[發明專利]基于區域墑情監測和遙感數據的實時灌溉預報系統及方法

在審

• 申請號: 201410328095.X
• 申請日: 2014-07-10
• 公開（公告）號: CN104123444A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 蔡甲冰;劉鈺;陳鶴;彭致功;許迪;杜麗娟;李新;白亮亮
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院;北京時域通科技有限公司
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G08C17/02;H04L29/06;G01N33/24
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;孫楠

技術領域

本發明涉及一種實時灌溉預報系統及方法，特別是關于一種基于區域墑情監測和遙感數據的實時灌溉預報系統及方法。

背景技術

由于全球氣候變暖和降雨時空分布不均的影響，我國北方地區干旱頻發、旱情加劇，甚至在南方部分地區也出現了極端干旱的情況，未來農業灌區面臨干旱的風險加劇。因此，迅速、準確地監測和評估干旱情況，不僅可為灌區配水提供科學依據，而且有利于抗旱工作的開展，對提高灌區管理水平、保障國家糧食安全發揮重要作用。

早在1973年，Brown和Rosenberg就通過在飛行器上搭載傳感器反演熱紅外溫度，并將熱紅外溫度用于田間尺度蒸散發的計算；此后采用遙感數據計算蒸散發的研究迅速發展。目前，遙感蒸散發的計算仍然需要部分氣象觀測數據的輔助，因此通常采用建立遙感蒸散發模型的方法來計算蒸散發。在土壤水同化方面，Walker對表層土壤含水率進行同化，發現當初始值退化即遙感蒸散發模型初始值與實測值偏差較大時，數據同化可以提高整個土壤剖面含水率的模擬精度。Crow的研究表明當降水資料誤差較大時，同化表層土壤含水率可以提高土壤水分和地表潛熱通量的模擬精度。Pipuni在陸面過程模型LSM(Land?Surface?Model)中分別對表層土壤含水量、表面溫度以及潛熱和顯熱通量進行同化，結果表明當采用表層土壤含水量作為同化觀測值時，能夠改進根區土壤含水量的模擬精度。然而，采用遙感圖像反演地面蒸散發和同化土壤含水量存在一些缺陷和難點：一是當前獲取的高分辨率過境遙感圖片存在一定的時間滯后性，難以進行實時反演和分析利用；二是對于遙感蒸散發模型在區域上的應用，必須要通過地面觀測對模型精度進行評價，而遙感反演得到的地表參數空間尺度在幾百米到幾公里之間，因此需要翔實的地面觀測值與這些反演得到的地表參數進行匹配。

實時灌溉預報是制定動態灌溉用水計劃的基礎，對灌區節水、增產和提高經濟效益起著重要作用。利用農田水量平衡方程，通過測量和計算降雨量、作物蒸散發量、土壤水分變化量、地下水補給量和深層滲漏量等平衡要素，可以推算所需灌溉量，由此可以進行實時灌溉預報。農田水量平衡中最基礎和最重要的即是農田根區土壤墑情數據。對于區域灌溉預報來說，還存在墑情監測點設置、空間變異性等問題需要解決。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠克服遙感圖像反演地面蒸散發和同化土壤含水量存在的缺陷和難點的基于區域墑情監測和遙感數據的實時灌溉預報系統及方法，該系統根據遙感反演的大面積準實時蒸散發數據和實時墑情數據能夠實現對區域的實時灌溉預報。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于區域墑情監測和遙感數據的實時灌溉預報系統，其特征在于：它包括遙感信息墑情反演模塊、區域墑情實時監測模塊和區域實時灌溉預報模塊；所述遙感信息墑情反演模塊將確定的區域墑情空間展布系數傳輸至所述區域實時灌溉預報模塊；所述區域墑情實時監測模塊將區域實時墑情監測結果傳輸至所述區域實時灌溉預報模塊；所述區域實時灌溉預報模塊選取與土壤含水量或墑情監測點相對應的象元，將象元與實測值進行擬合，獲得由點尺度到區域尺度展布的系數，并利用該系數結合實時監測的土壤含水量或墑情數據，模擬區域尺度土壤含水量或墑情實時空間分布圖，完成對區域灌溉情況的實時預報。

所述遙感信息墑情反演模塊包括遙感信息采集與處理模塊、區域土壤墑情反演模塊和區域墑情空間展布系數確定模塊；所述遙感信息采集與處理模塊對區域墑情數據進行采集和處理后傳輸至所述區域土壤墑情反演模塊，所述區域土壤墑情反演模塊將耗水量空間分布的模擬結果傳輸至所述區域墑情空間展布系數確定模塊，所述區域墑情空間展布系數確定模塊對區域墑情空間展布系數進行確定。

所述區域墑情實時監測模塊包括供電單元、微處理器、多路選擇開關、土壤水分信息采集單元、模數轉換單元、數據存儲單元以及由無線通信模塊和GPRS模塊構成的數據傳輸單元；所述供電單元給所述微處理器、多路選擇開關、土壤水分信息采集單元、模數轉換單元、數據存儲單元以及數據傳輸單元提供工作電壓；所述微處理器通過所述多路選擇開關控制所述土壤水分信息采集單元采集土壤剖面不同深度的土壤水分、溫度或水勢的模擬信號，并將采集到的模擬信號傳輸至所述模數轉換單元；所述模數轉換單元將接收到的模擬信號轉換成數字信號后傳輸至所述微處理器，所述微處理器對接收到的數字信號進行處理后傳輸至所述數據存儲單元進行存儲；所述微處理器通過所述無線通信模塊與本地計算機進行信息交互，通過所述GPRS模塊將所述數據存儲單元存儲的數據傳輸至服務器。