基于三維GIS的土壤墑情監測模擬仿真系統的研究

盧健

摘要：以吉林省農安縣合隆鎮玉米精準作業為案例區，綜合應用三維建模、數據庫和GIS技術，開發了基于三維GIS的土壤墑情監測模擬仿真系統，同時對系統進行了初步的實例應用。應用結果表明：系統能實現農區土壤墑情空間信息的有效管理和虛擬顯示為該區域土壤墑情的分析應用奠定了基礎，更為精準農業技術實施提供有效的數字化管理平臺。

關鍵詞：三維GIS;土壤墑情;模擬仿真系統

中圖分類號：S127 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0099-01

在“精準農業”技術體系中，GIS的應用開發是實施“精準農業”實踐的關鍵技術之一，將三維GIS與作物輔助決策系統相結合，通過作物生產管理與長勢預測模擬模型、投入產出分析模擬模型和智能化農業專家系統，根據產量的空間差異性，形成的田間作物管理處方圖，為農業工作者分析決策、提出科學處方，指導科學提供支持[1]。

1 研究區域和研究方法

實驗選擇農安縣合隆鎮，農安縣地處松遼平原，是吉林省重要的商品糧基地之一。系統采用GPS、無線傳感器對試驗區域土壤墑情數據進行獲取，在該數據集基礎上構建空間數據庫、關系數據庫、動態數據庫、三維數據庫和圖形圖像庫。在數據庫的基礎上進行空間查詢和空間插值等操作，并建立三維模型進行動態模擬[2]。

1.1 數據采集與知識獲取

搜集地形地勢、采樣點等空間數據，運用GIS繪制采樣網格圖，采集土壤養分等屬性數據，建立數據庫;通過無線傳感器搜集土壤水分、土壤溫度等土壤墑情數據，建立動態數據庫;基于人工智能技術，建立玉米精準施肥模型庫;建立玉米生長階段，田間長勢、精準作業過程的圖像與視頻庫。

1.2 三維GIS模型的構建與場景模擬

利用ArcGis和3DsMax，構建土壤墑情監測三維GIS模型，根據土壤墑情可視化場景需求，將土壤墑情監測模擬仿真系統劃分為地形表面、地下立體空間2個層次進行構建與描述：

（1）構建地形表面層次的數字模型。運用數字高程模型表面建模技術，通過點、三角形和格網的三種表面建模方法，面向完整的土壤地表空間信息，對地形地勢等地形表面層次建立數字高程模型，確保精準作業核心區域地形表面空間層次上合理的空間劃分與區域識別;

（2）構建地上地下立體層次的三維空間模型。基于土壤墑情和地力等級分布立體層次描述的三維空間，解決三維空間對象在二維抽象表示中產生的地上下交疊問題，滿足土壤墑情和地力等級三維空間層面對象的精確表達與分析需求。

2 研制基于三維GIS的土壤墑情監測模擬仿真系統

本系統模塊分為：三維模型查詢模塊、動態場景模擬模塊、動態監測模塊和空間信息管理模塊等功能，以動態模擬和動態監測模塊為例闡述本系統功能。

2.1 動態場景生成

利用ArcGis，結合3DsMax，構建實現精準農業區三維虛擬場景，從而實現土壤墑情模擬場景三維可視化，此過程具有很高的可重用性，提高了場景的靈活性。整個過程包括地形生成、地物導入和場景效果設定。

構建二維圖層是三維虛擬場景的基礎，本系統生成地形模型主要是指地上地下模型的構建，對農安邊界以及地力等級的分界進行繪制。導入繪制好的二維分布圖文件，通過矢量圖層的對地下模型進行模擬，建立農安縣地力等級和地下垂直分布三維模型圖。

2.2 動態監測模塊

選擇農安縣合隆鎮玉米精準作業核心示范區不同深度（0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm）土壤墑情動態監測數據，建立土壤墑情動態監測模塊。

2.2.1 土壤水分溫度垂直分布分析

四層地下模型的土壤水分、土壤溫度動態監測結果可知：土壤水分含量隨著土壤深度的增加而增加;不同時間土壤水分含量的變化不一樣;不同深度土壤水分的變化趨勢相同;土壤溫度含量隨著土壤深度的增加而減少;不同時間土壤溫度的變化不一樣;不同深度土壤水分的變化趨勢基本相同。

2.2.2 玉米生長期土壤水分溫度分布分析

根據動態監測的四個層次的土壤水分土壤水分、土壤溫度數據可知：在生長時期，土壤溫度的變化不大，而土壤水分變化較明顯;土壤水分在六月末含量最低，在七月四日左右含量最多;土壤溫度在六月十日左右最低，在七月十日左右溫度最高。

3 結論

（1）本研究通過三維GIS實現了用戶與系統交互方式由傳統的二維空間到多維空間的轉變，有效發揮了三維場景逼真性和二維地圖整體性的優勢，完美地詮釋了農業空間信息的本質。（2）本系統通過繪制農安邊界以及地力等級的分界，生成該地區地力等級和土壤墑情地下垂直分布三維模型圖，利用該三維模型圖直觀反映不同深度土壤墑情動態監測數據。（3）依據三維模型建立土壤墑情動態監測模塊，為該區域土壤墑情的分析應用奠定了基礎。

參考文獻

[1] 陳桂芬.面向精準農業的空間數據挖掘技術研究與應用[D].吉林：吉林人學，2009.

[2] 范力銘.基于ArcGisEngine的三維GIS系統開發與應用——以華東師范大學校園三維GIS為例[D].上海：華東師范大學，2007.

[3] 史國濱.GPS和GIS技術在精準農業監控系統中的應用研究進展[J].湖北農業科學，2011，10（50）：1948-1950.

[4] 林淑珍.RS與三維GIS在地質災害調查中的應用——以秭歸縣為例[D].湖北：中國地質大學，2013.

[5] 朱國敏，馬照亭，孫隆祥，等.城市三維地理信息系統中三維模型的快速構建方法[J].地理與地理信息科學，2007，23（4）：29-32，40.

Study on Soil Moisture Monitoring Simulation System Based on 3dGIS

LU Jian

（College of innovation and entrepreneurship， changchun university of science and technology，Changchun? Jilin? 130000）

Abstract：TakingthepreciseoperationofmaizeinHeLongtown，nong'ancounty，jilinprovinceasthecasearea，thesoilmoisturemonitoringsimulationsystembasedon3dgiswasdevelopedbyusingarcgistoolandusing3dmodeling.Theresultsshowthatthesystemcaneffectivelymanagethespatialinformationofsoilmoistureinagriculturalareasandvirtualdisplay，whichlaysafoundationfortheanalysisandapplicationofsoilmoistureinthisarea，andprovidesaneffectivedigitalmanagementplatformfortheimplementationofprecisionagriculturetechnology.

Key words：3D GIS; soil moisture; simulation system