本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉與氣象預(yù)報(bào)，具體為一種基于智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，灌溉作為確保農(nóng)作物健康生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其效率與精準(zhǔn)性直接關(guān)系到水資源的合理利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和可持續(xù)性。傳統(tǒng)灌溉的決策多依賴人們的經(jīng)驗(yàn)或靜態(tài)氣象數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)高分辨率氣象預(yù)報(bào)和土壤墑情動(dòng)態(tài)變化的精準(zhǔn)融合，導(dǎo)致灌溉決策滯后、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、農(nóng)作物產(chǎn)量低下。

2、隨著科技的進(jìn)步，尤其是氣象預(yù)報(bào)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用高分辨率氣象預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情動(dòng)態(tài)變化等手段，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的灌溉，一定程度上可以降低水資源浪費(fèi)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

3、然而，目前的氣象數(shù)據(jù)與土壤水分監(jiān)測(cè)往往獨(dú)立運(yùn)行，未實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)(如氣象實(shí)況、網(wǎng)格預(yù)報(bào)、土壤參數(shù)、作物需水規(guī)律)的深度集成，且灌溉決策未充分考慮農(nóng)作物生育期動(dòng)態(tài)指標(biāo)和實(shí)時(shí)環(huán)境變量，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉；此外，現(xiàn)有氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)土壤水分平衡方程的動(dòng)態(tài)計(jì)算能力不足，無(wú)法結(jié)合未來(lái)氣象預(yù)報(bào)滾動(dòng)優(yōu)化灌溉決策方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種基于智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，包括氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)；

4、所述氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)用于提供氣象實(shí)況數(shù)據(jù)、未來(lái)10天天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和氣象災(zāi)害預(yù)警信息；

5、所述土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以日為時(shí)間步長(zhǎng)實(shí)時(shí)推算和監(jiān)控土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，用于提供土壤墑情精細(xì)化格點(diǎn)分布圖；

6、所述節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)利用所述氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合作物適宜灌溉指標(biāo)和計(jì)劃濕潤(rùn)層深度指標(biāo)，作出節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)。

7、進(jìn)一步地，所述氣象實(shí)況數(shù)據(jù)包括溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、降水和輻射。

8、進(jìn)一步地，所述氣象災(zāi)害預(yù)警信息包括強(qiáng)降水、大風(fēng)、高溫、強(qiáng)降溫信息。

9、進(jìn)一步地，所述土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)有墑情預(yù)報(bào)模型，所述墑情預(yù)報(bào)模型所需數(shù)據(jù)包括智能網(wǎng)格監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象條件預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、土壤基礎(chǔ)水文參數(shù)、墑情預(yù)報(bào)參數(shù)、作物參數(shù)；

10、其中，所述智能網(wǎng)格監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為在中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)獲取的土壤相對(duì)含水量；

11、所述氣象條件預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)源于24小時(shí)日最高氣溫、24小時(shí)日最低氣溫、24小時(shí)日平均風(fēng)速、24小時(shí)空氣相對(duì)濕度、24小時(shí)降水量、24小時(shí)日平均總云量1km×1km智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)；

12、所述土壤基礎(chǔ)水文參數(shù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所發(fā)布的數(shù)據(jù)結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站土壤物理參數(shù)，包括田持、凋萎系數(shù)、土壤容重，以適用于土壤相對(duì)含水量、體積含水量、土壤最大孔隙度、土壤吸附水的換算或估算；

13、所述墑情預(yù)報(bào)參數(shù)包括起灌含水量和目標(biāo)含水量，不同的作物對(duì)象和地域參數(shù)數(shù)值不同；

14、所述作物參數(shù)包括作物系數(shù)、作物葉面積指數(shù)、作物生育期，不同的作物對(duì)象和生長(zhǎng)周期參數(shù)數(shù)值不同。

15、進(jìn)一步地，所述土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)推算和監(jiān)控土壤水分的動(dòng)態(tài)變化的方法為：

16、以土壤水分平衡原理為基礎(chǔ)，結(jié)合首次灌溉前的土壤濕度格點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為土壤水分初始場(chǎng)，利用氣象實(shí)況數(shù)據(jù)，采用fao56-pm公式計(jì)算參考作物蒸散量格點(diǎn)場(chǎng)；再結(jié)合作物的不同生育期作物系數(shù)，推算逐日作物耗水量數(shù)據(jù)，并考慮降水網(wǎng)格實(shí)況數(shù)據(jù)和用實(shí)際灌溉量數(shù)據(jù)，得到土壤水分的動(dòng)態(tài)變化情況。

17、進(jìn)一步地，所述節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)作出的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)包括灌溉日期預(yù)報(bào)，具體方法為：

18、基于土壤水分平衡原理，時(shí)段內(nèi)土壤水分的消耗量為：

19、wt+1-wt＝r+q+g-etc-b-t-l

20、式中，wt、wt+1為時(shí)段初、末作物根層土壤貯水量，mm；r為時(shí)段內(nèi)降水量，mm；q為時(shí)段內(nèi)灌溉量，mm；g為時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，mm；etc為時(shí)段內(nèi)農(nóng)田實(shí)際蒸散量，mm；b為時(shí)段內(nèi)作物截留量，mm；t為時(shí)段內(nèi)地表徑流量，mm；l為滲漏量，mm；

21、當(dāng)降水量和平均降水強(qiáng)度較小、地勢(shì)平坦時(shí)，b和t忽略不計(jì)；將式中的g和l視作土層水分的補(bǔ)給和下滲量，用wp表示，則當(dāng)wp為正值時(shí)表示水分補(bǔ)給，wp為負(fù)值時(shí)表示水分下滲，另外，q在預(yù)報(bào)灌溉前為0，得到簡(jiǎn)化式：

22、wt-wt+1+r-etc+wp＝0

23、在已知wt和wt+1后，利用逐日網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)滾動(dòng)計(jì)算r、etc和wp的累計(jì)值，當(dāng)時(shí)段內(nèi)允許消耗的水分等于0時(shí)，wt+1達(dá)到適宜土壤水分下限指標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的日期即為預(yù)報(bào)灌溉日期。

24、進(jìn)一步地，為優(yōu)化預(yù)報(bào)灌溉日期的實(shí)用性，滾動(dòng)作出未來(lái)7天適宜灌溉的日期預(yù)報(bào)，其計(jì)算模型為：

25、

26、式中，wn為時(shí)段內(nèi)允許的水分消耗量，mm；和為時(shí)和為未來(lái)7天降水、蒸散量和補(bǔ)給或下滲量的累計(jì)值，mm；

27、當(dāng)wn等于或接近0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的日期即為優(yōu)化后的預(yù)報(bào)灌溉日期。

28、進(jìn)一步地，實(shí)際蒸散量etc的計(jì)算方法為：

29、和分別為時(shí)段內(nèi)實(shí)際蒸散量和預(yù)測(cè)蒸散量的累計(jì)值；實(shí)際蒸散量表征作物在某一時(shí)間內(nèi)土壤水分的實(shí)際消耗量，包括地面棵間蒸發(fā)和植株蒸騰兩部分；利用氣象資料根據(jù)penman-monteith式計(jì)算潛在蒸散量et0，再用作物系數(shù)kc進(jìn)行訂正，進(jìn)而求出實(shí)際蒸散量etc；

30、其中，penman-monteith式為：

31、

32、式中，et0為潛在蒸散量，mm/d；rn為作物冠層表面的凈輻射，mj/(m2·d)；g為土壤熱通量，mj/(m2·d)；δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kpa/℃；t為2m高度處的日平均氣溫，℃；u2為2m高度處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kpa；ea為實(shí)際水汽壓，kpa；es-ea為飽和水汽壓差，kpa；γ為干濕表常數(shù)，kpa/℃；

33、通過(guò)對(duì)潛在蒸散量進(jìn)行訂正，可得實(shí)際蒸散量為：

34、etc＝kc×et0

35、式中，etc為農(nóng)田實(shí)際蒸散量，mm/d；kc為作物系數(shù)，et0為潛在蒸散量，mm/d。

36、進(jìn)一步地，時(shí)段初、末土壤水分wt、wt+1和計(jì)劃濕潤(rùn)層深度的確定方法為：

37、wt為時(shí)段初土壤貯水量，用上一次灌溉后的土壤水分含量表示；wt+1為時(shí)段末土壤貯水量，用適宜土壤水分下限值來(lái)表示；土壤相對(duì)濕度折算同深度土壤貯水量的計(jì)算模型為：

38、m＝0.1dwθh

39、式中，m為土壤貯水量mm；d為土壤容重g/cm3；w為0至h深度土壤相對(duì)濕度，％；θ為同深度田間持水量，％；h為測(cè)定的土壤深度，cm；0.1是單位換算系數(shù)。

40、進(jìn)一步地，補(bǔ)給或下滲量wp的計(jì)算模型為：

41、wp＝a(r-etc)+b

42、式中，wp為監(jiān)測(cè)層以下水分補(bǔ)給或下滲量，mm；(r-etc)為降水量與蒸散量的差值，mm；a、b分別為相關(guān)性參數(shù)；

43、當(dāng)水分上升補(bǔ)充到監(jiān)測(cè)層時(shí)wp為正值；當(dāng)降水較多，下滲到監(jiān)測(cè)層以下時(shí)，wp為負(fù)值。

44、進(jìn)一步地，所述節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)作出的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)包括灌溉量預(yù)報(bào)，灌水量是指單位面積一次灌水所需水量，隨作物發(fā)育特性、氣候、土壤這些自然條件變化而異，利用土壤適宜含水量方法獲取。

45、進(jìn)一步地，理論灌水量的計(jì)算模型為：

46、qp＝104h×r(wu-wl)×1/η

47、式中，qp為灌水量，m3/hm2；h為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m；r為土層平均容重，t/m2；wu為適宜土壤含水量上限，取田間持水量的90％；wl為適宜土壤含水量下限，即灌溉指標(biāo)；η為田間水分有效利用系數(shù)，取0.85～0.95，根據(jù)土壤質(zhì)地、平整狀況而定；

48、根據(jù)未來(lái)7天降水量對(duì)理論灌水量進(jìn)行修正；

49、

50、式中，qa為預(yù)報(bào)灌溉量，r為該時(shí)段內(nèi)降水量，mm；

51、當(dāng)時(shí)，推遲灌溉。

52、上述的一種基于智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)在農(nóng)作物種植中對(duì)于灌溉決策中的應(yīng)用，其特征在于，所述節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用土壤濕度數(shù)據(jù)和未來(lái)逐日智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)作物的灌溉時(shí)間和/或灌溉水量的作出決策方案。

53、技術(shù)方案的有益效果是：

54、本發(fā)明提供的一種基于智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，集成了氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，通過(guò)智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為農(nóng)作物的灌溉提供精準(zhǔn)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

55、具體來(lái)說(shuō)：

56、氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供全面、準(zhǔn)確的氣象實(shí)況數(shù)據(jù)，包括溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、降水和輻射等關(guān)鍵要素，這些數(shù)據(jù)來(lái)源于高質(zhì)量的氣象觀測(cè)設(shè)備和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。另外，該子系統(tǒng)還能夠提供未來(lái)10天的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度和降水量等，這些數(shù)據(jù)為節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)提供了重要的輸入信息，有助于預(yù)測(cè)未來(lái)天氣對(duì)農(nóng)田灌溉的影響。同時(shí)，該子系統(tǒng)還能夠?qū)崟r(shí)推送氣象災(zāi)害預(yù)警信息，如強(qiáng)降水、大風(fēng)、高溫、強(qiáng)降溫等，這些信息對(duì)于及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)田灌溉的不利影響具有重要意義。

57、土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以日為時(shí)間步長(zhǎng)，實(shí)時(shí)推算和監(jiān)控土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，為農(nóng)田灌溉提供重要的參考依據(jù)。該子系統(tǒng)設(shè)有墑情預(yù)報(bào)模型，該模型所需數(shù)據(jù)包括智能網(wǎng)格監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象條件預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、土壤基礎(chǔ)水文參數(shù)、墑情預(yù)報(bào)參數(shù)和作物參數(shù)等。其中，智能網(wǎng)格監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，提供了逐小時(shí)、高空間分辨率的土壤相對(duì)含水量數(shù)據(jù)，能夠有效的反映土壤水分的垂直分布特征。通過(guò)墑情預(yù)報(bào)模型的計(jì)算和分析，土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)能夠生成土壤墑情精細(xì)化格點(diǎn)分布圖，展示農(nóng)田土壤水分的空間分布和動(dòng)態(tài)變化情況，這些信息對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)田灌溉、提高灌溉效率具有重要意義。

58、節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)作為系統(tǒng)的最終輸出部分，利用氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和土壤墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合作物適宜灌溉指標(biāo)和計(jì)劃濕潤(rùn)層深度指標(biāo)，作出節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)。該子系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前土壤濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和未來(lái)逐日智能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)農(nóng)田土壤水分的變化趨勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合玉米等作物的適宜灌溉指標(biāo)和計(jì)劃濕潤(rùn)層深度指標(biāo)，系統(tǒng)能夠提出精確的灌溉時(shí)間和最佳灌溉水量(時(shí)長(zhǎng))的決策建議，這些建議能夠指導(dǎo)農(nóng)戶合理安排灌溉計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、提高農(nóng)作物產(chǎn)量的目標(biāo)。

59、綜上可知，本發(fā)明的系統(tǒng)通過(guò)集成氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、土壤墑情監(jiān)測(cè)和節(jié)水灌溉氣象預(yù)報(bào)等多個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田灌溉的精準(zhǔn)指導(dǎo)；該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、預(yù)報(bào)精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)檗r(nóng)田灌溉提供有力的技術(shù)支持和決策依據(jù)。