基于知识模型与WebGIS的精准农业处方智能生成系统研究

 【目的】根据土壤采样调查结果，插值生成田块土壤肥力分布图，并以此为基础生成变量施肥处方图指导变量施肥，即可实现节省肥料、提高经济效益和保护环境的目的，是精准农业的核心思想。【方法】本系统可根据不同采样点所得的土壤养分含量，通过Kriging插值获得肥力分布图，经整合多年产量、气象和土壤等基础数据，将作物生产潜力估算、平衡施肥等知识模型与GIS相耦合。【结果】生成用于精准农业变量施肥的处方图，并通过网络予以发布，用户通过计算机网络即可获得施肥田块的作物施肥信息。【结论】构建了基于知识模型与WebGIS的精准农业处方图生成系统的基本框架和处理流程，提高了处方图的合理性和可靠性，实现了通过网络生成和发布处方图，初步解决了目前处方图生成和发布的瓶颈。     

基于物联网的精确灌溉控制技术研究

【目的】研究基于物联网的自动化灌溉控制系统,为规模种植区域自动控制精确灌溉提供可借鉴模式。【方法】通过ZigBee网络实现园区土壤墒情信息的共享,根据采集到的土壤墒情信息制定灌溉决策。选用可编程逻辑控制器作为核心控制器,分多种控制方式对灌溉进行控制,同时对首部输水管道进行恒压控制。通过建立可编程逻辑控制器和人机界面的交互平台,对灌溉模式进行选择并监控灌溉全过程,若系统发生故障进行报警提醒。【结果】设计了基于物联网的自动化灌溉控制系统,该系统界面友好且操作简单,与沟灌、波涌灌相比节约用水50%以上,与常规滴灌相比对灌水量、灌水时间以及施肥量的控制更为精确,节省了大量劳动力。【结论】基于物联网的灌溉控制系统将远程监控、精确灌概、数据共享、智能报警、自动控制统一起来实现节水灌溉,在规模化种植区有一定推广潜力。     

基于3S技术和蚁群算法的灌区渠系优化配水

【目的】建立基于3S技术和蚁群算法的灌区渠系优化配水模型,解决目前灌区配水管理中的被动配水和信息采集方法落后等问题。【方法】以冯家山水库北干十一支灌区为研究对象,采用RS/GPS技术获得灌区作物的种植结构、面积及灌区土壤含水率等信息,将这些信息输入GIS系统中,再根据灌区不同位置的土壤墒情,以斗渠为计算单元,通过GIS系统计算各斗渠的实际需水量,最后按各出水口"定流量、变历时"的轮灌运行方式建立优化模型,通过蚁群算法对模型进行求解。【结果】获得了各出水口在灌区实际需水量条件下的最优配水组合方案,算法简单、收敛性好。【结论】基于3S技术和蚁群算法的灌区优化配水,使现有的一些配水数学模型可以发挥更大的作用,使计算结果更接近实际。     

基于改进人工鱼群算法的灌区优化配水研究

【目的】建立以灌溉净效益最大为目标的优化配水模型,为灌区优化配水提供新思路。【方法】以西安市周户灌区为研究对象,立足于寻求作物种植面积-水量-产量-经济效益之间的最优关系,建立以灌溉净效益最大为目标的优化配水模型,并利用混沌人工鱼群算法进行求解。【结果】利用所建立的以灌溉净效益最大为目标的优化配水模型进行优化后,灌区总供水量为12 711.44万m3,较常规配水量增加了1 402.67万m3,其中地表供水较常规配水量增加了1 510.67万m3,地下水供水量有所减少;通过作物不同时段分配水量及种植面积的协调,灌区净效益增加了16.37%,粮经比为1∶1.21。【结论】以灌溉净效益最大为目标对灌区配水进行优化后,灌区配水过程更加均匀,同时灌区作物种植结构也得以优化和调整。     

保定特色林果气象要素精准靶向发布系统设计与实现

【目的】研究保定特色林果气象要素精准靶向发布系统的设计与实现，实现自动靶向精准发布气象信息，进而减轻气象灾害对特色林果种植的影响，提高其产量。【方法】本系统采用Java语言开发并提供接口，数据持久层采用mysql数据库保存区域站数据信息，设计了用户登录、数据交互查看子系统、靶向发布子系统和“一键式”发布监控子系统4个部分。【结果】解决了传统气象服务在信息传播不及时、信息传播范围有限等方面的问题，达到方便、快捷、高效的业务目标，以最大程度减少农业生产损失，为广大农业种植大户提供预报及防御信息。【结论】通过研究网格预报结合设置的阈值算法，在特色林果种植气象灾害预防及防御方面展开服务产品应用，解决传统气象服务信息传播不及时、信息传播范围有限等问题，在葡萄、桃、草莓不同生育期，最终对其生长发育影响大的气象要素实现精准靶向发布，进而减轻气象灾害对特色林果种植的影响，提高其产量。     

基于土壤条件的边缘绿洲典型灌区灌溉需水研究

【目的】土壤性状是影响作物灌溉水生产力（IWP）与灌溉需水的关键因子。以土壤性状与作物灌溉水生产力及灌溉需水的定量关系为依据、结合区域土壤性状的空间分布,估算绿洲典型灌区作物灌溉需水及空间分布,为灌区尺度的合理用水分配及节水潜力评估提供科学依据。【方法】选择黑河中游临泽边缘绿洲平川灌区,对118个农田土壤进行取样分析,确定土壤性状的空间分布;通过不同土壤质地和肥力水平的农田玉米灌溉试验,确定土壤性状与灌溉水生产力及灌溉需水量的关系、进而依据土壤条件估算灌区尺度的灌溉需水及空间分布。【结果】平川灌区农田0-20 cm耕层土壤砂粒含量为29.4%-91.9%,平均53.6%,土壤有机质含量范围为1.37-17.7 g•kg-1,平均10.9 g•kg-1;20-100 cm土层砂粒平均含量51.3%。土壤质地为壤沙土和沙土的面积占农田总面积的50%以上;有机质含量低于10.0 g•kg-1的面积占26%,土壤持水性能弱;土壤性状在空间分布上存在高度的变异性。玉米IWP平均为1.11 kg•m-3（沙土）-2.44 kg•m-3（壤土）,与0-20 cm土层黏粉粒含量（CS1,%）、20-100 cm土层黏粉粒含量（CS2,%）、0-20 cm土层有机质含量（OM,g•kg-1）呈极显著正相关。依据土壤性状与灌溉水生产力的关系,得出平川灌区玉米灌溉水生产力平均为（2.36±0.77）kg•m-3,变动范围为0.75-3.92 kg•m-3,IWP小于2.0 kg•m-3的面积为970 hm2,占总面积的18.5%。灌区玉米生育期平均灌溉需水量为558 mm,总灌溉需水量为28.4×106 m3。【结论】土壤条件决定作物的灌溉需水与灌溉水生产力,在灌溉尺度农业水管理方面,应依据不同土壤性状的斑块单元进行地表水与地下水的合理分配与配置,并重视有利于土壤结构改善和肥力提升的施肥、耕作、灌溉等农业技术的应用。     

温室轻简式灌溉施肥机的设计

【目的】设计一款基于比例施肥泵和嵌入式控制器的轻简式灌溉施肥机,为实现温室大棚无土栽培的肥水一体化灌溉与施肥提供支持。【方法】灌溉施肥机的结构采用轻型的铝型材配以万向轮进行设计,硬件主要包括比例施肥泵、嵌入式STM32控制器、HMI触控屏、多路传感器、电磁阀及营养液混合泵等,实现6种肥水信息的在线监测、多路执行设备的实时控制与人机交互;同时为实现肥水精准混合建立营养液稀释模型。【结果】成功设计了温室轻简式灌溉施肥机,在温室进行的肥水混合灌溉试验表明,灌溉施肥机作业前营养液母液自混合3min以上,能够消除营养液母液沉淀产生的肥水不均匀问题,灌溉施肥机电导率(Ec)控制精度误差≤0.02 mS/cm,标准偏差为0~2.83%,能够满足温室无土栽培作物的灌溉施肥要求。【结论】所设计的灌溉施肥机具有较高的肥水混合精度,能有效提高肥水利用率,建立的营养液稀释模型为确定作物不同生长期适宜的肥水混合比例提供了一种快速、简便的方法。     

贵州智能化决策气象服务平台的设计与实现

【目的】研制贵州智能化决策气象服务平台,为地方政府制定防灾减灾决策提供重要的技术支撑。【方法】采用Hbase、Oracl和Redis内存数据库,HDFS分布式文件管理系统及GIS技术和Linux文件系统等技术手段,设计研发贵州智能化决策气象服务平台。【结果】该平台是基于统一CIMISS数据环境,集多功能于一体的综合性网页平台,系统涵盖数据查询统计、图形生成、产品制作、发布及运行监管等功能,规范并大幅度提升现行业务流程及其自动化程度,改进了系统运行效率和服务能力;系统具有运行稳定、操作简单、内容全面和易维护等特征。【结论】系统基本满足贵州气象智能化决策服务业务流程需求,可为用户在预测预报及防灾减灾工作中提供技术支撑。     

浙江省灌区“最后一公里”运行维护监管机制研究

【目的】灌区工程是农业的“命脉工程”，开展灌区“最后一公里”运行维护监管机制研究，对于灌区的生存、巩固和发展，广大农民的切身利益以及全面建设社会主义新农村建设目标的实现有着重大意义。【方法】本文结合浙江省大中型灌区运行管理现状，开展灌区骨干工程管理体制、末级渠系管理体制的专题调研。【结果】针对研究发现灌区面临工程管护范围覆盖不全、工程管护标准衔接困难、灌溉管理信息缺位等问题，【结论】对应提出以“补短板、强协调、扩范围、落经费、明标准”等内容为核心的对策建议。     

水稻全生育期近地空农情遥感精准监测应用

【目的】近地空无人机高光谱平台为获取水稻全生育周期农情指数提供了有效手段,为进一步农业数字化工作提供科学指导。【方法】通过采集水稻全周期（分蘖期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期、结实期）田块、冠层高分辨率的光谱及影像数据,利用农情遥感监测模型和人工智能算法反演土壤平整度、土壤墒情、土壤肥力、苗情、作物长势、病虫害等级分布、叶面氮含量、产量预测等数据,形成符合农场生产需求的全指标监测体系。将农情监测指标部署到“麦芒”数字农田平台,实现SaaS方式的在线运行。【结果】水稻全生育期农情快速监测与诊断模型大田应用精度≥80%,节约亩均劳动力成本33%-50%,提高实测作业效率50%-100%,快速计算土方量节约工程量20%,精准施肥平均节约施肥量为22%,针对水稻品种及栽培了的种植建议实现增产5-8%。【结论】近地空农情监测系统已经具备了一定的农技指导作用,可实现水稻全生长期生长状况跟踪和农情诊断,提供精准施肥、变量施药、精准灌溉等方面的数据指导,实现种植端溯源;基于遥感监测信息实现了从农田建档到土情监测,再到耕种管收的全过程数字化和可视化管理。     

首尾测算法在农业灌溉用水有效利用系数测算中的应用

[目的]对农十师北屯灌区农业田间灌溉水利用系数资料进行搜集、整理以及实地调研,了解目前灌区灌溉水利用系数测量中存在问题及原因,进行数据论证.[方法]采用首尾测算分析方法.[结果]经计算作物净灌水量为18 558.48 m3,作物灌溉用水有效系数为0.522,相对误差值为4.79;,在误差的允许范围内,计算值与实测值保持一致.[结论]农十师北屯灌区农业田间节水技术数据计算与首尾测算分析方法具有一致性,并与北屯灌区的灌溉规模、工程状况、管理水平和灌溉水利用率的基本情况相符,进一步验证了首尾测算分析方法的正确性、可靠性,作为今后灌区测定灌溉水利用系数的综合测定计算方法.     

黄淮海平原冬小麦生长期土壤水氮利用效率模拟分析

 【目的】以黄淮海平原为研究区域，采用基于地理信息系统（GIS）的模拟模型对区域农田土壤水氮行为进行模拟和评价。【方法】建立和验证土壤水、热、氮和作物生长联合模型并与GIS相结合，在1999～2000年黄淮海平原的农村社会经济和土壤、气候等条件背景下，对冬小麦生长期土壤水氮利用效率和氮素损失量的区域分布规律进行分析。【结果】区域模拟结果表明，水分利用效率(WUE)、氮素利用效率(NUE)及土壤氮素淋失情况的空间分布在各地貌区之间有明显差异。多元线性逐步回归分析表明，1 m土体的氮素淋失量与灌水和降水量、施氮量、土壤饱和导水率（Ks）呈极显著的正相关；WUE与施氮量和日照时数呈极显著的正相关，而与降水和灌水量、Ks呈极显著的负相关；NUE与降水和灌水量、日照时数呈极显著的正相关，与施氮量、Ks呈极显著的负相关。【结论】黄淮海平原区域农田土壤水氮行为受自然条件和农田管理措施的显著影响，其空间分布规律可利用基于GIS的过程模型进行模拟和评价。     

河套灌区春小麦生产水足迹影响因子敏感性及贡献率分析

【目的】农业水资源高效利用是保障国家粮食和水资源安全的重要途径,作物用水评价是农业用水管理的主要研究课题之一。水足迹为农业用水评价提供了新的指标体系,对作物生产水足迹影响因素进行定量评价有助于进行水足迹调控,实现农业水资源高效利用。【方法】以河套灌区为研究区域,基于水足迹概念体系,利用改进的水足迹量化方法对河套灌区春小麦生产水足迹进行量化并分析其在研究时段内的演变特征;利用单因素轮换（One-At-A-Time,OAT）敏感性分析方法和贡献率分析方法探究气候、农业生产投入因子和水资源利用效率对春小麦生产水足迹变化的驱动力。【结果】春小麦生产水足迹在研究时段内呈显著下降趋势,从1981年的4.71 m³·kg^-1,下降到2010年的1.52 m³·kg^-1;同时年际变化呈现出较为明显的阶段性特征,可划分为波动性下降期（1981-1987年）、快速下降期（1988-1995年）、缓慢下降期（1996-2010年）,该变化规律与灌区农业生产和灌溉水平的发展特征基本一致;从水足迹的蓝、绿水构成来看,河套灌区春小麦生产水足迹中蓝水足迹比例超过90%,而绿水足迹比例不足10%,这与灌区农业生产用水特征相一致。敏感性分析显示,水足迹对各个因子的敏感性差别十分显著,日照时数、相对湿度、降水量、灌溉水利用系数和单位面积化肥用量在±20%波动的情况下,春小麦生产水足迹的波动范围分别为±30%、±24%、±2%、±63%和±4%,春小麦生产水足迹对灌溉水利用系数、日照时数和相对湿度的敏感性较高,对其余影响因子的敏感性较低。贡献率分析显示,研究时段内相对湿度的减少和降水量的增加促使春小麦生产水足迹的增加。而日照时数的下降、化肥使用量以及灌区用水效率的提高促使了春小麦生产水足迹的降低。定量分析结果显示,化肥和灌溉水利用系数对春小麦生产水足迹变化的贡献率分别为-36.89%和-39.42%,而气候因子的综合贡献率仅为2.80%,对研究时段内春小麦生产水足迹下降贡献率最大的是灌溉水利用系数,其次为单位面积化肥用量,而相对湿度、日照时数和降水量三者的贡献率相近,贡献率最小的是日照时数,这主要是因为日照时数在研究时段内的变率较小。【结论】气候、农业生产资料投入和水资源利用效率是影响作物生产水足迹的主要因素,就河套灌区而言,农业生产资料投入和水资源利用效率的提高是促使灌区春小麦生产水足迹下降的主要因素,而气候因子在研究时段内对春小麦生产水足迹的影响较小。该研究结果可为水足迹调控提供理论依据与实践参考。     

气象因子对太湖地区旱作农田土壤水分动态的影响

【目的】研究太湖地区气象因子对旱作农田土壤水分的影响程度,厘定影响农田土壤水分的主要气象因子,为气候变化背景下农田水分管理提供科学依据。【方法】提取野外试验研究平台的旱作物生长季监测数据（逐日气象资料和土壤水分资料）,采用相关分析、逐步回归分析和通径分析等方法进行统计分析,计算直接通径系数和间接通径系数、决策系数。【结果】（1）供试实验基地农田土壤水分与日降水量、日蒸发量、日照时长、平均风速及日最大空气湿度等因子分布呈极显著正相关和负相关（相关系数分别为0.648、-0.566、-0.454、-0.331及0.371）,但与日最高气温不显著相关;（2）通径分析表明,气象因子对旱作农田土壤水分的直接影响大小顺序为：日降水量＞平均风速＞日照时长＞日蒸发量＞日平均空气湿度＞日最低气温>日最小空气湿度＞日最高气温＞日最大空气湿度＞日平均气温,但计算的决策系数表明,日降水量对土壤水分的综合决定能力最大;（3）通过逐步回归分析,得到了旱田土壤水分的气象因子多元回归模型：Y=10.174+0.386X4+1.095X7-0.509X8-0.766X9-0.345X10（R2=0.912,P<0.01）,达极显著水平。【结论】气象因子对太湖地区旱作农田土壤水分具有显著的控制作用,其中降雨量的影响最为主要。建立的多元回归模型可以用来预估气象因子变化下旱作农田土壤水分变化,但还需要更长时期监测的验证。     

新疆棉花覆膜灌溉决策系统

本研究在棉花灌溉管理系统研究中采用新的中子仪标定法 ,对棉花土壤水分进行动态监测 ,通过棉花灌溉决策软件 ,考虑灌区土壤空间变异、灌水方法和地膜覆盖对土壤棵间蒸发影响等制定合理的灌溉方案 ,建立棉花灌溉决策体系 ,指导灌溉系统进行合理的灌溉 ,提高水的利用率和棉花的产量 ,并提出灌溉决策今后进一步的研究和应用方向。     

节水增粮行动项目信息化工程设计

该节水增粮行动项目信息化工程对灌区地下水位、用水流量、气象信息、土壤墒情、实时视频等因子进行综合采集,并为方便用户用水设计了射频卡机井灌溉控制装置。通过构建的节水增粮行动项目信息化远程监控管理信息平台,对监测采集的数据进行存储、管理、分析、描述,最终达到节水增粮的目的。该文详细讨论了系统的结构和原理,并给出了系统的软硬件设计方案。     

干旱区不同灌溉量下棉田土壤碱解氮剖面分布

[目的]明确水分如何影响肥料效应的发挥对于制定强调恰当的水肥调控技术非常重要.[方法]在新疆阿瓦提县进行田间试验,研究地面灌溉不同灌溉量下棉田土壤剖面上碱解氮时空分布特点.[结果]地面灌溉明显的影响100 cm深度土壤碱解氮含量变化,尤其0～40 cm土壤碱解氮含量变幅很大;基本上是灌水量越大,碱解氮被淋溶到下层的量就越大.[结论]"以水促肥"效应的一部分原因是灌水扩大肥料在土壤垂直方向分布范围,使更多的棉花根系可以吸收养分.     

春小麦滴灌节水高产高效栽培技术研究

[目的]新疆兵团农八师148团地处天山北麓、准噶尔盆地南缘,北靠古尔班通古特大沙漠,属典型的大陆性气候,是荒漠绿洲灌溉农业,以棉花、小麦、玉米等作物种植为主.土地资源丰富,作物生长期间光温资源充裕,但干旱少雨,农业生产靠灌溉,水源不足,制约着生产发展.针对上述问题研究春小麦滴灌节水高产高效的栽培技术.[方法]利用现有棉花滴灌设施滴灌春小麦.[结果]2008年起,打破传统的地面灌水方法,创新小麦栽培滴灌模式.两年累计种植春小麦2 183.33 hm~2.[结论]通过春小麦地面灌和滴灌种植对比,论述有关春小麦滴灌节水高产高效栽培技术措施,总体效益显著.     

耕作方式和大田水分管理对水稻氮素吸收利用的影响

[目的]探讨不同耕作方式和大田水分管理模式对水稻氮素吸收利用、氮代谢酶活性和土壤氮素的影响,为优化水稻栽培技术提供参考.[方法]以水稻品种金优253和桂旱1号为材料,2008年早季和晚季采用湿润灌溉、交替灌溉、水层灌溉3种水分管理模式和免耕、常耕两种耕作方式进行田间试验,于拔节期、抽穗期和成熟期测定水稻氮素吸收和利用和各种生理指标.[结果]在相同耕作方式下,水层灌溉相对有利于提高早季水稻全氮积累量和氮素回收率,提高抽穗期早季水稻叶片GP转氨酶活性、拔节期和抽穗期晚季水稻叶片GS活性以及成熟期早晚季常耕水稻叶片GS活性.采用湿润灌溉处理相对有利于提高水稻叶片硝酸还原酶、成熟期水稻叶片GPT转氨酶活性以及水稻氮素稻谷生产效率、土壤碱解氮含量、晚季水稻氮素回收率,但降低晚季水稻产量.采用交替灌溉处理相对有利于提高拔节期早晚季水稻叶片GPT转氨酶活性、抽穗期晚季水稻叶片CP转氨酶活性及拔节期和抽穗期早季水稻叶片GS活性.在相同水分管理模式下,与常耕水稻相比,免耕利于提高交替灌溉处理水稻氮素积累量以及早、晚季土壤全氮和碱解氮含量.[结论]耕作方式和水分管理对水稻氮素吸收利用有重要的调控作用;免耕和节水互作条件下,有利于土壤供氮能力的提高,从而提高氮素利用率.