

采用天氣雷達(dá)估測降雨技術(shù)，根據(jù)土壤水分墑情，適量地進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，能夠在一定程度上節(jié)約降水資源。但是，由于估測降雨本身對準(zhǔn)確性有較高要求，據(jù)實驗結(jié)果表明，本方法還存在以下不足：1）應(yīng)用交叉相關(guān)法和概念模型預(yù)報技術(shù)短時間內(nèi)可以得到很好的預(yù)測結(jié)果，但隨著預(yù)報時間的增長，預(yù)報準(zhǔn)確性逐漸下降，目前最長的預(yù)報時間為30 min；2）應(yīng)用最優(yōu)化方法對天氣雷達(dá)估測降雨的ZR關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，可以得到適合石家莊行唐地區(qū)的ZR關(guān)系參數(shù)取值范圍，從對流云降水分析得出，A的取值為150～200，b的取值保持在1.5左右，采用最優(yōu)化方法可以有效地從總體上降低估測誤差，但是對于單個的極值點效果不夠明顯。后續(xù)工作可以在更多地域樣本情況下對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，以提高準(zhǔn)確率。

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