土壤自动化监测系统设计.docx

土壤自动化监测系统设计.docx

《土壤自动化监测系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土壤自动化监测系统设计.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

土壤自动化监测系统设计

墒情监测系统实施方案

1概述

1.1建设墒情监测系统的必要性

土壤墒情监测是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源合理利用及抗旱救灾基本信息收集的基础工作。

墒情监测负责收集旱作农业、牧业的墒情信息，收集农业和环境干旱的信息。

为指导农牧业灌溉、分析干旱的形成及分布发展、抗旱救灾决策提供准确的信息，是水资源合理利用，水资源科学管理和抗旱救灾决策的最重要的基础工作。

其最重要的要素是土壤含水量的监测！

我国是受干旱影响较为严重的国家，旱灾平均每两年就要出现一次，平均年受旱面积为2000万hm2以上，占我国气候灾害的59.3%，因此干旱缺水已成为制约国家农业和整个国民经济发展的重要因素。

我国从上个世纪中叶就开始了土壤水份的监测，先后采用了烘干称重、中子水份计和TDR时域反射仪等方法，这些方法虽然可以实现土壤水份的测量，但均无法在野外、无人职守的状况下自动工作，更无法实现墒情数据的自动传输、处理和统计，无法适应当前的农业、抗旱决策以及城市绿化的现代化建设的需要，造成一种遇旱而抗的被动局面。

为此，有必要建设墒情监测自动化系统，以保证我国经济的持续增长和社会稳定。

1.2系统建设任务

根据国家墒情监测规和监测站实施方案和实时规程，整个墒情监测系统包括如下建设任务：

测站选址、地理勘查、土建施工、设备采购、安装调试、软件开发等。

根据墒情监测工作需要，从系统集成角度考虑系统建设任务主要包括以下四方面容：

Ø采集系统的建设：

包括墒情及气象传感器的选型、率定、安装等；

Ø通讯传输系统的建设:

包括通信方式的确定，通信设备的选型，安装调试等；

Ø监测应用软件系统的建设：

完成软件的开发设计，实现系统集成；

Ø监测中心网络建设：

包括中心站设备配置及其局域网的建设；

1.3系统建设目标

Ø通过墒情自动化监测系统的建设，采用先进的墒情监测仪器，实现无人值守状况下的自动监测；

Ø采用先进、可靠、稳定的通讯方式，实现墒情数据的自动传输；

Ø通过中心监测软件的设计，实现数据的自动处理、统计、分析。

通过墒情自动化监测系统的建设准确地引导、组织农民进行农业结构调整和生产布局的宏观决策，为农技推广部门和农民适时采取补充灌溉及农田蓄水保墒措施，提高水资源利用效率和效益，为防早抗旱技术措施的应用等提供科学依据。

1.4系统设计依据

 设计的主要依据是：

   《土壤墒情监测规》SL000-2005 

《国家防汛指挥系统总体设计大纲》

   《国家防汛指挥系统一期工程初步设计总报告》

   《国家防汛指挥系统一期工程旱情分中心设计指导书》

   《计算机软件开发规》GB8566。

1.5系统设计原则

规性

 系统建设中必须依据统一的规和标准，包括数据类型与存储格式，输入输出格式，用户界面设计等，标准应参照有关国际、国家和行业的标准与规，符合墒情监测和旱情信息管理系统工程的建设要求。

 先进性

 针对系统的具体需要，应综合利用遥测技术、网络技术、GIS技术、数据库技术及其他先进的软件技术与开发工具，来设计和开发系统。

可靠性

 在建设过程中，应采用各种软件质量控制技术，建立质量评估体系，保证系统运行稳定，数据传输安全可靠，数据处理准确无误。

实用性

 要求系统整体结构清晰，系统界面简明直观，各类安装手册、用户手册等文档详尽明了，系统操作符合工作习惯，易于系统维护，充分满足省抗旱工作需要。

系统利用现有资源进行整合开发，具有较高的资源利用率。

集成性

要求子系统有良好的集成性，数据调用处理和各种功能实现平滑过渡。

开放性

 软件系统统一采用Windows操作系统平台，增强系统移植性。

同时为了对系统进行修改、补充和不断完善，应采用开放式的结构设计，使系统在具有可扩充性的软硬件环境下，能在运行过程中不断地添加新的操作功能和加入新的信息，为系统的进一步开发预留接口。

1.6影响墒情变化的主要因素

Ø降水量：

自然降水是土壤水分的主要来源，因此降水量的多少成为土壤墒情变化的决定因素。

Ø气温：

气温通过影响土壤中水分的蒸发，对土壤墒情变化产生重要的影响。

Ø大风：

一般大风持续时间长，空气对流加强，加速了土壤水分损失。

Ø地形：

地形高低不同墒情的分布也不同，一般地势较低的地形墒情较足。

Ø其它因素：

人们的耕作措施、植物蒸腾、光照强度等也对土壤墒情产生重要影响。

1.7墒情监测要素

墒情和旱情及其发展趋势是同气象条件、土壤、土壤的水分状态，作物种类及其生长发育状况密切相关的，因此墒情监测主要是对气象条件、土壤的物理特性、土壤水分状态、作物种类及生长发育状况四大要素进行监测。

（一）气象要素

气象观测要素主要有降雨量、气温、气压、温度、风速、水面蒸发量、地温、日照等。

对于墒情监测区有气象站的区域，为节省费用、避免重复投资，气象信息可以通过在监测软件系统建立与本地气象中心的，进行自动搜索；或者与本地气象中心进行信息共享，通过发送气象简报的形式获得；

对于墒情监测区或临近区无气象站的区域和重点灌区可以建立自己的小型气象站，其中气象观测场的建设应符合气象观测场的规要求，仪器及设备应按照气象部门的要求配置，并按照气象部门的观测规来进行气象要素的观测、记录和资料的整编。

墒情监测点除收集气象资料外，还应收集当地气象部门的未来天气趋势预报，以了解墒情监测区的未来天气变化趋势。

（二）土壤的物理特性

土壤的物理特性由土壤的质地、土壤的结构、土壤的比重、土壤干容重、土壤空隙度来表达。

土壤的质地由当地的土壤颗粒级配清况来决定，其判别方法采用国际标准分类方法来进行。

土壤垂向分布由层次结构时，需分析不同层次的土壤质地和其他的物理特性。

（三）土壤水份状态

土壤水份常数施土壤水份特性的重要指标，主要有饱和含水量，田间持水量、凋萎含水量及作物不同生长期适宜的含水量。

土壤含水量施墒情和旱情监测的主要指标、土壤水份状态可由重量含水量、体积含水量、土层中的蓄水量和土壤相对湿度四个指标来表达。

具体可根据规的换算关系来进行换算。

另外浅层地下水水位的变化及地下水埋深也是影响土壤墒情变化的重要要素之一。

实际墒情监测中也应对地下水进行监测。

（四）作物种类及生长发育状况

墒情监测站点还应收集代表区域的作物种植情况，即作物的种类，作物的分布情况及各种作物占总面积的百分比。

观测土壤含水量的同时记录作物的播种日期，作物生长发育期，观察作物的生长发育状况。

记录代表地块的作物的水分状态，以涝、渍、正常、缺水、受旱等分级来表示。

收集不同作物、不同生长期的适宜土壤含水量资料，此含水量值一般以土壤相对湿度来表示。

旱地田间积水时间超过24小时为涝、地下水面达及土壤表层为渍、土壤含水量小于适宜土壤含水量时为缺水（脱墒）、土壤含水量小于凋萎含水量时为受旱。

收集不同作物不同生长期脱墒和受旱的临界含水量资料，记录脱墒和受旱开始的日期，受旱的天数，代表区域干旱程度及干旱的分布情况。

1.8主要专业术语解释

旱作农业区：

指主要依靠天然降雨和集水补充灌溉而从事农业生产的区域。

除以粮食安全为核心的种植业外，还包括林果、牧草等种植区域。

土壤墒情与早情监测：

指通过对降雨量、气温、土壤含水量、农业技术配置、作物产量、灾害性天气等的观测记载，分析耕地土壤水分动态变化，分析土壤墒情对作物的影响及旱情程度。

土壤墒情评定指标：

以土壤含水量与田间持水量比值的百分数表示。

根据土壤墒情评价指标，把土壤墒情分为五个等级，即过多、适宜、轻度不足、不足、严重不足。

✧“过多”为高于相对适宜含水量；

✧“轻度不足”根据生产实际情况确定，介于适宜和不足之间；

✧“不足”为低于相对毛管断裂联系含水量；

✧“严重不足”介于不足和相对凋萎含水量之间。

✧旱情评价指标：

把旱情分为轻早、中旱、重旱、极旱四个等级。

Ø墒情“轻度不足”即为“轻旱”；

Ø墒情“不足”即为“中旱”；

Ø墒情“严重不足”即为“重旱”；

Ø小于相对凋萎含水量即为“极旱”。

2墒情自动化监测系统总体设计

2.1总体思路

墒情自动化监测系统是一套集土壤含水率数据的采集、传输、存储到对大量采集数据的集中管理、统计分析、预测以及显示的完整解决方案。

系统是基于墒情监测、墒情预报、旱情分析、旱情统计、抗旱管理功能为一体的综合系统。

通过旱情信息中心的建设，完成信息的接收、处理、发布、应用等工作；系统总体设计灾地市级建立旱情信息站、县级以下设立墒情采集点，建立全面、综合的旱情数据库和抗旱管理调度模型，为抗旱决策提供科学依据和技术支持。

全面实时监测和掌握旱情的发生及发展趋势，提出相应的抗旱减灾对策，实现由单一农业抗旱向生产、生活、生态全面抗旱，由被动抗旱向主动防旱抗旱，由传统抗旱向现代抗旱转变，提高抗旱工作水平！

2.2系统组成

系统整体由采集终端、数据传输系统及监测中心三部分组成，结构如下图所示。

2.3系统功能

墒情自动化监测系统能够在线监测土壤湿度、雨量、蒸发量、地下水水位等旱情监测数据，实现旱情数据的自动采集、记录、处理、传输，同时可以将实时数据通过多种通讯方式混合组网传送至中心站，通讯信道可实现主备路由自动切换。

系统支持多级网络结构，平稳实现计算机网络与遥测网络连接。

系统软件平台采用B/S结构、TCP/IP协议，可在网络计算机上通过浏览器实现数据的在线浏览，数据库存储采用分布—动态同步数据存储，实现多个节点数据中心数据库之间任意表、站和参数的数据实时同步。

（1）遥测系统功能要求

    实现全省（市）墒情信息自动采集、传输和接收，可采用中心召测、中心巡测和终端主动发送三种运行方式。

（2）旱情信息管理系统功能要求

    利用现有工作基础，系统采用B/S和C/S混合的多层体系结构。

以现有防办综合数据库为载体，进行一定的增加设计，形成旱情数据库，以地理信息系统为平台，通过WEBGIS服务，使用C/S结构旱情相关数据的导入等功能，利用浏览器进行旱情信息的查询、分析、预测、管理等交互。

全面实现实时快速准确地搜集全省旱情有关的各类信息，如土壤墒情信息、水情信息、气象信息、农情信息以及水利工程蓄水、引水、提水等情况，通过对各类信息的综合分析，实时监测旱情发展过程和发展趋势，分析干旱灾害程度及造成的损失和影响，拟定抗旱减灾方案和对策。

从而使省防汛抗旱总指挥部能及时全面掌握全省围的旱情形势以及旱情对农业生产和群众生活造成的影响，采取有效的防旱、抗旱措施，以使旱灾造成的损失和影响降到最低程度。

    1）建立旱情综合数据库，实现旱情信息的集中管理和二级信息共享。

旱情数据库依据属性不同分为八类：

气象水文数据、抗旱水源数据、抗旱工程数据、实时旱情数据、社会经济数据、抗旱管理数据、历史旱灾数据、图形数据。

数据库的表结构依据上述八类数据的分类标准，按国家防总表结构形式分别进行表结构设计。

数据库管理系统采用大型网络数据等技术来建立，系统软件设计采用C/S体系结构（要求在省市级能用），旱情信息查询系统软件设计采用B/S体系结构（要求在省市级能用）。

   2） 建立空间数据库，整合GIS数据和其他数据，统立基于服务器（采用ORACLE数据库平台）的空间地理数据库，实现各种应用系统共享。

   3）完成COM+组件开发，COM+组件包括基于ArcInfo的电子地图组件，数据库访问组件、数据统计分析计算组件、墒情预测模型组件、遥感监测预报模型组件、旱情分析模型组件、旱灾评估模型组件、文件上传组件、用户安全认证组件。

    4）完成客户端软件开发，包括属性数据和空间数据库维护、各种应用模型管理、日志记录、系统配置。

    5）完成浏览器端软件开发（要求在省市级能用），包括以下模块：

基本信息、水文信息、水资源信息、墒情信息、遥感信息、旱情分析、旱情预测、旱情统计、抗旱预案和评价、抗旱会商、系统管理。

    6）系