基于ArcGIS的农田灌溉用水监测系统设计

2021-02-03周扣明胡春杰张英建

江苏水利 2021年1期

周扣明，胡春杰，张英建，李承

(1.南通远控自动化技术有限公司，江苏南通 226000； 2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；3.江苏南水科技有限公司，江苏南京 210012； 4.海安市水利局，江苏南通 226600)

农业用水是社会用水的主要组成部分，而灌溉用水占农业用水的95%，灌溉用水量数据统计的准确性与合理性对用水总量统计和水资源管理考核都是至关重要的。目前农田灌溉用水量统计方法非常单一，常用的方法有：一是水资源公报中的用水量统计。其主要采用典型调查获取行业用水指标定额测算用水总量，统计精度不高，统计结果复核困难[1]。二是灌溉用水有效利用系数测算统计灌溉用水量[2]。采用以典型实测为主、调查统计为辅的方法，选取主要的灌溉渠首，并布设量测水设施，从而形成“渠首计量点”，并开展灌溉用水量实测，这种方法原理简单易懂，但是样点灌区数量少，农业用水量统计方法相对粗放。

2017年河北省出台了如《河北省农业用水限额及水量核定工作办法(试行)》和《河北省农业用水以电折水计量实施细则(试行)》等相关文件，提出农业用水可采用“以电折水”测算统计农田灌溉用水量。“以电折水”是根据用电量进行用水量换算，其主要原理是当河网水位变幅不大时，机组效率可认为不变，因此可通过率定以电折水转换系数，求得水泵提水量与电量的关系，即每度电的提水量，在以后统计用水量时，只要统计用电量即可。

针对目前各种统计方法存在的问题，结合江苏省农业水价综合改革和海安市农田灌溉现实情况，借助ArcGIS Server平台和物联网相关技术，本文设计了一套农田灌溉用水监测系统。通过对灌溉泵站电量的测量，配合人工率定以电折水转换系数，从而准确地换算得到用水量，然后采用Internet/GPRS网络相结合的方式传送到后台服务器，实现了用水量、电量、水价的显示查询以及网络共享等功能，方便各级用户查看数据，合理调配水资源。

1 ArcGIS概述

ArcGIS Server是一个基于Web的企业级GIS解决方案[3]，充分利用了ArcGIS的核心库ArcObjects，并且基于工业标准提供WebGIS服务,在分布式环境下可以实现地理信息数据管理、制图、空间分析、编辑。ArcGIS Server架构组成包括服务器端的GIS Server、Web Server、Data Server以及Web浏览器，各个组件可以部署在不同的机器上，在进程的管理、启动和关闭以及对象运行中起到负载均衡的作用。ArcGIS Server结合了GIS技术和网络Web技术，综合发挥GIS的空间分析和处理网络Web技术促进全球互联与信息共享。

2 系统总体设计

农田灌溉用水监测系统采用B/S模式，在服务器端接收与存储并发布取水泵站点信息、用电量信息及设备工情信息数据。为了清晰地定义和控制系统结构，保证系统的扩展性，在功能设计、数据库设计的基础上，对系统的总体结构进行了详细设计。系统体系结构如图1所示。

图1 系统结构

2.1 采集层

采集层包括电流互感器、流量计、ARM处理器、M26通信模块及供电模块，其硬件架构图如图2所示。主控板芯片采用型号为STM32F103RET6,其内核低功耗、性价比较高，能够及时处理各种传感器采集的数据并实时传送到中心站。

图2 硬件架构

2.2 网络传输层

网络层主要任务是完成采集信息的传送，是物联网信息的承载网络。物联网中的接入设备结构不同，物联网应该是泛在的，而且物体是移动的，因此物联网网络层需要支持移动性，实现无缝接入[4-5]。本文采用Internet/GPRS网络相结合的方式将用水量和流速数据传送到服务器进行存储与处理。

2.3 应用层

应用层是对采集层的采集数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。本文采用HTML、CSS、JavascriptD等网页开发相关技术[6-7]，以SQL Server为后台管理数据库，语言采用3层架构体系和组件技术，研发了一套农田灌溉用水量监测系统，为用户提供了各个泵站地图快速浏览与定位，泵站信息数据查询，泵站提水量数据查询及种植面积等功能，实现了灌区泵站信息资源多部门共享，提高系统的友好性与实用性，为海安市水利局的水资源公报和用水量统计提供技术支撑。