一种气候变化背景下灌溉需水量计算系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种气候变化背景下灌溉需水量计算系统及其方法，历史数据输入模块将收集到的气候参数和作物信息输入数据预测模块，数据预测模块根据历史气候参数和作物信息对未来气候参数和作物信息进行预测，传感器状态控制模块、根据预测的未来气候参数和作物信息选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器时间，在唤醒无线传感器的同时实时收集对应气候参数和作物信息，灌溉策略生成与执行模块生成灌溉策略，对农作物进行及时灌溉。本发明专利技术灌溉需水量计算系统能在无线传感器网络能源消耗最小时有效管理作物的灌溉用水，计算方法不仅依据气候参数、作物参数，还综合考虑了作物经济效益和农户经济承受能力，能够提高水资源利用效率，有效应对气候变化；同时无线传感器的休眠状态也极大减少了网络资源消耗，提高了装置寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水资源开发和利用领域，具体涉及一种灌溉需水量计算系统及其方法。
技术介绍
气候变化及其造成的影响是当今世界上面临的主要环境问题之一，已引起社会各界的广泛关注。在过去100年里，全球表面气温上升了0.56-0.92℃。政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出：全球变暖会使地球上数十亿人口面临水和食物短缺，洪涝、干旱、台风等自然灾害的发生频率增加。同时，受到人类活动的双重影响，自然界的水循环也出现了一些新的特征。农田灌溉是粮食生产的基本保证。目前，农业灌溉用水已占我国总用水量的70％。由于工农业生产和城镇化进程的加快，需水量也随之不断增加，致使供水总量严重不足。同时受全球气候变化影响，未来我国水安全将会受到极大挑战。在此背景下，未来农业灌溉用水形势颇为严峻，并直接关系到国家粮食安全。因此，迫切需要开展气候变化背景下农业需水研究，加快开发一种合理的灌溉需水量计算方法及装置。总体来看，当前多数研究广泛侧重于作物灌溉定额制定、灌溉制度设计、灌区规划管理等方面，如何统筹考虑气候变化背景下灌溉预测方面尚缺乏系统研究，同时在气候变化对灌溉需水量影响分析及装置方面更为匮乏。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种充分考虑了气候变化对灌溉量影响的气候变化背景下灌溉需水量计算系统及其方法。技术方案：本专利技术提供了一种气候变化背景下灌溉需水量计算系统，包括历史数据输入模块、数据预测模块、传感器状态控制模块和灌溉策略生成与执行模块，所述历史数据输入模块将收集到的气候参数和作物信息输入所述数据预测模块，所述数据预测模块根据历史气候参数和作物信息对未来气候参数和作物信息进行预测，所述传感器状态控制模块与数据预测模块相连，根据预测出的未来气候参数和作物信息选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间，在唤醒无线传感器的同时实时收集对应气候参数和作物信息，所述灌溉策略生成与执行模块与传感器状态控制模块相连，根据实时收集的数据生成灌溉策略，对作物进行灌溉。进一步，所述气候参数包括气温、日照时数、风速、相对湿度和降雨，其中，所述气温包括最高、最低和日平均气温。进一步，所述作物信息包括作物种植面积、作物种植结构、作物复种指数和作物品种。进一步，所述灌溉策略包括灌溉量、灌溉时间及灌溉方式。进一步，还包括灌溉策略修正模块，与所述灌溉策略生成与执行模块相连，利用第三方信息修正作物灌溉需水量，所述第三方信息包括气温、大气湿度、风力、风向、地下水补给量和作物品种更新。一种气候变化背景下的灌溉需水量计算方法，包括以下步骤：(1)根据收集的历史气候参数，采用大气环流模式(GCM)预估结果获取未来气候参数变化信息，并结合作物生长和生育信息，对作物参数进行预测；(2)若某区域实测的气候及作物参数超出预测的未来气候参数和作物参数范围，唤醒该区域对应的无线传感器；(3)在达到唤醒无线传感器的时间时，唤醒所对应的无线传感器以实时监测并收集气候参数和作物信息，在这些数据收集完成后，使无线传感器进入休眠状态；(4)根据实时收集的气候数据和作物信息，利用水量平衡方程计算出气候变化后作物灌溉需水量。进一步，步骤(1)所述历史气候参数基于气象站点实测数据和大气环流模式的输出数据，采用统计降尺度模型对气候进行预测，以观测值作为比较基场，运用最小二乘法使模式预测和分析场的误差达到最小值，并据此确定各个模式的权重系数(λ1，λ2…λn)，进而对未来气温、日照时数、风速、相对湿度和降雨等气象要素进行综合预测。进一步，步骤(4)所述灌溉需水量取决于作物生育期需水量、有效降水量、地下水补给量、作物种植面积和种植结构。进一步，步骤(4)还根据实时收集的气温、大气湿度、风力、风向、地下水补给量和作物种类更新并结合水量平衡过程对灌溉策略进行修正，利用该灌溉策略对作物进行灌溉。有益效果：本专利技术灌溉需水量计算系统能在无线传感器网络能源消耗最小时有效管理作物的灌溉用水，计算方法不仅依据气候参数、作物参数，还综合考虑了作物经济效益和农户经济承受能力，能够提高水资源利用效率，有效应对气候变化；同时无线传感器的休眠状态也极大减少了网络资源消耗，提高了装置寿命。附图说明图1为气候变化背景下灌溉需水量计算系统的结构示意图；图2为气候变化背景下的灌溉需水量计算方法流程图。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例：一种气候变化背景下灌溉需水量计算系统，如图1所示，包括控制管理模块、传感器状态控制模块、灌溉策略生成与执行模块和灌溉策略修正模块。其中，控制管理模块包括历史数据输入模块和数据预测模块，历史数据输入模块将收集到的气候参数和作物信息输入数据预测模块，数据预测模块采用大气环流模式(GCM)预估结果获取未来气候参数，并结合作物信息进行预测。传感器状态控制模块与数据预测模块相连，根据预测的未来气候参数和作物信息选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器时间，在唤醒无线传感器的同时实时收集对应气候参数和作物信息，在该数据收集完成后，使该无线传感器进入休眠状态。具体为，假设预测的时段气温区间为[A，B]，根据预测数据，如果24小时后该测量点气温为C，且C超出区间[A，B]，24小时后该测量点温度传感器将被激活；按照上述激活时间，激活对应的传感器以记录该测量点附近数据，并判断该测量点实测数据是否在区间[A，B]中，如果24小时后实测数据均在上述区间[A，B]中，那么该温度传感器将停止测量；如果24小时后实测数据仍超出上述区间[A，B]，那么该温度传感器将继续工作，以记录该测量点实际温度，直至实测数据达到预测数据所在区间[A，B]。灌溉策略生成与执行模块与传感器状态控制模块相连。根据未来气候参数和作物信息，分析气候变化对作物生育期及需水量影响，当作物生育期内有效降雨不能满足作物对水分要求时，则根据田间水分变化与灌溉需水之间水量平衡关系生成包含灌水时间、灌水量、灌水方式的灌溉策略。灌溉策略修正模块与灌溉策略生成与执行模块相连，用于利用第三方信息实时计算修正灌溉策略，将修正后的灌溉策略所对应的控制信息下发至无线传感器、灌溉用泵等，包含泵的工作起止时间、泵流量等，进而对农作物进行及时灌溉。第三方信息主要包含：气温、大气湿度、风力、风向、地下水补给量、作物种类更新。具体为：将第三方信息反馈给灌溉策略生成模块，将这些数据与预测数据对比，对预设定的程序进行一定修正，进而改变灌溉策略。上述气候变化背景下的灌溉需水量计算方法，如图2所示，包括以下步骤：(1)根据收集的历史气候数据和作物数据对未来气候参数和作物参数进行预测历史气候数据和作物数据主要基于气象站点实测数据和大气环流模式(GCM)输出数据，采用统计降尺度模型(SDSM)对气候进行预测，以观测值作为比较基场，运用最小二乘法使模式预测和分析场的误差达到最小值，并据此确定各个模式的权重系数(λ1，λ2…λn)，进而对未来气温(包括最高、最低、日平均气温)、日照时数、风速、相对湿度和降雨等气象要素进行综合预测。(2)若某区域气象部门实测的气候参数和作物参数超出预测的未来气候参数和作物参数范围，唤醒该区域对应的无线传感器并选择唤醒无线传感器时间。当气候参数和作物参数范围不在预测值所在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气候变化背景下灌溉需水量计算系统，其特征在于：包括历史数据输入模块、数据预测模块、传感器状态控制模块和灌溉策略生成与执行模块，所述历史数据输入模块将收集到的气候参数和作物信息输入所述数据预测模块，所述数据预测模块根据历史气候参数和作物信息对未来气候参数和作物信息进行预测，所述传感器状态控制模块与数据预测模块相连，根据预测的未来气候参数和作物信息选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器时间，在唤醒无线传感器的同时实时收集对应气候参数和作物信息，所述灌溉策略生成与执行模块与传感器状态控制模块相连，根据实时收集的数据生成灌溉策略，对农作物进行及时灌溉。

【技术特征摘要】
1.一种气候变化背景下灌溉需水量计算系统，其特征在于：包括历史数据输入模块、数据预测模块、传感器状态控制模块和灌溉策略生成与执行模块，所述历史数据输入模块将收集到的气候参数和作物信息输入所述数据预测模块，所述数据预测模块根据历史气候参数和作物信息对未来气候参数和作物信息进行预测，所述传感器状态控制模块与数据预测模块相连，根据预测的未来气候参数和作物信息选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器时间，在唤醒无线传感器的同时实时收集对应气候参数和作物信息，所述灌溉策略生成与执行模块与传感器状态控制模块相连，根据实时收集的数据生成灌溉策略，对农作物进行及时灌溉。2.根据权利要求1所述的气候变化背景下灌溉需水量计算系统，其特征在于：所述气候参数包括气温、日照时数、风速、相对湿度和降雨，其中，所述气温包括最高、最低和日平均气温。3.根据权利要求1所述的气候变化背景下灌溉需水量计算系统，其特征在于：所述作物信息包括作物种植面积、作物种植结构、作物复种指数和作物种类。4.根据权利要求1所述的气候变化背景下灌溉需水量计算系统，其特征在于：所述灌溉策略包括灌溉量、灌溉时间及灌溉方式。5.根据权利要求1所述的气候变化背景下灌溉需水量计算系统，其特征在于：还包括灌溉策略修正模块，与所述灌溉策略生成与执行模块相连，利用第三方信息结合水量平衡方程计算修正作物灌溉需水量，所述第三方信息包括气温、大气湿度、风力、风向、地下水补给量和作物种类更新。6.如权利要求1所述的气候变化背景下的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小军，张建云，田晓庆，贺瑞敏，陈凤，张旭，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32