基于天氣雷達估測降雨數據的節水灌溉系統設計與實現

王震洲 劉娟 梁軍輝

摘要：農業用水在水資源的應用中占有很大比例，為節約農田灌溉用水，以滿足農作物生長需求為前提，提出了一種基于天氣雷達估測降雨技術的農田灌溉方法。結合概念模型預報技術和交叉相關法，對降雨進行臨近預報，利用未來時間的降雨量對農田作物的需水量進行合理補充，并通過檢測裝置獲取土壤含水量，計算出農田需水量，實現對檢測區域作物的定量灌溉。系統試運行結果顯示，在短時間內，采用天氣雷達估測技術預測的結果與地面雨量計觀測的降水結果在誤差允許的范圍內保持一致，驗證了方法的準確性。該技術方案將天氣雷達估測降雨技術與數據采集技術相結合，利用現代農業科學技術及設備，充分應用了自然降雨資源，在現有的農業技術水平基礎上，既滿足了農作物自身的生長需求，又避免了過量灌溉等問題，對中國水資源在農田灌溉中的合理應用有著一定的指導意義。

關鍵詞：農田水利；天氣雷達；降雨；節水灌溉；土壤水分；傳感器

中圖分類號：TP274文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01011

Design and implementation of water saving irrigation system based on weather radar to estimate rainfall data

WANG Zhenzhou1， LIU Juan1， LIANG Junhui2

（1.School of Information Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018，China；2. Logistics Group， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： The agricultural water occupies a great proportion in the application of water resources. To save the irrigation water， crop growth needs as the premise， a kind of irrigation method for rainfall estimation based on weather radar technology is put forward. This method combines conceptual model forecasting technology and cross method for rainfall nowcasting using future time rainfall as reasonable supplement for water requirement of the crop， and the detection device for acquiring soil moisture， the farmland water demand is calculated， and the quantitative detection of crop irrigation area is realized. The trial operation results of this system show that in a short period of time， the weather radar technique for estimating the prediction results and surface rain gauge observations precipitation is consistent within the allowable error， verifying the accuracy of the method. The weather radar rainfall estimation technology and data acquisition technology combined with modern agricultural science and technology and equipment， making full use of the natural resources in the rain， on the basis of the existing agricultural technology level， can meet the growing demand of the crop itself and avoid excessive irrigation and other issues， providing an important guiding significance for rational use of water resources in irrigation in china.

Keywords：irrigation and water conservancy；weather radar； rainfall； watersaving irrigation； soil moisture； sensor

中國水資源嚴重不足，農業用水卻占了很大的比例，據相關數據顯示，水資源中的92%用于農田灌溉[1]。中國的農田灌溉雖然在智能化、低成本的灌溉裝備上有了很大程度的突破，但結合天氣雷達估測降水進行適量灌溉的技術卻處于研究的初級階段。將天氣雷達與農田水分采集裝置結合，預報地區降水，客觀分析土壤墑情，按需給水，有效地避免了由于重復灌溉造成水資源的浪費問題。

1方案設計

基于天氣雷達估測降雨數據的節水灌溉系統的設計從土壤水分的采集以及降雨的預報兩方面進行研究，最終通過灌溉決策分析得出灌溉的時間以及水量。數據采集結構主要是根據土壤水分傳感器來獲取土壤水分，判斷土壤目前階段所處的干旱狀態；降雨臨近預報可以對降雨信息進行有效的把控，包括降雨的產生、發展和結束。

本文主要采取交叉相關法和概念模型預報技術對降雨進行臨近預報，預測未來一段時間內的降水情況。根據土壤水分以及未來時間段內降水情況，分析出需灌溉的水量。節水灌溉架構設計如圖1所示。

2天氣雷達降雨預報技術

天氣雷達[2]多為脈沖雷達，以一定的仰角重復頻率發射出持續時間很短的脈沖波，脈沖波經過目標物散射后返回雷達，得到反射率因子，將天氣雷達的反射率因子轉換成等價的垂直液態水總量[3]，判斷出降水潛力。在天氣雷達預報中，采用由JSOE等建立的概念模型技術，模型中需輸入降雨量以及垂直累積液態水（VIL）2個變量，即可完成降雨的臨近預報，并與交叉相關法相結合，確定降雨移動方向。本文主要對天氣雷達法估測降雨技術、垂直累積液態水（VIL）含量獲取技術以及交叉相關法、概念模型預報技術[4]等進行簡單介紹。

2.1天氣雷達估測降雨技術

估測地區降雨是天氣雷達最重要的功能之一，天氣雷達利用返回電磁波的功率強度來判斷目標物的回波強度，估計降雨量。利用雷達回波估測降水的方法有很多，其中主要包括：ZR關系法[5]、標準目標法、衰減法、正交偏移法、雙波長法、極化法和雷達雨量計聯合估測法等。雷達定量測量降水最常用的是ZR關系法，即應用雷達氣象方程由測得的回波功率算出雷達反射率因子Z值，利用ZR關系獲取降雨量。

2.1.1反射率因子

雷達以一定的仰角進行掃描，遇到障礙物進行反射，將單位體積內的所有粒子雷達截面之和定義為雷達反射率因子：

其中Di為粒子直徑。

2.1.2最優ZR變換

天氣雷達測量的是有效照射體內降水粒子反射率因子，該值大小與降水量存在一定的關系：

為提高天氣雷達估測降雨的精度，首先需要對雨量計數據進行分析，找到適合當前地區統一類型降雨的雷達反射率因子Z與降雨強度R的關系，利用兩者之間的關系，將天氣雷達獲得的反射率轉化為降雨量，從而得到降雨量以及降雨時間。

最優方法的實質就是假設ZR之間的關系，通過把各個點的雷達估算值Ri和雨量計實測值Gi代入到判別函數CTF[6]中，使得判別函數出現最小值，以提高雷達估測降雨的精度。

2.2垂直累積液態水

垂直累積液態水簡稱為VIL，當底面積明確后，順延底面積的柱體所包含的水含量即垂直累積液態水。其在判斷降水等方面的作用極為突出，所以視為預測災害天氣的有效工具。在這里假設降雨分布均勻，雨滴譜的分布為 MP 分布，則單位體積內所有雨滴的質量 M 可以寫為

天氣雷達數據中包括不同仰角下的單位體積內雨滴的質量，需要首先提取出數據，將不同仰角下的VIL數據進行累加，最終得到區域總體的VIL雨量數據。

2.3交叉相關法

交叉相關法[710]在天氣雷達中主要用于預測降雨的移動方向，主要將回波圖劃分為多個圖像子集，計算2幅圖片的最佳匹配區域，根據2幅圖片的位置以及2幅圖片的時間間隔，確定圖像子集的移動方向和移動速度，并進行分析，做出方向預報推測。

2.4概念模型預報技術

該模型與降雨量和垂直液態水2個要素相關聯，需要在模型中輸入這2個要素，即可預報未來時間段內的降雨量[1112]。降雨量的獲取采用天氣雷達估測降雨技術。

降雨中主要水分來源于大氣，可以將大氣分割成若干個垂直于地面的柱體，每個柱體中包含許多水分，在天氣雷達觀測過程中，雷達數據按照地區可以劃分為多個格點數據，這里將視為若干個的柱體，則空氣柱中的水分VIL可以表示為

式中：S（t）為單位時間內柱體中的含有水分；P（t）為單位時間內降雨強度。

確定時間段內的水分源S（t）：

空氣柱可以將VIL轉化為降雨，轉換的時間稱為響應時間，響應時間在一個預測周期內保持不變。可得下列關系式：

垂直累積液態水VIL和降雨強度P之間存在一定的關系：

將式（10）與式（11）聯立，可得到（t+dt）時刻的降水強度。根據未來一段時間內的降水情況來判斷是否需要適時地為地區進行灌溉，保證農作物處于最優的生長環境。

3數據采集結構

數據采集結構是節水灌溉技術的重要組成單元，具有傳感器模塊、采集模塊等，由電源供應模塊統一供電，數據采集結構如圖2所示。

3.1傳感器模塊

數據采集單元中的傳感器模塊主要采用土壤傳感器測量土壤含水量。目前測量土壤水分的方法有很多，常見的測量方法有時域反射法（TDR）、石膏法、紅外遙感法等[1315]。土壤水分傳感器發射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達底部后返回，檢測探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數的變化通常取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關系計算出土壤的含水量。

3.2采集模塊

采集模塊主要是通過內部的處理器讀取傳感器的數據，通過傳感器傳送來的數據信息進行采樣，并送入A/D轉換器中轉變為數字信號，并將該信號送到存儲器中，當存儲器中的數據到達一定數目時，由處理器將數據從存儲器中讀取，通過GPRS將數據傳送到灌溉決策分析中心，其中處理器采用的是STM32F103C8T6型號單片機[1620]。

4數據決策分析

數據決策分析主要采用土壤濕度法，即根據作物的需求量以及土壤供水之間的關系，在作物各生育階段制定出幾個不同水平的土壤濕度下限，當土壤濕度接近下限時，結合天氣雷達預報降雨數據，根據土壤水分墑情，合理灌溉，保證作物產量。在實驗中，土壤水分含量達到作物需水下限時，根據估測降水的時間、降水量等要素，需對作物在這段時間內蒸騰量損失進行灌溉補充，在保證適度干旱未影響作物生長的情況下，采用預報降水量對土壤水分的缺失部分進行合理補充。以小麥作為研究對象，土壤水分下限如表1所示。

5灌溉系統監控中心

遠程監控平臺主要是向用戶展示檢測區域、土壤水分、雷達回波估測降水、農田需灌溉水量、是否開啟灌溉等多項信息。是否開啟灌溉一列中，當用戶選擇開啟灌溉時，則可以實現對相應地區定量的進行灌溉。該系統目前在石家莊行唐地區試運行，運行效果較為良好，大體上滿足系統的建設需求。節水灌溉監控中心如圖3所示。

6結語

采用天氣雷達估測降雨技術，根據土壤水分墑情，適量地進行補充灌溉，能夠在一定程度上節約降水資源。但是，由于估測降雨本身對準確性有較高要求，據實驗結果表明，本方法還存在以下不足：1）應用交叉相關法和概念模型預報技術短時間內可以得到很好的預測結果，但隨著預報時間的增長，預報準確性逐漸下降，目前最長的預報時間為30 min；2）應用最優化方法對天氣雷達估測降雨的ZR關系進行優化，可以得到適合石家莊行唐地區的ZR關系參數取值范圍，從對流云降水分析得出，A的取值為150～200，b的取值保持在1.5左右，采用最優化方法可以有效地從總體上降低估測誤差，但是對于單個的極值點效果不夠明顯。后續工作可以在更多地域樣本情況下對系統進行調優，以提高準確率。

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