基于三維GIS的土壤墑情監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)的研究

盧健

摘要：以吉林省農(nóng)安縣合隆鎮(zhèn)玉米精準(zhǔn)作業(yè)為案例區(qū)，綜合應(yīng)用三維建模、數(shù)據(jù)庫和GIS技術(shù)，開發(fā)了基于三維GIS的土壤墑情監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的實(shí)例應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)農(nóng)區(qū)土壤墑情空間信息的有效管理和虛擬顯示為該區(qū)域土壤墑情的分析應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，更為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)實(shí)施提供有效的數(shù)字化管理平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：三維GIS;土壤墑情;模擬仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）08-0099-01

在“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系中，GIS的應(yīng)用開發(fā)是實(shí)施“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”實(shí)踐的關(guān)鍵技術(shù)之一，將三維GIS與作物輔助決策系統(tǒng)相結(jié)合，通過作物生產(chǎn)管理與長勢(shì)預(yù)測(cè)模擬模型、投入產(chǎn)出分析模擬模型和智能化農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)量的空間差異性，形成的田間作物管理處方圖，為農(nóng)業(yè)工作者分析決策、提出科學(xué)處方，指導(dǎo)科學(xué)提供支持[1]。

1 研究區(qū)域和研究方法

實(shí)驗(yàn)選擇農(nóng)安縣合隆鎮(zhèn)，農(nóng)安縣地處松遼平原，是吉林省重要的商品糧基地之一。系統(tǒng)采用GPS、無線傳感器對(duì)試驗(yàn)區(qū)域土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，在該數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫、三維數(shù)據(jù)庫和圖形圖像庫。在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間查詢和空間插值等操作，并建立三維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[2]。

1.1 數(shù)據(jù)采集與知識(shí)獲取

搜集地形地勢(shì)、采樣點(diǎn)等空間數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS繪制采樣網(wǎng)格圖，采集土壤養(yǎng)分等屬性數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫;通過無線傳感器搜集土壤水分、土壤溫度等土壤墑情數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫;基于人工智能技術(shù)，建立玉米精準(zhǔn)施肥模型庫;建立玉米生長階段，田間長勢(shì)、精準(zhǔn)作業(yè)過程的圖像與視頻庫。

1.2 三維GIS模型的構(gòu)建與場景模擬

利用ArcGis和3DsMax，構(gòu)建土壤墑情監(jiān)測(cè)三維GIS模型，根據(jù)土壤墑情可視化場景需求，將土壤墑情監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)劃分為地形表面、地下立體空間2個(gè)層次進(jìn)行構(gòu)建與描述：

（1）構(gòu)建地形表面層次的數(shù)字模型。運(yùn)用數(shù)字高程模型表面建模技術(shù)，通過點(diǎn)、三角形和格網(wǎng)的三種表面建模方法，面向完整的土壤地表空間信息，對(duì)地形地勢(shì)等地形表面層次建立數(shù)字高程模型，確保精準(zhǔn)作業(yè)核心區(qū)域地形表面空間層次上合理的空間劃分與區(qū)域識(shí)別;

（2）構(gòu)建地上地下立體層次的三維空間模型?；谕寥缐勄楹偷亓Φ燃?jí)分布立體層次描述的三維空間，解決三維空間對(duì)象在二維抽象表示中產(chǎn)生的地上下交疊問題，滿足土壤墑情和地力等級(jí)三維空間層面對(duì)象的精確表達(dá)與分析需求。

2 研制基于三維GIS的土壤墑情監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)

本系統(tǒng)模塊分為：三維模型查詢模塊、動(dòng)態(tài)場景模擬模塊、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和空間信息管理模塊等功能，以動(dòng)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊為例闡述本系統(tǒng)功能。

2.1 動(dòng)態(tài)場景生成

利用ArcGis，結(jié)合3DsMax，構(gòu)建實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)區(qū)三維虛擬場景，從而實(shí)現(xiàn)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(gè)過程包括地形生成、地物導(dǎo)入和場景效果設(shè)定。

構(gòu)建二維圖層是三維虛擬場景的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)生成地形模型主要是指地上地下模型的構(gòu)建，對(duì)農(nóng)安邊界以及地力等級(jí)的分界進(jìn)行繪制。導(dǎo)入繪制好的二維分布圖文件，通過矢量圖層的對(duì)地下模型進(jìn)行模擬，建立農(nóng)安縣地力等級(jí)和地下垂直分布三維模型圖。

2.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

選擇農(nóng)安縣合隆鎮(zhèn)玉米精準(zhǔn)作業(yè)核心示范區(qū)不同深度（0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm）土壤墑情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立土壤墑情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：土壤水分含量隨著土壤深度的增加而增加;不同時(shí)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(shì)相同;土壤溫度含量隨著土壤深度的增加而減少;不同時(shí)間土壤溫度的變化不一樣;不同深度土壤水分的變化趨勢(shì)基本相同。

2.2.2 玉米生長期土壤水分溫度分布分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的四個(gè)層次的土壤水分土壤水分、土壤溫度數(shù)據(jù)可知：在生長時(shí)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(jié)論

（1）本研究通過三維GIS實(shí)現(xiàn)了用戶與系統(tǒng)交互方式由傳統(tǒng)的二維空間到多維空間的轉(zhuǎn)變，有效發(fā)揮了三維場景逼真性和二維地圖整體性的優(yōu)勢(shì)，完美地詮釋了農(nóng)業(yè)空間信息的本質(zhì)。（2）本系統(tǒng)通過繪制農(nóng)安邊界以及地力等級(jí)的分界，生成該地區(qū)地力等級(jí)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。（3）依據(jù)三維模型建立土壤墑情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，為該區(qū)域土壤墑情的分析應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳桂芬.面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究與應(yīng)用[D].吉林：吉林人學(xué)，2009.

[2] 范力銘.基于ArcGisEngine的三維GIS系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用——以華東師范大學(xué)校園三維GIS為例[D].上海：華東師范大學(xué)，2007.

[3] 史國濱.GPS和GIS技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，10（50）：1948-1950.

[4] 林淑珍.RS與三維GIS在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用——以秭歸縣為例[D].湖北：中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

[5] 朱國敏，馬照亭，孫隆祥，等.城市三維地理信息系統(tǒng)中三維模型的快速構(gòu)建方法[J].地理與地理信息科學(xué)，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