基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统及方法，灌溉预报系统包括遥感信息墒情反演模块、区域墒情实时监测模块和区域实时灌溉预报模块；遥感信息墒情反演模块将确定的区域墒情空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块；区域墒情实时监测模块将区域实时墒情监测结果传输至区域实时灌溉预报模块；区域实时灌溉预报模块选取与土壤含水量或墒情监测点相对应的象元，将象元与实测值进行拟合，获得由点尺度到区域尺度展布的系数，并利用该系数结合实时监测的土壤含水量或墒情数据，模拟区域尺度土壤含水量或墒情实时空间分布图，完成对区域灌溉情况的实时预报。本发明可以广泛应用于灌区灌溉决策与管理和区域旱情监测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时灌溉预报系统及方法，特别是关于一种基于区域墒情监测和 遥感数据的实时灌溉预报系统及方法。

背景技术

由于全球气候变暖和降雨时空分布不均的影响，我国北方地区干旱频发、旱情加 剧，甚至在南方部分地区也出现了极端干旱的情况，未来农业灌区面临干旱的风险加 剧。因此，迅速、准确地监测和评估干旱情况，不仅可为灌区配水提供科学依据，而 且有利于抗旱工作的开展，对提高灌区管理水平、保障国家粮食安全发挥重要作用。

早在1973年，Brown和Rosenberg就通过在飞行器上搭载传感器反演热红外温度， 并将热红外温度用于田间尺度蒸散发的计算；此后采用遥感数据计算蒸散发的研究迅 速发展。目前，遥感蒸散发的计算仍然需要部分气象观测数据的辅助，因此通常采用 建立遥感蒸散发模型的方法来计算蒸散发。在土壤水同化方面，Walker对表层土壤含 水率进行同化，发现当初始值退化即遥感蒸散发模型初始值与实测值偏差较大时，数 据同化可以提高整个土壤剖面含水率的模拟精度。Crow的研究表明当降水资料误差较 大时，同化表层土壤含水率可以提高土壤水分和地表潜热通量的模拟精度。Pipuni在 陆面过程模型LSM(Land Surface Model)中分别对表层土壤含水量、表面温度以及 潜热和显热通量进行同化，结果表明当采用表层土壤含水量作为同化观测值时，能够 改进根区土壤含水量的模拟精度。然而，采用遥感图像反演地面蒸散发和同化土壤含 水量存在一些缺陷和难点：一是当前获取的高分辨率过境遥感图片存在一定的时间滞 后性，难以进行实时反演和分析利用；二是对于遥感蒸散发模型在区域上的应用，必 须要通过地面观测对模型精度进行评价，而遥感反演得到的地表参数空间尺度在几百 米到几公里之间，因此需要翔实的地面观测值与这些反演得到的地表参数进行匹配。

实时灌溉预报是制定动态灌溉用水计划的基础，对灌区节水、增产和提高经济效 益起着重要作用。利用农田水量平衡方程，通过测量和计算降雨量、作物蒸散发量、 土壤水分变化量、地下水补给量和深层渗漏量等平衡要素，可以推算所需灌溉量，由 此可以进行实时灌溉预报。农田水量平衡中最基础和最重要的即是农田根区土壤墒情 数据。对于区域灌溉预报来说，还存在墒情监测点设置、空间变异性等问题需要解决。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够克服遥感图像反演地面蒸散发和同 化土壤含水量存在的缺陷和难点的基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统 及方法，该系统根据遥感反演的大面积准实时蒸散发数据和实时墒情数据能够实现对 区域的实时灌溉预报。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于区域墒情监测和遥感数据 的实时灌溉预报系统，其特征在于：它包括遥感信息墒情反演模块、区域墒情实时监 测模块和区域实时灌溉预报模块；所述遥感信息墒情反演模块将确定的区域墒情空间 展布系数传输至所述区域实时灌溉预报模块；所述区域墒情实时监测模块将区域实时 墒情监测结果传输至所述区域实时灌溉预报模块；所述区域实时灌溉预报模块选取与 土壤含水量或墒情监测点相对应的象元，将象元与实测值进行拟合，获得由点尺度到 区域尺度展布的系数，并利用该系数结合实时监测的土壤含水量或墒情数据，模拟区 域尺度土壤含水量或墒情实时空间分布图，完成对区域灌溉情况的实时预报。

所述遥感信息墒情反演模块包括遥感信息采集与处理模块、区域土壤墒情反演模 块和区域墒情空间展布系数确定模块；所述遥感信息采集与处理模块对区域墒情数据 进行采集和处理后传输至所述区域土壤墒情反演模块，所述区域土壤墒情反演模块将 耗水量空间分布的模拟结果传输至所述区域墒情空间展布系数确定模块，所述区域墒 情空间展布系数确定模块对区域墒情空间展布系数进行确定。

所述区域墒情实时监测模块包括供电单元、微处理器、多路选择开关、土壤水分 信息采集单元、模数转换单元、数据存储单元以及由无线通信模块和GPRS模块构成的 数据传输单元；所述供电单元给所述微处理器、多路选择开关、土壤水分信息采集单 元、模数转换单元、数据存储单元以及数据传输单元提供工作电压；所述微处理器通 过所述多路选择开关控制所述土壤水分信息采集单元采集土壤剖面不同深度的土壤水 分、温度或水势的模拟信号，并将采集到的模拟信号传输至所述模数转换单元；所述 模数转换单元将接收到的模拟信号转换成数字信号后传输至所述微处理器，所述微处 理器对接收到的数字信号进行处理后传输至所述数据存储单元进行存储；所述微处理 器通过所述无线通信模块与本地计算机进行信息交互，通过所述GPRS模块将所述数据 存储单元存储的数据传输至服务器。

所述供电单元包括电池组和DC/DC升压模块；所述微处理器通过控制所述DC/DC 升压模块将所述电池组的电压提升到所述土壤水分信息采集单元和GPRS模块所需要 的工作电压。

所述电池组采用两节1.5V干电池或一节3.6V锂离子电池。

所述土壤水分信息采集单元包括土壤水分传感器、土壤温度传感器和土壤水势传 感器；所述微处理器通过控制所述多路选择开关使所述土壤水分传感器、土壤温度传 感器或土壤水势传感器与所述模数转换单元连接。

所述数据存储单元采用SIM卡或FLASH存储器。

所述无线通信模块包括433MHz高频回路和433MHz天线；所述区域墒情实时监测 模块通过所述无线通信模块与本地计算机进行通信；所述微处理器控制所述433MHz 高频回路每隔5秒钟发送一次带地址的信标，信标通过所述433MHz天线发送给本地计 算机；所述微处理器通过所述无线通信模块接收到本地计算机发出的控制信号后执行 相应操作。

在所述区域墒情实时监测模块中设置一倾斜开关和一GPS模块；所述倾斜开关和 GPS模块分别与所述微处理器连接，所述微处理器实时监测所述倾斜开关的倾斜角度， 并对所述GPS模块检测到的所述区域墒情实时监测模块的位置信息进行采集，采集到 的位置信息通过所述GPRS模块传输至用户手机终端。

一种采用所述基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统的实时灌溉预报 方法，其包括以下步骤：1)遥感信息墒情反演模块根据采集到的准实时遥感信息反演 区域土壤墒情，将确定的区域墒情空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块，其具 体包括：①遥感信息采集与处理模块对区域墒情数据进行采集与处理，处理后的区域 墒情数据传输至区域土壤墒情反演模块；②根据接收到的遥感区域墒情数据，区域土 壤墒情反演模块建立遥感耗水模型，将滞后若干天的准实时遥感数据输入遥感耗水模 型中，对耗水量的空间分布进行模拟，并将模拟结果传输至区域墒情空间展布系数确 定模块；③根据模拟结果，区域墒情空间展布系数确定模块对区域墒情空间展布系数 进行确定，确定后的区域墒情空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块；2)区域墒 情实时监测模块对区域墒情进行实时监测，并将区域实时墒情监测结果传输至区域实 时灌溉预报模块，其具体包括：①供电单元给微处理器提供工作电压，本地计算机通 过无线通信模块对微处理器进行控制；微处理器中设置时钟模块，时钟模块产生测量 间隔时间和GPRS数据发送间隔时间两个定时时钟信号，并分别传输至土壤水分信息采 集单元和GPRS模块；②根据接收到的测量间隔时间定时时钟信号，土壤水分信息采集 单元对土壤剖面不同深度的土壤水分、温度或水势的模拟信号进行采集和存储；启动 测量间隔时间定时时钟信号后，微处理器控制DC/DC升压模块将电池组输出的电压提 升到土壤水分信息采集单元中各传感器的工作电压，微处理器通过控制多路选择开关 分别将各传感器采集到的信号传输至模数转换单元，模数转换单元将接收到的模拟信 号转换成数字信号后传输至微处理器，微处理器对接收到的数字信号进行处理后传输 至数据存储单元中进行存储；数据采集与存储完成后，微处理器控制关闭DC/DC升压 模块，区域墒情实时监测模块进入休眠状态；③根据接收到的GPRS数据发送间隔时间 定时时钟信号，微处理器将存储在数据存储单元中的数据通过GPRS模块传输至服务 器；启动GPRS数据发送间隔时间定时时钟信号后，微处理器控制DC/DC升压模块将电 池组输出的电压提升到GPRS模块的工作电压，微处理器控制GPRS模块连接到服务器， 微处理器控制数据存储单元将前一次发送结束到本次发送期间存储的数据通过GPRS 模块传输至服务器；数据传输完成后，微处理器控制关闭DC/DC升压模块，区域墒情 实时监测模块进入休眠状态；④微处理器实时监测倾斜开关的倾斜角度，当监测到倾 斜开关处于非水平状态某预设角度后，微处理器对GPS模块检测到的区域墒情实时监 测模块的位置信息进行采集，并将采集到的位置信息通过GPRS模块传输至用户手机终 端；3)根据接收到的区域墒情空间展布系数以及区域实时墒情监测结果，区域实时灌 溉预报模块选取与土壤含水量或墒情监测点相对应的象元，将象元与实测值进行拟合， 获得由点尺度到区域尺度展布的系数，并利用该系数结合实时监测的土壤含水量或墒 情数据，模拟区域尺度土壤含水量或墒情实时空间分布图，从而对区域的灌溉情况进 行实时预报。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置遥感信息墒 情反演模块、区域墒情实时监测模块和区域实时灌溉预报模块，遥感信息墒情反演模 块将确定的区域墒情空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块；区域墒情实时监测 模块将区域实时墒情监测结果传输至区域实时灌溉预报模块；区域实时灌溉预报模块 选取与土壤含水量或墒情监测点相对应的象元，将象元与实测值进行拟合，获得由点 尺度到区域尺度展布的系数，并利用该系数结合实时监测的土壤含水量或墒情数据， 模拟区域尺度土壤含水量或墒情实时空间分布图，因此本发明能够克服遥感图像反演 地面蒸散发和同化土壤含水量存在的缺陷和难点，根据遥感反演的大面积准实时蒸散 发数据和实时墒情数据实现对区域的实时灌溉预报。2、本发明由于采用微处理器通过 控制DC/DC升压模块将电池组的电压提升到土壤水分信息采集单元和GPRS(General  Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)模块所需要的工作电压，因此本发 明能够按需为区域墒情实时监测模块中各单元供电，从而最大程度降低本发明的功耗， 达到绿色、环保的效果。3、本发明由于采用两节1.5V干电池或一节3.6V锂离子电池 供电，因此本发明能够降低供电单元的体积，便于在田间布设，且不影响农田耕作。4、 本发明由于通过无线通信模块与本地计算机进行信息交互，通过GPRS模块将数据存储 单元存储的数据传输至服务器，因此本发明便于与用户进行信息交互，操作简单、方 便。基于以上优点，本发明可以广泛应用于灌区灌溉决策与管理、区域生态监测和区 域旱情监测等领域。

附图说明

图1是基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统的结构示意图

图2是区域墒情实时监测模块的整体结构示意图

图3是基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报方法的流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统包括遥感 信息墒情反演模块1、区域墒情实时监测模块2和区域实时灌溉预报模块3。遥感信息 墒情反演模块1根据采集到的准实时遥感信息反演区域土壤墒情，将确定的区域墒情 空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块3；区域墒情实时监测模块2对区域墒情 进行实时监测，并将区域实时墒情监测结果传输至区域实时灌溉预报模块3；根据接 收到的区域墒情空间展布系数以及区域实时墒情监测结果，区域实时灌溉预报模块3 选取与土壤含水量或墒情监测点相对应的象元，将象元与实测值进行拟合，获得由点 尺度到区域尺度展布的系数，并利用该系数结合实时监测的土壤含水量或墒情数据， 模拟区域尺度土壤含水量或墒情实时空间分布图，从而对区域的灌溉情况进行实时预 报。

上述实施例中，如图1所示，遥感信息墒情反演模块1包括遥感信息采集与处理 模块11、区域土壤墒情反演模块12和区域墒情空间展布系数确定模块13。遥感信息 采集与处理模块11对区域墒情数据进行采集和处理后传输至区域土壤墒情反演模块 12，区域土壤墒情反演模块12根据接收到的遥感区域墒情数据建立遥感蒸散发模型， 将滞后若干天的准实时遥感数据输入遥感蒸散发模型中对耗水量的空间分布进行模 拟，并将模拟结果传输至区域墒情空间展布系数确定模块13；根据模拟结果，区域墒 情空间展布系数确定模块13对区域墒情空间展布系数进行确定。

上述实施例中，如图2所示，区域墒情实时监测模块2包括供电单元21、微处理 器22、多路选择开关23、土壤水分信息采集单元24、模数转换单元25、数据存储单 元26以及由无线通信模块271和GPRS模块272构成的数据传输单元27。其中，供电 单元21给微处理器22、多路选择开关23、土壤水分信息采集单元24、模数转换单元 25、数据存储单元26以及数据传输单元27提供工作电压；微处理器22通过控制多路 选择开关23，使土壤水分信息采集单元24对土壤剖面不同深度的土壤水分、温度或 水势的模拟信号进行采集，并将采集到的模拟信号传输至模数转换单元25，模数转换 单元25将接收到的模拟信号转换成数字信号后传输至微处理器22，微处理器22对接 收到的数字信号进行处理后传输至数据存储单元26进行存储；微处理器22通过无线 通信模块271与本地计算机(图中未示出)进行信息交互，通过GPRS模块272将数据 存储单元26存储的数据传输至服务器(图中未示出)。

上述实施例中，如图2所示，供电单元21包括电池组211和DC/DC升压模块212。 微处理器22通过控制DC/DC升压模块212将电池组211的电压提升到土壤水分信息采 集单元24和GPRS模块272所需要的工作电压。

上述实施例中，电池组211采用两节1.5V干电池或一节3.6V锂离子电池。

上述实施例中，如图2所示，土壤水分信息采集单元24包括土壤水分传感器241、 土壤温度传感器242和土壤水势传感器243。微处理器22通过控制多路选择开关213 使土壤水分传感器241、土壤温度传感器242或土壤水势传感器243与模数转换单元 25连接。

上述实施例中，数据存储单元26采用SIM卡或FLASH存储器。

上述实施例中，无线通信模块271包括433MHz高频回路和433MHz天线。区域墒 情实时监测模块2通过无线通信模块271与本地计算机(图中未示出)进行通信。为 了降低功耗，微处理器22控制433MHz高频回路每隔5秒钟发送一次带地址的信标， 信标通过433MHz天线发送给本地计算机后，微处理器22进入低功耗的接收等待状态。 当微处理器22通过无线通信模块271接收到本地计算机发出的控制信号后，微处理器 22执行相应操作。

上述实施例中，如图2所示，在区域墒情实时监测模块2中还设置一倾斜开关28 和一GPS(Global Positioning System，全球定位系统)模块29。倾斜开关28和GPS 模块29分别与微处理器22连接，微处理器22实时监测倾斜开关28的倾斜角度，当 监测到倾斜开关28处于非水平状态一定角度后，微处理器22对GPS模块29检测到的 区域墒情实时监测模块2的位置信息进行采集，并将采集到的位置信息通过GPRS模块 272传输至用户手机终端(图中未示出)，用于提醒用户区域墒情实时监测模块2的位 置已改变，以便于用户及时处理。

如图3所示，采用本发明基于区域墒情监测和遥感数据的实时灌溉预报系统进行 实时灌溉预报的方法，其包括以下步骤：

1)遥感信息墒情反演模块1根据采集到的遥感信息反演区域土壤墒情，将确定的 区域墒情空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块3，其具体包括：

①遥感信息采集与处理模块11对区域墒情数据进行采集与处理，处理后的区域墒 情数据传输至区域土壤墒情反演模块12。

②根据接收到的遥感区域墒情数据，区域土壤墒情反演模块12建立遥感蒸散发模 型，将滞后若干天的准实时遥感数据输入遥感蒸散发模型中，对耗水量的空间分布进 行模拟，并将模拟结果传输至区域墒情空间展布系数确定模块13。

③根据模拟结果，区域墒情空间展布系数确定模块13对区域墒情空间展布系数进 行确定，确定后的区域墒情空间展布系数传输至区域实时灌溉预报模块3。

2)区域墒情实时监测模块2对区域墒情进行实时监测，并将区域实时墒情监测结 果传输至区域实时灌溉预报模块3，其具体包括：

①供电单元21给微处理器22提供工作电压，本地计算机通过无线通信模块271 对微处理器22进行控制。微处理器22中设置时钟模块，时钟模块产生测量间隔时间 和GPRS数据发送间隔时间两个定时时钟信号，并分别传输至土壤水分信息采集单元 24和GPRS模块272。

②根据接收到的测量间隔时间定时时钟信号，土壤水分信息采集单元24对土壤剖 面不同深度的土壤水分、温度或水势的模拟信号进行采集和存储；

启动测量间隔时间定时时钟信号后，微处理器22控制DC/DC升压模块212将电池 组211输出的电压提升到土壤水分信息采集单元24中各传感器的工作电压，微处理器 22通过控制多路选择开关23分别将各传感器采集到的信号传输至模数转换单元25， 模数转换单元25将接收到的模拟信号转换成数字信号后传输至微处理器22，微处理 器22对接收到的数字信号进行处理后传输至数据存储单元26中进行存储。数据采集 与存储完成后，微处理器22控制关闭DC/DC升压模块212，区域墒情实时监测模块2 进入休眠状态。

③根据接收到的GPRS数据发送间隔时间定时时钟信号，微处理器22将存储在数 据存储单元26中的数据通过GPRS模块272传输至服务器；

启动GPRS数据发送间隔时间定时时钟信号后，微处理器22控制DC/DC升压模块 212将电池组211输出的电压提升到GPRS模块272的工作电压，微处理器22控制GPRS 模块272连接到服务器，微处理器22控制数据存储单元26将前一次发送结束到本次 发送期间存储的数据通过GPRS模块272传输至服务器。数据传输完成后，微处理器 22控制关闭DC/DC升压模块212，区域墒情实时监测模块2进入休眠状态。

④微处理器22实时监测倾斜开关28的倾斜角度，当监测到倾斜开关28处于非水 平状态某预设角度后，微处理器22对GPS模块29检测到的区域墒情实时监测模块2 的位置信息进行采集，并将采集到的位置信息通过GPRS模块272传输至用户手机终端， 用于提醒用户区域墒情实时监测模块2的位置已改变，以便于用户及时处理。

3)根据接收到的区域墒情空间展布系数以及区域实时墒情监测结果，区域实时灌 溉预报模块3选取与土壤含水量或墒情监测点相对应的象元，将象元与实测值进行拟 合，获得由点尺度到区域尺度展布的系数，并利用该系数结合实时监测的土壤含水量 或墒情数据，模拟区域尺度土壤含水量或墒情实时空间分布图，从而对区域的灌溉情 况进行实时预报。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。