CN112219657B - 一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水稻种植领域，具体涉及一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，包括：将液位检测模块***稻田，利用液位检测模块检测稻田的水分情况；将冠层监控模块安置于稻田中，利用冠层监控模块检测冠层光照辐射截获率SR；以液位检测模块检测到的水分情况和冠层监控模块检测到的冠冠层光照辐射截获率SR为依据，控制灌溉模块对稻田进行自动灌溉。本发明能够根据田间水分状态与植株长势，智能调整稻田灌溉，以实现智慧农业，提高水稻产量质量。

Description

一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法
技术领域
本发明属于水稻种植领域，具体涉及一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法。
背景技术
水稻是耗水型的作物，充足灌溉是水稻正常生长的前提；然而水稻高产高效的目标对于水分的补给又存在阶段性的特殊需求，尤其是肥水耦合的要求，使得水分的介入往往需要根据不同生长时期、不同生长状态来调节，这也使得动态灌溉节奏成为实现水稻高产和资源高效利用的前提。因此，根据田间水分状态与植株长势，智能调整稻田灌溉成为智慧农业的必然选择。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法技术方案，用以实现稻田动态灌溉管理。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于包括：
S1：将液位检测模块***稻田，利用液位检测模块检测稻田的水分情况；
S2：将冠层监控模块安置于稻田中，利用冠层监控模块检测冠层光照辐射截获率SR；
S3：以液位检测模块检测到的水分情况和冠层监控模块检测到的冠层光照辐射截获率SR为依据，控制灌溉模块对稻田进行自动灌溉，灌溉策略包括：
S3.1：当检测到稻田的水位高于预设的最高水位时，不进行灌溉；
S3.2：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR小于A时，进行灌溉；
S3.3：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR小于B，大于A时，不进行灌溉；
S3.4：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR大于B时，不进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR小于A时，进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR小于B，大于A时，不进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR大于B时，进行灌溉；
其中，A为无效分蘖期开始时的冠层光照辐射截获率，B为幼穗分化开始时的冠层光照辐射截获率。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S2中，冠层监控模块通过检测冠层上方10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射入射值，冠层监控模块通过检测冠层内部，土层以上10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射透射值，冠层光照辐射截获率SR＝1-透射值/入射值。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S2中，将测得的冠层光照辐射截获率SR带入公式(H1)，拟合得到冠层光照截获率增长基准速率、最大截获率和初始截获率，再将得到的最大截获率和初始截获率代入公式(H2)，确定冠层发育增率转折时间tA，最后将该冠层发育增率转折时间tA带入公式(H1)得到A。
Figure GDA0003619351150000021
Figure GDA0003619351150000031
其中，a为最大截获率，b为初始截获率，c为冠层光照截获率增长基准速率，t为时间，e为自然常数。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S3中的A为40-60％，B为80-90％。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述液位检测模块包括液位探测室和设置于液位探测室内的液位传感器，液位探测室底部镂空，上端封闭，四周布满通孔，液位探测室外套设过滤层，液位传感器设定最低水位与最高水位。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S1的具体操作包括：在水稻株行间开洞，并取出土壤，然后***液位探测室，埋入土层20-40cm，剩余部分高出土面，再将液位传感器调整为液位上限标记高出土面3-8cm，液位下限标记低于土面12-18cm，配置液位传感器后，将液位探测室上部密封。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述冠层监控模块包括监控支架，监控支架包括下部横向支架和上部竖直支架，上部竖直支架上设置冠层外光照传感器，下部横向支架上设置冠层内光照传感器。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S2的具体操作：将监控支架固定在稻田中，确保下部横向支架安置在土面以上20cm处，冠层外光照传感器与冠层内光照传感器距离140-180cm。
所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S3中，控制灌溉模块对稻田进行自动灌溉的实现方式包括：液位检测模块和冠层监控模块分别将液位监测信号与光照信号接入信号处理与无线发送模块，信号处理与无线发送模块对信号进行处理后再发送到接收端，通过接收端控制灌溉模块进行灌溉。
与现有技术相比，本发明能够根据田间水分状态与植株长势，智能调整稻田灌溉，以实现智慧农业，提高水稻产量质量。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明的电路结构示意图；
图3为本发明中液位检测模块结构示意图；
图4为本发明中冠层监控模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示，一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，包括：
S1：将液位检测模块1***稻田，利用液位检测模块1检测稻田的水分情况；
S2：将冠层监控模块2安置于稻田中，利用冠层监控模块2检测冠层光照辐射截获率SR；
S3：以液位检测模块1检测到的水分情况和冠层监控模块2检测到的冠层光照辐射截获率SR为依据，控制灌溉模块3对稻田进行自动灌溉，灌溉策略包括：
S3.1：当检测到稻田的水位高于预设的最高水位时，不进行灌溉；
S3.2：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR小于A时，进行灌溉；
S3.3：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR小于B，大于A时，不进行灌溉；
S3.4：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR大于B时，不进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR小于A时，进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR小于B，大于A时，不进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR大于B时，进行灌溉；
即，当冠层发育在A阶段之前，保持水层至少5cm；冠层发育在A和B之间时，关闭灌水；而冠层发育达到B阶段时，干湿交替灌溉(水层在高/低限之间循环)；其中，A为无效分蘖期开始时的冠层光照辐射截获率，B为幼穗分化开始时的冠层光照辐射截获率。
所述S2中，冠层监控模块2通过检测冠层上方10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射入射值，冠层监控模块2通过检测冠层内部，土层以上10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射透射值，冠层光照辐射截获率SR＝1-透射值/入射值。
所述S2中，由Logistic函数构建基于冠层截获的冠层发育模型，得到公式(H1)，该模型可参考公开号为CN108318626 A的中国专利，然后将测得的冠层光照辐射截获率SR带入公式(H1)，拟合得到冠层光照截获率增长基准速率、最大截获率和初始截获率，再将得到的最大截获率和初始截获率代入公式(H2)，确定冠层发育增率转折时间tA，最后将该冠层发育增率转折时间tA带入公式(H1)得到A；
Figure GDA0003619351150000061
Figure GDA0003619351150000062
其中，a为最大截获率，b为初始截获率，即B＝a，c为冠层光照截获率增长基准速率，t为时间，e为自然常数。
根据上述方法可求得所述S3中的A为40-60％，B为80-90％。
所述液位检测模块1包括液位探测室10和设置于液位探测室10内的液位传感器11，液位探测室10底部镂空，液位探测室10由PVC圆柱构造，高50cm，下底密封，四壁均匀分布半径2cm的圆孔，孔距5cm，液位探测室10外套设同心同柱的过滤层12，过滤层12主体以大颗粒沙石、硅藻等混合物填充，厚度约为2cm，过滤层12外层为聚丙乙烯过滤网，网眼至少25目以上。液位传感器11为常规的液位计，其包括液位上限标记14、液位浮动阀15、液位下限标记13，利用液位上限标记14和液位下限标记13设定最低水位与最高水位。
所述冠层监控模块2包括监控支架，监控支架包括下部横向支架20和上部竖直支架21，上部竖直支架21顶部设置一个冠层外光照传感器22，下部横向支架20上均匀设置6-10个冠层内光照传感器23，优选为6个。其中，冠层外光照传感器22通过检测冠层上方10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射入射值，冠层内光照传感器23通过检测冠层内部，土层以上10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射透射值。
所述S3中，控制灌溉模块3对稻田进行自动灌溉的实现方式包括：液位检测模块1和冠层监控模块2分别将液位监测信号与光照信号接入信号处理与无线发送模块4，信号处理与无线发送模块4对信号进行处理后再发送到接收端5，接收端5控制灌溉模块3进行灌溉并对灌溉情况进行记录，接收端5可以为连接灌溉模块3的控制设备，也可以为电脑、手机、云端服务器等互联网终端，灌溉模块3可以为机井活喷灌。更具体的，液位监测信号与光照信号接入信号处理与无线发送模块4，数采频率分为1-720分钟，进行初步运算与处理，运算法则见表1。实时产生的开关指令，经过延时与平滑处理后，形成输出指令，并将输出指令通过无线模块发送到接收端5。
表1基于冠层动态与液位差异，构建自动灌溉的算法表
Figure GDA0003619351150000071
本发明还配合野外太阳能供电模块使用，野外太阳能供电模块用以为整套设备供电。
上述的S1与S2顺序可调换或同时进行。
本发明的设备安装操作如下：
1)安装时期：水稻移栽后5-10天安装；
2)安装地点的选择：土壤平整、秧苗长势均匀的代表性田块/点；
3)液位检测模块1的安装：在水稻株行间开洞，并取出土壤，然后***液位探测室10，埋入土层20-40cm，优选为30cm剩余部分高出土面，再将液位传感器11调整为液位上限标记高出土面3-8cm，优选为5cm，液位下限标记低于土面12-18cm，优选为15cm，配置液位传感器11后，将液位探测室10上部密封；
4)冠层监控模块2的安装：将监控支架固定在稻田中，确保下部横向支架20安置在土面以上10-20cm处，冠层外光照传感器22与冠层内光照传感器23距离140-180cm，优选为160cm；
5)太阳能板供电模块的安装：野外太阳能供电模块安装距离液位检测模块1检测到的水分情况和冠层监控模块2两米以外的区域；
6)安装完毕后，地上部关键部件密封胶加强防水。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于包括：
S1：将液位检测模块(1)***稻田，利用液位检测模块(1)检测稻田的水分情况；
S2：将冠层监控模块(2)安置于稻田中，利用冠层监控模块(2)检测冠层光照辐射截获率SR；
S3：以液位检测模块(1)检测到的水分情况和冠层监控模块(2)检测到的冠层光照辐射截获率SR为依据，控制灌溉模块(3)对稻田进行自动灌溉，灌溉策略包括：
S3.1：当检测到稻田的水位高于预设的最高水位时，不进行灌溉；
S3.2：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR小于A时，进行灌溉；
S3.3：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR小于B，大于A时，不进行灌溉；
S3.4：当检测到稻田的水位处于预设的最低水位与最高水位之间，且SR大于B时，不进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR小于A时，进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR小于B，大于A时，不进行灌溉；
S3.5：当检测到稻田的水位低于预设的最低水位时，且SR大于B时，进行灌溉；
其中，A为无效分蘖期开始时的冠层光照辐射截获率，B为幼穗分化开始时的冠层光照辐射截获率。
2.根据权利要求1所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S2中，冠层监控模块(2)通过检测冠层上方10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射入射值，冠层监控模块(2)通过检测冠层内部，土层以上10-20cm区域内测定的值确定太阳有效辐射透射值，冠层光照辐射截获率SR＝1-透射值/入射值。
3.根据权利要求2所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S2中，将测得的冠层光照辐射截获率SR带入公式(H1)，拟合得到冠层光照截获率增长基准速率、最大截获率和初始截获率，再将得到的最大截获率和初始截获率代入公式(H2)，确定冠层发育增率转折的时间tA，最后将该冠层发育增率转折的时间tA带入公式(H1)得到A；
Figure FDA0003619351140000021
Figure FDA0003619351140000022
其中，a为最大截获率，b为初始截获率，c为冠层光照截获率增长基准速率，t为时间，e为自然常数。
4.根据权利要求1所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S3中的A为40-60％，B为80-90％。
5.根据权利要求1-4中任一所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述液位检测模块(1)包括液位探测室(10)和设置于液位探测室(10)内的液位传感器(11)，液位传感器(11)设定最低水位与最高水位。
6.根据权利要求5所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S1的具体操作包括：在水稻株行间开洞，并取出土壤，然后***液位探测室(10)，埋入土层20-40cm，剩余部分高出土面，再将液位传感器(11)调整为液位上限标记高出土面3-8cm，液位下限标记低于土面12-18cm，配置液位传感器(11)后，将液位探测室(10)上部密封。
7.根据权利要求1-4中任一所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述冠层监控模块(2)包括监控支架，监控支架包括下部横向支架(20)和上部竖直支架(21)，上部竖直支架(21)上设置冠层外光照传感器(22)，下部横向支架(20)上设置冠层内光照传感器(23)。
8.根据权利要求7所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S2的具体操作：将监控支架固定在稻田中，确保下部横向支架(20)安置在土面以上20cm处，冠层外光照传感器(22)与冠层内光照传感器(23)距离140-180cm。
9.根据权利要求1-4中任一所述的一种基于水稻冠层长势的稻田水分控制方法，其特征在于所述S3中，控制灌溉模块(3)对稻田进行自动灌溉的实现方式包括：液位检测模块(1)和冠层监控模块(2)分别将液位监测信号与光照信号接入信号处理与无线发送模块(4)，信号处理与无线发送模块(4)对信号进行处理后再发送到接收端(5)，接收端(5)控制灌溉模块(3)进行灌溉。
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