現(xiàn)代化技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

段麗芳

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

灌溉技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)灌溉智能化指的是將計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)遙感技術(shù)結(jié)合起來，從而達到對農(nóng)作物的澆水進行實時監(jiān)控的一種管理方式。農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)可以實現(xiàn)作物的遠程控制，比如灌溉用水、澆水的時機等。與常規(guī)的大面積灌溉技術(shù)相比，農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的使用可以有效節(jié)省水資源，并可以進行遠程智能控制，有利于構(gòu)建一個更加健全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉管理體制。

1 現(xiàn)代化技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中的重要性

在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，各種自然因素對農(nóng)業(yè)發(fā)展都有著重要的作用，如氣候問題、土壤地質(zhì)問題、自然災(zāi)害問題等都會對國家的有關(guān)政策和人力資源的發(fā)展產(chǎn)生一定的作用。假如在農(nóng)業(yè)建設(shè)時遇到了嚴(yán)重的極端氣候，這很可能會對農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生阻礙，同時也會對農(nóng)戶造成一定的經(jīng)濟損失，若不能及時解決，還會引發(fā)一系列的問題。在這個過程中，使用現(xiàn)代化智能技術(shù)就可以避免很多問題，可以提前預(yù)報氣候問題，減少損失，保障作物健康生長，也可以為農(nóng)戶提供前沿的農(nóng)業(yè)信息，推動農(nóng)業(yè)投資，增加農(nóng)業(yè)利潤[1]。

2 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的適用范圍

農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可廣泛應(yīng)用于糧食、蔬菜、果樹和中草藥等各種旱作物。就其所處地勢而言，適合于平原和丘陵地帶；就土體性質(zhì)而言，高滲透和低滲透兩種都適宜。此外，農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)不但可以用于農(nóng)田灌溉，還可以用于園林草坪和花卉的灌溉，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)智能化生產(chǎn)和精細化灌溉的一個很好的“幫手”。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雖然不同作物的澆水需求、澆水時間各不相同，但通過使用農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，都能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)的澆水。在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中運用現(xiàn)代化技術(shù)，可以對土地墑情等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、采集和計算分析，再按照作物的需要，對其進行科學(xué)高效的調(diào)控、及時適當(dāng)?shù)墓嗨?。農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)具有廣泛的適用性，對其進行推廣與運用，既可以節(jié)約水資源，提高水的利用率，又可以減輕水源日趨緊缺的狀況，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，還可以建立并完善節(jié)水管理制度體系，加深農(nóng)戶對節(jié)約用水的認識，提高耕地抵御自然災(zāi)害的能力，從而促進農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收[2]。

3 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的優(yōu)勢

在我國，農(nóng)業(yè)用水大約占據(jù)了全國用水總量的80%，然而在農(nóng)田灌區(qū)，其用水利用率不高，導(dǎo)致大量的水被消耗，而植物的用水需求卻無法獲得及時的補足，從而嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量和效益，限制現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。所以，如果能將農(nóng)田的用水問題處理好，對國家的未來發(fā)展也有很大的幫助。在使用農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)后，不僅可以極大地減輕農(nóng)民的勞動強度，還可以準(zhǔn)確、定時、定量、高效地給作物進行自動灌溉與施肥，提高了土壤的質(zhì)量，從而達到了增產(chǎn)增質(zhì)、節(jié)水節(jié)能的目的[3]。

4 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

4.1 田間信息采集智能化

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生態(tài)系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有很多的要素會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生一定的作用。農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)是將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為一個基本的發(fā)展方向，通過與最先進的現(xiàn)代化技術(shù)進行融合，在智能裝置和現(xiàn)代化技術(shù)的幫助下，可以對作物的生長環(huán)境進行遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠改善廣大農(nóng)民群眾生產(chǎn)和生活的各個方面，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加地智慧化。在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用中，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的融合，可以構(gòu)建一種集信息監(jiān)測、無線傳輸、智能決策和管理于一身的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)，以更好地為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供支持。

4.2 灌溉設(shè)施智能化

在實際應(yīng)用中，由于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和多樣性，使得單純使用一種技術(shù)并不能滿足整個系統(tǒng)的要求。因此，將各種現(xiàn)代化智能技術(shù)結(jié)合起來，可以讓農(nóng)田的精確灌溉變得更加方便。但任何一種技術(shù)都有其各自的優(yōu)勢和劣勢，為了保證該技術(shù)的劣勢得到解決，可以將各種現(xiàn)代化技術(shù)的優(yōu)勢組合起來，用于理論和實際的應(yīng)用。所以，可以通過對影響作物灌溉因素的研究，將其與作物種植環(huán)境和灌溉調(diào)度的眾多要素相聯(lián)系，對其進行科學(xué)高效地預(yù)報，進而保證按照作物的成長需要進行灌溉[4]。此外，與傳統(tǒng)的噴灌方式比較，采用精準(zhǔn)可變的灌溉方式可以節(jié)省更多的水資源。例如，噴灌機在運行時，可以通過計算機調(diào)整噴頭的數(shù)量、噴頭的速度、噴口的大小和噴水的壓力來對農(nóng)業(yè)灌溉進行有效調(diào)控和智能化管理[5]。

4.3 農(nóng)業(yè)機械智能化

農(nóng)業(yè)機械主要有農(nóng)用拖拉機、大型自走式拖拉機等，利用各類汽車、航天技術(shù)可以提高農(nóng)業(yè)機械的機動性。在智能農(nóng)業(yè)機械的駕駛室內(nèi)，電腦具有一個統(tǒng)一的、通用的、可用于操作各種機械的界面，同時電子監(jiān)控儀器也越來越人性化，智能信息的顯示也更加簡單、便利。農(nóng)業(yè)機械智能化作業(yè)可以減少費用，達到提升效率和節(jié)省資源的目的，同時還可以有效減少對土壤、水質(zhì)等的污染。

4.4 農(nóng)機具管理智能化

農(nóng)機具的管理是一項系統(tǒng)工程，需要建立一個高效智能的管理網(wǎng)絡(luò)，進行全方位、多層次的信息采集、存儲、傳遞和狀態(tài)分析，從而使農(nóng)業(yè)機械的價值和效能得到充分發(fā)揮。例如，通過農(nóng)機具智能化管理，計算機可以與在農(nóng)田工作的機器進行數(shù)據(jù)傳輸，然后將農(nóng)業(yè)機械上的作業(yè)數(shù)據(jù)進行匯總、綜合、整理并保存到數(shù)據(jù)庫[6]。

5 現(xiàn)代化技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

5.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，就是利用計算機的編程語言模仿人類大腦的行為模式，從而對灌溉系統(tǒng)進行準(zhǔn)確控制。因為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對復(fù)雜環(huán)境有較強的適應(yīng)性，還可以同時對多個對象進行有效調(diào)控，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實際中的運用中有著非常明顯的優(yōu)越性，而且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其他的控制方法進行有機融合，可以構(gòu)造出更為優(yōu)秀的灌溉控制體系，將會使智能灌溉的質(zhì)量和效率得到進一步提高[7]。

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉調(diào)控面臨兩個主要問題：一是土壤具有非線性和不確定特性；二是多因素的交互作用。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以很好地克服上述兩個問題，為此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。例如，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方式建立灌溉水滲入深度預(yù)測模型，可以對灌溉水滲入深度進行有效控制，從而減少深層滲漏，大大地節(jié)省水資源。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用也有其限制，因為不同耕地的情況不同，不可避免地會產(chǎn)生一些偏差，不能確保預(yù)測的精度。為了克服這個困難，把灰色預(yù)測法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合起來建立預(yù)測模式，大大提高了預(yù)測精度。近年來，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究越來越多，現(xiàn)在將其與模糊控制技術(shù)相結(jié)合，可以讓它擁有模仿人腦感知和推理等行為的能力，從而有效地提高了智能灌溉技術(shù)的水準(zhǔn)與灌溉效果[8]。

5.2 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用

與常規(guī)的控制方法相比，模糊控制技術(shù)的一個顯著特征是無需了解被控目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。由于土壤中存在很多不確定因素，因此很難構(gòu)建出一種準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)階段采用最多的是通過模糊控制技術(shù)來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。由于模糊控制技術(shù)具有強大的推斷能力和知識的表示能力，所以可以在一定程度上完成與人類相似的決策，從而大大提高了農(nóng)業(yè)灌溉的準(zhǔn)確性。這也是提高灌溉效果和水資源利用效率的一種關(guān)鍵手段，所以關(guān)于模糊控制技術(shù)的研究受到了廣泛的關(guān)注[9]。例如，結(jié)合模糊控制技術(shù)對寒冷地區(qū)的稻田進行智能化灌溉，調(diào)整虧損的灌水量可以達20.5%，從這個角度來看，該方法的優(yōu)點和功能是非常明顯的。將該方法用于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，不需要建立被控目標(biāo)的數(shù)學(xué)建模，不僅可以有效地克服系統(tǒng)的非線性，而且可以極大地提高灌溉系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。然而，由于模糊控制技術(shù)本身的限制，其對控制規(guī)律的修改變得困難。

5.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用就是在灌溉田地中，利用無線通信的方法對田地里的情況進行實時監(jiān)控，并收集田地中的各種數(shù)據(jù)信息，然后再將收集的數(shù)據(jù)傳送到農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的集控中心。在此基礎(chǔ)上，通過協(xié)調(diào)器、測感節(jié)點和路由器，可以實現(xiàn)對灌溉區(qū)域中信息的收集，并進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和信息的交換。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有可靠性高、容量大、能耗小等優(yōu)點，其在大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地得到了廣泛的應(yīng)用。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，可以建立一個完整的自動化灌溉器，即由傳感器對灌水器內(nèi)的水情進行監(jiān)控。但無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也有一些缺點，必須采用GPRS技術(shù)對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行監(jiān)測，該方法既可以解決大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的觀測問題，又可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的信息分享率，較好地達到節(jié)約水資源的目的。此外，通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用，將大數(shù)據(jù)技術(shù)和智能控制技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)方式相融合，可以更好地進行數(shù)據(jù)挖掘，也可以更準(zhǔn)確地計算出灌區(qū)的需水量，從而實現(xiàn)自動化的智慧灌溉。該方法具有較高的精度和較好的適用性，不僅能夠保證農(nóng)田用水，而且能夠極大地提高農(nóng)田用水效率，所以在將來無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會得到非常廣闊的發(fā)展[10]。

6 結(jié)論

目前，我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)是在精確化灌溉的基礎(chǔ)上促進農(nóng)業(yè)的有效發(fā)展，將現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，能夠?qū)μ镩g的灌溉資料進行實時監(jiān)測，并按照田間的具體狀況進行灌溉，從而減輕農(nóng)民的勞動強度，提高水資源的利用效率和灌溉效果，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。