黑龍江墾區(qū)橫跨小興安嶺南麓、松嫩平原和三江平原地區(qū), 土壤類型多樣且降雨分布不均導(dǎo)致各地區(qū)土壤墑情差異明顯。開展集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算等技術(shù)為一體的土壤墑情監(jiān)測技術(shù)體系研究, 能夠為墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐, 實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)高效并節(jié)約高效利用水資源。

黑龍江墾區(qū)位于東經(jīng)123°40′~134°40′和北緯40°10′~50°21′, 分布在黑龍江省12個地 (市) 74個縣 (市、區(qū)) , 橫跨小興安嶺南麓、松嫩平原和三江平原地區(qū)。黑龍江墾區(qū)作為我國農(nóng)業(yè)先進生產(chǎn)力的代表, 是我國重要商品糧基地、糧食戰(zhàn)略后備基地和全國最大的綠色、有機、無公害食品基地, 為保障國家糧食安全做出了重大貢獻, 是國家糧食安全的“壓艙石”。黑龍江墾區(qū)現(xiàn)有耕地286.7余萬hm2, 主要有棕壤、白漿土、黑土等多種土壤類型, 加上降水量和溫度等氣象因素的影響導(dǎo)致各地區(qū)土壤墑情差異明顯。因此, 黑龍江墾區(qū)有必要加強農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測來提高農(nóng)業(yè)管理的信息化水平。在土壤墑情數(shù)據(jù)的支撐下, 墾區(qū)管理部門和農(nóng)場職工可以實現(xiàn)科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理, 節(jié)約高效利用水資源, 實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)高效。

1 墾區(qū)土壤墑情監(jiān)測的總體設(shè)計

為了準確的掌握墾區(qū)土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù), 規(guī)范墑情監(jiān)測和統(tǒng)計數(shù)據(jù)格式, 并進行集中的管理和分析, 需建立起科學(xué)有效的數(shù)據(jù)管理、分析和傳輸系統(tǒng)。

按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局、資源共享”的基本原則, 以系統(tǒng)工程思想為指導(dǎo), 根據(jù)土壤墑情監(jiān)測的時間性、準確性和高效性, 以土壤墑情數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、預(yù)報為目的, 集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算等技術(shù), 建立一個集土壤墑情數(shù)據(jù)采集、處理和分析并具有一定拓展性的土壤墑情監(jiān)測技術(shù)體系。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土壤墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

黑龍江墾區(qū)地域范圍廣, 各農(nóng)場分布在74個縣 (市、區(qū)) 。根據(jù)土壤墑情監(jiān)測規(guī)范要求, 科學(xué)合理地進行固定監(jiān)測站點和移動監(jiān)測站點的布設(shè), 建立覆蓋全、設(shè)備先進、運行可靠的墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

以農(nóng)場為單位, 綜合考慮土壤類型、水文、氣象條件等因素, 并根據(jù)水稻、玉米、豆類的栽培措施來布設(shè)監(jiān)測站點。選用準確度高、測量值可靠的土壤溫濕度傳感器, 選用體積小、操作簡單、性能可靠的土壤墑情自動監(jiān)測站, 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸, 統(tǒng)一設(shè)定墑情參數(shù)的采樣周期和存儲周期, 完成高頻率數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3 基于遙感技術(shù)的土壤墑情數(shù)據(jù)反演

在地面墑情實測值的支持下, 利用遙感技術(shù)進行土壤墑情數(shù)據(jù)反演具有宏觀、快速、經(jīng)濟等優(yōu)點, 有效克服了地面數(shù)據(jù)代表范圍有限的缺點, 成為一種有效的監(jiān)測手段。

利用數(shù)據(jù)同化技術(shù), 可以實現(xiàn)地面實測、遙感反演和模型模擬相結(jié)合, 顯著提高土壤墑情監(jiān)測的精度。采用NOAA/AVHRR、EOS/MODIS、Landsat8、哨兵等多源、多光譜的遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用溫度植被干旱指數(shù) (TVDI) 、垂直干旱植被指數(shù) (PDI) 和地表含水量指數(shù) (SWCI) 進行土壤墑情數(shù)據(jù)反演。

利用數(shù)據(jù)融合方法實現(xiàn)對NOAA/AVHRR、EOS/MODIS土壤墑情的空間降尺度, 獲取不同作物類型土壤墑情空間分布, 制成土壤墑情遙感監(jiān)測專題圖。

4 基于GIS技術(shù)和云服務(wù)平臺的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遙感技術(shù)獲取的墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 以土壤類型數(shù)據(jù)和降水量、蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)為變量, 采用基于GIS技術(shù)和云服務(wù)平臺構(gòu)建墾區(qū)土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。

GIS數(shù)據(jù)庫整合文字、表格, 專題圖、地理信息等實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲和管理的一體化。系統(tǒng)實時地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理和空間分析, 并得到各地區(qū)的墑情分布圖和墑情數(shù)據(jù), 系統(tǒng)可以實現(xiàn)土壤墑情數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計、查詢、導(dǎo)出。

系統(tǒng)還可以將土壤墑情與主要農(nóng)作物的生育期結(jié)合起來, 結(jié)合農(nóng)業(yè)專家知識和農(nóng)作物墑情評價指標體系, 結(jié)合天氣預(yù)報信息給出農(nóng)藝措施建議, 最終生成土壤墑情簡報。

5 結(jié)語

黑龍江墾區(qū)在“建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大基地、大企業(yè)、大產(chǎn)業(yè), 努力形成農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的航母”的發(fā)展道路上, 需要不斷用信息化手段來提高農(nóng)業(yè)管理水平和科技貢獻度。黑龍江墾區(qū)土壤墑情監(jiān)測技術(shù)體系集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、云計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為一體, 全面、及時、準確的反映墾區(qū)農(nóng)田土壤墑情狀況, 揭示土壤墑情的地域差異規(guī)律和時間變異規(guī)律, 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐, 構(gòu)建區(qū)域化、低成本的農(nóng)業(yè)信息化管理方式, 促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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