本發(fā)明涉及農(nóng)作物監(jiān)測領(lǐng)域，具體地說，涉及一種智能判定旱作作物缺水狀態(tài)的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

日常應(yīng)用中，常用“缺水脅迫”來描述旱作作物在干旱條件下由于土壤水分含量過低導(dǎo)致不能提供足量水供應(yīng)進(jìn)而脅迫遲滯作物生長發(fā)育狀態(tài)。由于缺乏合適的技術(shù)手段，日常農(nóng)業(yè)管理中如何實(shí)時、快速評判作物缺水狀態(tài)一直處于技術(shù)空缺狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種智能判定旱作作物缺水狀態(tài)的方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種智能判定旱作作物缺水狀態(tài)的方法，包括如下步驟：

s1.傳感器管將實(shí)時采集的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)傳遞通過信號傳輸裝置傳遞至遠(yuǎn)程終端中；

s2.遠(yuǎn)程終端接收信號傳輸裝置傳遞傳輸來的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)并制作虛擬根系二維圖；

s3.遠(yuǎn)程終端根據(jù)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)并判別作物的缺水狀態(tài)。

進(jìn)一步，所述步驟s2包括：

s2-1.將水分傳感器按照時間間隔分別實(shí)時采集各個感應(yīng)點(diǎn)h的土壤水分含量記為sm_h；

s2-2.結(jié)合即時(t0)和上一個點(diǎn)(t0-1)的兩組數(shù)據(jù)，在每一個時間點(diǎn)計算土壤水分變化率sd_h；

s2-3.對垂直維度作物根系范圍內(nèi)每一個測量點(diǎn)h的土壤水分時間變化率sd_h進(jìn)行日積分,獲得sd_h_dsum

s2-4.對sd_h_dsum在作物根系深度進(jìn)行歸一化處理，cm_h(h),h＝0,1,…l。結(jié)果表示出每一個垂直深度的土壤水分變化相對貢獻(xiàn)率；

s2-5.依照cm_h(h)結(jié)果構(gòu)建虛擬根系二維圖。

進(jìn)一步，所述步驟s2-1中的時間間隔為5-15分鐘。

進(jìn)一步，所述步驟s3包括：

測定在“作物枯萎點(diǎn)”時的土壤平均水分含量值sw，即為100％缺水脅迫閥值；在“田間持水量”時的土壤平均水分含量值sf，即為0％缺水脅迫(不脅迫)閥值；以及實(shí)測土壤水分含量sm，則作物缺水脅迫度pms通過公式：pms＝(sf-sm)/(sf-sw)*100％計算。

本發(fā)明的有益效果在于：利用高分辨率管式土壤水分傳感器判斷作物缺水狀態(tài)，包括傳感器布置方法、缺水狀態(tài)判定依據(jù)和判定方式；利用“虛擬根系二維圖”來定性判定作物缺水狀態(tài)，包括“虛擬根系二維圖”的具體制作方式；利用高分辨率管式土壤水分傳感器測量的“土壤水分含量”、“土壤水分在垂直維度的分布”以及“土壤水分在垂直維度的最大變化率”來定量判斷“作物缺水狀態(tài)”，包括以“土壤水分在垂直維度的最大變化率”來定量判斷作物缺水狀態(tài)的具體方式。

需要說明的是，根系深度的獲得可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值獲得，也可以根據(jù)下述方法獲得，其中以本發(fā)明的傳感器管為第一傳感器管，在距離第一傳感器管5-10cm處，設(shè)置第二傳感器管，所述第二傳感器管垂直設(shè)置在地面中，所述第二傳感器管距離作物第一傳感器的距離為5-20cm，所述第二傳感器、第一傳感器和主桿中心軸在同一平面上：

w1第一傳感器管和第二傳感器管將實(shí)時采集的數(shù)據(jù)傳遞通過信號傳輸裝置傳遞至遠(yuǎn)程終端中；

w2遠(yuǎn)程終端根據(jù)高度和時間將數(shù)據(jù)分類和處理；

w3將處理得到的結(jié)果與之前的七天的數(shù)據(jù)結(jié)果相比對并進(jìn)行平滑處理，得到根系深度數(shù)據(jù)。

所述步驟w2包括如下步驟：

w2-1.將遠(yuǎn)程終端接收到的數(shù)據(jù)按照其來源進(jìn)行分類，由第一傳感器管傳遞來的數(shù)據(jù)記為a，由第二傳感器管傳遞來的數(shù)據(jù)記為b,其中每個傳感器距離土壤表層的距離記為h(cm)，傳感器測量數(shù)據(jù)記錄的時間為主判斷依據(jù)，將一天的時間分為：日照區(qū)段(日升至日落)dbin、黑夜區(qū)段(月照或全黑)nbin、過渡(介于白天和黑夜之間)區(qū)段gbin；

w2-2.從土壤表面往下，分別針對每個高度h判斷：

x：日照區(qū)段在高度h上的土壤水分變化率的日平均值(a-dbin-h-dmr-dayaverage)和黑夜區(qū)段在高度h上的土壤水分變化率的日平均值(a-nbin-h-dmr-dayaverage)的差異；

y：日照區(qū)段在高度h上的土壤溫度變化率的日平均值(a-dbin-h-dtr-dayaverage)和黑夜區(qū)段在高度h上的土壤溫度變化率的日平均值(a-nbin-h-dtr-dayaverage)的差異；

z：日照區(qū)段在高度h上的水平水分變化率的日平均值(ba-dbin-h-hmr-dayaverage)和黑夜區(qū)段在高度h上的水平水分變化率的日平均值(ba-nbin-h-hmr-dayaverage)的差異；

w2-3.針對步驟w2-2中的判斷結(jié)果，

若x有差異時：若z和y均有差異，此時記錄h為新的根系深度，并替代上一個根系深度；若z和y中有一個有差異，則h為新的根系深度的幾率為67％；若z和y均沒有差異，則h為新的根系深度的幾率為33％；對下個h的數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟w2-1和w2-2；

若x沒有差異：判斷h是否大于根系深度，否，對下個h的數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟w2-1和w2-2；是，表示已經(jīng)超越根系深度，結(jié)束判定。

所述步驟w2-2還包括包括如下步驟：

w2-2-1.每個水分傳感器采集的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)記為sw，每個溫度傳感器采集的土壤溫度數(shù)據(jù)記為st；

w2-2-2.分別構(gòu)建實(shí)時的“土壤水分垂直分布”圖形yhw和“土壤溫度垂直分布”圖形yht；

w2-2-3.針對每一個時間點(diǎn)采樣收集的數(shù)據(jù)，計算：垂直水分變化率vmr(vmr＝dsw/dh，h為傳感器感應(yīng)環(huán)間隔距離)，水平水分變化率hmr(hmr＝dsw/dl，l為傳兩個感器感間隔距離)

w2-2-4.結(jié)合即時(t0)和上一個點(diǎn)(t0-1)的兩組數(shù)據(jù)，在每一個時間點(diǎn)分別計算：土壤水分變化率dmr(dmr＝dsw/dt)、土壤溫度變化率dtr(dtr＝dt/dt)。

w2-2-5.傳感器測量數(shù)據(jù)記錄的時間為主判斷依據(jù)，將一天的時間分為：日照區(qū)段(日升至日落)dbin、黑夜區(qū)段(月照或全黑)nbin、過渡(介于白天和黑夜之間)區(qū)段gbin，把每一個時間點(diǎn)測量和計算數(shù)據(jù)(vmr、hmr、dmr、dtr)整合為一個數(shù)據(jù)子集(dataset)；

w2-2-6.以天為單位對每一個bin中累積的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，計算“日平均值”dayaverage、“日均方差值”daystd。

本發(fā)明還提供一種智能判定旱作作物缺水狀態(tài)的系統(tǒng)，包括：

水分傳感器管，所述水分傳感器管垂直設(shè)置在地面中，用于實(shí)時采集根系附近土壤中的水分?jǐn)?shù)據(jù)信息；

信號傳輸裝置，所述信號傳輸裝置與水分傳感器管相連接，所述信號傳輸裝置用于將水分傳感器管采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程終端；

遠(yuǎn)程終端，所述遠(yuǎn)程終端接收信號傳輸來的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本發(fā)明的有益效果是：能夠?qū)崿F(xiàn)對根系周圍土壤的水分的實(shí)時監(jiān)控，從而為實(shí)現(xiàn)生長在非飽和土壤水分環(huán)境中各種旱作缺水性能提供數(shù)據(jù)支持。

進(jìn)一步，所述水分傳感器管距離作物主桿中心軸的距離為10-30cm。

進(jìn)一步，所述水分傳感器管包括多個垂直分布的水分傳感器，相鄰的兩個水分傳感器之間的距離為5cm。

進(jìn)一步，所述無線網(wǎng)路為lorawan網(wǎng)絡(luò)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的水分傳感器管的位置及結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的水分傳感器管的位置俯視圖；

圖3為本發(fā)明的非缺水狀態(tài)下的“虛擬根系”二維圖形；

圖4為本發(fā)明的缺水狀態(tài)下的“虛擬根系”二維圖形；

圖5為特定狀態(tài)下，作物枯萎線、實(shí)測土壤水分以及田間持水量三條曲線的關(guān)系圖。

附圖標(biāo)記說明：

1.水分傳感器管，2.水分傳感器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

作物缺水狀態(tài)判定原理

在不考慮降雨或灌溉補(bǔ)水導(dǎo)致的短期躍升情況下，土壤中水分垂直分布以及變化主要受蒸發(fā)(e，evaporation，土壤主導(dǎo))和蒸騰(t，transpiration，植物主導(dǎo))兩個過程控制，在傳統(tǒng)測量技術(shù)中，e和t的測量很難被區(qū)分，一般手段只能捆綁測量，以et統(tǒng)一表征。

蒸發(fā)過程e以及蒸發(fā)量主要受太陽輻射或大風(fēng)等氣象因素影響，而作物蒸騰t則主要受作物從根系、主桿到葉片的吸水、輸水和揮發(fā)主導(dǎo)，受植物葉面氣孔閉合影響。e和t都是以天(24小時)作為時間周期在整個作物生長發(fā)育期內(nèi)變動重復(fù)，e對土壤表面的水分變化影響顯著，而t則是對植物根系、特別是處于根系末端的須根周圍的土壤水分變化影響明顯。

因此，只要解決對土壤水分在垂直維度分布、及其在作物根系周圍的精準(zhǔn)測量技術(shù)障礙，區(qū)分獲得原位e和t的狀態(tài)成為可能，這里一個高分辨率的、多感應(yīng)點(diǎn)傳感的、垂直布置的土壤水分傳感器就成為技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。進(jìn)一步地，通過對e和t的有效區(qū)分，測量結(jié)果也為評判作物缺水狀態(tài)提供了有效技術(shù)保障。

針對一個特定的作物，在整個作物生長期,從土壤表面垂直向下直至作物根系深度范圍，土壤中水分含量的絕對值、在垂直上的分布和相對時間變化率與土壤表面水分蒸發(fā)、作物根系的吸水速率、吸水量有一一對應(yīng)的關(guān)系。垂直布置的土壤水分傳感器對這幾個被觀測量進(jìn)行高分辨率數(shù)據(jù)收集，通過進(jìn)一步數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)處理，可以對作物缺水狀態(tài)進(jìn)行客觀的評價。

對垂直維度作物根系深度l范圍內(nèi)每一個測量點(diǎn)h，依據(jù)采集時間劃分，計算出

土壤水分含量(sm_h)的時間變化率,sd_h

土壤水分含量點(diǎn)日平均,sm_dave_h

土壤水分含量點(diǎn)日均方差,sm_dstd_h

土壤水分含量點(diǎn)白晝(6:00-18:00)平均,sm_mave_h

土壤水分含量點(diǎn)白晝均方差,sm_mstd_h

土壤水分含量點(diǎn)黑夜(18:00-6:00)平均,sm_nave_h

土壤水分含量點(diǎn)黑夜均方差，sm_nstd_h。

對垂直維度作物根系范圍內(nèi)每一個測量點(diǎn)h的土壤水分時間變化率sd_h進(jìn)行日積分(0:00-24:00),獲得sd_h_dsum

然后在作物根系深度進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果直觀表示出每一個垂直深度的土壤水分變化相對貢獻(xiàn)率，cm_h(h),h＝0,1,…l

本發(fā)明以“虛擬根系”二維圖形式來表示cm_h(h)。

在土壤水分含量充沛狀態(tài)下(根據(jù)土壤水分絕對含量和垂直分布初步判斷)，作物生長所需要的水分可以通過根系從土壤中充分獲取。虛擬根系圖示中，作物根系活躍區(qū)(須根所在區(qū)域)對作物需水總量的貢獻(xiàn)比例會占顯著比例，整個虛擬根系二維圖示呈現(xiàn)“上瘦下胖”葫蘆形狀。并且，在根系活躍區(qū)呈現(xiàn)晝夜交替變化(由作物氣孔晝開夜閉特性導(dǎo)致)的特征，統(tǒng)計獲得的點(diǎn)白晝平均sm_mave_h與點(diǎn)黑夜平均sm_nave_h之間存在顯著差異。

在土壤干旱狀態(tài)下(根據(jù)土壤水分絕對含量和垂直分布初步判斷)，作物生長所需要的水分不能通過根系從土壤中充分獲取。虛擬根系圖示中，作物根系活躍區(qū)(須根所在區(qū)域)對作物需水總量的貢獻(xiàn)比例很小，土壤表面由太陽照射或大風(fēng)吹掃導(dǎo)致的蒸發(fā)占有比例顯著，整個虛擬根系二維圖示呈現(xiàn)“上寬下窄”雨傘形狀，并且晝夜交替變化(由作物氣孔晝開夜閉特性導(dǎo)致)特征被極大抑制，統(tǒng)計獲得的點(diǎn)白晝平均sm_mave_h與點(diǎn)黑夜平均sm_nave_h之間不存在顯著差異。

發(fā)明人定義，針對一個特定土壤、一個特定作物，在垂直維度作物根系范圍，在“作物枯萎點(diǎn)”時的土壤平均水分含量值為100％缺水脅迫閥值sw、在“田間持水量”時的土壤平均水分含量值為0％缺水脅迫(不脅迫)閥值sf，介于兩個閥值之間土壤水分含量sm可以被用來定量描述“作物缺水脅迫度”pms。

如圖5所示，圖5表示

在收集大量數(shù)據(jù)、不斷深度學(xué)習(xí)的過程中萃取和不斷迭代判定參數(shù)(作物枯萎點(diǎn)sw、田間持水量sf)集，總結(jié)出合適的、針對一個特定作物的“作物缺水狀態(tài)(水脅迫度)”判定模式。

需要根據(jù)垂直維度土壤水分絕對含量和相對分布，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理(預(yù)處理)，濾除調(diào)不適合導(dǎo)入到判定算法的數(shù)據(jù)。

實(shí)施例1

土壤水分傳感器的采樣頻率定在5-15分鐘/次，分別采集各個感應(yīng)點(diǎn)h的土壤水分含量sm_h；

結(jié)合即時(t0)和上一個點(diǎn)(t0-1)的兩組數(shù)據(jù)，在每一個時間點(diǎn)計算土壤水分變化率sd_h，sd_h是標(biāo)量；

對垂直維度作物根系范圍內(nèi)每一個測量點(diǎn)h的土壤水分時間變化率sd_h進(jìn)行日積分,獲得sd_h_dsum；

對sd_h_dsum在作物根系深度進(jìn)行歸一化處理，cm_h(h),h＝0,1,…l。結(jié)果表示出每一個垂直深度的土壤水分變化相對貢獻(xiàn)率；

依照cm_h(h)結(jié)果構(gòu)建“虛擬根系”二維圖；

進(jìn)行“作物缺水狀態(tài)”定性判斷，當(dāng)構(gòu)建出的“虛擬根系”二維圖為倒錐形時(如圖4所示)，表示作物處于缺水狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)建出的“虛擬根系”二維圖為葫蘆形時(如圖3所示)，表示作處于非缺水狀態(tài)；

分別根據(jù)“作物枯萎線”計算作物缺水狀態(tài)時土壤平均水分含量值sw、“田間持水量”時土壤平均水分含量值sf、以及實(shí)測土壤水分含量sm，再根據(jù)公式“pms＝(sf-sm)/(sf-sw)*100％計算”定量計算“作物缺水脅迫度”pms。

進(jìn)行“作物缺水狀態(tài)”定量判斷。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。