本發(fā)明涉及一種灌溉系統(tǒng)，具體涉及一種植被生態(tài)高效用水智能化精準(zhǔn)調(diào)配系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

公告號(hào)為cn104351020a的中國(guó)發(fā)明專利，公開(kāi)了“基于圖像采集的農(nóng)田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)”。其通過(guò)采集農(nóng)田圖像，并與已有的干旱程度對(duì)照表比較，判斷作物的需水情況。這種方法在一定程度上可以節(jié)約水資源并保證植被的合理灌溉。此外，還有通過(guò)使用濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤含水量來(lái)控制灌溉水量。但是，現(xiàn)有的灌溉系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)植被生態(tài)需水狀況，灌溉方式粗放、浪費(fèi)水資源、且不利于植被生長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種植被生態(tài)高效用水智能化精準(zhǔn)調(diào)配系統(tǒng)。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)植被生態(tài)需水狀況并選擇合理的灌溉方式，節(jié)約了水資源且有利于植被生長(zhǎng)。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的植被生態(tài)高效用水智能化精準(zhǔn)調(diào)配系統(tǒng)，包括立體感知裝置、決策與服務(wù)裝置、灌溉裝置，還包括中央控制裝置；

所述立體感知裝置用于采集土壤、植被、氣象和植被現(xiàn)場(chǎng)硬件信息，所述中央控制裝置用于計(jì)算植被生態(tài)需水量，所述決策與服務(wù)裝置用于制定灌溉方案，所述灌溉裝置用于執(zhí)行灌溉指令；

所述立體感知裝置將采集的信息傳輸給中央控制裝置計(jì)算得出植被生態(tài)需水量，所述中央控制裝置將植被生態(tài)需水量再傳輸給決策與服務(wù)裝置制定灌溉方案，所述決策與服務(wù)裝置將灌溉方案?jìng)鬏斀o灌溉裝置執(zhí)行灌溉指令。

進(jìn)一步地，所述立體感知裝置包括土壤傳感器、植被傳感器、氣象傳感器、監(jiān)控設(shè)施、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備；

所述土壤傳感器用于測(cè)量土壤水分，所述植被傳感器用于測(cè)量植被水分和長(zhǎng)勢(shì)，所述氣象傳感器用于測(cè)量光照、氣溫、濕度、風(fēng)速和雨量，所述監(jiān)控設(shè)施用于采集植被、各種硬件設(shè)備和灌溉設(shè)施的實(shí)時(shí)圖像，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將土壤傳感器、植被傳感器、氣象傳感器、監(jiān)控設(shè)施采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，所述無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備用于將處理后的數(shù)字信號(hào)傳輸給中央控制裝置；

所述土壤傳感器、植被傳感器、氣象傳感器和監(jiān)控設(shè)施將采集的信息傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行處理，所述模數(shù)轉(zhuǎn)化器再將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸給中央控制裝置。

進(jìn)一步地，所述中央控制裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備、中央計(jì)算機(jī)、植被生態(tài)需水計(jì)算平臺(tái)；

所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備用于接收立體感知裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給中央計(jì)算機(jī)和植被生態(tài)需水計(jì)算平臺(tái)計(jì)算出植被生態(tài)需水量。

進(jìn)一步地，所述植被生態(tài)需水計(jì)算平臺(tái)包括4個(gè)計(jì)算模塊，分別為面積定額法模塊、潛水蒸發(fā)法模塊、植被蒸散發(fā)法模塊和水量平衡法模塊。

進(jìn)一步地，所述面積定額法以某一地區(qū)某一類型植被的面積乘以其生態(tài)需水定額計(jì)算得到該種植被的生態(tài)需水量，該地區(qū)各種植被生態(tài)需水量之和即為該地區(qū)生態(tài)需水總量；此方法適用于基礎(chǔ)工作較好的地區(qū)與植被類型，如防風(fēng)固沙林、人工綠洲等生態(tài)需水的計(jì)算；計(jì)算公式為：

w＝∑wi＝σairi；

其中，w為植被生態(tài)需水總量(m³)，wi為植被類型i的生態(tài)需水量(m³)，ai為植被類型i的面積(m²)，a通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到；ri為植被類型i的生態(tài)需水定額(m³/m²)，r＝kckspe0，pe0為由氣候條件決定的潛在蒸散量，通常由彭曼公式計(jì)算；kc為植物系數(shù)，是植物最大實(shí)測(cè)需水量與最大可能蒸散量的比值，其值的大小與植物種類、林齡、和生長(zhǎng)季節(jié)的環(huán)境狀況等有關(guān)，常通過(guò)試驗(yàn)取得；ks為土壤水分修正系數(shù)，與土壤質(zhì)地及土壤含水量有關(guān)；ks＝ln[(s-sw)/(sc-sw)×100+1]/ln101，s為土壤實(shí)際含水量；sw為土壤凋萎含水量；sc為土壤臨界含水量。

進(jìn)一步地，所述潛水蒸發(fā)法根據(jù)潛水蒸發(fā)量的計(jì)算來(lái)間接計(jì)算生態(tài)需水量，即某一植被類型在某一地下水位的面積乘以該地下水位的潛水蒸發(fā)量與植被系數(shù)，得到該面積下該植被生態(tài)需水量，各種植被生態(tài)需水量之和即為該地區(qū)植被生態(tài)需水總量；該方法適用于干旱區(qū)植被生存主要依賴于地下水的區(qū)域；計(jì)算公式為：

w＝∑wi＝σaiwgkc；

wgi＝a(1-hi/hmax)^be601；

w為植被生態(tài)需水總量(m³)；wi為植被類型i的生態(tài)需水量(m³)；ai為植被類型i的面積(m²)；wgi為植被類型i所處某一地下水埋深時(shí)的潛水蒸發(fā)量(m³)；kc為植被系數(shù)，是有植被地段的潛水蒸發(fā)量與無(wú)植被地段的潛水蒸發(fā)量之比值，常由試驗(yàn)確定；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；hi為地下水位的埋深(mm)；hmax為潛水蒸發(fā)極限埋深(mm)；e601為601型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量(m³)。

進(jìn)一步地，所述植被蒸散發(fā)法通過(guò)計(jì)算植被的蒸散發(fā)耗水量來(lái)確定植被的生態(tài)需水量；一般使用改進(jìn)后的彭曼公式法計(jì)算植被的蒸散發(fā)耗水量；

潛在蒸散發(fā)計(jì)算公式：et0＝c[wrn+(1-w)f(u)(ea-ed)]；

其中，et0為潛在蒸發(fā)量(mm/d)；w為與溫度有關(guān)的權(quán)重系數(shù)；c為補(bǔ)償白天與夜晚天氣條件所起作用的修正系數(shù)；rn為按等效蒸發(fā)量計(jì)算得到的凈輻射量(mm/d)；f(u)是與風(fēng)速u有關(guān)的函數(shù)；ea-ed為在平均氣溫中，空氣的飽和水汽壓ea與實(shí)際平均水汽壓ed之差值(mb)；

實(shí)際需水量的計(jì)算公式：et＝et0kef(s)；

其中，et為植物實(shí)際需水量(mm/d)；ke為植物系數(shù)，隨植物種類、生長(zhǎng)發(fā)育階段而異，生長(zhǎng)初期和末期較小，中期較大，接近或大于1.0，一般通過(guò)試驗(yàn)取得；f(s)為土壤影響因素，在非充分灌溉條件下或水分不足時(shí)，f(s)主要反映土壤水分狀況對(duì)植物蒸騰量的影響；

當(dāng)θ≥θq時(shí)，f(s)＝1；

當(dāng)θ0≤θ＜θq時(shí)，f(s)＝ln(1+θ)/ln101；

當(dāng)θ＜θ0時(shí)，f(s)＝α·exp(θ-θ0)/θ0；

α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.8-0.95；θ為實(shí)際平均土壤含水率；θq為土壤水分適宜含水率；θ0為土壤水分脅迫臨界含水率，為與植物永久凋萎系數(shù)相對(duì)應(yīng)的土壤含水率。

進(jìn)一步地，所述水量平衡法把植被生態(tài)系統(tǒng)視為植被—土壤綜合系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)列水量平衡方程，求出一個(gè)時(shí)段植被的蒸散量，用植被蒸散量加上時(shí)段末土壤含水量作為此時(shí)段植被生態(tài)需水量，適合于完整流域的生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算；計(jì)算公式為：

et+(wt+1-wt)＝(p+c)-(r+d)；

其中，ec為t到t+1時(shí)刻時(shí)段植被蒸散量，由植被傳感器獲得；p為降雨量，由氣象傳感器獲得；c為地下水補(bǔ)給量，由水文部門獲得；r為地表徑流量，由水文部門獲得；d為土壤水滲漏量，由土壤傳感器獲得；wt為t時(shí)刻土壤含水量，由土壤傳感器獲得；wt+1為t+1時(shí)刻土壤含水量，由土壤傳感器獲得；以上各量的單位為mm；其中，在地下水埋深較大時(shí)，c和d可以忽略不計(jì)。

進(jìn)一步地，所述決策與服務(wù)裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備、灌溉方案選擇模塊和智能控制終端；

所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備用于接收中央控制裝置傳輸?shù)闹脖恍杷啃畔?，所述灌溉方案選擇模塊用于選擇灌溉方案，所述智能控制終端用于實(shí)時(shí)查看植被現(xiàn)場(chǎng)信息，并向灌溉裝置發(fā)送灌溉指令；

所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備將從中央控制裝置接收的信息傳輸給灌溉方案選擇模塊制定灌溉方案，所述灌溉方案選擇模塊再將灌溉方案?jìng)鬏斀o智能控制終端，所述智能控制終端給灌溉裝置發(fā)送灌溉指令。

進(jìn)一步地，所述灌溉裝置包括解碼器、電磁閥和灌溉設(shè)施；

所述解碼器連接電磁閥，電磁閥連接灌溉設(shè)施；

所述解碼器用于接收和反饋智能控制終端傳輸?shù)倪\(yùn)行指令，所述電磁閥用于控制灌溉閥門的開(kāi)閉，所述灌溉設(shè)施用于實(shí)現(xiàn)植被的灌溉。

有益效果：(1)本發(fā)明可以根據(jù)土壤、氣候和植被實(shí)時(shí)狀態(tài)，計(jì)算出植被生態(tài)需水量，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)植被需水情況、智能選擇灌溉方案、自動(dòng)進(jìn)行植被灌溉。

(2)本發(fā)明包括4個(gè)植被生態(tài)需水計(jì)算模塊，可以適用于不同植被類型、區(qū)域氣象、土壤、水文地質(zhì)和生態(tài)條件的植被生態(tài)需水計(jì)算；可以根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況和植被類型，選擇合適的灌溉方式，并可以遠(yuǎn)程智能選擇灌溉方案，精準(zhǔn)確定灌溉時(shí)間和灌溉量。本發(fā)明符合植被需水規(guī)律，既有利于植被生長(zhǎng)，又避免了水資源的浪費(fèi)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的植被生態(tài)高效用水智能化精準(zhǔn)調(diào)配系統(tǒng)的整體框圖；

圖2為立體感知裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為中央控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為決策與服務(wù)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為灌溉裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例1：一種植被生態(tài)高效用水智能化精準(zhǔn)調(diào)配系統(tǒng)，如圖1所示，其包括立體感知裝置、中央控制裝置、決策與服務(wù)裝置和灌溉裝置。立體感知裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤、植被、氣象和硬件信息，并傳輸給中央控制裝置；中央控制裝置用于計(jì)算植被生態(tài)需水量，并傳輸給決策與服務(wù)裝置；決策與服務(wù)裝置用于制定灌溉方案，并向灌溉裝置發(fā)送控制指令；灌溉裝置用于接收決策與服務(wù)裝置的指令并自動(dòng)灌溉。

如圖2所示，立體感知裝置包括土壤傳感器、植被傳感器、氣象傳感器、監(jiān)控設(shè)施、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。所述土壤傳感器用于測(cè)量土壤水分，所述植被傳感器用于測(cè)量植被水分和長(zhǎng)勢(shì)，所述氣象傳感器用于測(cè)量光照、氣溫、濕度、風(fēng)速和雨量，所述監(jiān)控設(shè)施用于采集植被、各種硬件設(shè)備和灌溉設(shè)施的實(shí)時(shí)圖像，所述模數(shù)轉(zhuǎn)化器用于將各類傳感器采集到的電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸至中央控制裝置。

如圖3所示，中央控制裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備、中央計(jì)算機(jī)和植被生態(tài)需水計(jì)算平臺(tái)。所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備用于接收立體感知裝置傳輸?shù)男畔?，再將信息傳輸給中央計(jì)算機(jī)和植被生態(tài)需水計(jì)算平臺(tái)計(jì)算出植被生態(tài)需水量。

植被生態(tài)需水計(jì)算平臺(tái)包含了目前針對(duì)不同植被類型、區(qū)域氣象、土壤、水文地質(zhì)和生態(tài)條件的4個(gè)植被生態(tài)需水計(jì)算模塊，分別為面積定額法模塊、潛水蒸發(fā)法模塊、植被蒸散發(fā)法模塊和水量平衡法模塊。

所述面積定額法以某一地區(qū)某一類型植被的面積乘以其生態(tài)需水定額計(jì)算得到該種植被的生態(tài)需水量，該地區(qū)各種植被生態(tài)需水量之和即為該地區(qū)生態(tài)需水總量；此方法適用于基礎(chǔ)工作較好的地區(qū)與植被類型，如防風(fēng)固沙林、人工綠洲等生態(tài)需水的計(jì)算；計(jì)算公式為：

w＝∑wi＝∑airi；

其中，w為植被生態(tài)需水總量(m³)，wi為植被類型i的生態(tài)需水量(m³)，ai為植被類型i的面積(m²)，a通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到；ri為植被類型i的生態(tài)需水定額(m³/m²)，r＝kckspe0，pe0為由氣候條件決定的潛在蒸散量，通常由彭曼公式計(jì)算；kc為植物系數(shù)，是植物最大實(shí)測(cè)需水量與最大可能蒸散量的比值，其值的大小與植物種類、林齡、和生長(zhǎng)季節(jié)的環(huán)境狀況等有關(guān)，常通過(guò)試驗(yàn)取得；ks為土壤水分修正系數(shù)，與土壤質(zhì)地及土壤含水量有關(guān)；ks＝ln[(s-sw)/(sc-sw)×100+1]/ln101，s為土壤實(shí)際含水量；sw為土壤凋萎含水量；sc為土壤臨界含水量。

所述潛水蒸發(fā)法根據(jù)潛水蒸發(fā)量的計(jì)算來(lái)間接計(jì)算生態(tài)需水量，即某一植被類型在某一地下水位的面積乘以該地下水位的潛水蒸發(fā)量與植被系數(shù)，得到該面積下該植被生態(tài)需水量，各種植被生態(tài)需水量之和即為該地區(qū)植被生態(tài)需水總量；該方法適用于干旱區(qū)植被生存主要依賴于地下水的區(qū)域；計(jì)算公式為：

w＝∑wi＝∑aiwgikc；

wgi＝a(1-hi/hmax)^be601；

w為植被生態(tài)需水總量(m³)；wi為植被類型i的生態(tài)需水量(m³)；ai為植被類型i的面積(m²)；wgi為植被類型i所處某一地下水埋深時(shí)的潛水蒸發(fā)量(m³)；kc為植被系數(shù)，是有植被地段的潛水蒸發(fā)量與無(wú)植被地段的潛水蒸發(fā)量之比值，常由試驗(yàn)確定；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；hi為地下水位的埋深(mm)；hmax為潛水蒸發(fā)極限埋深(mm)；e601為601型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量(m³)。

所述植被蒸散發(fā)法通過(guò)計(jì)算植被的蒸散發(fā)耗水量來(lái)確定植被的生態(tài)需水量；一般使用改進(jìn)后的彭曼公式法計(jì)算植被的蒸散發(fā)耗水量；

潛在蒸散發(fā)計(jì)算公式：et0＝c[wrn+(1-w)f(u)(ea-ed)]；

其中，et0為潛在蒸發(fā)量(mm/d)；w為與溫度有關(guān)的權(quán)重系數(shù)；c為補(bǔ)償白天與夜晚天氣條件所起作用的修正系數(shù)；rn為按等效蒸發(fā)量計(jì)算得到的凈輻射量(mm/d)；f(u)是與風(fēng)速u有關(guān)的函數(shù)；ea-ed為在平均氣溫中，空氣的飽和水汽壓ea與實(shí)際平均水汽壓ed之差值(mb)；

實(shí)際需水量的計(jì)算公式：et＝et0kef(s)；

其中，et為植物實(shí)際需水量(mm/d)；ke為植物系數(shù)，隨植物種類、生長(zhǎng)發(fā)育階段而異，生長(zhǎng)初期和末期較小，中期較大，接近或大于1.0，一般通過(guò)試驗(yàn)取得；f(s)為土壤影響因素，在非充分灌溉條件下或水分不足時(shí)，f(s)主要反映土壤水分狀況對(duì)植物蒸騰量的影響；

當(dāng)θ≥θq時(shí)，f(s)＝1；

當(dāng)θ0≤θ＜θq時(shí)，f(s)＝ln(1+θ)/ln101；

當(dāng)θ＜θ0時(shí)，f(s)＝α·exp(θ-θ0)/θ0；

α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.8-0.95；θ為實(shí)際平均土壤含水率；θq為土壤水分適宜含水率；θ0為土壤水分脅迫臨界含水率，為與植物永久凋萎系數(shù)相對(duì)應(yīng)的土壤含水率。

所述水量平衡法把植被生態(tài)系統(tǒng)視為植被—土壤綜合系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)列水量平衡方程，求出一個(gè)時(shí)段植被的蒸散量，用植被蒸散量加上時(shí)段末土壤含水量作為此時(shí)段植被生態(tài)需水量，適合于完整流域的生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算；計(jì)算公式為：

et+(wt+1-wt)＝(p+c)-(r+d)；

其中，ec為t到t+1時(shí)刻時(shí)段植被蒸散量，由植被傳感器獲得；p為降雨量，由氣象傳感器獲得；c為地下水補(bǔ)給量，由水文部門獲得；r為地表徑流量，由水文部門獲得；d為土壤水滲漏量，由土壤傳感器獲得；wt為t時(shí)刻土壤含水量，由土壤傳感器獲得；wt+1為t+1時(shí)刻土壤含水量，由土壤傳感器獲得；以上各量的單位為mm；其中，在地下水埋深較大時(shí)，c和d可以忽略不計(jì)。

如圖4所示，決策與服務(wù)裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備、灌溉方案選擇模塊和智能控制終端。所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收設(shè)備用于接收中央控制裝置發(fā)送的植被生態(tài)需水量信息；所述灌溉方案選擇模塊用于根據(jù)植被生態(tài)需水量選擇科學(xué)合理的灌溉方案；所述智能控制終端用于實(shí)時(shí)查看立體感知裝置傳輸?shù)耐寥馈⒅脖?、氣象和各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的圖像信息，并向灌溉裝置發(fā)送控制指令。

如圖5所示，灌溉裝置包括解碼器、電磁閥和灌溉設(shè)施。所述解碼器用于接收和反饋智能控制終端發(fā)來(lái)的運(yùn)行程序指令；所述電磁閥可以接收解碼器傳輸?shù)闹噶?，控制植被灌溉閥門的開(kāi)閉；所述灌溉設(shè)施用于實(shí)現(xiàn)植被的灌溉。灌溉方式可以根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況和植被類型，選擇合適的灌溉方式，如噴灌、微灌、滴灌和滲灌等。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。