基于混合变邻域的自动化滴灌轮灌分组算法

为了解决自动化滴灌轮灌分组手工计算效率低的问题。该研究分析比较自动化滴灌与手工控制滴灌问题特征和划分原则,构建以轮灌组流量均衡为目标的数学模型,模型以流量标准差最小为目标函数,以流量差、压力差和离散度指标等为约束条件,以支管数量、流量大小和轮灌组数为决策变量,并提出一种基于混合变邻域的GSRV-GA算法进行模型求解。算法通过设计罚函数以及子代修复算法来解决工程约束以及交叉变异产生的非法解问题,然后将选择算子结合模拟退火机制以避免优化解陷入局部最优。为了提高算法搜索精度,设计基于流量和位置调整的2种邻域结构,通过变邻域搜索来强化遗传算法的搜索能力。对新疆某团场灌区工程进行实例优化分析,求解的最小标准差为10.03 m3/h,算法在350代左右实现收敛,求解时间为2 504.53 s。在3组不同规模的案例中求解最小标准差分别为15.18、13.93和7.52 m3/h,在1～5个支管堵塞抖动试验中离散度指标均达到1。该模型和算法可为后续挖掘自动化滴灌节水技术提供研究基础。     

Harris角点自适应检测的水稻低空遥感图像配准与拼接算法

图像配准和拼接的自动化是微小型无人机能否被广泛应用于水稻长势低空遥感监测的关键技术之一。为了改进Harris角点检测算法中阈值需要人为设定的局限,文章提出了基于Harris角点自适应检测的水稻低空遥感图像配准与拼接算法。该算法在Harris角点检测算法的基础上进行改进,采用基于图像像素灰度值标准差标准化的方法进行角点的自适应确定,并对角点进行特征描述,利用角点特征描述算子之间的欧式距离进行配准。为了验证算法的有效性并进行相关参数的优化,采用多旋翼无人直升机获取了水稻长势的低空遥感图像,并设计了重复率(衡量角点检测的稳定性)、辨识率(衡量角点描述算子的辨识度)、配准率(衡量图像的拼接精度)以及运行时间(衡量算法的运算速度)4个评价指标对配准与拼接的结果进行评判。随机选取获得的低空遥感图像分成3组进行测试,试验结果表明,平均配准率达到了98.95%,且各组图像之间的重复率与配准率差异不显著(显著性水平为0.05),说明改进后的算法稳定。设计了角点自适应检测算法阈值参数的优选试验,阈值参数为标准化处理后的图像像素灰度值标准差,方差分析结果表明,图像像素灰度标准差为1和2时配准率的差异不显著(显著性水平为0.05),但当图像像素灰度标准差为1时,图像配准与拼接平均运行时间是其为2时的2.5倍,因此,可设定图像像素灰度标准差为2作为本算法的较优参数。     

滴灌带布置方式与灌水定额对土壤性状及棉花产量影响

通过田间灌溉试验系统地分析了不同滴灌灌水定额和滴灌带毛管布置方式对土壤性状与棉花产量的影响,旨在筛选出一种适宜新疆北疆棉田棉花栽培的滴灌灌水模式。滴灌灌溉田间试验以棉花品种"ND203"为供试作物,采用当前新疆普遍应用的2种典型滴灌带毛管布置方式(一膜两管六行和一膜三管六行)和3种滴灌灌水定额(常规灌水量,节水15%和节水30%灌水量)进行。结果表明:在滴灌灌水定额相同的条件下,与一膜两管六行相比,一膜三管六行滴灌毛管布置方式淋洗棉花行间0～40 cm土层土壤盐分效果最优,棉花产量增加4%～11%;在滴灌带毛管布置模式相同条件下,灌水定额越大,棉花行间0～40 cm土层土壤总孔隙度越大、容重越小、持水能力越强,棉花单株成铃数越多。因此,可以认为一膜三管六行滴灌带毛管布置方式与节水15%灌水定额(全生育期灌溉定额为3434 m3hm-2)相组合,棉花产量达到最高(6078 kg hm-2),是北疆棉田棉花栽培节水灌溉的首选。     

基于混合狼群算法参数优选的泵站群运行优化

对于求解复杂的并联泵站群优化运行模型,狼群算法(wolf pack algorithm,WPA)存在收敛性和鲁棒性差等问题。为改善这些问题,该文以某典型并联泵站群为例,以泵站系统主机组运行能耗最低为优化目标,考虑流量、叶片角度、开机台数等约束条件,建立了并联泵站群优化运行模型。将模拟退火算法引入WPA算法中,提出混合狼群算法(hybrid wolf pack algorithm,HWPA)用于求解建立的优化模型。选择最小值、平均值和标准差作为算法性能的评价指标。相较于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和WPA算法,HWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值平均降低了15.60、10.23 kW,平均值平均降低了36.94、14.30 kW,标准差平均降低了84.82%、72.90%。在HWPA算法的基础上,对算法中的游走步长、奔袭步长、围攻步长的最小值和最大值4个参数进行单因素分析和拉丁超立方抽样设计计算,确定出4个参数的最优组合为0.33、1.53、0.672和4.8×10^5,进而提出改进混合狼群算法(improved hybrid wolf pack algorithm,IHWPA)。相较于HWPA算法,IHWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值和平均值平均降低了4.66和13.26 kW,标准差平均降低了94.02%。应用IHWPA算法确定典型并联泵站群6个不同运行工况优化方案,结果表明,采用引入模拟退火算法、优选WPA算法参数的方法提高了算法的全局收敛性与计算鲁棒性,泵站运行最优决策方案较实际方案的运行能耗平均降低9.80%,可为泵站工程提供合理有效的运行方案,降低运行能耗。     

支毛管安装射流三通的滴灌系统水力性能研究

为分析脉冲水流对滴灌系统水力性能的影响规律,该文基于射流附壁和切换原理设计了一种支管射流三通,并与毛管射流三通开展组合试验。在毛管铺设长度为60 m,4种支管三通进口水头(9.5、12、14、15.5 m)条件下,研究支毛管安装射流三通或普通三通时灌水小区的灌水均匀度、脉冲频率与水头损失变化规律,并建立描述支管射流三通出口流量和压力的拟合关系式。结果表明,当支毛管三通均采用射流三通时,支毛管中均为间歇性脉冲水流,脉冲频率随支管进口水头增加而递增;毛管滴头流量在1.2～2.2L/h之间,沿程水头损失在0.9～1.6m之间;灌水均匀性系数在95.88%～98.56%之间,流量偏差率在8.35%～15.14%之间,灌水均匀度最高。根据研究结果,确定了灌水小区中支毛管三通的最优组合方式,可为射流技术在脉冲滴灌系统的研究、开发与应用提供理论依据。     

陕西省地形起伏度最佳计算单元研究

[目的]确定陕西省地形起伏度最佳计算单元,分析地形起伏度的空间分布规律,为地貌类型划分提供基础数据。[方法]以陕西省90 m×90 m的航天飞机雷达地形测绘使命(SRTM)数字高程模型(DEM)数据为基础,首先利用邻域统计分析法〔矩形邻域选取2×2,3×3,4×4,…,35×35共34个不同大小的邻域窗口,圆形邻域窗口选取20个(邻域半径R为2~21)〕对陕西省地形起伏度进行提取,然后统计不同矩形窗口和圆形窗口下的各种地形起伏度类型所占面积比例,接着运用均值变点分析法计算最佳计算单元,最后完成陕西省地形起伏度分级图的绘制,并对地形起伏度特征进行分析。[结果]不同地形起伏度类型所占面积比例的变化各有不同。按矩形邻域计算的地形起伏度最佳计算单元为12×12,对应面积为898 704m2,按圆形邻域计算的地形起伏度最佳计算单元为R=8,对应面积为1 254 191.4m2,这说明在使用邻域分析法提取地形起伏度时,采用圆形邻域有别于采用矩形邻域。陕西省地形总体较平缓,主要以小起伏、中起伏为主。[结论]简单实用的均值变点分析法,是确定最佳计算单元的一种较为理想的方法。     

微润灌对作物产量及水分利用效率的影响

为探明微润灌对作物生长及产量的影响,以夏玉米和冬小麦为研究对象,采用完全随机试验设计,对比研究微润灌不同毛管间距布置(20 cm、40 cm、60 cm)、地下滴灌和无灌溉对大田作物产量、水分利用效率和土壤电导率的影响。结果表明:与地下滴灌相比,微润灌用水量约为地下滴灌的1/4~4/5;由于灌水差异较大,作物产量有所降低,夏玉米产量显著下降(P0.05),冬小麦产量下降,但未达显著水平(P0.05);两作物水分利用效率有所提高,但差异不显著(P0.05);灌溉水分利用效率均显著提高(P0.05)。随微润管布置间距的减小,作物产量呈增加趋势,作物水分利用效率与灌溉水分利用效率均呈减小趋势。综合考虑分析,在较为缺水的塿土区微润管最佳布置间距60 cm,此时可不显著降低产量同时提高水分利用效率。此外,微润灌布置间距对土壤电导率的影响较小。采用微润灌与地下滴灌处理时,随土层深增加,作物各生育期土壤电导率无显著差异(P0.05)且变化趋势基本一致,表明微润灌与地下滴灌对土壤的影响具有一致性。微润灌下作物产量与灌浆成熟期10~20 cm土层土壤电导率和10~80 cm土层土壤平均电导率之间相关性显著。因此,采用灌浆成熟期10~20 cm土层土壤电导率或10~80 cm土层土壤平均电导率预估微润灌下的作物产量具有可行性。上述研究可为微润灌技术推广应用提供依据。     

南疆丰收灌区水资源多目标优化配置方案优选

针对灌区水资源多目标优化配置模型求解算法的不确定性和最优方案选择问题,以新疆阿克苏地区阿瓦提县丰收灌区为研究对象,以灌区可持续发展为目标,建立基于优选算法的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型。对比改进的NSGA-II算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,带精英策略的非支配排序遗传算法)、NSGA-III算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-III,基于参考点的非支配排序遗传算法)、MOEA/D算法(AMulti-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,基于分解的多目标进化算法),最终选取性能最好的CNSGA-III算法作为优化算法对水资源配置模型进行求解;建立水资源配置方案评价体系,利用熵权-TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,优劣解距离法)综合评价模型对符合决策制定者期望的配置方案进行对比筛选,选出灌区水资源最佳配置方案。结果表明:优化后的方案相较于传统配置方案,在"三条红线"用水限额下,经济净效益增加1.0%,灌区总缺水量减少8.4%,碳吸收总量增加4.5%。建立的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型可为管理者制定灌区水资源配置方案提供参考,也可适用于其他干旱灌区,有一定的理论意义。     

基于GF-1遥感影像和relief-mRMR-GASVM模型的小麦白粉病监测

选择合适的建模和特征选择算法对提高作物病害的遥感监测水平有着重要的作用。研究以河北省小麦白粉病为研究对象,基于GF-1/WFV数据共提取了4个波段反射率数据和10个对作物长势和胁迫敏感的植被指数作为初选特征。针对常用的特征提取算法relief算法筛选出的特征存在冗余性的问题,提出了一种relief结合最小冗余最大相关(minimum redundancy maximum relevance,m RMR)的特征降维算法(relief-m RMR)。首先,通过relief算法计算出各特征的权重系数,对特征集进行加权;然后利用m RMR算法选出与类别具有最小冗余性的特征,利用支持向量机(support vector machine,SVM)对河北白粉病进行监测,并用遗传算法(genetic algorithm,GA)优化的SVM(GASVM)建立了白粉病的监测模型(relief-m RMR-GASVM),将监测结果分别与SVM和网格寻优(grid search,GS)算法优化的SVM(GSSVM)的监测结果进行对比分析,同时比较了该方法与Ada Boost、粒子群(Pso)优化的最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,Pso-LSSVM)和随机森林(random forest,RF)3种方法的优越性。结果表明,relief-m RMR算法筛选出的特征与GASVM、SVM和GSSVM建立的监测模型精度比传统relief算法筛选特征所建模型的精度分别提高了14.3个百分点、7.2个百分点和7.1个百分点,比传统m RMR算法筛选特征所建模型的精度分别提高了14.3个百分点、14.3个百分点和14.2个百分点。relief-m RMR算法结合GASVM建立的监测模型精度为所有模型中最高,精度为85.7个百分点,分别比SVM和GSSVM所建监测模型精度提高了21.4个百分点和7.2个百分点。此外,GF-1数据结合relief-m RMR-GASVM模型的监测精度分别高出Ada Boost、Pso-LSSVM和RF方法21.4个百分点、14.3个百分点和7.1个百分点。说明GF-1数据结合relief-m RMR-GASVM模型可用于小麦白粉病的遥感监测。     

基于DEM的地形起伏度算法的比较研究

地形起伏度是描述宏观地形变化状况的地形因子,可作为区域水土流失评价的地形指标之一。基于全国1000 m分辨率DEM分别选取黄土高原、四川盆地、横断山区、东南丘陵、山东丘陵、东北地区6个典型样区,采用局地高差法、局地标准差、表面积与投影面积比、RUGN法、矢量法、RDLS(地表起伏度)6种算法进行起伏度的提取,对提取结果进行了对比分析,并对各种算法的提取结果进行了信息容量计算。结果表明,局地标准差和局地高差法是两种相对较好的提取起伏度的方法,且针对不同的地形区,不同起伏度算法也具有各自的适宜性。     

地下滴灌田间管网室内试验测试系统(简报)

针对地下滴灌管网中各灌水器出流量难以测量的问题,提出一种新的试验测试方法--称重测量法,可获得各灌水器的出流量.测试系统由称重传感器、压力变送器、数据采集系统和计算机及相关软件构成,可同时间接获得地下滴灌管网中各灌水器的出流量和直接测量出支管与毛管的沿程压力.而且还可实现自动监控、自动采集和存储测试数据的功能.实测结果表明:系统测试精度可满足试验要求.该测试系统操作简便,是室内试验研究地下滴灌田间管网水力要素变化规律的有效方法.     

地下滴灌毛管水头偏差率特性及与土壤水分均匀度的关系

毛管水头偏差率是确定毛管长度的主要技术指标。以正在运行的新疆棉田地下滴灌系统为试验对象,选取代表性毛管,实测正常灌溉过程中毛管首尾压力、流量和沿程土壤水分,研究地下滴灌毛管水头偏差率特性及其与土壤水分均匀度的关系。结果表明:在毛管设计工作水头为10 m条件下,测试毛管水头偏差率在0.58%~12.80%之间。同一管网中,不同毛管的水头偏差率各不相同且具有波动性,但同一支管位置处树状毛管与环状毛管之间的相对趋势稳定;在毛管设计工作水头为10 m条件下,支管入口压力对毛管水头偏差率的影响不显著(P0.05);毛管水头偏差率和毛管埋深层土壤水分均匀系数之间有强的负相关关系(P0.001),建立了水头偏差率和土壤水分均匀度之间的数学模型,经验证,85%毛管的绝对误差小于5%。研究可以为地下滴灌毛管长度设计与毛管工作状况评价提供参考。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。     

棉花微咸水膜下滴灌灌溉制度的研究

为寻求微咸水膜下滴灌的最优灌溉制度,利用2008和2009年田间试验结果,从棉花生长和产量的角度出发,分析11种灌溉处理各生育期的变化情况。测定了叶面积、干物质质量、棉花产量、土壤盐分等指标。结果表明：灌溉水量越大,棉花营养生长部分生长越快,生长时间越长;灌水盐分越高,盐分胁迫使生殖生长部分所占比例越大,越易衰老;试验区内灌溉定额3 750 m3/hm2（微咸水80%,淡水20%）的轮灌处理,2008年棉花产量达到5 190 kg/hm2,接近仅灌淡水5 250 m3/hm2处理（5 205 kg/hm2）,该轮灌处理2008年总盐为负增长（-0.95 g/kg）,2009年试验结果有力验证了该灌溉制度的节水增产、保护土壤环境的优越性。     

喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

根据作物高度适时调整喷头安装高度,是保证圆形喷灌机灌水均匀度和喷灌效率的重要措施之一。该研究通过引入自主研发的喷头安装高度调节装置,以安装D3000低压折射式非旋转喷头的圆形喷灌机为研究对象,研究了不同喷灌机出流量(8.8、16.7、24.2 m3/h)情况下喷灌机水力性能的稳定性,测试了喷灌机3种出流量在喷头安装高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m)改变时的灌水均匀系数和灌水深度。结果表明,在喷头标准安装高度(1.5 m)下,圆形喷灌机水力性能稳定,喷灌机3种出流量的灌水深度沿径向均呈锯齿形波动,灌水均匀系数为82.5%~84.0%。喷头安装高度小于标准高度时,灌水深度沿径向的分布出现了较大波动,0.5 m时波动最剧烈,灌水均匀系数最大降低23.9%。喷头安装高度大于标准高度时,灌水深度沿径向的分布更为均匀,灌水均匀系数与标准高度的均匀系数无显著差异。与标准高度时的灌水深度测量值相比,喷头安装高度调节后的测量水深相对误差在10%以内。为保证喷灌均匀性和灌水深度,建议作物高度大于1.5 m时,可根据作物高度适时升高喷头安装高度。     

不同灌水技术要素组合下畦灌灌水深度的控制目标

研究地面灌溉反馈控制技术,加强对灌溉过程的控制和管理是当前改进地面灌溉技术的重点所在。该文基于以往研究成果,结合农民实际灌水经验,提出3种灌水深度控制目标(即田面最小灌水深度大于0时关口,入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口,田面最小灌水深度等于灌溉需水量时关口),并借助灌溉模拟模型以确定关口时间,从而控制灌溉水量。将田间试验与数值模拟相结合,分析不同土质、地形、畦长、入畦单宽流量下灌溉性能指标值对3种灌水深度控制目标的响应关系,确定不同灌水技术要素组合下适宜的灌水深度控制目标。结果表明,灌水深度控制目标对灌溉性能指标值的影响程度受畦长影响最为明显,其次是田面坡度和土质、再后是田面平整精度,入畦流量的影响不明显。砂壤和黏壤土质下畦长为50 m时,灌水深度控制目标取入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳;畦长为100 m时,零坡度下灌水深度控制目标取田面最小灌水深度大于0时关口最佳,有坡度下取入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳;畦长为150 m时,除黏壤土有坡度田面平整精度好的情况采用入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳外,其他建议采用田面最小灌水深度大于0时关口。研究成果为畦灌反馈控制方案的制定提供了决策依据。     

山丘区蓄水坑灌田间工程规划设计——以山西省太谷县节水灌溉示范园为例

[目的]对蓄水坑灌田间工程规划设计进行研究,解决蓄水坑灌未来推广运用中的问题,为推动山丘区蓄水坑灌的规模化、产业化发展奠定基础。[方法]以山西省太谷县节水灌溉示范园区为背景,将蓄水坑灌田间工程基本要素与微灌工程技术和低压管道输水灌溉工程技术相结合,因地制宜地对蓄水坑灌田间工程进行设计。[结果]采用水平集雨沟整地方法;每株果树布置4个蓄水坑,蓄水坑深度40cm;在降雨径流蓄滞能力设计为5a一遇24h最大暴雨量标准下,蓄水坑设计直径为30cm;坑内布置一体化设计的底板、固壁和顶盖;环状沟深度20cm,宽度30cm,半径50cm;输配水闸管系统包括干管、支管、毛管3级,管材为聚乙烯;四孔出流毛管沿环状沟内径呈环形绕树布置;给出了各管道管径、长度及进口工作水头的计算方法,以及系统工作制度的确定方法。[结论]对整地技术、蓄水坑设计与布置技术和低压管道系统设计技术的规划设计,能够满足山丘区蓄水坑灌的特殊灌溉要求。     

不同灌溉方式下甘蔗光合特性

光合作用是植物干物质积累的重要过程,作物产量主要通过光合作用实现。为比较不同灌溉模式下甘蔗光合特性差异,探明其主要影响因素,以柳城05-136号为试验甘蔗品种,于2015年3月-12月在广西崇左市江州区试验基地开展6种灌溉模式甘蔗净光合速率及主要环境因子的田间观测。结果表明:地埋滴灌甘蔗净光合速率最高,平均值为29.23μmol/m2·s,无灌溉最低,为18.53μmol/m2·s,地埋滴灌分别比无灌溉、管灌、喷灌、微喷和地表滴灌高57.74%、23.54%、12.68%、9.68%和2.56%,灌溉能显著提高甘蔗的光合速率(P0.05)。通径分析结果显示,土壤含水率、空气温度和土壤肥力是影响甘蔗净光合速率的主要环境因子,但各灌溉模式之间主要影响因子存在差异,无灌溉和地埋滴灌土壤肥力的影响较为显著,地表滴灌则是土壤含水率和速效氮的影响较为显著,管灌模式主要影响因子为土壤速效钾和空气温度,而喷灌和微喷模式的主要影响因子均为土壤含水率和空气温度。采用地埋滴灌模式更有利于研究区域甘蔗净光合速率的提升,此外,针对不同灌溉模式的主要影响因子进行合理调控可有效提高甘蔗净光合速率,从而提高甘蔗产量。