基于ArcGIS的農田灌溉用水監測系統設計

周扣明， 胡春杰， 張英建， 李 承

(1.南通遠控自動化技術有限公司， 江蘇 南通 226000； 2.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012；3.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 4.海安市水利局， 江蘇 南通 226600)

農業用水是社會用水的主要組成部分，而灌溉用水占農業用水的95%，灌溉用水量數據統計的準確性與合理性對用水總量統計和水資源管理考核都是至關重要的。目前農田灌溉用水量統計方法非常單一，常用的方法有：一是水資源公報中的用水量統計。其主要采用典型調查獲取行業用水指標定額測算用水總量，統計精度不高，統計結果復核困難[1]。二是灌溉用水有效利用系數測算統計灌溉用水量[2]。采用以典型實測為主、調查統計為輔的方法，選取主要的灌溉渠首，并布設量測水設施，從而形成“渠首計量點”，并開展灌溉用水量實測，這種方法原理簡單易懂，但是樣點灌區數量少，農業用水量統計方法相對粗放。

2017年河北省出臺了如《河北省農業用水限額及水量核定工作辦法(試行)》和《河北省農業用水以電折水計量實施細則(試行)》等相關文件，提出農業用水可采用“以電折水”測算統計農田灌溉用水量。“以電折水”是根據用電量進行用水量換算，其主要原理是當河網水位變幅不大時，機組效率可認為不變，因此可通過率定以電折水轉換系數，求得水泵提水量與電量的關系，即每度電的提水量，在以后統計用水量時，只要統計用電量即可。

針對目前各種統計方法存在的問題，結合江蘇省農業水價綜合改革和海安市農田灌溉現實情況，借助ArcGIS Server平臺和物聯網相關技術，本文設計了一套農田灌溉用水監測系統。通過對灌溉泵站電量的測量，配合人工率定以電折水轉換系數，從而準確地換算得到用水量，然后采用Internet/GPRS網絡相結合的方式傳送到后臺服務器，實現了用水量、電量、水價的顯示查詢以及網絡共享等功能，方便各級用戶查看數據，合理調配水資源。

1 ArcGIS概述

ArcGIS Server是一個基于Web的企業級GIS解決方案[3]，充分利用了ArcGIS的核心庫ArcObjects，并且基于工業標準提供WebGIS服務,在分布式環境下可以實現地理信息數據管理、制圖、空間分析、編輯。ArcGIS Server架構組成包括服務器端的GIS Server、Web Server、Data Server以及Web瀏覽器，各個組件可以部署在不同的機器上，在進程的管理、啟動和關閉以及對象運行中起到負載均衡的作用。ArcGIS Server結合了GIS技術和網絡Web技術，綜合發揮GIS的空間分析和處理網絡Web技術促進全球互聯與信息共享。

2 系統總體設計

農田灌溉用水監測系統采用B/S模式，在服務器端接收與存儲并發布取水泵站點信息、用電量信息及設備工情信息數據。為了清晰地定義和控制系統結構，保證系統的擴展性，在功能設計、數據庫設計的基礎上，對系統的總體結構進行了詳細設計。系統體系結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2.1 采集層

采集層包括電流互感器、流量計、ARM處理器、M26通信模塊及供電模塊，其硬件架構圖如圖2所示。主控板芯片采用型號為STM32F103RET6,其內核低功耗、性價比較高，能夠及時處理各種傳感器采集的數據并實時傳送到中心站。

圖2 硬件架構

2.2 網絡傳輸層

網絡層主要任務是完成采集信息的傳送，是物聯網信息的承載網絡。物聯網中的接入設備結構不同，物聯網應該是泛在的，而且物體是移動的，因此物聯網網絡層需要支持移動性，實現無縫接入[4-5]。本文采用Internet/GPRS網絡相結合的方式將用水量和流速數據傳送到服務器進行存儲與處理。

2.3 應用層

應用層是對采集層的采集數據進行計算、處理和知識挖掘，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。本文采用HTML、CSS、JavascriptD等網頁開發相關技術[6-7]，以SQL Server為后臺管理數據庫，語言采用3層架構體系和組件技術，研發了一套農田灌溉用水量監測系統，為用戶提供了各個泵站地圖快速瀏覽與定位，泵站信息數據查詢，泵站提水量數據查詢及種植面積等功能，實現了灌區泵站信息資源多部門共享，提高系統的友好性與實用性，為海安市水利局的水資源公報和用水量統計提供技術支撐。

3 系統功能設計

本系統具體實現功能如下：

(1)泵站信息查詢。首先選擇指定查詢條件，通過泵站空間信息以及與屬性數據庫的關聯，集中顯示泵站的流量、抽水量、電量、電池電壓等，輸入時間，選擇泵站，再點擊查詢，出現各泵站水資源信息查詢結果。

(2)種植面積查詢。可以查看各鎮、村所有總面積、水稻作物面積、旱作物面積、水產養殖面積。

(3)圖形繪制、瀏覽。地圖放大或縮放及對圖層屬性的添加、刪除、修改等基本操作，流域圖可以放大縮小，放大后會顯示泵站基本信息。

4 結 語

本文應用物聯網信息技術、ArcGIS Server平臺，設計建立的農田灌溉用水監測系統，實現了用水量、電量、水價的顯示查詢以及網絡共享等功能，方便各級用戶查看數據，合理調配水資源。通過海安市各級泵站室外試點，發現該系統運行實時、準確、穩定，達到了預期效果。