数字化信息技术在农业节水灌溉中的应用_高克

智慧农业导刊

Journal of Smart Agriculture

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农业是我国国民经济的支持型产业，在健康可持 续发展理念下，要做好现代化农业的数字化发展[1] 。我 国传统农业具有人多耕地少及农业成本高 、效率低的 特点，在生产中常浪费大量的人力和物力，农产品产量 及质量不高， 且我国的水资源相对较贫乏 。在有限的耕 地及水资源基础上怎样减少资源浪费，提高耕地单位 产出率是当前农业发展面临的问题，急需寻找解决措 施 。随着信息技术的高速发展，各领域已大量应用数字 化信息技术 。农业信息化、智能化成为了农业的必然发 展趋势，我国农业也将信息化技术融合到农业发展中， 为农业提供了高效的生产和管理方案，使农业从粗放 型向精准农业转型 。精准农业是基于现代信息技术发 展的农业技术革命， 把粗放型农业向知识、技术型现代 智慧农业转变 。美国和日本将精准农业认定为现代农 业可持续发展的实现路径，其发展技术已趋于成熟，在 各种大型智能化农具上应用了多种电子监控设备、远

程控制装置， 实现了精密播种、合理施肥及灌溉[2]。

信息化技术的发展带动了现代数字化农业的发 展，自动灌溉也随之发展，其经历了 3 个阶段 。第一是 在农业中引入了智能微电脑控制、无线数据传输、实时 自动感应等信息技术，经环境感知、自动控制、机械反 馈结构使农业灌溉实现了远程自动喷水及灌溉控制， 提高了灌溉效率； 第二是以信息技术为手段，结合农作 物的不同生长阶段所需水分数据，经设计合理灌溉程 序改变传统粗放灌水模式为精确灌溉，实现了精细化 管理，提高了水资源利用率；第三是无线网络技术的应 用，以 3G、4G 无线通讯网络技术及传感器技术作为基 础的物联网技术， 可对土壤和环境信息进行远程感知， 辅以远程诊断系统， 提高了生产效率、节省了管理维护 费用 。农业节水灌溉离不开数字化信息自动控制技术， 经传感器设备监测土壤环境指标，获得空气土壤湿度、 土壤盐分等控制参数实现按需自动供水 。数字化信息

作者简介：高克(1981-) ，男，总经理 。研究方向为数字农业、农业物联网。

技术的推广可使水资源获得缓解，能进一步提高农作 物的产量及质量，减少种植成本 。所以，现代农业发展 中，应探寻出当前农业节水中的不足，以进一步完善节 水灌溉系统， 进行精确化控制，优化灌溉效果、促进农 业节水。

1 国内外研究现状

我国农业灌溉技术已有数千年历史，从楚国的大 别山来水，泉河修建蓄水坡塘既防水涝又供灌溉，再到 春秋时西门豹的十二渠灌溉农田[3] 。随着现代农业节水 的发展，灌溉技术出现了漫灌、喷灌、滴灌、微灌、渗灌、 调亏灌溉和分根交替灌溉 。一些农业发达的国家也研 发了先进的节水灌溉技术，使水资源利用率达到了 95% 。虽然我国也从发达国家引入了节水灌溉技术，但 在总灌溉面积中使用率较小，对水资源的利用率仅为 50%。导致此现象大致有 2 个原因： 其一是系统投资、运 行、维修中需较大的费用投入；其二是系统运行较复 杂、专业性强， 需要专业人才 。所以， 当前对农业节水灌 溉技术的研究方向是经各种方式降低节水灌溉系统的 投入成本及运行费用，以促进节水技术的更好发展。

农业灌溉用水占总用水量比重较大，很多发达国 家研发出先进智能的节水灌溉技术，设计出的灌溉产 品工艺精湛、功能完善 。常见的灌溉设备有中心支轴式 喷灌机、平移式喷灌机、固定式管道喷灌机和移动式小 型喷灌机等 。我国自 1950 年就开始了输水灌水系统， 也开始使用了发达国家经信息技术调制及控制系统来 实现的智能化灌溉系统[4] 。最为代表性的是以色列，对 灌溉水资源的利用率超过 85%，单个项目可达 95%，喷 灌技术占总灌溉面积的 45%，滴灌技术占到 50%[5] 。美 国节水灌溉控制系统水平也较高，在伊姆皮里和考契 拉罐区都有应用信息化电子技术发展智能化的灌溉控 制系统，包括土壤墒情的监测及灌溉预报自动化管理， 以减少输水损失，提高水资源利用率 。澳大利亚也推广 了节水灌溉技术，研发出来基于生物生长补偿式微喷 头及地下滴灌技术 T-TAPE 滴灌带，提升农业生产效率。

21 世纪，无线通信技术应用到农业领域，中国科学 院于 2002 年研发了 SP-1 农田环境参数采集及灌溉精 确控制系统，能对农田土壤、蒸发量、地下水位、管道压 力进行自动检测[6]。2005 年，有学者通过 GPRS 技术， 自 动获取农田环境参数，为研究环境因素对农作物生长 发育提供了数据支持[7] 。从这些发展看来，发达国家均 是从机器和水力控制发展到机电一体化，再到计算机、 智能化的信息化控制 。经不断更新换代，节水灌溉系统 的智能化和精确度越来越高。

2 已有的数字化信息技术

为更好地普及信息化技术系统，需在详实了解基

础上，实事求是， 针对问题进行分析 。因每个区域的具 体情况不同，这就要求熟悉成熟的数字化智能灌溉技 术，以探寻出真正符合我国区域农业节水情况 。 目前， 国际上较成熟的数字智能化灌溉节水技术有 2 种，即 专家系统和微机测控技术 。为了甄别 2 种技术的特性 及何种更适合我国国情，需对其技术进行比较分析以 适合我国农业发展， 促进现代化数字智能节水灌溉 推进。

2.1 专家系统技术

专家系统并不是经专家组织处理问题， 而是经专 家建立模拟人脑思维方式系统，经知识库、模型库、推 理机技术把农业节水常识知识与专家灌溉管理经验进 行归纳总结， 整理出可输入电脑的数据[8] 。如农作物的 生长周期、不同阶段需水量、昼夜需量差异、各阶段可 遇到的病害和解决措施等 。经一定法则梳理，以信息化 形式输入电脑， 便于定量表达及智能决策，以实现针对 性的措施 。在实际发挥作用时，仅需把农作物相应的状 态输入计算机， 在专家系统得到对应的知识，借助计算 机里存储的大量解决措施以产生详细做法 。这些做法 让我们知道怎么去处理状况，如灌溉量的增减、灌溉时 间转移， 根据指示进行对应操作即可 。但因专家系统依 据是一定量的知识，这些知识若改变了地点或位置需 进一步调整，如国外引进的相关系统其知识储备不符 合我国具体情况，进而需要我们及时调整这些数值 。若 差异较大时，还需对知识进行技术处理及录入计算机 编写新的法则 。这样会耗费大量时间，使专家系统存在 缺点 。所以，在应用专家系统时，要合理地看待问题，既 要看到优点， 又要看到缺点，要考虑地域差异对系统的 影响，做好差异权衡。

2.2 微机测控

相较于专家系统技术，微机测控节水技术更具科 学性，其不再是凭借经验，而是对不同区域情况进行针 对性处理， 表现出了较强的科技含量，不但把计算机和 传感器连接起来，还引入了通讯技术，提高了控制效 果 。传感技术能及时对土壤信息、环境变化进行及时反 应，根据科学模型分析，并以此调整灌溉量及灌溉时 间，有利于创设农作物生长的有利条件 。通讯技术发挥 着把传感器产生的结果传递给上机位，无论在何地均 可对结果进行及时分析，输出灌溉指令，以改变灌溉量 及灌溉时间， 提高灌溉效果控制。

从 2 个技术系统可以看出，专家系统技术用处更 全面，能对出现的状况及时有效处理，但成本投入较 高，对操作中素质要求也较高，准度也不佳 。结合我国 当前的农业节水灌溉要求，经济性是首要考虑目标 。因 我国水资源紧缺区域较多，若使用专家系统技术会引

起成本压力 。加之我国技术人才不充足，无法保障专家 系统技术发挥该有的作用 。微机测控技术的准确度较 高、技术应用地域跨度大，但也存在成本高问题 。所以， 可从降低成本入手， 增加系统控制范围，使其地域使用 范围更广，以减少相应的硬件建设成本，仅需增加传感 器或地间设备即可实现大区域范围的控制，以对节水 灌溉起到推动作用 。综上可知， 对农业节水数字化灌溉 技术的应用应从 3 方面进行考虑 。其一是经济性，对农 业发展所需设备而言，经济是基础，农业投入相应较 低，若过于昂贵， 无法在农村地区推行 。成本太高农民 承受不了，无法发挥其积极使用性，不利于节水目的的 实现 。所以，选择节水系统首先要考虑经济性，这也符 合我国国情 。其二是推广性，我国的地幅辽阔，农业发 展区域较广， 不同地区情况不同，所以，对农业节水灌 溉系统的选择要符合各区域的发展实际所需 。若无法 很好地衔接，导致具体情况不符，影响节水灌溉的实 行 。推广性与实行区域的地理特征有关，也和区域的不 同经济负担水平有关，系统的推广性需考虑施行效果。 其三是回报性，农业如果投入资金较大而仅能发挥节 水作用， 作用较单一， 农民积极性不会太高 。所以，需要 考虑回报性，是否能增加农作物的产量 、促进经济收 入，只有不断满足农业发展需求才能激发出节水灌溉 系统的积极性， 使其推广性更大，才能达到农业节水灌 溉最终目的。

3 数字化信息技术的系统应用需求

农业生产环境复杂多变，农作物生长受灌溉、环境 (土壤养分 、土壤温湿度 、空气温湿度 、风速 、太阳辐 射) 、病虫害等多因素影响[9]。为了能及时掌握农田和农 作物的动态，为管理提供数据，需通过信息技术对农田 信息进行采集及节水灌溉系统设计，设计出简单、成本 低、易推广的系统， 能实时监测土壤和农作物灌溉控制 参数，根据结果按需、精准灌溉， 以达到高效节水、高产 保质的目的。

3.1 测量参数

农作物种类多样，对水分需求量不同，按需、精准 灌溉需根据农作物需水特性控制灌溉量，让土壤含水 量符合农作物需求 。不仅能起到节水目的，还能促进农 作物的良好生长，使其优质高产 。对农作物而言，土壤 含水量不是越多越好，某些农作物反而会因水分过多 而影响生长，适量、适合的水分才对农作物生长有益。 实现按需、精准灌溉， 土壤水分测量是主要参数 。水分 是天然土壤重要部分，不仅影响土壤物理性质，还影响 土壤养分溶解、转移、微生物活动， 构成土壤肥力 。准确 掌握土壤水分含量，有利于研究水分动态变化规律及 空间分布，对适量、适时的灌溉有重要作用 。测量水分

可分为直接测量和间接测量法 。直接法经干燥或化学 反应测含水量；间接法经测量与水分变化有关物理量 间接测量水分含量 。实用的土壤水分测量方法包括采 土烘干法、电阻法、石膏电极法、中子探测法和负压式 传感器法 。为了满足简单实用、低成本、测量准确及推 广性广， 负压式传感器法较适用。

3.2 无线传感器网络技术

农田环境下，有线通信布线成本高 、安装调试不 便、维护困难 。所以， 以无线传感器网络进行信息自动 化采集，合理布置信息采集点，将相关信息监控指示通 过传感器转换为电子信号传送至控制中心，如水情、雨 情、灾情和水质等，实现远程自动化的遥测及遥控 。无 线传感器网络体系结构组成有管理节点、传感器节点、 汇聚节点 。管理节点起到传感器网络配置及监管作用， 发送控制命令给传感器节点，是用户终端 。传感器节点 有多个，分布在监测区域，对周围环境感知及数据采 集，将数据发送给汇聚节点。特点是体型小、功耗低。汇 聚节点对传感节点采集的数据进行收集，经互联网、卫 星、移动通信网络把数据传至管理节点。

常见的无线通信技术有 ZigBee、蓝牙、UWB 超宽 带、WiFi[10] 。ZigBee 是远程监控及传感器网络的标准技 术，具有短程、自组织、低功耗特点，可嵌入各种设备。 蓝牙可取代连接便捷式及固定式设备电缆，保持通信 安全性及低功耗 、成本 。蓝牙系统不仅支持点对点连 接，还支持点对多点连接，数据传输速率能达到 1 Mbps， 但通信范围仅在 10 m。UWB 超宽带在高速短程通信中 应用较好， 具有高精度测距、高安全性、可扩展性的特 点，与蓝牙技术比较，数据传输速率更高，能达数百Mbps， 可在几秒内交换文件数据。WiFi 是无线局域网，允许用 户连接到接入点以宽带上网 。其传输速度快、传输距离 远、与其他业务兼容性好、安全性高，可应用在各个领 域 。以上技术中 WiFi 的安全性不高，但覆盖范围广、数 据传输速率快， 便于接入外网，适合数字化智能信息采 集及节水灌溉系统要求。

3.3 3S 技术

3S 是对水资源地理空间分布及信息可视化管理的 有效手段。GPS 是定位系统； GIS 是地理信息系统，优势 是能在把水利中各类信息与反映空间位置图形信息集 成为一体，根据用户需求进行分析和处理，把各种信息 及空间信息结合起来经可视化方式提供给所需者； RS 是遥感技术， 被应用在土壤和植被旱情的监测中，为水 资源合理分配及灌溉决策提供有效依据。

有学者基于 GIS 的作物合理灌溉模型设计关键因 素，分析影响因子对水资源作用方法，先确定干旱持续 时间范围，再分析水资源流量、分布、土壤水分保持、渗

透和蒸发变化情况， 最后按理论可用水资源、当前所用 灌溉方式 、灌溉水资源耗损，获得农作物实际所得水 量 。另有学者基于地理信息系统灌区用水管理系统开 发了新思路， 分析系统数据库、模型库、专题图库设计 基础上，根据用水管理系统多目标特点，探讨了 GIS 的 应用，提出了发展预测，可把系统结合卫星定位 GPS， 实现精确定位分析， 并把人工智能技术引入系统，使其 具有智能性专家决策支持系统[11] 。各学者均认为，数字 技术应用在农业节水灌溉中，可进一步提高水资源利 用率 。地理信息系统的存储、管理空间数据属性、空间 分析功能能用于农业节水研究中 。当前， 已有的数字农 业节水从基础专业数据库建立、小型系统应用、解决单 方面问题基于地理信息系统模型设计到了一定区域智 能决策建立。

3.4 控制仪器

控制仪器要有广泛适用性，尽量简易化、小型化、 易操作、低成本， 对土壤墒情实时监测，按农作物需水 特性进行精确灌溉 。为做好农业节水，需精确灌溉， 对 土壤水分是自动化设备监测的主要参数 。 同时也要考 虑土壤温度对农作物生长和灌溉的影响，对土壤温度 进行监测 。土壤水分可经负压式土壤水分传感器对土 壤水吸力进行测量，土壤温度可经半导体集成精密温 度传感器 LM35 进行测量。故数字化节水灌溉控制仪器 主要工作就是监测土壤水分及温度，根据土壤水分传 感器及温度传感器传送的信息进行判断，若土壤缺水 就给出控制信号， 控制灌溉设备灌溉，若土壤不缺水就 不灌溉或停止灌溉信号。

3.5 节水灌溉控制

当前， 因我国各区域条件及资金投入差异，农业节 水中装备的灌溉系统设备差异较大，有使用电机输水、 水泵加压、电磁阀控制 。若想要使控制系统有通用性， 就需给出控制信号能控制不同输水设备 。经研究发现， 前述输水设备都是经电源工作，若在设备电源线上增 设开关，经控制系统控制开合，控制系统即可控制这些 设备，不仅实现了数字化技术控制灌溉，还实现了控制 信号的通用性。

选择节水灌溉方式时，因不同土壤渗水能力不同， 如砂土渗入性较强，粘土渗水能力弱 。渗水能力强的灌 溉效果能很快显现，控制仪器能经土壤吸水传感器检 测到土壤含水状态，可停止灌溉 。对渗水能力弱的，水 分无法及时渗入土壤，传感器检测出土壤仍缺水，控制 仪器会继续灌溉， 待传感器测出土壤不缺水时，水量已 超出农作物所需量， 不仅导致水资源浪费，还不利于农 作物生长 。所以，对不同土壤应选择适宜的灌溉方式以

达到节水目的。可在测控仪设置以下 3 种灌溉方式。第 一种是上下限浇灌，设定土壤水吸力上、下限值及温度 参数 。测控仪器检测到土壤水吸力大于上限值，表明农 作物缺水， 控制仪给出信号灌溉 。当检测到土壤水吸力 低于下限时，表明水分足，会停止灌溉 。第二种是延时 浇灌 。设定土壤水吸力上限值、延时时间、温度参数， 当 检测到土壤水吸力大于上限值，表明缺水， 控制仪给出 控制信号浇水， 当浇水时间达到延时时间 t1 后表明浇 水足，测控仪停止灌溉 。第三种是综合浇灌，设定土壤 水吸力上、下限值及延时时间、温度参数 。若检测土壤 水吸力大于上限值，表明缺水，控制仪给出信号灌溉， 时间达延时时间 t1 后，停止灌溉待水分深入土壤，时间 达 t2 后再检测土壤水吸力， 若低于下限值说明水足，停 止灌溉， 若大于下限值表明还需灌溉，则继续，时间达 t1 时停止。再等待、检测循环，至土壤水吸力低于下限值。

4 结束语

通过综述可知，在信息化背景下，农业节水中数字化 信息技术的应用至关重要。可提高水资源利用率，促进农 作物优质高产，对推动农业健康可持续发展意义重大，需 进行不断的探索研究，以促进农业的不断提升发展。

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