基于无线传感网络与模糊控制的精细灌溉系统设计

为准确判断作物需水量并确立合适的灌溉控制策略,实现作物的自动、定位、实时与适量灌溉,设计了基于ZigBee无线传感网络与模糊控制方法的精细灌溉系统。该系统通过ZigBee无线传感器网络采集土壤水势与微气象信息（包括环境温度、湿度、太阳辐射与风速等）,并传输灌溉控制指令;结合FAO56 Penman-Monteith公式计算农田蒸散量,并将农田蒸散量和土壤水势作为模糊控制器的输入量,建立了多因素控制规则库,实现了作物灌溉需水量的模糊控制。试验结果表明该系统经济实用、通信可靠、控制准确性高,特别适用于中小型灌溉区域的精细灌溉。     

节水灌溉管理与决策支持系统

基于灌区灌溉用水过程的复杂性和实时性,研制了节水灌溉管理与决策支持系统软件。系统根据采集到的气象、土壤水分、作物、水资源状况等信息,运用作物系数法进行作物需水量的计算,根据土壤墒情决策模型,作出灌溉预报,确定精确的灌溉时间和最佳灌溉水量,利用决策结果对灌溉设备进行自动控制与监测,从而达到高效、节水的目的。该系统不仅具有数据录入、编辑、查询、统计、输出等信息处理功能,而且能够根据采集到的信息为灌区管理和用水户提供灌溉优选和水资源优化分配的决策支持,制定精细灌溉的作业方案。该系统立足田间,面向农户,可以为用户提供节水灌溉模式咨询、具体方案优选、指导灌区优化灌溉等功能,具有较强的推广应用价值。     

旱地作物需水量预报决策辅助系统

旱地作物需水量预报决策辅助系统是利用人工智能技术，在Penman公式的基础上结合现有西北旱区的农学知识、模型以及经验进行系统集成而建立的智能化计算机软件系统，该系统是西北地区节水农业专家系统的一个子系统。在生产实践中可为陕西关中地区的冬小麦、夏玉米的栽培作出灌溉方案的决策咨询。     

基于模糊控制的精确灌溉系统

设计了基于模糊控制的节水灌溉系统,由作物蒸腾量和土壤水势为输入,以作物需水量为输出,通过对输入变量的模糊化、模糊推理和反模糊化,获得了作物的需水量,采用三星单片机为核心,由作物蒸腾和水势变送器分别测量作物蒸腾量和土壤水势,使用分段模糊控制策略构成灌溉系统。试验结果表明：该系统能快速准确地计算出作物的需水量,有效地实现了节水灌溉。     

华北平原小麦－玉米两熟制节水潜力与灌溉对策

利用详细校正的农业系统模型可以综合土壤、气候及作物等因素综合评价节水灌溉制度,为农田水分优化调控提供理论和技术支持。该文利用根系水质模型（RZWQM-CERES）模拟分析了华北平原2个代表性站点（禹城和栾城）小麦-玉米两熟制下作物产量、农田蒸散和灌溉需水量多年的变化特征（1961－1999）,结果表明栾城站小麦季农田最大蒸散量与灌溉需水量多年平均分别为632和496 mm,明显高于禹城站,而玉米季最大蒸散量相近,分别为395和384 mm。2个站点灌溉需水量都集中在小麦季（3－5月）,但在栾城站播种期（6、10月）灌溉需水量较高。由于2站点气候和土壤条件的差异,作物产量对水分胁迫的响应特征明显不同,在获得相似目标产量时,禹城站灌溉需水量低于栾城站。以作物水分胁迫指数为基础的节水灌溉制度模拟评价表明2个站点冬小麦水分敏感期为孕穗期,但播前灌溉的产量效应差异明显。综合以上结果初步建立了2个站点高效用水和环境友好型的节水灌溉策略。     

基于调亏理论和模糊控制的寒地水稻智能灌溉策略

为了精确判断寒地水稻需水量并建立合适的智能灌溉策略,进行适时适量灌溉,实现寒地水稻优质高产,设计了基于调亏理论和模糊控制的寒地水稻智能灌溉策略。该智能灌溉策略主要包括模糊控制灌溉和预测灌溉两部分。其中,模糊灌溉模块是二级模糊控制过程,通过一级模糊控制确定当前土壤最佳湿度,二级模糊控制器以当前土壤湿度与最佳土壤湿度的差值和环境温度作为模糊控制器的输入量,建立多因素控制规则库,实现灌溉时间模糊控制。预测灌溉设计通过实时环境数据计算出农田蒸发蒸腾量和土壤渗透系数,建立土壤水分含量变化函数,预测何时需要灌溉。在黑龙江省方正县水稻研究院的田间试验发现,调亏灌溉节水率为20.5%,水稻的结实率和产量也高于人工灌溉,分别提高了4%和8%,说明该策略能有效防止水资源浪费,对降低农业生产成本、提高产量、改善寒地水稻品质有重要的意义。     

基于LMDI的灌溉需水量变化影响因素分解

为研究灌溉需水量的驱动因素,该文以甘肃省武威市为研究区,基于扩展的Kaya恒等式构建灌溉需水量因素分解模型,利用对数平均迪氏指数分解法(logarithmic mean Divisia index,LMDI)对武威市1995—2012年总体及不同时段灌溉需水量驱动因子进行因素分解,并计算灌溉需水量的影响因素的效应值。结果表明:近18 a来,武威市各行政区以节水高效为目的对武威种植结构进行了大幅调整,减少了高耗水作物小麦的种植面积,增加了耐旱的玉米、棉花等作物的种植面积;在1995—2012年间,武威市灌溉需水量减少了5.023×108 m~3,种植规模效应、种植结构效应、气候变化效应、节水工程效应分别为2.435×108 m~3、?3.994×108 m~3、?1.286×108 m~3、?2.178×108 m~3;不同作物对灌溉需水量增长的效应不同,其中小麦抑制灌溉需水量增长,是灌溉需水量减少的最主要影响因子;4个分解效应在不同时段对武威市各区县灌溉需水量作用不同,但除在2000—2005年对凉州区灌溉需水量增加有微弱的促进作用外,种植结构效应在不同时段均表现为抑制灌溉需水量增长的作用。研究结果为合理调控农业发展规模,制定武威市灌溉用水规划提供参考。     

基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统

为实现荔枝园环境的实时远程监控和精准管理,设计基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统,该系统通过信息采集终端模块实时采集荔枝园的土壤含水率、空气温湿度、光照强度、风速和降雨量等环境信息,通过无线传感网将数据包发送到网关上,网关通过通用无线分组网(general packet radio service,GPRS)将处理后的数据包传输到云服务器,专家系统根据采集到的环境数据,结合专家知识,建立多个决策数学模型,实现计算作物需水量、预报灌溉时间、灌溉最佳定量决策、根据灌溉制度决策等决策功能,将决策结果反馈到控制终端模块进行智能监控。经试验,对比系统多参数决策和一般的单参数决策得出的结论,多参数决策的准确性更高;灌溉区域的土壤含水率平均值为17.4%,满足荔枝树生长所需的土壤含水率条件,说明系统的灌溉决策具有比较强的实时性。且系统预测能达到75%的准确率,说明系统的预测实时性比较好。该系统实现了荔枝园的环境信息获取与智能灌溉,能指导用户更好地管理荔枝园。     

基于根系层水分状态的旱区净灌溉需水量模型构建和应用

为更准确计算灌区净灌溉需水量,促进灌区水资源高效利用,针对降水过剩可能产生深层渗漏和地表径流,以及采用经验公式计算不同作物有效降水量可能错误估算净灌溉需水量的问题,该研究建立了基于根系层水分状态的净灌溉需水量模型。以景电灌区为例,计算了2000－2020年平均净灌溉需水量和有效降水量,并分析了各驱动因子对净灌溉需水量的影响,结果表明：不同作物年净灌溉需水量在319.4～732.3 mm之间,降水利用效率在39.2%～56.1%之间,夏秋作物的降水利用效率高于春夏作物。夏秋作物的年净灌溉需水量与年降水量相关性更强,春夏作物的年净灌溉需水量与作物需水量的相关性更强,所有作物的月净灌溉需水量仅与月作物需水量呈显著正相关。敏感性分析表明,净灌溉需水量与作物需水量呈正相关关系,与降水量和根系深度呈负相关关系。夏秋作物比春夏作物对降水量和作物需水量的敏感性更强。对净灌溉需水量贡献程度由大到小分别为作物需水量、降水量和根系深度,其中作物需水量贡献率占86.0%发挥主导作用,特定年份根系深度贡献率为12.0%,根系深度对净灌溉需水量的影响不容忽视。与传统净灌溉需水量模型相比,该研究所计算的净灌溉需水量充分考虑了不同作物降水利用效率的差异,计算结果可为灌区水资源管理提供参考。     

内蒙古河套灌区节水潜力的估算

从作物需水量出发，考虑经济需水量、有效降水补给、生育期作物地下水利用量、输水损失、田间损失、无效蒸腾、非充分灌溉系数等因素后，建立了一个节水潜力的理论计算公式，继而利用一个调节因子，求得实际节水潜力。利用此方法对内蒙古河套灌区近、中、远期的节水潜力进行了估算，结果表明，河套灌区远期的节水潜力(灌溉面积100%达到目前的节水灌溉标准，这在今后25～30年时间里完全可以实现)，在不考虑压盐用水的情况下，可达20.02亿m³，约为现状用水量的40%左右。     

智慧农业水田作物网络化精准灌溉系统设计

传统水田粗放型灌溉不仅对作物生长带来不利影响,而且不能够充分利用自然降水,在很大程度上造成了水资源的浪费。该研究设计了基于智慧农业技术的网络化水田作物精准灌溉系统。建立了通信节点最优部署模型、作物耗水预测模型、降水预测模型、最优化灌溉决策模型以及基于模糊控制理论的精准灌溉决策系统;提出了基于维诺图改进的飞蛾扑火优化算法（Voronoi Moth Flame Optimization,VI-MFO）的灌溉网络通信节点优化部署方法,以提升灌溉网络通信效率并降低通信能耗;最后,将水田状态信息及气象参数作为精准灌溉决策系统输入,经过系统决策,自适应控制水田灌溉设备进行精准灌溉。对江苏地区水稻田进行仿真,结果表明,所提出的智能灌溉系统与传统非智能决策系统相比,灌溉设备动作频次降低26.67%,灌溉量减少40.82%,排水量减少33.89%。所提出的智能灌溉决策系统节约了水资源。     

精确灌溉与施肥自动化管理系统的研制与实现

精准灌溉与施肥自动管理系统是利用人工智能技术，在收集气象资料和田间试验的基础上，依据农田水量平衡原理与作物目标产量及土壤养分状况、土壤类型、土壤墒情等资料信息，采用C语言编程而建立的。控制器以单片机为核心，高精度土壤水分探测仪、喷灌、施肥罐与控制器相连接，形成一个完整的土壤水分探头水分传感，控制器采集数据，通过人机对话与菜单选择相结合的方式，自动给出作物各生育期所需灌水量和施肥量，由控制器控制喷灌流量，自动完成灌溉施肥过程。系统可针对不同的作物、不同地域、不同时期的气候与作物生长状况，判断土壤储水量是否下降至作物灌水的下限指标，根据作物需肥量，精确确定灌溉和施肥量；系统在运行时，可以根据地块的宽度自动调节喷灌射程，还可根据地块面积划分为若干个小区，根据肥料的兼溶性，配制肥料，自动调节肥料的喷施浓度，喷施流量，实现自动精确灌溉施肥。系统可提供小麦、玉米、棉花等7种作物精准灌溉与施肥的决策实施方案，并具有良好的扩展性。     

水稻膜孔灌节水增产效果的田间试验研究

介绍了水稻膜孔灌溉的基本方法以及膜孔灌溉的节水与增产效果。试验结果表明，覆膜比裸地可有效调节土壤温湿度，利于作物生长，促进根系发育，水稻生产节水增产效果明显。     

水稻膜孔灌节水增产效果的田间试验研究

介绍了水稻膜孔灌溉的基本方法以及膜孔灌溉的节水与增产效果，试验结果表明，覆膜比裸地可有效调节土壤温湿度，利于作物生长，促进根系发育，水稻生产节水增产效果明显。     

模糊数学综合评判分析北疆加工番茄水氮耦合效应

为探求北疆地区种植加工番茄节水、节肥、高产、高效的科学灌溉施肥制度,本研究于2017-2018年在石河子大学节水灌溉试验站开展水氮耦合试验。试验设置4个灌溉水平,3个施氮梯度进行完全组合设计,分析不同水氮处理下加工番茄的生长生理指标、品质因素和经济效益。结果表明,适宜的水氮耦合对加工番茄的株高、茎粗影响极显著(P<0.01)。灌溉量对加工番茄花期的光合指标影响显著,水氮耦合对番茄花期净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)影响显著(P<0.05)。较低、较高的灌溉施氮量不利于加工番茄的增产以及果实品质和灌溉水利用效率的提高。基于模糊数学综合评价法认为,当考虑节水、节肥、经济及环境等综合效益时,应设置灌溉量为4 500 m³·hm^-2,施氮量为225 kg·hm^-2。综上所述,适宜的灌溉量和施氮量可以提高作物经济效益和农户的种植积极性。本研究结果对改善北疆农田肥料污染,提高水肥利用效率具有深远意义。     

设施葡萄智能化水肥管理体系研究

当前设施葡萄栽培中水肥盲目投入问题严重,因为缺乏灌溉决策标准导致农户实际生产中难以合理应用水肥一体化技术.利用基于NB-IoT网络传输的固态电阻传感器设备对设施葡萄根系土壤水分进行实时监测,建立了基于土壤水分张力的设施葡萄灌溉决策指标,并依托水肥一体化设备实现自动灌溉.研究结果表明:智能灌溉与施肥结合的综合管理比农户常...     

关中灌区改造工程综合效益分析

从陕西省关中9大灌区的实际出发,结合关中灌区改造工程世行贷款项目的实施情况,采用模糊综合评价的方法,建立了由社会性指标、资源性指标、经济性指标、技术性指标和生态环境性指标等5大体系8项指标组成的综合评价指标体系,构建了综合评价模型,将综合评价结果分为效益差、效益一般、效益良好、效益优良4个等级,通过模糊分析计算得到综合评价分值。研究表明,陕西省关中灌区改造后效益综合指标提升了一个级别,即从合格级别上升为良好级别。     

玉米水分管理动态知识模型的设计与实现

农田水分管理与模型构建一直是农业生产的一个热点和难点问题。运用知识模型的构建原理，将系统分析方法和数学建模技术应用于玉米水分管理专家知识表达体系中，根据土壤水分平衡原理，分阶段定量灌溉与玉米和环境影响因子之间的关系，建立了具有系统性和适用性的玉米水分管理动态知识模型，可用于设计不同地区不同降雨年型玉米生育期所需的灌溉定额和灌水定额。利用北京昌平、山东泰安、辽宁沈阳3个不同地区的常年气象资料和玉米品种农大108的品种特征资料对不同生态点常年气候条件下玉米水分管理模型进行了检验；利用北京昌平区不同降雨年型气象