一种土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统及方法

1.本发明属于根系分布模拟技术领域，尤其涉及一种土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统及方法。


背景技术：

2.目前，为了保证作物正常生长，获取高产稳产，必须供给作物以充足的水分。但是往往因降水量不足或分布的不均匀，不能满足作物对水分要求。在自然条件下，灌溉，为地补充作物所需水分的技术措施。灌溉原则是灌溉量、灌溉次数和时间要根据植物需水特性、生育阶段、气候、土壤条件而定，要适时、适量，合理灌溉。其种类主要有播种前灌水、催苗灌水、生长期灌水及冬季灌水等。然而，现有土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统及方法不能实时、快速评判作物缺水状态；同时，由于土壤理化特性与土壤差别较大，关于土壤节水灌溉的决策并不能完全适用于土壤栽培。
3.综上所述，现有技术存在的问题是：现有土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统及方法不能实时、快速评判作物缺水状态；同时，由于土壤理化特性与土壤差别较大，关于土壤节水灌溉的决策并不能完全适用于土壤栽培。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统及方法。
5.本发明是这样实现的，一种土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统，所述土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统包括：
6.灌溉视频监控模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像装置实时化监测农田智能化灌溉过程，并获取灌溉视频数据；
7.土壤水分监测模块，与中央控制模块连接，用于通过水分传感器监测农田土壤水分，并获取土壤水分监测数据；
8.中央控制模块，与灌溉视频监控模块、土壤水分监测模块、缺水判定模块、灌溉决策模块、抽水模块、灌溉模块、定时模块、显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述农田智能化灌溉系统各个模块的正常工作，并根据获取的灌溉视频数据和土壤水分监测数据绘制土壤水分特征曲线；
9.缺水判定模块，与中央控制模块连接，用于通过判定程序根据绘制的土壤水分特征曲线判定待灌溉区域土壤的缺水状态；
10.灌溉决策模块，与中央控制模块连接，用于通过决策程序根据判定的待灌溉区域土壤的缺水状态确定作物的灌溉决策；
11.抽水模块，与中央控制模块连接，用于根据灌溉决策抽取灌溉水；
12.灌溉模块，与中央控制模块连接，用于对作物进行喷洒灌溉；
13.定时模块，与中央控制模块连接，用于设定灌溉时间；
14.显示模块，与中央控制模块连接，用于显示监控灌溉视频、土壤水分监测结果、土壤水分特征曲线、缺水判定结果以及灌溉决策的实时数据。
15.进一步，所述中央控制模块通过中央处理器根据获取的灌溉视频数据和土壤水分监测数据绘制土壤水分特征曲线包括：
16.获取灌溉视频数据和土壤水分监测数据，并根据灌溉视频数据和土壤水分监测数据生成分段土壤水分特征曲线图；
17.通过中央处理器根据预设的连续光滑约束条件对分段土壤水分特征曲线图进行修正，并得到多个拟合参数；
18.根据多个拟合参数对分段土壤水分特征曲线图进行修正，使分段土壤水分特征曲线图中的多条分段土壤水分特征曲线拟合为待灌溉土壤水分特征曲线。
19.进一步，所述缺水判定模块中的通过判定程序确定缺水状态包括：
20.配置传感器参数；通过传感器管将实时采集的土壤水分数据传递通过信号传输装置传递至中央处理器中；
21.中央处理器接收信号传输装置传递传输来的土壤水分数据并制作虚拟根系二维图，中央处理器根据土壤水分数据并判别作物的缺水状态。
22.进一步，所述远程终端接收信号传输装置传递传输来的土壤水分数据并制作虚拟根系二维图包括：
23.将水分传感器按照时间间隔分别实时采集各个测量点h的土壤水分含量记为sm_h；
24.结合即时(t0)和上一个点(t
0-1)的两组数据，在每一个时间点计算土壤水分变化率sd_h；对垂直维度作物根系深度l范围内每一个测量点h的土壤水分时间变化率sd_h进行日积分，获得sd_h_dsum；
25.对sd_h_dsum在作物根系深度进行归一化处理，cm_h(h)，h＝0,1,
…
l；结果表示出每一个垂直深度测量点h的土壤水分变化相对贡献率；依照cm_h(h)结果构建虚拟根系二维图。
26.进一步，所述时间间隔为30～60min。
27.进一步，所述灌溉决策模块中的通过决策程序确定作物的灌溉决策包括：
28.通过决策程序确定土壤类型和作物种类；在土壤内部设立用于测量土壤体积含水量的土壤水分传感器和喷水系统，确定目标作物灌溉时的含水量上限和下限；通过实验建立目标土壤水分运移模型和作物根系分布模型；
29.利用剖面挖掘法测量不同滴灌流量、不同滴灌历时下的土壤湿润锋和土壤体积含水量，通过数据拟合建立土壤水分运移模型；在作物最佳生长条件下的不同生长期进行作物根系取样，测量作物最大根深及不同根深处的根区半径，通过拟合建立作物根系分布模型；
30.利用拟合建立的作物根系分布模型，以目标土壤适时的土壤湿润体含水量与目标作物灌溉时的含水量上限和下限为基础，以土壤水分运移模型和作物根系分布模型为依据，确定灌溉决策并指导灌溉。
31.进一步，当土壤水分传感器检测的土壤湿润体含水量低于目标作物灌溉时的含水量下限时，滴灌系统打开，开始灌溉；
32.根据土壤水分运移模型求得不同灌溉历时下的土壤湿润体，与根据作物根系分布模型求得的作物根区进行匹配计算，使湿润体位置、大小与作物根区相匹配，直至土壤湿润体与根系体积相重叠；
33.通过土壤水分传感器检测土壤湿润体含水量，当土壤湿润体含水量大于目标作物灌溉时的含水量上限时，滴灌系统停止灌溉。
34.本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以应用所述土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统。
35.本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用所述土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统。
36.本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统。
37.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统，通过缺水判定模块能够实现对根系周围土壤的水分的实时监控，从而为实现生长在非饱和土壤水分环境中各种旱作缺水性能提供数据支持；同时，通过灌溉决策模块将水分传感器实时监测、作物根系分布模拟和土壤水分运移模拟相结合，对土壤含水量及作物根区和土壤湿润体大小做出预报，依据土壤湿润体和作物根区体积的有效匹配原则判断是否进行灌溉，提高土壤水分预报的动态性、实时性，具有节水、节能的特点，对建立节水型设施土壤栽培具有重要现实意义。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明实施例提供的土壤水分运移规律和作物根系分布模拟方法流程图。
40.图2是本发明实施例提供的土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统结构框图；
41.图中：1、灌溉视频监控模块；2、土壤水分监测模块；3、中央控制模块；4、缺水判定模块；5、灌溉决策模块；6、抽水模块；7、灌溉模块；8、定时模块；9、显示模块。
42.图3是本发明实施例提供的中央控制模块通过中央处理器根据获取的灌溉视频数据和土壤水分监测数据绘制土壤水分特征曲线的方法流程图。
43.图4是本发明实施例提供的缺水判定模块中的通过判定程序确定缺水状态的方法流程图。
44.图5是本发明实施例提供的灌溉决策模块中的通过决策程序确定作物的灌溉决策的方法流程图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
47.如图1所示，本发明实施例提供的土壤水分运移规律和作物根系分布模拟系统包括：
48.灌溉视频监控模块1，与中央控制模块3连接，用于通过摄像装置实时化监测农田智能化灌溉过程，并获取灌溉视频数据；
49.土壤水分监测模块2，与中央控制模块3连接，用于通过水分传感器监测农田土壤水分，并获取土壤水分监测数据；
50.中央控制模块3，与灌溉视频监控模块1、土壤水分监测模块2、缺水判定模块4、灌溉决策模块5、抽水模块6、灌溉模块7、定时模块8、显示模块9连接，用于通过中央处理器协调控制所述农田智能化灌溉系统各个模块的正常工作，并根据获取的灌溉视频数据和土壤水分监测数据绘制土壤水分特征曲线；
51.缺水判定模块4，与中央控制模块3连接，用于通过判定程序根据绘制的土壤水分特征曲线判定待灌溉区域土壤的缺水状态；
52.灌溉决策模块5，与中央控制模块3连接，用于通过决策程序根据判定的待灌溉区域土壤的缺水状态确定作物的灌溉决策；
53.抽水模块6，与中央控制模块3连接，用于根据灌溉决策抽取灌溉水；
54.灌溉模块7，与中央控制模块3连接，用于对作物进行喷洒灌溉；
55.定时模块8，与中央控制模块3连接，用于设定灌溉时间；
56.显示模块9，与中央控制模块3连接，用于显示监控灌溉视频、土壤水分监测结果、土壤水分特征曲线、缺水判定结果以及灌溉决策的实时数据。
57.如图2所示，本发明实施例提供的土壤水分运移规律和作物根系分布模拟方法包括以下步骤：
58.s101，通过灌溉视频监控模块利用摄像装置实时化监测农田智能化灌溉过程，并获取灌溉视频数据；通过土壤水分监测模块利用水分传感器监测农田土壤水分，并获取土壤水分监测数据；
59.s102，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述农田智能化灌溉系统各个模块的正常工作，并根据获取的灌溉视频数据和土壤水分监测数据绘制土壤水分特征曲线；
60.s103，通过缺水判定模块利用判定程序根据绘制的土壤水分特征曲线判定待灌溉区域土壤的缺水状态；通过灌溉决策模块利用决策程序根据判定的待灌溉区域土壤的缺水状态确定作物的灌溉决策；
61.s104，通过抽水模块根据灌溉决策抽取灌溉水；通过灌溉模块对作物进行喷洒灌溉；通过定时模块设定灌溉时间；通过显示监控灌溉视频、土壤水分监测结果、土壤水分特征曲线、缺水判定结果以及灌溉决策的实时数据。
62.如图3所示，本发明实施例提供的中央控制模块通过中央处理器根据获取的灌溉视频数据和土壤水分监测数据绘制土壤水分特征曲线包括：
63.s201，获取灌溉视频数据和土壤水分监测数据，并根据灌溉视频数据和土壤水分监测数据生成分段土壤水分特征曲线图；
64.s202，通过中央处理器根据预设的连续光滑约束条件对分段土壤水分特征曲线图进行修正，并得到多个拟合参数；
65.s203，根据拟合参数对分段土壤水分特征曲线图进行修正，使分段土壤水分特征曲线图中的分段土壤水分特征曲线拟合为待灌溉土壤水分特征曲线。
66.如图4所示，本发明实施例提供的缺水判定模块中的通过判定程序确定缺水状态包括：
67.s301，配置传感器参数；
68.s302，通过传感器管将实时采集的土壤水分数据传递通过信号传输装置传递至中央处理器中；
69.s303，中央处理器接收信号传输装置传递传输来的土壤水分数据并制作虚拟根系二维图，中央处理器根据土壤水分数据并判别作物的缺水状态。
70.本发明实施例提供的中央处理器接收信号传输装置传递传输来的土壤水分数据并制作虚拟根系二维图包括：
71.将水分传感器按照时间间隔分别实时采集各个测量点h的土壤水分含量记为sm_h；
72.结合即时(t0)和上一个点(t
0-1)的两组数据，在每一个时间点计算土壤水分变化率sd_h；对垂直维度作物根系深度l范围内每一个测量点h的土壤水分时间变化率sd_h进行日积分，获得sd_h_dsum；
73.对sd_h_dsum在作物根系深度进行归一化处理，cm_h(h)，h＝0,1,
…
l；结果表示出每一个垂直深度测量点h的土壤水分变化相对贡献率；依照cm_h(h)结果构建虚拟根系二维图。
74.本发明实施例提供的时间间隔为30～60min。
75.如图5所示，本发明实施例提供的灌溉决策模块中的通过决策程序确定作物的灌溉决策包括：
76.s401，通过决策程序确定土壤类型和作物种类；在土壤内部设立用于测量土壤体积含水量的土壤水分传感器和喷水系统，确定目标作物灌溉时的含水量上限和下限；通过实验建立目标土壤水分运移模型和作物根系分布模型；
77.s402，利用剖面挖掘法测量不同滴灌流量、不同滴灌历时下的土壤湿润锋和土壤体积含水量，通过数据拟合建立土壤水分运移模型；在作物最佳生长条件下的不同生长期进行作物根系取样，测量作物最大根深及不同根深处的根区半径，通过拟合建立作物根系分布模型；
78.s403，利用拟合建立的作物根系分布模型，以目标土壤适时的土壤湿润体含水量与目标作物灌溉时的含水量上限和下限为基础，以土壤水分运移模型和作物根系分布模型为依据，确定灌溉决策并指导灌溉。
79.本发明实施例提供的灌溉决策模块中，当土壤水分传感器检测的土壤湿润体含水量低于目标作物灌溉时的含水量下限时，滴灌系统打开，开始灌溉；
80.根据土壤水分运移模型求得不同灌溉历时下的土壤湿润体，与根据作物根系分布
模型求得的作物根区进行匹配计算，使湿润体位置、大小与作物根区相匹配，直至土壤湿润体与根系体积相重叠；
81.通过土壤水分传感器检测土壤湿润体含水量，当土壤湿润体含水量大于目标作物灌溉时的含水量上限时，滴灌系统停止灌溉。
82.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
83.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。
84.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。