南疆冬小麥精確灌溉決策系統(tǒng)的研究

李 旭，花元濤，呂喜風(fēng)，殷國棟，劉 粵

(1. 塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2. 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

南疆，是指新疆天山以南的地區(qū)，自然氣候干燥，極其缺水，其中農(nóng)業(yè)用水的短缺是新疆目前急需解決的問題之一[1]，隨著5G時代的到來，目前針對這類現(xiàn)狀可運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”決策灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物精確灌溉，這樣既可以節(jié)省大量的水資源，又的實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用[2]。

美國Scott Morton最先提出來的農(nóng)業(yè)灌溉決策這個思想和觀念，并在20世紀(jì)90年代得到了快速的發(fā)展[3]。Hewitt通過研究作物的成長過程并實(shí)時記錄，得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，最終設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉和管理決策系統(tǒng)[4]。Batchelor等人開發(fā)了冬小麥決策支持系統(tǒng)，后被其他國家廣泛應(yīng)用于作物專家系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對冬小麥的灌溉量信息,例如灌溉的日期、冬小麥的蒸發(fā)蒸騰量上下限,灌溉冬小麥水量的上下限等[5]。系統(tǒng)可根據(jù)農(nóng)民的冬小麥基本土壤信息并自動選擇相應(yīng)的計(jì)算機(jī)來計(jì)算出結(jié)果,能夠?qū)崿F(xiàn)冬小麥所需灌水量的快速性和準(zhǔn)確性。我國農(nóng)業(yè)灌溉決策系統(tǒng)始于20世紀(jì)90年代，開發(fā)了一系列相關(guān)系統(tǒng)[6-11]。

盡管傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)能夠利用相關(guān)物理知識節(jié)省作物用水的所需量，但還是缺乏大規(guī)模管理的經(jīng)驗(yàn)和精確管理冬小麥的知識儲備，就不能最優(yōu)地解決這個問題。大多傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)只能根據(jù)簡單地某些因素或者某些物理因素來判斷冬小麥?zhǔn)欠裥枰喔?，而對冬小麥的蒸發(fā)蒸騰量、冬小麥土壤的類型(沙質(zhì)土、壤土、黏土)、天氣因素、冬小麥的土壤含水量、日降水量等等,都沒有綜合考慮和分析，或者只是輸入輸出并沒有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)，這都嚴(yán)重影響了冬小麥灌溉決策的正確性。

本系統(tǒng)通過對用戶導(dǎo)入的相關(guān)土壤數(shù)據(jù)和當(dāng)前天氣信息數(shù)據(jù)，就可以利用本精確灌溉決策系統(tǒng)來進(jìn)行決策，就可以為農(nóng)民提供正確的精確灌溉決策信息和冬小麥的決策依據(jù)，為南疆冬小麥的精確灌溉系統(tǒng)能夠被用戶廣泛地使用并加以利用。開發(fā)本灌溉決策系統(tǒng)，不僅可以準(zhǔn)確地查看實(shí)時動態(tài)管理的決定，還能合理利用水，提高水利用率，加快生產(chǎn)速率，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高生產(chǎn)效率，提高效率等。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的維護(hù)，主要是根據(jù)天氣的變化和用戶數(shù)據(jù)的錄入進(jìn)行實(shí)時更新，并把計(jì)算的結(jié)果添加到數(shù)據(jù)庫中，或及時修正已有不準(zhǔn)確信息以及并刪除不準(zhǔn)確的信息。

本系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有的核心功能有：

(1)信息管理功能：為普通人員提供在第一時間能夠查看自己冬小麥的信息以及冬小麥需要灌溉時的緊急信息，并且可以處理。而對于有數(shù)據(jù)權(quán)限和菜單級權(quán)限后，系統(tǒng)管理員就能夠?qū)λ械挠脩暨M(jìn)行管理。

(2)天氣數(shù)據(jù)功能：可以錄入或手動輸入當(dāng)天天氣的狀況(調(diào)用百度天氣接口)，包括：最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、日照時間、降雨量、最低濕度、詳細(xì)描述等。并且可以對天氣的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作(查看、增添，刪除、修改)。

(3)灌溉管理功能：該模塊主要分為規(guī)則模型決策和數(shù)學(xué)模型決策，規(guī)則模型決策又分為播前決策、返青決策、后期決策；系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前用戶提交上來的土壤數(shù)據(jù)和時間來判定當(dāng)前需不需要灌溉，若需要灌溉，則灌溉的水量有多少；數(shù)學(xué)模型決策則是根據(jù)以彭曼-蒙特斯公式和水分平衡方程為基礎(chǔ)來計(jì)算出需灌水量。

(4)統(tǒng)計(jì)管理功能：普通用戶可以看到自己農(nóng)作物的灌溉折線圖和曲線圖，系統(tǒng)管理員則管理所有用戶的灌溉折線圖和曲線圖。

(5)土壤管理功能：本系統(tǒng)并沒有和硬件相結(jié)合，所以只能手動錄入用戶的土地狀況，并且可以查詢錄入的土壤信息、修改、刪除等功能，一般用戶只能查看和修改自己的土壤信息，而管理員能夠查看所有用戶錄入的土壤信息，信息唯一不重復(fù)。

2 灌溉決策方法

結(jié)合南疆冬小麥灌溉條件及專家實(shí)地考察的實(shí)際結(jié)果，概括出冬小麥灌溉相關(guān)決策規(guī)則，主要規(guī)則如下所示。

(1)越冬期灌水量主要與土壤類型和40 cm土壤含水量W有關(guān)，如圖1所示。

圖1 越冬期流程圖(單位：m3/hm2)

(2)返青期灌溉決策主要與南疆冬小麥土壤的類型以及南疆冬小麥土壤含水量上下限有關(guān)，灌水量為Mm、土壤類型為ST、土壤含水量為MT，如圖2所示。

圖2 返青期流程圖(單位：m3/hm2)

①ifST=黏土，MT≥20%，Mm=0(如果需要補(bǔ)肥，Mm=150 m3/hm2)，MT=17%～20%，Mm=225 m3/hm2，MT<17%，Mm=(300+450)/2 m3/hm2。

②ifST=壤土，MT≥18%，Mm=0(如果需要補(bǔ)肥，Mm=150 m3/hm2)，MT=15%～18%，Mm=225 m3/hm2，MT<15%，Mm=(300+450)/2 m3/hm2。

③ifST=沙土，MT≥16%，不灌溉(如果需要補(bǔ)肥，Mm=150 m3/hm2)，MT=13%～16%,Mm=225 m3/hm2，MT<13% ，Mm=(300+450)/2 m3/hm2。

(3)抽穗-灌漿期灌溉決策主要與南疆冬小麥土壤的類型以及南疆冬小麥土壤含水量(0～20、20～40、40～60 cm)有關(guān)，MT為土壤含水量，如圖3所示。

①ifST=黏土，0～20 cmMT≥18%,不需灌溉；0～20 cmMT<18%，Mm=(60-[0～20 cmMT]-[20～40 cmMT]-[40～60 cmMT])×75 m3/hm2。

②ifST=壤土，0～20 cmMT≥16%,不需灌溉；0～20 cmMT<16%，Mm=(54-[0～20 cmMT]-[20～40 cmMT]-[40～60 cmMT])×75 m3/hm2。

圖3 灌漿期流程圖(單位：m3/hm2)

③ifST=沙土，0～20 cmMT≥14%,不需灌溉；0～20 cmMT<14%，Mm=(48-[0～20 cmMT]-[20～40 cmMT]-[40～60 cmMT])×75 m3/hm2。

彭曼方程是基于能量平衡和水汽擴(kuò)散理論的，它被認(rèn)為是計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量最具信賴和可用性的模型之一，在旱作物以及森林蒸發(fā)蒸騰量的研究上取得了較好的結(jié)果。20世紀(jì)60年代中期，蒙蒂思根據(jù)前人的研究提出了此方程，并將其發(fā)展。蒙蒂思將多種影響ET0的氣象參數(shù)應(yīng)用到該方程中，既有理論基礎(chǔ)又有試驗(yàn)驗(yàn)證[12]。通過多年的努力研究，彭曼方程的認(rèn)可度越來越高，本研究結(jié)合南疆冬小麥灌溉實(shí)際情況，利用彭曼方程，計(jì)算模型如下：

(1)

式中：Δ為溫度變化曲線與飽和的水汽壓之間斜率，kPa/℃；Rn為作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，W/m2；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為2 m高處平均氣溫，℃；u2為2 m高處平均風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；es為實(shí)際水汽壓，kPa。

公式中的各相關(guān)參數(shù)的確定方法如下：

(2)

(3)

Rn=Rns-Rnl

(4)

(5)

λ=2.501-(2.361×10-3)T

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Tmean為相對日平均氣溫，℃；Tmax為當(dāng)日最高氣溫，℃；Tmin為當(dāng)日最低氣溫，℃；RHmean為當(dāng)日平均相對濕度，%。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開發(fā)這個系統(tǒng)最初的想法的主要有：分為管理員和普通用戶，管理員主要對天氣進(jìn)行模擬和對用戶的冬小麥土壤信息，決策信息管理和查看，并且可以管理用戶的信息和修改用戶的信息，而管理員可以更換圖像，上傳圖片，修改個人信息，添加公告，能夠回復(fù)用戶發(fā)出的信息，而普通用戶亦可以進(jìn)行對本系統(tǒng)的問題提出改進(jìn)的方案。本系統(tǒng)的運(yùn)行可以精準(zhǔn)確定不同時期冬小麥的灌溉量、本系統(tǒng)的運(yùn)行能讓用戶夠?qū)崟r查詢自家冬小麥的數(shù)據(jù)情況、使用這個系統(tǒng)能夠通過查看數(shù)據(jù)報表作對比、系統(tǒng)可以能夠?qū)?shù)據(jù)起到防丟失的保護(hù)作用、本系統(tǒng)可以更好地管理和監(jiān)控冬小麥的生長情況，所系本系統(tǒng)做到更好的決策(見圖4)。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用MySQL重要原因是因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)在于它非常的實(shí)用、快速、支持各種開發(fā)語言、功能性強(qiáng)大、支持大型的數(shù)據(jù)庫、性能安全。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包含用戶表、信息表、警報表、天氣表、土壤表和決策結(jié)果表等，而這些表也可分為用戶登錄模塊、灌溉管理模塊、土壤錄入數(shù)據(jù)模塊、報表模塊、天氣模擬模塊根據(jù)不同模塊，所使用數(shù)據(jù)表也不同。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及效果

4.1 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)基于SSM框架結(jié)構(gòu)模式，采用JSP+CSS+JS、JDBC等技術(shù)，選用MyEclipse 為開發(fā)平臺，結(jié)合MySQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。開發(fā)完成的系統(tǒng)界面美觀，功能較為完善，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，適用于Windows 2007 /2008 /2010 操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)在塔里木大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站應(yīng)用，試驗(yàn)站滴灌具有完善的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括小型氣象站、試驗(yàn)區(qū)微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自動灌溉控制系統(tǒng)等設(shè)備，為試驗(yàn)區(qū)的種植灌溉決策提供參考，為提高灌水效果提供思路，同時節(jié)省了大量的勞動力資源，取得比較理想的效果。

圖4 系統(tǒng)功能圖

4.2 系統(tǒng)效果

為驗(yàn)證該灌溉決策系統(tǒng)的實(shí)用性，于冬小麥試驗(yàn)田采用傳統(tǒng)模糊灌溉和本系統(tǒng)灌溉，每天記錄土壤濕度和灌溉用水量，計(jì)算小麥在不同生長時期的平均土壤濕度和用水量。計(jì)算得出傳統(tǒng)灌溉方式用水530.3 mm/m2，而利用本決策系統(tǒng)灌溉僅耗水420.9 mm/m2，節(jié)水效果明顯，且本決策系統(tǒng)灌溉方式的土壤濕度更接近小麥生長的最佳濕度。說明該灌溉決策系統(tǒng)在滿足小麥在不同時期的需水要求，同時也能有效節(jié)水，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 土壤濕度及用水量

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)利用相對科學(xué)的規(guī)則模型和數(shù)學(xué)模型對冬小麥的灌溉指導(dǎo)，這樣既可以避免浪費(fèi)水資源又可以精確灌溉冬小麥。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合實(shí)時天氣情況進(jìn)行灌溉進(jìn)行決策支持，主要包括土壤墑情和天氣變量，以及預(yù)警監(jiān)測。用戶可以隨時觀察到本地的天氣動向，并利用本系統(tǒng)的灌溉技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。簡潔的操作，能夠減少冬小麥精確灌溉操作的復(fù)雜度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的人機(jī)交互性，易于推廣應(yīng)用。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)是補(bǔ)充和協(xié)助灌溉決策的有效工具。用戶可以根據(jù)冬小麥需水量對灌溉進(jìn)度進(jìn)行規(guī)劃，并對灌溉過程進(jìn)行即時反饋。下一步的研究工作主要將系統(tǒng)與遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)相融合，利用其強(qiáng)大的空間定位技術(shù)以及相關(guān)分析能力提高灌溉精度，具有較大的發(fā)展空間。