试论计算机在节水灌溉中的应用

作者：四川农业大学 吴维雄

欢迎访问e展厅 展厅 3 施肥/排灌/植保机械展厅 大棚支架/大棚骨架机, 喷灌机, 喷头, 滴灌管, 灌溉泵, ... 摘 要：计算机的应用已经深入到节水灌溉领域，本文对计算机在该领域内的应用的软、硬件设施及应用领域作了简要介绍。 关键词：计算机；节水灌溉；应用 节水灌溉是指为了达到节约灌溉用水的目的而采取的多种灌溉技术和方法的总称。节水灌溉新技术是指采用以工程技术为主的措施，达到提高水的利用率，增加作物产量的灌溉方法。当前我国推广应用的节水灌溉工程技术主要有：滴灌、喷灌、微灌、渠道防渗技术、低压管道输水灌溉技术、田间节水地面灌溉等多种技术[1]。 随着信息技术的不断进步，计算机在农业生产中的应用也得到不断的普及和深入，以信息技术为支撑的一场农业革命正在全球范围展开，这就是精确农业。精确农业强调针对农作物生长的实际的需求，实施按需（水、肥、药、种）供给式的变量投入，以最少的投入换取最大的产出，节约资源，保护环境。 随着精确农业技术革命的发展，节水灌溉中以增加了精确灌溉(Precision Irrigation—PI)的内容。作为精确农业理论研究和实践的重要内容之一，精确灌溉一方面要求对农作物实施按需的有差异的变量供给，另一方面更是强调将单纯的灌溉转向结合补水进行施肥、治虫、补充作物生长所需的微量元素等的复合作业，即按照田间每个操作单元作物生长对灌水时间、灌溉量、灌溉位置、灌水部位以及灌水成分的具体要求，通过计算机控制实施相应的作业，最大限度地提高水资源的利用效率，充分保护农业生态环境，实现农业水土资源的可持续利用和管理。 精确灌溉的基本技术主要包括全球卫星定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感监测技术(RS)、信息采集与处理技术(ST)、决策支持系统(DSS)或专家系统(ES)、智能化农机技术(IAM)、变量投入技术(VRT)、环境监测系统、系统集成、网络化管理和培训系统[2]。在这个系统中，计算机起着至关重要的作用。 1 硬件设施 在精确灌溉技术体系中，GIS是核心，RS和GPS为GIS提供快捷高效的数据源。只有将三者紧密结合，才能充分发挥各自的先进性能，完成空间分析与数据处理任务。因此，在实践中“3S”技术经常是集成应用的，对硬件设备和软件要求较高。 1）中央处理器（CPU）和磁盘驱动器，提供存储程序和数据的空间； 2）数字化仪或其它数字化设备，可将地图或遥感图像等数字化后输入计算机； 3）绘图仪和其它设备，用来表示处理结果； 4）磁带（盘）机，主要是存储数据和程序或与其它系统进行通讯； 5）显示器，用户通过显示器或终端控制计算机和外围设备[3]。 2 软件 软件运行环境主要包括三个方面： 2．1 操作系统 多采用基于UNIX的操作系统，局部网络环境下也可采用UNIX和WINDOWS混合使用。 2．2 数据库管理软件 大区域范围的采用SYBASE、ORACLE、INFORMIX、INGRES等大型关系数据库系统。 基于WINDOWS的采用FORPRO、PARADOX、FOXBASE、dBASE等微机数据库。 2．3 GIS软件 可分为系统基础软件，如数据录入软件、编辑软件、管理软件、分析软件及数据输出软件等，和在系统基础软件上开发的二次开发软件。 国外的主要有：ARC/INFO、GENAMAP、MGE、MAPINFO 国内的主要有：CITYSTAR、GeoStar、MAP/GIS 其它的还有空间矢量数据输入、编辑和分析软件、图像处理工具软件等[6]。 3 应用 3.1 数据处理和信息管理 精确灌溉实施的是实时处方作业，即计算机根据作业时收集到的信息，与系统中存储的数据信息进行比较，确定作业方案。因此，计算机一方面存储有大量原始数据，另一方面要接收和处理大量作业时采集的数据。这些数据主要包括位置信息、地理信息和作物生长信息。 3.1.1 位置信息 定位通过全球卫星定位系统（GPS）来实现。GPS包括24颗地球卫星组成的空间部分、地面控制站和一组地面监测站的地面监控部分以及用户接收机3个主要部分，它可利用无线信号和环绕地球的卫星系统来精确计算GPS接收器在地球上的精确位置。空间卫星的布局，保证在地球表面任何地方、任何时间和任何气象条件下，接受机至少可获得其中4颗以上卫星发出的定位定时信号。其中3个卫星用来确定接收器在地球上的经度、纬度和高度，第4颗卫星则用来对接收机时钟误差进行校正[4]。 目前应用较多的是DGPS，计算机将DGPS接收机通过卫星系统确定自己带有误差的位置信息与真实的位置坐标相比较，计算出接收机X、Y、Z位置误差信息，按时间序列存储下来或实时发出。周围的移动接收机接收后自动修正自己的位置信息，且定位精度达到米级或厘米级。 3.1.2 地理信息 地理信息指描述整个或局部地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据。地理信息的存储和管理由地理信息系统(Geographic lnformation System—GIS)来完成。地理信息系统在计算机软硬件支持下，将描述客观世界的各种数据按其地理坐标或空间位置输入计算机，实现存贮、更新、查询、检索、量测运算、分析处理、综合应用及显示制图制表，对客观世界中各种具有空间特征的事物、关系和过程进行描述、分析与模拟，进而指导人类利用和改造客观世界。 在精确灌溉技术体系中，GIS主要用于建立农田土地管理、土壤自然条件、作物分布、作物农艺特性、农田基础条件、病虫害发生发展趋势、农业水文数据、作物需水量状况、农田土壤水分状况、灌溉系统的基本数据和运行数据、作物产量等空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实时调控提供处方决策方案。根据产量的空间差异性，分析原因并进行诊断，提供科学处方，落实到GIS支持下形成田间作物的灌溉用水处方图，分区指导灌溉调控操作[5]。 3.1.3 生长信息 1)农田作物产量分布信息：获取农作物小区产量信息，以建立小区产量空间分布图。 2)农田环境生物系统信息：主要包括农作物生理功能信息、农作物种植结构信息以及农作物病、虫、杂草等生物信息。以便对农田环境生物系统的功能、结构和环境特征进行了解，帮助正确决策。 3)农田土壤信息：包括相对稳定、时空变异性较小的土壤信息，如地形坡度、土壤类型结构、磷、钾、SOM、PH及耕层深度和时空变异性较大的农田土壤信息，如土壤含水率和含氮量等。信息主要用以分析产量图显示的产量空间分布差异性，以制定有关灌溉、施肥、改土、耕作和种植等分布式定位处方决策。 3.2 系统仿真 系统仿真主要在决策支持系统中运用。 DSS综合利用各种数据、信息、知识，特别是模型技术，辅助解决半结构化和非结构化问题。农田灌溉管理是一个典型的介于结构化和非结构化之间的半结构化问题，其决策自然也属于半结构化决策。农田灌溉管理计算机辅助决策支持系统(FIMDSS)，应用计算机信息处理技术，综合现代农业灌溉科技成果，制定农田灌溉用水管理措施，实现处方灌溉调控操作。 完整的农田灌溉管理决策支持系统包括：模拟土壤、作物、大气系统水分过程的模型库；支持模型运算必需的各种静态和动态数据；反映不同地区自然生态条件等作物栽培和用水管理经验知识以及具有知识推理机制的专家知识库；反映具有空间数据特性的农田小区作物产量和各种相关因素在农田内空间分布的图形库；用于各子系统的管理、维护，为灌溉用水管理者参与制定决策、提供知识咨询的人机友好界面等[2]。 3.3 辅助设计 微灌技术根据作物需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的灌水器将水和作物生长所需的养分，用比较小的流量均匀准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中。在确定两支微灌管横排的最优距离时，采用计算机辅助设计技术，使整个微灌系统的设计工作大大简化[1]。 3.4 自动控制 主要是指智能农机化技术。解决处方确定之后如何按处方实施作业的问题。由于精确农业应用技术的发展，目前国外已有多种商品化的变量处方投入生产和应用，较为成功和效益较好的有灌溉、施肥、喷药以及播种设备等。在国外常把喷水和施肥、喷洒农药结合起来，根据地块和作物的要求，利用调整喷灌机械的行驶速度、喷嘴大小和工作压力等进行适时适量灌溉。这种自动化灌溉管理系统可提前几周根据作物生长期、土壤和地貌编写灌溉程序软件。灌溉机械可自动地按照程序指令，按规定时间、不同地块要求，提供不同的灌溉水量。该系统加上遥控装置后，能够储存数据，通过个人计算机和通讯网络，实现远程灌溉控制和管理。若在大型平移式灌溉机械上加设DGPS定位系统，则可利用存放在地理信息系统中的信息和数据，通过处方，实现灌溉水量的变量投入。 4 结语 虽然现在计算机在节水灌溉方面已经取得了一定的成绩，但这还只是一个开始。随着信息技术的不断发展，计算机软硬件技术的不断提高，以及人们的不断实践，计算机在节水灌溉中的应用将会更加全面和深入，其发挥的作用也将越来越大。 参考文献 [1]李英能.我国节水灌溉的现状与发展.水利水电科技进展,1998,1 [2]周明耀.精确灌溉技术支持系统研究.江苏农业研究,2001.22(4),70-73 [3]邝朴生,蒋文科,刘刚,邝继双等.精确农业基础.中国农业大学出版社 [4]张东伟.3S技术在集水高效农业工程中的应用.中国水土保持,2000.11 [5]王炳亮,田军仓.GIS在精准灌溉中的应用研究进展. 宁夏大学大学学报2002.4(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/24/2005)