盐渍化农田实时灌溉优化决策方法、装置和设备

1.本发明涉及农田灌溉技术领域，尤其涉及一种盐渍化农田实时灌溉优化决策方法、装置和设备。


背景技术：

2.旱区农业灌溉水资源短缺，充分合理利用区域内有限的水资源，保证农业水资源的可持续利用，会对社会经济稳定发展起到重要作用。
3.相关技术中，模拟土壤-植物-大气层并评估作物对需水量的响应，然而由于系统偏差的影响，无法获得精确的灌溉水分配方案，导致农田灌溉效果较差。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种盐渍化农田实时灌溉优化决策方法、装置和设备。
5.具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种盐渍化农田实时灌溉优化决策方法，包括：
7.获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；
8.根据所述模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；
9.根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；所述目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
10.进一步地，所述获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量，包括：
11.基于盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；所述模拟模型基于如下公式确定：
12.wa
t 1
＝wa
t
p
t
iw
t
cap
t
fd
t-et
t-per
1,2t
；其中，wa
t 1
表示模拟的第t 1天盐渍化农田的土壤含水量；wa
t
表示第t天的盐渍化农田的土壤含水量；p
t
表示第t天盐渍化农田的降水量；iw
t
表示第t天盐渍化农田的灌溉量；所述iw
t
是基于所述目标模型确定的；cap
t
表示第t天盐渍化农田作物从潜在根区补给实际根区的毛细管上升量；fd
t
表示第t天由于农田作物根系生长而使农田作物根区增加的水量；et
t
表示第t天农田作物实际蒸散量；per
1,2t
表示第t天从农田作物实际根区到农田作物潜在根区的水分渗漏量。
13.进一步地，所述根据所述模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量，包括：
14.将所述模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量进行数据同化，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量。
15.进一步地，所述根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量，包括：
16.根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和所述目标模型，得到第一时刻的盐渍化农田的灌溉量；
17.将所述第一时刻的盐渍化农田的灌溉量输入所述模拟模型，得到迭代后的土壤含水量；
18.根据所述迭代后的土壤含水量和所述目标模型得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量。
19.进一步地，所述根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量之后，还包括：
20.根据得到的所述优盐渍化农田的灌溉量对应的收益和历史灌溉量对应的收益，确定盐渍化农田的目标灌溉量。
21.进一步地，所述目标模型基于如下公式建立：
[0022][0023]
其中，profit(t)表示盐渍化农田每公顷作物的经济效益；pc表示农作物的价格；yc表示盐渍化农田的农作物产量；iw
t
表示盐渍化农田的第t天的灌溉量；ω表示目标参数；wc表示灌溉水的价格。
[0024]
第二方面，本发明实施例还提供了一种盐渍化农田实时灌溉优化决策装置，包括：
[0025]
获取模块，用于获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；
[0026]
更新模块，用于根据所述模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；
[0027]
处理模块，用于根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；所述目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
[0028]
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述盐渍化农田实时灌溉优化决策方法。
[0029]
第四方面，本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述盐渍化农田实时灌溉优化决策方法。
[0030]
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述盐渍化农田实时灌溉优化决策方法。
[0031]
本发明实施例提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法、装置和设备，根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量，不仅提高了盐渍化农田的土壤含水量模拟精度还增强了实时性，使得更新后的盐渍化农田的土壤含水量更加的准确；进而根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型确定的盐渍化农田的各个时刻的灌溉量进行盐渍化农田的灌溉，可以使得灌溉后的盐渍化农田每公顷作物的经济效益最大化，从而实现盐渍化农田的精确灌溉和更优的经济效益，提高农田作物的经济效益。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0033]
图1是本发明实施例提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法的流程示意图；
[0034]
图2是本发明实施例提供的盐渍化农田的土壤剖面示意图；
[0035]
图3是本发明实施例提供的盐渍化农田的土壤含水量同化原理示意图；
[0036]
图4是本发明实施例提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法的另一流程示意图；
[0037]
图5是本发明实施例提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策装置的结构示意图；
[0038]
图6是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本发明实施例的方法可以应用于农田灌溉场景中，实现实时科学配置灌溉水调配方案。
[0041]
相关技术中，模拟土壤-植物-大气层并评估作物对需水量的响应，然而在应用过程会受到系统偏差的影响，无法获得精确的灌溉水分配方案，导致农田灌溉效果较差。
[0042]
本发明实施例的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法，根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量，不仅提高了盐渍化农田的土壤含水量模拟精度还增强了实时性，使得更新后的盐渍化农田的土壤含水量更加的准确；进而根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型确定的盐渍化农田的各个时刻的灌溉量进行盐渍化农田的灌溉，可以使得灌溉后的盐渍化农田每公顷作物的经济效益最大化，从而实现盐渍化农田的精确灌溉和更优的经济效益，提高农田作物的经济效益。
[0043]
下面结合图1-图6以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0044]
图1是本发明实施例提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法一实施例的流程示意图。如图1所示，本实施例提供的方法，包括：
[0045]
步骤101、获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；
[0046]
具体地，旱区农业灌溉水资源短缺，充分合理利用区域内有限的水资源，保证农业水资源的可持续利用，会对社会经济稳定发展起到重要作用。但由于复杂的自然、农业与社会经济之间的相互作用，合理的确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉水量仍然是不小的挑战。
[0047]
可选地，考虑到土壤的水分对作物产量的影响，为了实现基于农田的土壤含水量，优化和决策农田的灌溉时间和灌溉量，实现盐渍化农田的精确灌溉，本发明实施例中首先对盐渍化农田的土壤含水量进行预测和模拟，从而得到模拟的盐渍化农田的土壤含水量。
[0048]
步骤102、根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；
[0049]
具体地，为了实现基于农田的土壤含水量，优化和决策农田的灌溉时间和灌溉量，本发明实施例中在对盐渍化农田的土壤含水量进行预测，得到模拟的盐渍化农田的土壤含水量后，根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和传感器测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；也就是同时考虑土壤含水量模拟误差和观测值误差，以更新土壤含水率，不仅提高了盐渍化农田的土壤含水量模拟精度还增强了实时性，使得更新后的盐渍化农田的土壤含水量更加的准确，进而根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量也就可以更加准确的对农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，从而实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0050]
步骤103、根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
[0051]
具体地，在根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的更加准确的盐渍化农田的土壤含水量后，本发明实施例中基于更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，确定盐渍化农田的各个时刻的灌溉量；可选地，目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量，从而使得基于更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型确定出的各个时刻的盐渍化农田的灌溉量进行盐渍化农田的灌溉，可以使得灌溉后的盐渍化农田每公顷作物的经济效益最大化，从而实现盐渍化农田的精确灌溉和更优的经济效益，提高农田作物的经济效益。
[0052]
上述实施例的方法，根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量，不仅提高了盐渍化农田的土壤含水量模拟精度还增强了实时性，使得更新后的盐渍化农田的土壤含水量更加的准确；进而根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型确定的盐渍化农田的各个时刻的灌溉量进行盐渍化农田的灌溉，可以使得灌溉后的盐渍化农田每公顷作物的经济效益最大化，从而实现盐渍化农田的精确灌溉和更优的经济效益，提高农田作物的经济效益。
[0053]
在一实施例中，获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量，包括：
[0054]
基于盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；模拟模型基于如下公式确定：
[0055]
wa
t 1
＝wa
t
p
t
iw
t
cap
t
fd
t-et
t-per
1,2t
；其中，wa
t 1
表示第t 1天模拟的盐渍化农田的土壤含水量；wa
t
表示第t天的盐渍化农田的土壤含水量；p
t
表示第t天盐渍化农田的降水量；iw
t
表示第t天盐渍化农田的灌溉量；iw
t
是基于目标模型确定的；cap
t
表示第t天盐渍化农田作物从潜在根区补给实际根区的毛细管上升量；fd
t
表示第t天由于农田作物根系生长而使农田作物根区增加的水量；et
t
表示第t天农田作物实际蒸散量；per
1,2t
表示第t天从农田作物实际根区到农田作物潜在根区的水分渗漏量。
[0056]
具体地，考虑到土壤的水分对作物产量的影响，为了实现基于农田的土壤含水量
优化和决策农田的灌溉时间和灌溉量，实现盐渍化农田的精确灌溉，本发明实施例中基于盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；可选地，模拟模型基于如下公式确定：
[0057]
wa
t 1
＝wa
t
p
t
iw
t
cap
t
fd
t-et
t-per
1,2t
；其中，wa
t 1
表示第t 1天模拟的盐渍化农田的土壤含水量；wa
t
表示第t天的盐渍化农田的土壤含水量；p
t
表示第t天盐渍化农田的降水量；iw
t
表示第t天盐渍化农田的灌溉量；iw
t
是基于目标模型确定的；cap
t
表示第t天盐渍化农田作物从潜在根区补给实际根区的毛细管上升量；fd
t
表示第t天由于农田作物根系生长而使农田作物根区增加的水量；et
t
表示第t天农田作物实际蒸散量；per
1,2t
表示第t天从农田作物实际根区到农田作物潜在根区的水分渗漏量。
[0058]
可选地，在基于盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，得到模拟的盐渍化农田的土壤含水量后，就可以基于模拟的盐渍化农田的土壤含水量对农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，从而实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0059]
可选地，考虑到土壤的水分和盐分对作物产量的影响，本发明实施例中采用土壤含水量模拟模型来模拟土壤和地下水之间的水盐变化。可选地，如图2所示的土壤剖面示意图，将土壤剖面分为四部分：实际根区，潜在根区，过渡区和饱和区,过渡区的下边界在地下水位处，上边界为潜在根区的下边界。
[0060]
可选地，当农田作物根系深度rd小于最大根深rdmax时，实际根区的水盐变化量，也就是模拟的土壤含水量如下：
[0061]
wa
t 1
＝wa
t
p
t
iw
t
cap
t
fd
t-et
t-per
1,2t
[0062]
ma
t 1
＝wa
t 1
/(10
·
rd
t 1
)
[0063][0064]
其中，当ma
t
≤mf，per
1,2t
＝0；
[0065][0066][0067]
否则，per
1,2t
＝p
t-1
iw
t-1
cap
t-1
fd
t-1-et
t-1
wa
t-1-mf(10*rd
t
)；
[0068]
cap
t
＝0；
[0069]
其中，wa
t 1
表示第t 1天模拟的盐渍化农田的土壤含水量；wa
t
表示第t天的盐渍化农田的土壤含水量；p
t
表示第t天盐渍化农田的降水量；iw
t
表示第t天盐渍化农田的灌溉量；iw
t
是基于目标模型确定的；cap
t
表示第t天盐渍化农田作物从潜在根区补给实际根区的毛细管上升量；fd
t
表示第t天由于农田作物根系生长而使农田作物根区增加的水量；et
t
表示第t天农田作物实际蒸散量；per
1,2t
表示第t天从农田作物实际根区到农田作物潜在根区的水分渗漏量。mf是田间持水率(cm3/cm3)；dr是实际根区的平均扩散率(cm2/day)；d0是实际根区在枯萎点的扩散(cm2/day)；b是土壤的经验参数；mwp是枯萎点时的土壤含水率(cm3/cm3)。
[0070]
盐分随水分沿土壤垂直方向运移，与水分平衡一致，因此农田作物的实际根区中的盐分平衡计算如下：
[0071][0072][0073]
其中，csr和csg分别表示农田作物的实际根区、潜在根区的土壤盐分浓度(mg/l)；cirr是灌溉水的盐分浓度(mg/l)。
[0074]
潜在根区中的水盐平衡计算如下：
[0075][0076]
mg
t 1
＝wg
t 1
/(10*rd
max-10*rd
t 1
)
[0077][0078]
其中，当mg
t
≤mf，
[0079][0080][0081][0082]
否则，
[0083][0084][0085]
其中，wg是潜在根区的含水量(mm)；mg是潜在根区的土壤含水率(cm3/cm3)；etg是来自地下水补给土壤水的潜水蒸发量(mm)；per
2,3
是从潜在根区到地下水的渗漏量(mm)；gh是地下水埋深(mm)；dp是给水度；ks是渗流层的饱和导水率(mm/day)；α是渗流层扩散率，是进气值的倒数；是基质势；ms是潜在根区的饱和含水率(cm3/cm3)；md是潜在根区的残余含水率(cm3/cm3)；c是常数；k2s是实际、潜在根区的饱和导水率(mm/day)。
[0086]
当per2,3＝0,
[0087][0088][0089][0090]
否则，
[0091][0092][0093]
其中，cgw是地下水中的盐分浓度(mg/l)；g是地下水埋深和地下水波动不能达到的深度之间的差(mm)。
[0094]
②
当农田作物根系深度rd大于最大根深rdmax时，即rd
t
》rd
max
，潜在根区将变成实际根区，计算类似于潜在根区：
[0095][0096]
当ma
t
≤mf，
[0097]
per
2,3t
＝0；
[0098][0099][0100][0101]
否则，
[0102][0103][0104][0105][0106][0107]
农田作物的实际腾发量et受根区土壤水分和盐分的影响。et由实际蒸发量ea和实际蒸腾量ta组成，其由潜在蒸发量ep和潜在蒸腾量tp计算得出，潜在蒸发量与潜在蒸腾量之比由生长阶段决定，并由τ表示：
[0108]
τ＝exp[(-kb)lai]；
[0109]
ep＝τe tp；
[0110]
tp＝(1-τ)etp；
[0111]
et＝ea ta；
[0112][0113]
ta＝tp*ws*ss；
[0114][0115][0116]
其中，kb是无量纲的冠层消光系数；etp是潜在的作物腾发量(mm)；bt是经验参数；ws和ss为土壤水分和盐分胁迫系数；ece是土壤根系的饱和水溶液的电导率(ds/m),1ds/m＝0.64g/l；ecthreshold是土壤根系的饱和水溶液的电导率阈值(ds/m)；b是ece每增加一个单位，产量减少的百分数(％ds-1
m)；ky是产量响应因子，表明蒸散量减少对作物产量损失的影响。
[0117]
上述实施例的方法，通过盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，得到模拟的盐渍化农田的土壤含水量，从而就可以基于模拟的盐渍化农田的土壤含水量对农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0118]
根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量，包括：
[0119]
将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量进行数据同化，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量。
[0120]
具体地，为了准确的确定农田的土壤含水量，从而基于农田的土壤含水量对盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，本发明实施例在根据盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，得到模拟的盐渍化农田的土壤含水量后，将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化，从而就可以准确地确定盐渍化农田的土壤含水量；也就是同时考虑模型误差和观测值误差，采用数据同化方法将土壤水分观测值和土壤含水量模拟模型得到的土壤含水量模拟值进行同化，不仅提高了盐渍化农田的土壤含水量模拟精度还增强了实时性，使得更新后的盐渍化农田的土壤含水量更加的准确，进而根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量也就可以更加准确的对农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，从而实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0121]
可选地，利用如下公式得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量：
[0122][0122]
表示更新后的盐渍化农田的土壤含水量；表示模拟的盐渍化农田的土壤含水量；k
t 1
表示卡尔曼增益矩阵；表示测量的盐渍化农田的土壤含水量；表示观测误差。
[0123]
可选地，模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量的同化过程如下：
[0124]
①
状态量预测
[0125][0126]
②
状态量更新
[0127]
[0128][0129][0130]
其中，是t 1时段土壤含水率的第n个集合预测；是在时间段t土壤含水率的第n个更新集合；是第n个集合生成的系统噪声，其遵循具有零均值和对角线协方差矩阵u
t
的高斯分布；f表示模型结构；θ是系统参数；是在时间段t 1的土壤含水率的第n个更新集合；k
t 1
是卡尔曼增益矩阵；是在时间段t 1的第n个土壤含水率观测值，是通过将观测误差与实际观测值相加而产生的；是观测误差，其服从高斯分布，均值为零，并指定了对角协方差矩阵；是观测误差。可选地，如图3所示，利用集成卡尔曼滤波算法对模拟的盐渍化农田的土壤含水量和测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化，通过模型向前积分，与新的观测数据进行同化得到一组分析场集合，通过卡尔曼滤波方程来更新集合，更新后的集合作为下一个时刻的背景场，继续向前作短期预报，与下一时刻的新观测数据同化，以此类推，循环到最后，使得预测的盐渍化农田的土壤含水量更加的精确，进而根据精确预测的盐渍化农田的土壤含水量就可以对农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，从而实现农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0131]
上述实施例的方法，通过将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化，准确地确定盐渍化农田的土壤含水量，也就是同时考虑模型误差和观测值误差，采用数据同化方法将土壤水分观测值和土壤含水量模拟模型得到的土壤含水量模拟值进行同化，不仅提高了盐渍化农田的土壤含水量模拟精度还增强了实时性，使得更新后的盐渍化农田的土壤含水量更加的准确，进而根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量也就可以更加准确的对农田的灌溉时间和灌溉量进行优化和决策，从而实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0132]
在一实施例中，根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量，包括：
[0133]
根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到第一时刻的盐渍化农田的灌溉量；
[0134]
将第一时刻的盐渍化农田的灌溉量输入模拟模型，得到迭代后的土壤含水量；
[0135]
根据迭代后的土壤含水量和目标模型得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量。
[0136]
具体地，本发明实施例中，在目标模型基于农田收益最大化确定出第一时刻的盐渍化农田的灌溉量后，将确定出的第一时刻的盐渍化农田的灌溉量输入模拟模型，得到迭代后的土壤含水量；进而根据迭代后的土壤含水量和目标模型，得到迭代后的下一时刻的盐渍化农田的灌溉量；即通过将目标模型确定的盐渍化农田的灌溉量作为模拟模型和目标模型之间的耦合变量，将目标模型的输出盐渍化农田的灌溉量作为模拟模型的输入，得到更新迭代的盐渍化农田含水量，进而根据更新迭代后的盐渍化农田含水量和目标模型得到下一时刻的盐渍化农田的灌溉量；通过上述步骤的重复，即将盐渍化农田的灌溉量作为模拟模型和目标模型之间的耦合变量，通过多次迭代，就可以确定各个时刻的盐渍化农田的灌溉量。
[0137]
示例性的，如图4所示的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法的流程示意图，在最大经济效益目标和现有灌溉经验的基础上，建立了基于数据同化的实时灌溉决策优化模型，其中，实时灌溉决策优化模型包含四个主要模块：(1)优化模块(即目标模型)；(2)交互过程模块；(3)模拟模块(模拟模型)和(4)数据同化模块；其中，模拟模块用于模拟农田的土壤含水量；数据同化模块用于将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量和含盐量；优化模块用于基于更新后的盐渍化农田的土壤含水量和含盐量，确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量，并将目标模型确定的盐渍化农田的灌溉量作为模拟模型和目标模型之间的耦合变量，将目标模型输出的盐渍化农田的灌溉量作为模拟模型的输入，得到更新迭代的盐渍化农田含水量，进而根据更新迭代后的盐渍化农田含水量和目标模型得到下一时刻的盐渍化农田的灌溉量；通过上述步骤的重复，即通过多次迭代，就可以准确地确定各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；可选地，模拟模型用于模拟土壤水盐运动过程，优化模型用于寻找最优的灌溉水量和灌溉时间，二者的耦合变量是灌溉水量。用于驱动模拟模型的是初始农田土壤水盐条件、基于目标模型得到的灌溉水量、灌溉时间和土壤含水量；交互过程模块用于将优化模块确定的盐渍化农田的灌溉时间、灌溉量和基于历史的农田灌溉决策方案进行综合判定，从而确定更加合理和准确的农田灌溉方案，实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0138]
可选地，如图4所示的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法的流程示意图，以某一时间窗内的实际灌溉作为输入，通过将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化，提供了下一天更新的土壤含水率；数据同化方法可将实时观测的农田土壤含水量数据与模拟得到的农田土壤含水量数据融合以提高更新后的农田土壤含水量精度，从而实现基于每日土壤水盐状态的灌溉优化决策。
[0139]
可选地，盐渍化农田的灌溉方案按滚动时间窗口运行，在下一个时间窗口，初始状态将根据当前时间窗口内的土壤含水量观测值和实际灌溉情况进行更新，从而获得更准确的灌溉决策。本技术中采用的数据同化方法可以考虑观测的土壤含水量数据和模拟的盐渍化农田的土壤含水量的不确定性，具有可行性和适用性。
[0140]
可选地，对于每个时间窗口，采用交互方法，结合目标模型确定的农田灌溉结果以及基于历史的农田灌溉决策方案共同来决定农田灌溉方案。在某个时间窗内的灌溉决策会对土壤水分产生影响，这些影响将被土壤水分传感器观测并同化到田间水盐动态中影响下一阶段的决定。本发明实施例的实时灌溉方法和目标模型在保证土壤盐渍化程度减轻的同时，获得的灌溉水分配量更少且可以获得更大的经济效益，同时灌溉水生产力有所提高。总体而言，本技术实施例中的农田灌溉方法可以提供更精确的灌溉水分配策略，实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0141]
本技术实施例中的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法具有三个特点：(1)具有通用性，能够应用于复杂农业水文系统，表达作物生长，土壤水，地下水之间水盐物理运动过程存在的动态平衡；(2)通过将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化提高更新后的农田土壤含水量的准确性，即考虑观测的土壤含水量数据和模拟得到的土壤含水量的误差，实时更新下一阶段的土壤含水量；(3)结合了历史的农田灌溉方案和目标模型结果，从而获得实时的和经过权衡的灌溉决策。
[0142]
根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田
的灌溉量之后，还包括：
[0143]
根据得到的优盐渍化农田的灌溉量对应的收益和历史灌溉量对应的收益，确定盐渍化农田的目标灌溉量。
[0144]
具体地，本技术实施例中，最终实际的灌溉方案(即灌溉时间和灌溉水量)是通过交互方法，结合目标模型确定的农田灌溉结果以及基于历史的农田灌溉决策方案共同来决定的。可选地，若基于目标模型确定的灌溉量所对应的收益大于同样土壤含水量下的历史灌溉量对应的收益，则确定目标模型得到的灌溉量为目标灌溉量，基于目标模型得到的灌溉量进行盐渍化农田的灌溉；若基于目标模型确定的灌溉量所对应的收益小于同样土壤含水量下的历史灌溉量对应的收益，则确定历史灌溉量为目标灌溉量，基于目标灌溉量进行盐渍化农田的灌溉；可选地，将历史灌溉量与目标模型获得的灌溉量进行对比，如果依据模型的当日作物收获指数小于历史记录或期望的作物产量对应的阈值收获指数时，选择历史方案，否则，如果模型对应的产量更大，则选择模型推荐的优化灌溉方案；也就是本技术实施例中，对于每个时间窗口，采用交互方法，结合目标模型确定的农田灌溉结果以及基于历史的农田灌溉决策方案共同来决定盐渍化农田灌溉方案，使得最终确定的盐渍化农田的灌溉方案更加的准确，可以获得更优的收益，提高农田作物的经济效益。
[0145]
上述实施例的方法，通过将目标模型确定的盐渍化农田的灌溉时间、灌溉量和历史的农田灌溉决策方案进行综合判定，从而确定更加合理和准确的农田灌溉方案，实现盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0146]
在一实施例中，目标模型基于如下公式建立：
[0147][0148]
其中，profit(t)表示盐渍化农田每公顷作物的经济效益；pc表示农作物的价格；yc表示盐渍化农田的农作物产量；iw
t
表示盐渍化农田的第t天的灌溉量；ω表示目标参数；wc表示灌溉水的价格。
[0149]
具体地，根据如下公式建立目标模型：
[0150][0151]
进而在目标模型中对应的盐渍化农田收益最大的情况下，即每公顷作物的经济效益最大化的情况下，确定对应的最优的农田灌溉量；可选地，在确定目标模型后，可以基于遗传算法确定每公顷作物的经济效益最大化的情况下所对应的最优的农田灌溉量；可选地，目标模型中，profit(t)表示盐渍化农田每公顷作物的经济效益；pc表示农作物的价格；yc表示盐渍化农田的农作物产量；iw
t
表示盐渍化农田的第t天的灌溉量；ω表示目标参数；wc表示灌溉水的价格；主要约束条件包括在生长阶段灌溉水量的下限和上限，最大可利用灌溉水量q和作物生长阶段的盐分积累。
[0152]
可选地，在基于目标模型确定盐渍化农田的灌溉方案的情况下，主要约束条件包括在生长阶段灌溉水量的下限和上限，最大可利用灌溉水量q和作物生长阶段的盐分积累。在本发明实施例中，为了农业生态可持续发展假设从作物种植开始到收获，土壤盐分累积量应小于0.64g/l或给定的阈值：
[0153]
iw
min
≤iw
t
≤iw
max
[0154][0155]
csr
beg-csr
end
≤640
[0156]
其中，csr
beg
和csr
end
分别为作物生长开始和结束时土壤根区的可溶性盐盐分浓度(g/l)，这是由模拟模型确定的。
[0157]
目标模型的灌溉时间取决于当前的实际根区的土壤水分状况ma。相对水分胁迫λ(ma/mf)是指某一时间段内ma与饱和土壤含水率mf的比值。可选地，采用预设值λ确定是否进行灌溉，如果λ小于阈值，确定灌溉量进行灌溉；否则不进行灌溉活动。其中，λ的取值范围一般为60-80％。如果达到阈值，采用遗传算法(ga)获得最优日灌溉分配量。
[0158]
可选地，ω表示目标参数，包括气象参数，叶面积指数，收获指数；可选地，
[0159]
y＝hi
adj
*ba[0160][0161]
hi是收获指数；hi
adj
是环境胁迫下的收获指数；wsyf是表达收获指数对干旱敏感性的参数。ws是水分胁迫因子；ba是地上部农作物生物量，由lai和be(将能量转换为生物量的农作物的转换因子)计算得出。
[0162]
作物发育是基于每日热量单位的积累，它由以下公式计算得出：
[0163][0164]
从种植时的0增长到成熟时的1的热量单位指数hui计算如下：
[0165][0166]
其中hu是积温(℃)；t
max
，t
min
是最高和最低温度(℃)；tb是作物的基点温度(℃)；phu是作物成熟所需的最大热量单元。
[0167]
叶面积指数lai是根据热量单元，作物胁迫和作物发育阶段进行模拟计算的。从出苗到叶面积开始下降，lai的估算公式如下：
[0168]
lai
t
＝lai
t-1
δlai
[0169]
δlai＝δhuf
·
lai
max
(1-exp[5(lai
t-1-lai
max
)])reg
t0.5
[0170][0171]
从叶片开始衰落到生长季节结束，lai的估算公式如下：
[0172][0173]
其中，huf是热量单位因子；reg是最小作物胁迫因子；lai
max
是作物最大叶面积指数；ab1，ab2是作物参数；lai0是作物实际最大叶面积指数；hui是热量单位系数；hui0是当lai开始下降时的hui值。
[0174][0175]
rd为根系深度(cm)；rdmax是最大根深(cm)。
[0176]
上述实施例的方法，通过将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和测量的盐渍化农田的土壤含水量进行同化，准确地预测盐渍化农田的土壤含水量后，根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量后，就可以基于确定出的灌溉时间和灌溉量对盐渍化农田进行灌溉，实现盐渍化农田每公顷作物的经济效益最大化和盐渍化农田的精确灌溉，提高农田作物的经济效益。
[0177]
下面对本发明提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策装置进行描述，下文描述的盐渍化农田实时灌溉优化决策装置与上文描述的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法可相互对应参照。
[0178]
图5是本发明提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策装置的结构示意图。本实施例提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策装置，包括：
[0179]
获取模块710，用于获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；
[0180]
更新模块720，用于根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；
[0181]
处理模块730，用于根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
[0182]
可选地，所述获取模块710，具体用于：基于盐渍化农田的土壤含水量模拟模型，获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；模拟模型基于如下公式确定：
[0183]
wa
t 1
＝wa
t
p
t
iw
t
cap
t
fd
t-et
t-per
1,2t
；其中，wa
t 1
表示第t 1天模拟的盐渍化农田的土壤含水量；wa
t
表示第t天的盐渍化农田的土壤含水量；p
t
表示第t天盐渍化农田的降水量；iw
t
表示第t天盐渍化农田的灌溉量；iw
t
是基于目标模型确定的；cap
t
表示第t天盐渍化农田作物从潜在根区补给实际根区的毛细管上升量；fd
t
表示第t天由于农田作物根系生长而使农田作物根区增加的水量；et
t
表示第t天农田作物实际蒸散量；per
1,2t
表示第t天从农田作物实际根区到农田作物潜在根区的水分渗漏量。
[0184]
可选地，所述更新模块720，具体用于：将模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量进行数据同化，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量。
[0185]
可选地，所述处理模块730，具体用于：根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到第一时刻的盐渍化农田的灌溉量；
[0186]
将第一时刻的盐渍化农田的灌溉量输入模拟模型，得到迭代后的土壤含水量；
[0187]
根据迭代后的土壤含水量和目标模型得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量。
[0188]
可选地，所述处理模块730，具体用于：根据得到的优盐渍化农田的灌溉量对应的收益和历史灌溉量对应的收益，确定盐渍化农田的目标灌溉量。
[0189]
可选地，目标模型基于如下公式建立：
[0190]
[0191]
其中，profit(t)表示盐渍化农田每公顷作物的经济效益；pc表示农作物的价格；yc表示盐渍化农田的农作物产量；iw
t
表示盐渍化农田的第t天的灌溉量；ω表示目标参数；wc表示灌溉水的价格。
[0192]
本发明实施例的装置，其用于执行前述任一方法实施例中的方法，其实现原理和技术效果类似，此次不再赘述。
[0193]
图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行盐渍化农田实时灌溉优化决策方法，该方法包括：获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
[0194]
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0195]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法，该方法包括：获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
[0196]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的盐渍化农田实时灌溉优化决策方法，该方法包括：获取模拟的盐渍化农田的土壤含水量；根据模拟的盐渍化农田的土壤含水量和实际测量的盐渍化农田的土壤含水量，得到更新后的盐渍化农田的土壤含水量；根据更新后的盐渍化农田的土壤含水量和目标模型，得到各个时刻的盐渍化农田的灌溉量；目标模型用于基于盐渍化农田的收益确定盐渍化农田的灌溉时间和灌溉量。
[0197]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0198]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0199]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。