基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型和方法技术

本发明专利技术公开一种基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型和方法，模型采用8邻居定值型边界的有限方形网格，通过元胞自动机模型模拟水体在温室土壤中的水平和垂向的运动过程，通过VM矩阵来表达和反映模拟区的植被空间排列，对土壤进行分层，通过SM矩阵来表达模拟区土壤各土层水分含量。模型设定人工浇水后水体至少经历流动、渗透、植被吸收和蒸发4个过程，通过对上述过程更新各个元胞的含水量的，实现对土壤水体运动的模拟。本发明专利技术可以对土壤水体运动的空间分布和时间分布进行仿真模拟，实现补水函数或最优化土壤参数的优化选择，实现温室大棚土壤水体变化的全区域预测。实现温室大棚土壤水体变化的全区域预测。实现温室大棚土壤水体变化的全区域预测。

【技术实现步骤摘要】
基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型和方法


[0001]本专利技术涉及水文模型的
，尤其涉及一种基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型和方法。

技术介绍

[0002]土壤水分运动是一个复杂的物理变化过程，受到土壤性质、土壤初始含水量、降水量、下垫面性质、降水强度以及水温等因素的影响，其入渗能力因土壤性质的不同而存在差异。目前土壤水分变化的预测可以依靠实测数据与土壤含水量变化之间规律，但上述方法实验方式复杂且鲁棒性较差。
[0003]温室，又称温室大棚，最初是为防止粮食因寒冷极端天气导致减产而建造的，随着温室技术的不断发展，温室系统可以使得人们在气温过低或环境恶劣的地区高效种植作物，在社会的农业生产中发挥着重要作用。由于温室系统的特殊性和重要性，因此基于温室的相关研究较多，但是基于温室探究土壤水分运动的研究却较少，同时，虽然探讨土壤水分运动的研究丰富，但是却鲜有基于温室系统的研究。鉴于温室系统的特殊性和基于温室系统的土壤水分运动研究的不足，探讨和分析温室的土壤水分运动则具有一定研究意义。
[0004]随着计算机技术的发展及其相应算力的提高，可以利用相应的数学计算模型研究土壤水分运动的土壤水分流动和耗散，以更好地分析大范围区域尺度内土壤水体的空间分布和时空变化。

技术实现思路

[0005]基于以上背景，本专利技术要解决的技术问题是：开发一种基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型和方法，用于模拟和分析土壤水分在不同时刻的分布情况，帮助温室大棚种植实现精准灌溉，提高温室农业用水效率，节约水资源。
[0006]基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型，所述的模拟模型包括8邻居定值型边界的有限方形网格的元胞自动机模型，用于模拟水体在温室土壤中向四周扩散的运动过程；通过VM矩阵来表达和反映模拟区的实际大小、环境和植被排列，将土壤划分为不同土层后通过SM矩阵来表达模拟区土壤各土层水分含量，认为人工浇水后水体至少经历流动、渗透、植被吸收和蒸发4个过程，通过对上述4个过程更新各个元胞的含水量的，从而实现对土壤水体运动的模拟。
[0007]本专利技术适用于温室内或有限空间内种植的各种植物，植物的补水方式为定期人工补水。
[0008]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0009]一种基于元胞自动机的温室土壤水分耗散仿真模拟方法，其包括如下步骤：
[0010]S1：根据模拟区的实际大小、环境和植被排列情况建立矩阵VM；
[0011]S2：根据人为经验或借鉴相关文献等手段对一定深处的土壤进行分层，并建立各土层的初始含水量矩阵SM；
[0012]S3：通过实验、经验参数或借鉴相关文献等手段确定各土层水量的变化的数学公式和各土层的土壤渗透、流动参数和其他相关参数等。
[0013]S4：根据预设的各土层水量的变化的数学公式，依次计算各土层的含水量的数值，从而更新含水量矩阵；
[0014]S5：若土层含水量矩阵出现负值，必须修改补水水量(W)、土壤流动和渗透参数等，重复S4。若因其他特殊需要，可以修改补水水量、土壤流动和渗透参数等，重复S4；
[0015]S6：根据预设的迭代次数，重复步骤S1至S5，当运行次数超过设定的迭代次数后停止运行，即对模拟区的土壤水体变化情况完成了仿真模拟，此时可以根据使用目的选择性输出各个迭代时刻土壤含水量情况或其他相关参数值。
[0016]步骤S1中的VM矩阵仅存在3种数值：
‑
1、0和1。
‑
1表示该处既不含植被也不含土壤，0表示该处含土壤，1表示该处含植被或该处的土壤水分渗透能力十分差且无植被种植。
[0017]步骤S2中的[含水量矩阵]为非负矩阵，即矩阵中不能出现负值。
[0018]步骤S2中的[含水量矩阵]，各土层中均含一个，独立存在，含水量矩阵的行列大小与VM矩阵相等。
[0019]步骤S1和S2的矩阵内的单个数值又称作元胞。
[0020]步骤S3所述的[渗透]和[流动]的意义与常用的词汇含义不同，[渗透]和[流动]与径向流动和纵向流动相似，以I表示渗透，以F表示流动。
[0021]所述[渗透]是指在一个元胞大小的面积内，在一个垂直的空间内，深度较低层土壤的水分流向深度较高层土壤。
[0022]所述[流动]是指是在一个8邻居空间内，同一土层位于8邻居中心的元胞的土壤水分流向8邻居范围内的同一土层的土壤。
[0023]所述[8邻居空间]指环绕矩阵单个元胞的正上、上左、上右、正左、正右、正下、下左和下右8个元胞空间。
[0024]步骤S2对土壤进行分层后，还需再加一层土层，称为不可利用层(N层)。
[0025]所述[N层]是一个抽象层，表示十分深的土层，或不存在渗透和流动地方，如承装植被的容器外部。
[0026]除N层外，所有土层均存在含水量上限，并存在相应的渗透参数和流动参数。
[0027]步骤S3中所述[土壤渗透、流动参数和其他相关参数等]，是根据预设的各土层水量的变化的数学公式确定的。
[0028]所述[预设的各土层水量的变化的数学公式]是人为通过实验、经验或参考文献确定的数学公式，应该包括汲水、蒸发、渗透和流动的相关公式，如有必要可以增加其他相关计算公式。
[0029]所述[汲水公式]，指植被从对应土壤中汲取水量过程中的水量转移函数。
[0030]所述[蒸发公式]，指植被自身的水量蒸发或指土壤的水量蒸发过程中的水量转移函数。
[0031]所述[渗透公式]，指渗透过程中的水量转移函数，如附图3，中心元胞的初始含水量为9，向8邻居空间的元胞转移了7个单位的水量，其过程中的水量转移函数为渗透公式。
[0032]所述[流动公式]，指流动过程中的水量转移函数，如附图4，深度较低层元胞的初始含水量为9，向深度较高层元胞转移了2个单位的水量，其过程中的水量转移函数为渗透
公式。
[0033]步骤S4中的[依次计算]，指从土层深度最低的土层开始计算，向土层深度较高的土层计算，最后至 N层为止。
[0034]步骤S5中的[特殊需要]，指人为确定的某一需要。如当土壤含水量小于14％时，认为有修改补水水量、土壤流动和渗透参数等的必要，于是修改补水水量、土壤流动和渗透参数等，重复S4。
[0035]步骤S5中的[修改补水水量、土壤流动和渗透参数等]，指可以仅修改单一参数，也可以修改多个参数。
[0036]进一步地，步骤S1的实现方式如下：
[0037]根据模拟区的实际情况，确定矩阵精度，如每个矩阵内元胞对应1m*1m的范围；
[0038]根据模拟区的环境和植被排列情况，建立对应的a*b大小的矩阵，分别用
‑
1、0和1表示有无土壤和植被的对应情况。
[0039]进一步地，步骤S2的实现方式如下：
[0040]根据人为经验或借鉴相关文献等手段对一定深处的土壤进行分层，如认为在3米深的土层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型，其特征在于，所述的元胞自动机模拟模型采用8邻居定值型边界的有限方形网格，用于模拟水体在温室土壤中向四周扩散的运动过程；通过VM矩阵来表达和反映模拟区的大小、环境和植被排列，将土壤划分为不同土层后通过SM矩阵来表达模拟区土壤各土层水分含量。所述模型设定人工浇水后水体在土壤中发生水平流动、垂向渗透、植被吸收、植被蒸腾蒸发4个过程，通过模拟所述土壤水分运动过程来更新各个元胞的含水量，实现对土壤水分运动的仿真模拟。2.基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据模拟区的实际大小、环境和植被排列情况建立矩阵VM；S2：对一定深度的土壤进行分层，并建立各土层的初始含水量矩阵SM；S3：调研种植作物生长习性，查阅相关资料获取相关作物需水和种植管理数据以确定各土层水量的变化的数学公式和各土层的相关参数；S4：根据预设的各土层水量的变化的数学公式，依次计算各土层的含水量的数值，从而更新含水量矩阵；S5：若土层含水量矩阵出现负值，必须修改补水水量W、土壤流动和渗透参数，重复进行S4；若因特殊需要，同样要修改补水水量、土壤流动和渗透参数，重复S4；S6：根据预设的迭代次数，重复步骤S1至S5，当运行次数超过设定的迭代次数后停止运行，即对模拟区的土壤水体变化情况完成了仿真模拟，此时根据使用目的选择性输出各个迭代时刻土壤含水量情况或相关参数值。3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方法，其特征在于，VM矩阵中0表示该处含土壤，1表示该处含植被，
‑
1表示该处既不含植被也不含土壤，划分三类工况；VM矩阵为非负矩阵，即矩阵中不能出现负值；对植被根系层土壤进行分层后，应再添加N层土层，N层土层位于所有土层的最底部，所述N层是一个抽象层，表示十分深的土层，或不存在渗透和流动地方，如承装植被的容器外部；除N层外，所有土层均存在含水量上限，并对其模拟土壤水分运动作相应模拟；对一定深处的土壤进行分层，并建立各土层的初始含水量矩阵；模拟过程中认为人工浇水的主要耗散途径包括植被生长生产活动、土壤入渗和蒸腾蒸发耗水；所述的[渗透]和[流动]的意义与常用的词汇含义不同，[渗透]和[流动]与径向流动和纵向流动相似，以I表示渗透，以F表示流动；所述[渗透]是指在一个元胞大小的面积内，在一个垂直的空间内，深度较低层土壤的水分流向...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晋军，黄天意，王昊，庞亚莉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：