【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及干旱預(yù)警，具體為一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、干旱預(yù)警技術(shù)的背景主要源于全球氣候變化和水資源短缺問題的日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測手段已難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)保護的需求。隨著遙感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，研究者們開始探索利用土壤水分監(jiān)測、植物生理參數(shù)采集等方式，結(jié)合數(shù)據(jù)分析與機器學(xué)習(xí)等先進算法，構(gòu)建更為精準(zhǔn)的干旱預(yù)警系統(tǒng)。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了干旱監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性，還能為農(nóng)作物管理、灌溉決策和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者應(yīng)對不確定的氣候變遷，保障糧食安全。
2、現(xiàn)有技術(shù)存在以下不足：
3、盡管基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法在監(jiān)測精度和實時性方面具有顯著優(yōu)勢，但仍存在一些技術(shù)不足，影響其有效性。例如，傳感器的布置可能未能覆蓋所有土壤類型和地形特征，導(dǎo)致部分區(qū)域土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失或不代表性，這可能導(dǎo)致干旱風(fēng)險評估的偏差。此外，葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率等植物生理參數(shù)的變異性較大，可能受到環(huán)境因素的干擾，這使得模型在極端氣候條件下的預(yù)測能力受到限制，從而影響實時決策的準(zhǔn)確性。因此，如何優(yōu)化傳感器布置，提高模型對變化環(huán)境的適應(yīng)性，仍是提升該技術(shù)效果的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
4、在所述
技術(shù)介紹
部分公開的上述信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法及系統(tǒng)，以解決上述
技術(shù)介紹
中提出的問題。
2、為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，具體步驟包括：
3、步驟1：將土壤區(qū)域劃分為多個5m×5m的格子，在每個格子的中心區(qū)域的土壤中布置傳感器，以獲取每個格子區(qū)域的土壤水分含量數(shù)據(jù)；
4、步驟2：在每個格子的中心區(qū)域的一棵植物上布置傳感器，采集植物的葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率數(shù)據(jù)，并依據(jù)時間戳將土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率整合為樣本數(shù)據(jù)集，采用專家打分法賦予每個時間戳數(shù)據(jù)對應(yīng)的干旱風(fēng)險指數(shù)；
5、步驟3：基于隨機森林算法構(gòu)建干旱風(fēng)險模型，輸入土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率作為訓(xùn)練集，對應(yīng)的干旱風(fēng)險指數(shù)作為標(biāo)簽，對干旱風(fēng)險模型進行訓(xùn)練；
6、步驟4：實時采集當(dāng)前各個格子區(qū)域的土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率輸入到訓(xùn)練完畢的干旱風(fēng)險模型中，獲取對應(yīng)的干旱風(fēng)險指數(shù)，并對存在干旱風(fēng)險的格子區(qū)域數(shù)量進行判斷；
7、步驟5：對各個格子區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)、土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率數(shù)據(jù)進行分析，獲得該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險概率，并與干旱風(fēng)險閾值比較，判斷當(dāng)前土壤的狀態(tài)。
8、進一步地，采集土壤水分含量所依據(jù)的具體邏輯為：
9、將土壤區(qū)域按照5m×5m的格子均勻劃分后，在每一個格子的中心區(qū)域安裝濕度傳感器，間隔五分鐘采集一次每個格子的土壤濕度，用采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)表示土壤水分含量，標(biāo)定t時刻采集到第i個格子區(qū)域的土壤水分含量為θi(t)，i為格子的索引。
10、進一步地，獲取樣本數(shù)據(jù)集所依據(jù)的具體邏輯為：
11、在每個格子的中心區(qū)域的一棵植物上布置紅外測溫儀、spad計和氣體交換系統(tǒng)，用于獲取該植物的葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率數(shù)據(jù)，間隔五分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并依據(jù)時間戳與土壤水分含量依次存儲到樣本數(shù)據(jù)集中，標(biāo)定t時刻采集到第i個格子區(qū)域的葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率分別為ti(t)、si(t)、ei(t)。
12、進一步地，獲取干旱風(fēng)險指數(shù)所依據(jù)的具體邏輯為：
13、將土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率輸入至干旱風(fēng)險模型中，對應(yīng)時間戳的干旱風(fēng)險指數(shù)作為標(biāo)簽，對干旱風(fēng)險模型進行訓(xùn)練，獲取t時刻的干旱風(fēng)險指數(shù)所依據(jù)的公式為：
14、ri(t)＝α·θi(t)+β·ti(t)+γ·si(t)+δ·ei(t)
15、其中，ri(t)為t時刻第i個格子區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)，α、β、γ、δ分別為模型訓(xùn)練完畢的土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率權(quán)重系數(shù)。
16、進一步地，判斷當(dāng)時土壤是否存在干旱風(fēng)險所依據(jù)的具體邏輯為：
17、獲取當(dāng)前時刻每個格子區(qū)域的土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率數(shù)據(jù)，并輸入至訓(xùn)練完畢的干旱風(fēng)險模型中，獲取當(dāng)前時刻第i個格子區(qū)域土壤的干旱風(fēng)險指數(shù)ri，若ri≥t，判斷當(dāng)前區(qū)域的土壤存在干旱風(fēng)險，并標(biāo)記該區(qū)域，若ri＜t，判斷當(dāng)前區(qū)域的土壤處于正常濕潤水平，標(biāo)定被標(biāo)記為存在干旱風(fēng)險的格子區(qū)域的數(shù)量為m，若m＞2時，獲取該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)進行進一步的判斷，若m＜2，則對各個格子區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)繼續(xù)進行監(jiān)測，t為干旱風(fēng)險指數(shù)閾值。
18、進一步地，判斷當(dāng)前土壤的狀態(tài)所依據(jù)的具體邏輯為：
19、獲取該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)的均值所依據(jù)的公式為：
20、
21、其中，為當(dāng)前時刻該土壤區(qū)域干旱風(fēng)險指數(shù)的均值，且i＝1、2、…、n，n為劃分的格子區(qū)域數(shù)量；
22、同理得到當(dāng)前時刻土壤水分含量均值葉片溫度均值葉綠素含量均值和蒸騰速率均值
23、獲取當(dāng)前時刻該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險概率所依據(jù)的公式為：
24、
25、其中，p為當(dāng)前時刻該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險概率，ω1、ω2、ω3、ω4、ω5分別為對應(yīng)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，z為歸一化因子，ω1＝ω2＞ω3＞ω4＞ω5，ω2和ω4權(quán)重系數(shù)為負(fù)值，ω1、ω3、ω5權(quán)重系數(shù)為正值，并且ω1+|ω2|+ω3+|ω4|+ω5＝1；
26、將計算得到的該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)與預(yù)設(shè)的干旱風(fēng)險閾值比較，若該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)大于預(yù)設(shè)的干旱風(fēng)險閾值，判斷該片土壤當(dāng)前時刻存在干旱風(fēng)險，并發(fā)出預(yù)警，若該片土壤區(qū)域的干旱風(fēng)險指數(shù)低于預(yù)設(shè)的干旱風(fēng)險閾值，判斷該片土壤區(qū)域當(dāng)前處于正常狀態(tài)，并對土壤狀態(tài)繼續(xù)進行監(jiān)測。
27、本專利技術(shù)另外還提供一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警系統(tǒng)，所述基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警系統(tǒng)用于實現(xiàn)上述的基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，包括：
28、土壤水分采集模塊，用于將土壤區(qū)域劃分為多個5|×5m的格子，在每個格子的中心區(qū)域的土壤中布置傳感器，以獲取每個格子區(qū)域的土壤水分含量數(shù)據(jù)；
29、植物狀態(tài)監(jiān)測模塊，用于在每個格子的中心區(qū)域的一棵植物上布置傳感器，采集植物的葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率數(shù)據(jù)，并依據(jù)時間戳將土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率整合為樣本數(shù)據(jù)集，采用專家打分法賦予每個時間戳數(shù)據(jù)對應(yīng)的干旱風(fēng)險指數(shù)；
30、干旱風(fēng)險模型構(gòu)建模塊，用于基于隨機森林算法構(gòu)建干旱風(fēng)險模型，輸入土壤水分含量、葉片溫度、葉綠素含量和蒸騰速率作為訓(xùn)練集，對應(yīng)的干旱風(fēng)險指數(shù)作為標(biāo)簽，對干旱風(fēng)險模型進行訓(xùn)練；
31、實時風(fēng)險監(jiān)測模塊，用于實時采本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，具體步驟包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，采集土壤水分含量所依據(jù)的具體邏輯為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，獲取樣本數(shù)據(jù)集所依據(jù)的具體邏輯為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，獲取干旱風(fēng)險指數(shù)所依據(jù)的具體邏輯為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，判斷當(dāng)時土壤是否存在干旱風(fēng)險所依據(jù)的具體邏輯為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，判斷當(dāng)前土壤的狀態(tài)所依據(jù)的具體邏輯為：
7.一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警系統(tǒng)用于實現(xiàn)權(quán)利要求1-6任一項所述的基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，包括：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，具體步驟包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，采集土壤水分含量所依據(jù)的具體邏輯為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，獲取樣本數(shù)據(jù)集所依據(jù)的具體邏輯為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于土壤水分檢測的干旱預(yù)警方法，其特征在于，獲取干旱風(fēng)險指數(shù)所依據(jù)的具體邏輯為：...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李超林，楊淑婷，紀(jì)忠波，
申請(專利權(quán))人：江蘇南皇陽農(nóng)業(yè)科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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