一种微咸水滴灌水肥控制方法、设备及系统

本发明涉及智能滴灌领域，更具体地说，它涉及一种微咸水滴灌水肥控制方法、设备及系统。

背景技术：

1、大棚微咸水滴灌技术是指在大棚内使用微咸水进行灌溉，通过水滴灌溉系统将含盐量较低的水滴均匀地滴落到植株根部，控制土壤水分和盐分的供应，从而达到调节土壤水盐分布的目的。

2、由于大棚内封闭的环境特点和现有的微咸水滴灌水肥控制方法中灌溉方式的限制，土壤盐分的积累较为严重，特别是近根部的地区。其次，大棚土壤的水分分布不均匀，导致部分地区的土壤水分过多而其他地区缺水。不均匀水盐分布会导致根部附近土壤盐分积累导致葡萄根系受损，光合作用减弱，产量较低。

3、因此，需要设计一种新的微咸水滴灌水肥控制方法，用于精准控制在葡萄的生产周期内对灌溉区域进行多次滴灌中每次滴灌的每个滴灌头出水的盐分浓度和流量，来控制灌溉区域内土壤的水盐分布状况。

技术实现思路

1、本发明提供一种微咸水滴灌水肥控制方法、设备及系统，解决上述背景技术中提出的技术问题。

2、本发明提供了一种微咸水滴灌水肥控制方法，包括以下步骤：

3、步骤101，获取灌溉区域的土壤数据、作物生长状态数据和气象数据，土壤数据包括土壤的湿度、盐分浓度和温度，作物生长状态数据包括葡萄作物的芽眼萌发率、新梢长度与数量和坐果率，气象数据包括平均气温与极端温度、降水量和光照时数与强度；

4、步骤102，采用地统计学方法处理收集到的灌溉区域的土壤数据，并绘制灌溉区域的土壤盐分的空间分布图，根据灌溉区域的土壤盐分的空间分布图将灌溉区域划分为若干个区块，划分规则为同一区块内任意两个采样点的土壤盐分和水分条件相似性指数符合阈值要求；

5、步骤103，通过每个划分的区块的土壤数据生成该区块的土壤特征，通过每个划分的区块的作物生长状态数据生成该区块的作物特征，通过气象数据生成气象特征，将土壤特征、作物特征和气象特征输入滴灌控制策略网络，滴管控制策略网络输出滴灌控制策略；滴灌控制策略包括每个滴灌头对应的流量和盐分浓度。

6、在一个优选的实施方式中，在步骤102中，区块的划分规则为同一区块内任意两个采样点的土壤盐分和水分条件相似性指数符合阈值要求，相似性指数采用水分相似性指数法计算获得，阈值由经验设定，当两点间的相似性指数大于阈值时，则认为该两个采样点土壤盐分和水分条件相似，属于同一区块，反之则不属于同一区块。

7、在一个优选的实施方式中，对于灌溉区域的任意两个采样点a和b，其土壤条件的相似性指数的计算公式如下：

8、

9、其中，sswiab表示采样点a和b的相似性指数，xak、xbk分别为指标k在采样点a和b的标准化值，m表示指标总数，ui表示相似性权重参数。

10、在一个优选的实施方式中，滴管控制策略网络包括图数据编码层、特征组合层、隐藏层和输出层，其中图数据编码层输入土壤特征和作物特征，然后输出图编码特征；特征组合层输入图编码特征和气象特征，拼接输出组合特征到隐藏层，隐藏层输出隐藏特征到输出层，输出层输出每个可选的滴灌控制策略的q值，选择q值最大的滴灌控制策略作为输出。

11、在一个优选的实施方式中，滴灌控制策略网络包括：

12、构建图结构：

13、将灌溉区域划分的区块作为图结构的节点，当区块间有直接的相邻关系，则表示两个节点之间存在边；

14、图数据编码层：

15、输入：每个节点的初始节点特征是区块的土壤特征和作物特征的拼接，记作

16、图数据编码层的计算公式如下：

17、

18、其中，表示第i个区块的区块编码特征，表示第i个区块的初始区块特征，αij表示第i个区块和第j个区块的注意力系数，σ表示非线性激活函数，w1表示第一权重矩阵，ki表示第i个区块的邻居区块集合；

19、注意力系数αij的计算公式为：

20、

21、其中，αij表示第i个区块和第j个区块的注意力系数，a表示权重参数，t表示转置，exp表示自然指数函数，leakyrelu表示leakyrelu激活函数，ki表示第i个区块的邻居区块集合，w1表示第一权重矩阵，分别表示第i、j个区块的初始区块特征，表示与进行向量拼接；

22、

23、表示第i个区块的区块编码特征，concat表示向量拼接，bout表示图编码特征；

24、特征组合层的计算公式如下：

25、pin＝concat(bout，a)

26、其中，a表示气象特征，pin表示组合特征，concat表示向量拼接，bout表示图编码特征；

27、隐藏层的计算公式如下：

28、pout＝σ(pin*w2+bc)

29、其中，pout表示灌溉区域的输出特征，pin表示组合特征，w2表示第二权重矩阵，bc表示隐藏层的偏置系数，σ表示非线性激活函数；

30、输出层的计算公式如下：

31、qpred＝σ(pout*w3+bo)

32、其中，qpred表示灌溉区域对应滴灌策略的q值，pout表示灌溉区域的输出特征，σ表示非线性激活函数，w3表示第三权重矩阵，bo表示输出层的偏置参数。

33、在一个优选的实施方式中，状态包括土壤数据、作物生长状态数据和气象数据；

34、动作空间：组合每个滴灌头的可控制的流量和出水的盐分浓度来生成动作空间；

35、一个动作包括每个滴灌头对应的流量和盐分浓度；

36、每个滴灌头对应的流量表示一次滴灌过程中的出水总量。

37、在一个优选的实施方式中，滴管控制策略网络的训练包括以下步骤：

38、步骤一，初始化经验池，随机初始化滴管控制策略网络，初始化targetq网络，其参数与滴管控制策略网络参数相同；

39、步骤二，重置环境，获得第一个状态；

40、步骤三，用-greedy策略生成一个动作：其中有的概率会随机选择一个动作，即为探索模式；其他情况下，at＝maxaq(st,a；θ)，选择在st状态下使得最大的动作，即为经验模式，通过滴灌控制策略网络计算；

41、根据动作与环境的交互，获得反馈的rt、下一个状态st+1和是否触发终止条件done，终止条件是葡萄的生产周期结束；

42、将经验st,at,rt,st+1，done存入经验池，一个经验是一个四元组为st,at,rt,st+1或st,at,rt,done；

43、步骤四，从经验池中随机获取一个经验；

44、

45、maxaqtarget(st+1,a；θ)表示状态st+1下targetq网络最大的输出；

46、根据和求loss，梯度下降法更新滴管控制策略网络；

47、

48、表示状态st和动作at下滴管控制策略网络的输出q值；

49、γ是折扣因子，是一个介于0和1之间的值，用于平衡即时奖励和未来奖励的权重，缺省值为0.6；

50、步骤五，每隔固定个网络更新次数，更新targetq网络，使其参数与当前的滴管控制策略网络的参数相同；

51、步骤六，直至q网络收敛或者更新次数达到设定值之后，终止步骤。

52、在一个优选的实施方式中，反馈的rt是在一次滴灌完成后的一周进行计算，计算公式如下：

53、

54、其中，ysj表示灌溉区域的实际葡萄亩产量，ybz表示灌溉区域的标准葡萄亩产量，si表示第i个区块的土壤盐分含量，n表示所有区块的数量，sp表示所有区块土壤盐分含量的平均值，所有区块的土壤盐分含量是在滴灌完成后的一周进行采集数据；标准亩产量是上一年度灌溉区域所在的县或市的平均亩产量。

55、一种微咸水滴灌水肥控制方法系统，包括以下模块：

56、数据采集模块，用于从多个源头灌溉区域的土壤数据、作物生长状态数据和气象数据；

57、数据处理模块，用于根据灌溉区域的土壤数据、作物生长状态数据和气象数据生成灌溉区域的土壤盐分分布图，根据土壤盐分分布图将灌溉区域划分为多个区块；

58、特征生成模块，用于根据划分的区块，生成相应的特征向量；

59、滴灌控制策略网络，用于生成滴灌控制策略；

60、滴灌执行模块，用于根据滴灌控制策略为每个滴灌头设置精确的流量和盐分浓度并实施。

61、一种微咸水滴灌水肥控制设备包括存储器，存储器存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如上述的一种微咸水滴灌水肥控制方法中的步骤。

62、本发明的有益效果在于：

63、1、本发明通过获得最优滴灌策略，精准控制滴灌流量与盐分浓度，确保每一滴水都能被作物高效吸收，减少了水分蒸发和渗漏损失，尤其是在干旱和半干旱地区，极大提高了有限淡水资源的利用率；

64、2、本发明通过地统计分析和分区管理，能够更科学地利用含盐微咸水资源，合理安排灌溉计划，防止盐分在土壤表层积累，有助于改善和控制土壤盐碱化趋势，保护耕地资源。

技术特征：

1.一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，在步骤102中，区块的划分规则为同一区块内任意两个采样点的土壤盐分和水分条件相似性指数符合阈值要求，相似性指数采用水分相似性指数法计算获得，阈值由经验设定，当两点间的相似性指数大于阈值时，则认为该两个采样点土壤盐分和水分条件相似，属于同一区块，反之则不属于同一区块。

3.根据权利要求2所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，对于灌溉区域的任意两个采样点a和b，其土壤条件的相似性指数的计算公式如下：

4.根据权利要求3所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，滴灌控制策略网络包括图数据编码层、特征组合层、隐藏层和输出层，其中图数据编码层输入土壤特征和作物特征，然后输出图编码特征；特征组合层输入图编码特征和气象特征，拼接输出组合特征到隐藏层，隐藏层输出隐藏特征到输出层，输出层输出每个可选的滴灌控制策略的q值，选择q值最大的滴灌控制策略作为输出。

5.根据权利要求4所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，滴灌控制策略网络包括：

6.根据权利要求5所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，状态包括土壤数据、作物生长状态数据和气象数据；

7.根据权利要求6所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，滴灌控制策略网络的训练包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法，其特征在于，其中，反馈的rt是在一次滴灌完成后的一周进行计算，计算公式如下：

9.一种微咸水滴灌水肥控制方法系统，其特征在于，包括以下模块：

10.一种微咸水滴灌水肥控制设备包括存储器，存储器存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如权利要求8所述的一种微咸水滴灌水肥控制方法中的步骤。

技术总结
本发明涉及智能滴灌技术领域，公开了一种微咸水滴灌水肥控制方法、设备及系统，该控制方法包括：获取灌溉区域的土壤数据、作物生长状态数据和气象数据；采用地统计学方法处理收集到的灌溉区域的土壤数据，并绘制灌溉区域的土壤盐分的空间分布图，根据灌溉区域的土壤盐分的空间分布图将灌溉区域划分为若干个区块；通过将土壤特征、作物特征和气象特征输入滴灌控制策略网络，滴管控制策略网络输出滴灌控制策略；本发明通过获得最优滴灌策略，精准控制滴灌流量与盐分浓度，确保每一滴水都能被作物高效吸收，减少了水分蒸发和渗漏损失，尤其是在干旱和半干旱地区，极大提高了有限淡水资源的利用率。

技术研发人员：马长健,李博雯,李全起,王月,孙泽强,曹恩恺,王学君,刘盛林,刘利宁
受保护的技术使用者：山东省农业科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23