基于WebGIS变量施肥决策系统的研究

新疆兵团绿洲生态农业重点实验室 （石河子832000） 吕 新

新疆吉尔利数字技术有限公司 （石河子832000） 李 军 罗晓东

国家节水灌溉工程技术研究中心 （石河子832000） 李富先

引言

自2005年开展测土施肥、平衡施肥以来，兵团各团场积累了大量的土壤养分、盐分、质地、施肥情况等资料，对于这些资料部分团场加以利用，开发出了计算机条田信息管理、计算机决策施肥等系统。为了对这些信息进行有效、可视、形象的管理，并使它们能够及时、准确地为更多农场职工服务，开发了基于Web GIS变量施肥决策系统研究。

1 研究目标

（1）利用GIS技术，建立棉田土壤养分属性数据库与图形数据库，实现养分信息高效管理，为膜下滴灌棉田施肥决策提供数据基础；

（2）完善优化棉花膜下滴灌施肥决策支持系统，为膜下滴灌棉田变量施肥提供实时的肥料施用决策。

（3）研制开发膜下滴灌棉田变量自动控制施肥装置。

（4）构建棉田养分管理、施肥推荐决策与滴灌施肥自动控制为一体的综合管理系统。

2 研究方法与方案

本研究针对膜下滴灌条件下水肥一体化高效管理与滴灌施肥自动化控制问题，以研究开发滴灌棉田变量施肥装置为重点，采取模块化设计研究开发，优化集成组装，协同高效运行的方式，其基本方法为设计制定总体设计方案，在总体设计方案指导下，进行棉田土壤养分信息数据库建立、膜下滴灌棉田施肥决策支持系统、滴灌棉田变量自动控制施肥装置三个主要部分的研究开发，并将三部分有机组装，构建棉田养分管理、施肥推荐决策与滴灌施肥自动控制为一体的综合系统；选取一个典型农场，开展实验研究，获取棉田养分属性与图件数据信息，建立数据库管理系统；滴灌棉田变量控制装置采取实验室模拟、小区田间试验与大田试验相结合的方法，反复优化运行参数，实现高效、准确和稳定工作。

组织从事棉花栽培、土壤肥料、机电、计算机、数学等多方面专业人员进行多学科合作，集成膜下滴灌棉田施肥技术等方面的成果，建立膜下滴灌棉田变量自动控制施肥系统，为生产管理服务。

3 膜下滴灌棉田变量自动控制施肥装置设计与研制方案

整套自动控制施肥装置设计由施肥装置（施肥灌）和施肥控制装置（控制箱）两大部分组成，它与滴灌设备输水管主管道并联安装。施肥装置（施肥灌）能够实现水肥混合和施肥装置自动清理的功能；施肥控制装置（控制箱）主要通过手动控制与软件控制对整套自动控制施肥装置进行控制，实现膜下滴灌棉田变量自动控制施肥。整套设备平面剖切图见图1。

图1 自动控制施肥装置平面剖切图

①施肥装置（施肥灌）的设计与研制方案：设计研发集肥料存储、混合与施用的多功能为一体的施肥装置，主要包括肥料搅拌装置、水位报警器与清理装置，实现肥料与灌溉水能均匀搅拌，迅速溶解、水位上限、下限报警、肥料杂质清理等主要可控操作。

A．材料的选取：考虑到施肥罐体的工作特性，选用高拉伸强度、高熔点、低导热率、耐酸碱等生物化学特性优良且成本较低廉的PVC材质作为施肥罐罐体材料。

B．容积的设计：考虑到各种滴灌肥料溶解特性以及大田滴灌轮灌区的需水量和灌溉时间的范围，进行不同型容积施肥罐选型实验，确定在大田应用中最适宜的施肥罐容积。

C．水肥混合功能设计：考虑到降低研发成本、方便定时清洗，可设计成利用管道水压冲击出的涡旋将肥料快速溶解。将施肥罐罐体内部高于底端出水口部分设置一内置环形管道，内置环形管道与施肥罐罐体内部由6个逆时针方向的出水口。通过模拟实验，确定施肥罐侧壁厚度、内置环形管道直径、6个逆时针方向出水口长度和直径及与出水口处的切线夹角（见图2）。

D．水位感应器设计：为防止肥料溶液溢出和肥料溶液的干抽，通过模拟试验，选择水位感应器设备，并确定上下水位感应器在施肥罐内最合适的安装位置。

图2 水肥混合功能设计

E．清理装置的设计：设计一种安装在施肥灌底端的清理装置，获取排污管口径、防止堵塞等设计参数，实现最佳清理效果。

②施肥控制装置（控制箱）的设计与研制方案：施肥控制装置（控制箱）：是实现棉花膜下滴灌变量控制施肥的主控制部分，主要包括施肥控制设备部分和软件控制部分，施肥控制装置（控制箱）是滴灌变量控制施肥装置的控制中心（图3）。它由总开关、由PID调节器调节的流量传感器、变频器、水位控制器、耐腐蚀泵和电磁阀组成。

图3 施肥控制装置设计方案

A．电磁阀的选择：考虑到电磁阀持续工作时间的长短，设计4号电磁阀为常开式电磁阀，1、2、3号电磁阀为常闭式电磁阀。

B．施肥装置注水控制设计：考虑到水压对肥料快速溶解的作用通，设计水位控制器对电磁阀进行有效的控制，并通过实验，设计与施肥罐连接的最佳进水管道直径值。

C．耐腐蚀泵功率的控制设计：通过水位控制器发出的信号或由PID调节器流量传感器发出的信号实现对耐腐蚀泵功率大小的调节。通过试验，选出适合大田滴灌灌溉的耐腐蚀泵型号。

D．水位传感器报警功能的实现：为了及时的对施肥罐内上下水位传感器发出的报警信号做出有效的反应，当施肥罐注水水位达到上水位传感器时，上水位传感器向水位控制器发出信号，水位控制器接到信号后控制1、3、4号电磁阀关闭，2号电磁阀开启；施肥罐中肥料溶液抽取降到下水位传感器时，下水位传感器向水位控制器发出信号，水位控制器接到信号后控制1、4号电磁阀开启，3号电磁阀关闭，2号电磁阀保持开启状态。

E．滴灌施肥控制设计：将流量传感器设计安装在耐腐蚀泵上，用来检测肥料溶液流量，通过PID调节器，将流量传感器信号传递给变频器，再由变频器调整耐腐蚀泵泵水功率，将施肥罐中的肥料溶液在一定灌溉时间内均匀压入灌溉系统，实现对膜下滴灌施肥的变量控制。流量传感器可实时监控耐腐蚀泵工作，实现耐腐蚀泵→流量传感器→PID调节器→变频器→耐腐蚀泵的循环控制。

F．软件控制设计：软件的功能按各部分工作性质，设计为较独立的4个工作模块，主要清理控制开启/关闭模块、轮灌区施肥控制模块、实时灌溉时间监测模块、灌溉施肥时间监测模块。采用vb.net编写，控制指令由USB接口传输控制信号给施肥控制设备。

4 系统的建立

4.1 数据库的建立

选择了SQL Server作为基础数据库平台地图数据则由SuperMap IS多制图引擎完成。

基础数据库的建立。基础数据库数据主要包括：条田养分、盐分、质地、pH值、灌溉种类、目标产量、施肥参数等。主要用于施肥量及施肥方法的推荐。

地图数据库的建立。地图数据库数据主要包括：条田养分、盐分、质地、pH值、灌溉种类、目标产量等，主要用于做条田信息专题图。

作物诊断数据库数据主要包括：作物名称、症状关键词、症状图、防治措施等，用于作物相关诊断。

4.2 系统用户权限

SQL Server提供了2种安全模式：Windows验证模式和混合模式，选择好安全模式之后须对安全等级进行设置。分别按照部门权限分别设置为浏览权限、数据维护权限、系统管理权限3种权限，并给于不同的用户名及密码，这样既提高了数据的安全性，又防止了其他人员对数据的非法操作。

5 系统的特点

5.1 提高了施肥决策的精准度

系统克服了仅以目标产量法或肥料效应函数法为决策依据的单一理论模型所存在的参数不稳定、应用有局限性等弊端，取之以生态系统和土壤肥料系统养分循环为基础，以作物配方专用肥为载体，综合运用地力差减法、养分平衡法和肥料效应函数法，通过综合评判，分析、验证建立了多功能施肥模型，可提高施肥决策的精准度，而且具有较强的实用性。

5.2 涵盖多种主栽作物与灌溉施肥决策

系统克服了仅针对一种作物、一种灌溉情况来研究的缺陷，它集新疆南北疆现有主栽作物在常规灌溉条件下的施肥决策和棉花滴灌水肥耦合精准投入决策于一体，能对常规灌溉条件下的棉花、小麦、玉米、甜菜、油葵等多种作物在不同生态条件、不同气候条件、不同土壤质地，不同肥力水平、不同目标产量条件下进行施肥决策，对棉花在滴灌条件下的水肥耦合精准投入进行决策。

5.3 数字化条田档案管理

对于历年的条田信息，系统利用集成的数据捆绑和更新功能，只需通过在Excel中把数据进行简单的处理，再通过系统的捆绑和更新功能即可把试验及化验数据导人系统中。同时，利用系统的数据导出功能，可将历年的土壤养分、作物产量和施肥情况等导出备份即为一份完备的条田电子档案备份。另外，系统的条田档案功能以图表的形式形象集中的反映了单块条田的土壤养分、作物单产与施肥情况等方面的历年变化情况，对该条田地力的综合评价给予极大的方便。

5.4 GIS地理图库管理

数据维护端基于GIS具丰富、全面而直观的桌面地图功能。集成了多种作图工具，使地图编辑更简化、快速，专题图内容更为全面、完善。

5.5 SQL农田信息查询

系统集成有强大的SQL查询功能，只需通过简单的鼠标点选即可进行单字段模糊查询、多字段复杂查询，使信息查询和定位更为准确、快速、方便。

5.6 远程数据录入与维护

系统以网络为平台，只要用户拥有权限就可以在浏览器端远程进行系统参数或基础数据的更新与维护，同时也大大的增强了资源的共享性。

6 小结

该系统的建立与应用，能使作物营养与土壤养分处于最佳动态平衡状态，达到提高作物产量、改善产品品质、维护土壤养分平衡、培肥地力、减少污染、改善农田生态环境的目的。