本申请涉及智能农业灌溉技术领域，尤其涉及一种果园灌溉设施布局优化方法。
背景技术：
灌溉指用水浇地，主要包括漫灌、喷灌、微喷灌、滴灌等方式。由于我国淡水资源缺乏，因此，果树灌溉时提倡节水灌溉，以最低限度的用水量获得最大的产量或收益。目前，果树常采用的节水灌溉方式为滴灌。
现有技术中，常用的灌溉方法的步骤包括：根据果树类型，确定果树的最佳需水量；根据经验滴灌设施铺设；在土壤中安装湿度传感器；对比湿度传感器数据与土壤最佳湿度，确定是否需要灌溉或灌溉停止。上述方法针对植物对水的需求量不同合理设计，合理利用水资源，避免水资源的浪费；同时，通过湿度传感器准确反映土壤的湿度，使在对植物进行灌溉时，有一个合理的度量，再次避免水资源的浪费。
但是，上述灌溉方法中，滴灌设施铺设中，出具具体设计方案的技术水平要求较高，只能由专业工程技术人员进行设计，具体设计方案包括：滴灌管布置方式与滴头间距、数量以及滴头流量。专业工程技术人员将具体设计方案交由普通工程安装人员，由普通工程安装人员根据具体设计方案进行滴灌设施铺设。而且，没有科学的设计依据，容易造成滴头流量选择和布置的不合理性，普通工程安装人员无法独立设计完成，导致项目需求人员增多，成本增加。
技术实现要素：
本申请提供了一种果园灌溉设施布局优化方法，以解决现有技术中存在的问题。
本申请提供了一种果园灌溉设施布局优化方法，该方法包括：
构建果树的灌溉模型数据库，其中，所述灌溉模型数据库包括所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间；
从所述灌溉模型数据库中调取所述果树当前树龄、当前土壤类型下对应的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间；
根据所述果树的株距，确定滴灌管布置方式；
按照所述滴灌管布置方式、以及调取的所述滴头数量和滴头间距，铺设灌溉管路、安装滴头；
根据所述滴头的位置，布置用于监测土壤含水率的土壤水分传感器；
在所述果树的生育期，实时监测所述果树的土壤含水率，确定是否按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。
优选地，所述构建果树的灌溉模型数据库，包括：
获取所述果树在不同树龄的吸收根分布情况；
根据所述果树在不同树龄的吸收根分布情况，确定所述果树在不同树龄灌溉所需的湿润深度；
根据所述果树在不同树龄灌溉所需的湿润深度，确定所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径；
根据所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径，计算所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头间距和滴头数量。
优选地，所述确定所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径，包括：
预设所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的滴头流量和灌溉延续时间；
获取不同土壤类型下所述滴头流量对应的水平与垂直入渗系数比txz和水平与垂直入渗指数差△u；
根据公式r＝h·txz·t△u，计算获得所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径，其中，r为湿润半径，h为湿润深度，t为灌溉延续时间。
优选地，所述根据所述滴头的位置，布置用于监测土壤含水率的土壤水分传感器，包括：
确定所述土壤水分传感器的组数m和每组的数量n，其中，m≥1，n≥2；
任选m个滴头，每组土壤水分传感器对应一个滴头设置，在距离所述滴头水平方向第一预设长度、距离所述滴头垂直方向的n个不同预设深度处各布置一所述土壤水分传感器。
优选地，所述实时监测所述果树的土壤含水率，确定是否按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉，包括：
获取所述果树当前生育期、以及所述果树当前树龄相对应预设深度的土壤水分传感器测量的土壤含水率；
当所述土壤含水率大于当前生育期的预设灌溉下限时，则不对所述果树进行灌溉；
当所述土壤含水率等于所述预设灌溉下限时，则获取未来3日的气象信息；
若未来3日有中雨、大雨或暴雨，则不对所述果树进行灌溉；
若未来3日有小雨或无雨，则按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。
优选地，所述根据所述果树的株距，确定滴灌管布置方式，包括：
测量所述果树的株距，判断所述果树的株距是否大于或等于3m；
若所述株距大于或等于3m，则采用环状滴灌管布置方式；
若所述株距小于3m，则采用双行滴灌管布置方式。
与现有技术相比，本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果为：本发明实施例提供了一种果园灌溉设施布局优化方法，该方法包括：构建果树的灌溉模型数据库，其中，所述灌溉模型数据库包括所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间；从所述灌溉模型数据库中调取所述果树当前树龄、当前土壤类型下对应的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间；根据所述果树的株距，确定滴灌管布置方式；按照所述滴灌管布置方式、以及调取的所述滴头数量和滴头间距，铺设灌溉管路、安装滴头；根据所述滴头的位置，布置用于监测土壤含水率的土壤水分传感器；在所述果树的生育期，实时监测所述果树的土壤含水率，确定是否按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。本发明实施例提供的果园灌溉设施布局优化方法，通过构建果树的灌溉模型数据库，构造果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润土体模型，普通工程安装人员可以根据果树的树龄和土壤类型从灌溉模型数据库中调取对应的湿润土体模型，然后根据果树株距确定滴灌管布置方式。根据调取的湿润提模型中滴头数量、滴头间距布置灌溉管路、安装滴头。根据滴头的位置，布置土壤水分传感器，用于监测滴头附近的土壤含水率，通过监测的土壤含水率来对果树进行灌溉与否的判断。本发明无需专业工程技术人员设计，只需普通工程安装人员输入树龄和土壤类型，即可获得滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间等数据，大大降低了项目人员成本。由于滴灌系统设计需要综合农业种植与灌溉工程设计两方面专业技术，本发明还解决现有技术中存在的实际应用过程中容易考虑不周造成设计不合理，导致的过量灌溉或灌溉不足问题。本发明为果树滴灌系统设计提供了一种简便易行的方法，可为专业工程设计人员提供参考依据。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据一示例性实施例示出的一种果园灌溉设施布局优化方法的流程示意图；
图2为根据一示例性实施例示出的一种构建灌溉模型数据库的方法流程图；
图3为根据一示例性实施例示出的一种确定湿润半径的方法流程示意图；
图4为根据一示例性实施例示出的一种滴灌管布置方式的结构示意图；
图5为根据一示例性实施例示出的另一种滴灌管布置方式的结构示意图；
图6为根据一示例性实施例示出的一种确定灌溉与否的方法流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种果园灌溉设施布局优化方法，如图1所示，包括：
步骤s100：构建果树的灌溉模型数据库。
其中，所述灌溉模型数据库包括所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间。在具体实施过程中，由于不同树龄的果树的需水量不同，因此，构建的灌溉模型数据库中包括了不同树龄的果树在不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间，为了减少数据库的数据量，将果树分为幼龄果树、初结果树和成龄果树，其中，树龄在1-4年的为幼龄果树，树龄在5-7年的为初结果树，树龄在8年以上的为成龄果树。
在具体实施过程中，土壤类型分为砂土、黏土、壤土三种类型。
在本发明实施例中，构建的灌溉模型数据库中，可以包括多种果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间，果树种类可以包括苹果、桃树、梨树等多种常见果树。普通工程安装人员可以直接从该灌溉模型数据库中查阅果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间。
在本发明实施例中，一个滴头在一定滴头流量下灌溉一段时间后，在土壤中会渗透出现一个湿润土体，湿润土体的湿润半径与湿润深度、土壤类型、滴头流量有关。本发明通过预先构造出不同土壤类型下灌溉的湿润土体模型，同时，结合果树树龄，构造出果树在不同树龄、不同土壤类型下的灌溉模型，即果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间。
在一种可能的实施例中，如图2所示，步骤s100的具体实施方式包括：
步骤s110：获取所述果树在不同树龄的吸收根分布情况。
在具体实施过程中，为了提高灌溉水的利用效率，灌溉湿润土体应与果树根系分布达到耦合状态，即最大限度的灌溉到果树吸收根分布最密集的区域内。
以苹果树为例，水平方向上，吸收根主要分布在冠径的1/3～2/3处，呈圆环状分布；垂直方向上，吸收根具有成层分布的特点，其中，幼龄果树在10～30cm的土层为吸收根密集区，初结果树在10～40cm的土层为吸收根密集区，成龄果树10～50cm的土层为吸收根密集区。
步骤s120：根据所述果树在不同树龄的吸收根分布情况，确定所述果树在不同树龄灌溉所需的湿润深度。
在具体实施过程中，根据步骤s110获得的不同树龄的吸收根分布情况，确定不同树龄的果树灌溉所需的湿润深度。以苹果树为例，幼龄果树的湿润深度可以为0.3m，初结果树的湿润深度可以为0.4m，成龄果树的湿润深度可以为0.5m。
步骤s130：根据所述果树在不同树龄灌溉所需的湿润深度，确定所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径。
在具体实施过程中，不同土壤类型下，灌溉水的渗透速度不同，根据步骤s120获得的湿润深度，需要确定所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径。
在一种可能的实施例中，如图3所示，步骤s130的具体实施方式包括：
步骤s131：预设所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的滴头流量和灌溉延续时间。
根据经验，预设果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的滴头流量和灌溉延续时间，以在壤土中生长了8年的苹果树为例，可以预设滴头流量为6l/h，灌溉延续时间可以为3小时。当然，在具体实施过程中，可以设定滴头流量为1l/h～10l/h之间的任意数据，灌溉延续时间可以取2.5h～4h之间的任意数据，在此均不作具体限定。
步骤s132：获取不同土壤类型下所述滴头流量对应的水平与垂直入渗系数比txz和水平与垂直入渗指数差△u。
在具体实施过程中，可以通过实验获取不同土壤类型下所述滴头流量对应的水平与垂直入渗系数比txz和水平与垂直入渗指数差△u。△u在砂土、壤土、黏土条件下可以分别取-0.11、-0.13和-0.22，txz的取值可以参见表1。
表1不同土壤类型下不同滴头流量对应的水平与垂直入渗系数比
步骤s133：根据公式r＝h·txz·t△u，计算获得所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径，其中，r为湿润半径，h为湿润深度，t为灌溉延续时间。
在本发明实施例中，发明人经研究发现，r的大小与h、t、△u的大小有关，且存在关系式：r＝h·txz·t△u，因此，可根据该关系式计算出r。
以在壤土中生长了8年的苹果树为例，其湿润深度为0.5m，预设滴头流量为6l/h，灌溉延续时间为3小时，txz取值为1.726，△u取值为-0.13，根据公式r＝h·txz·t△u，可以计算出湿润半径r为0.75m。
步骤s140：根据所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径，计算所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头间距和滴头数量。
根据步骤s130中计算的湿润半径，计算所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头间距和滴头数量。
在具体实施过程中，在水平方向上，由于果树吸收根主要分布在果树冠径的1/3～2/3处，呈圆环状分布，因此，滴头应该设置在该圆环状分布区域，当该果树的所有滴头均设置在以果树树干为圆心的同一圆周上时，所需滴头数量最少。
在具体实施过程中，每棵果树需要设置多个滴头，每个滴头在滴灌过程中，在土壤中渗透时，相邻滴头滴灌形成的湿润土体的湿润锋交叉不超过50％为限定条件进行设计。在这样的设计下，2nr*(1-50％)＝2πr，其中，n为滴头数量，r为滴头所在圆周的半径，r为湿润半径，得到滴头数量n＝πr/0.5r。
以在壤土中生长了8年的苹果树为例，由于其果树吸收根主要分布在果树冠径的1/3～2/3处，因此，滴头可以设置在以果树树干为圆心，半径r为0.7m的圆周上。根据湿润半径r为0.75m以及公式n＝πr/0.5r可以计算出滴头数量为6。同时，还可以计算出滴头间距为2πr/6＝0.73m。
在本发明实施例中，幼龄果树的滴头可以设置在以果树树干为圆心，半径r为0.5m的圆周上；初结果树的滴头可以设置在以果树树干为圆心，半径r为0.6m的圆周上；成龄果树的滴头可以设置在以果树树干为圆心，半径r为0.7m的圆周上。当然，在具体实施过程中，半径r可以根据果树冠径的1/3～2/3处自行设定，在此不做具体限定。
当然，在具体实施过程中，还可以通过实验获取果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润半径，在此不做具体限定。
步骤s200：从所述灌溉模型数据库中调取所述果树当前树龄、当前土壤类型下对应的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间。
在具体实施过程中，普通工程安装人员可以根据果树的当前树龄和当前土壤类型选取适合的灌溉模型，即直接从灌溉模型数据库中调取与之相对应的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间，无需专业设计。例如，普通工程安装人员要为某桃园安装滴灌设备，他可以直接从灌溉模型数据库中调取桃树在该桃园桃树树龄、土壤类型下的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间，无需专业设计人员参与。
步骤s300：根据所述果树的株距，确定滴灌管布置方式。
不同果树，株距不同，为了节约水资源，对于株距不同的果树可以采用不同的灌溉管布置方式。
在一种可能的实施例中，步骤s300的具体实施方式可以包括：
测量所述果树的株距，判断所述果树的株距是否大于或等于3m。若所述株距大于或等于3m，则采用环状滴灌管布置方式，如图4所示；若所述株距小于3m，则采用双行滴灌管布置方式，如图5所示。在具体实施过程中，株距较小时，采用环状滴灌管布置方式会造成相邻滴头的湿润土体大面积重叠，不利于节水。因此，株距小于3m，采用双行滴灌管布置方式。
株距大于或等于3m的果树，采用如图4所示的布置方式，环状滴灌管布置方式包括主管(图中未示出)、支管1和毛管2，毛管2上设置滴头3，主管中的灌溉水依次通过支管1和毛管2，最后通过滴头3滴入果树附近的土壤中。在具体实施过程中，毛管2的半径即为滴头3所在圆周的半径r。
株距小于3m的果树，采用如图5所示，双行滴灌管布置方式包括主管(图中未示出)、支管1，支管1上设置滴头3，主管中的灌溉水依次通过支管1，最后通过滴头3滴入果树附近的土壤中。
步骤s400：按照所述滴灌管布置方式、以及调取的所述滴头数量和滴头间距，铺设灌溉管路、安装滴头。
在具体实施过程中，普通工程安装人员可以根据步骤s300中的滴灌官布置方式与步骤s200中调取的滴头数量和滴头间距，铺设灌溉管路、安装滴头。
步骤s500：根据所述滴头的位置，布置用于监测土壤含水率的土壤水分传感器。
在本发明实施例中，滴头附近要安装土壤水分传感器，以监测土壤的含水量，确定是否需要灌溉。
在一种可能的实施例中，步骤s500的具体实施方式可以包括：
步骤s501：确定所述土壤水分传感器的组数m和每组的数量n，其中，m≥1，n≥2。
在具体实施过程中，首先确定果树需要安装的土壤水分传感器的组数m，以及每组土壤水分传感器的数量n。以幼龄果树为例，一颗果树可以安装1组土壤水分传感器，每组包括4个土壤水分传感器。初结果树可以安装1组土壤水分传感器，每组包括3个土壤水分传感器。成龄果树可以安装1组土壤水分传感器，每组包括2个土壤水分传感器。
步骤s502：任选m个滴头，每组土壤水分传感器对应一个滴头设置，在距离所述滴头水平方向第一预设长度、距离所述滴头垂直方向的n个不同预设深度处各布置一所述土壤水分传感器。
在具体实施过程中，第一预设长度、n个不同预设深度均可以根据果树的类型和土壤的类型任意设定，在此不做具体限定。
在本发明实施例中，一个滴头附近安装一组土壤水分传感器，这一组土壤水分传感器安装的深度不同。以幼龄果树为例，可以在距离滴头水平距离5cm处，垂直方向分别在10cm，20cm，40cm，60cm深度处各设置一土壤水分传感器。
步骤s600：在所述果树的生育期，实时监测所述果树的土壤含水率，确定是否按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。
在一种可能的实施例中，如图6所示，步骤s600的具体实施方式包括：
步骤s610：获取所述果树当前生育期、以及所述果树当前树龄相对应预设深度的土壤水分传感器测量的土壤含水率。
由于果树在每个生育期的需水量不同，因此，在果树的生育期，实时监测果树的土壤含水率，确定是否按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。在具体实施过程中，果树生育期包括萌芽前期、开花期、幼果期、果实膨大初期、果实膨大后期和成熟采收期。
另外，不同树龄的果树的需水量也不同，步骤s500中布置的n个不同预设深度的土壤水分传感器与树龄相对应。以苹果树为例，1年幼领果树取20cm和40cm处水分实时监测数据平均值，幼领果树取40cm处水分实时监测数据，初结果树取40cm和60cm处水分实时监测数据平均值，成龄果树取60cm处水分实时监测数据。
在一种可能的实施例中，一棵果树设置了的m个滴头均设置了土壤水分传感器，r即该果树设置了m组，若m>2，在获取土壤含水率时，则获取与果树树龄相对应的m个数据，求平均值作为该果树的土壤含水率。
步骤s620：判断所述土壤含水率是否大于当前生育期的预设灌溉下限。
当所述土壤含水率大于当前生育期的预设灌溉下限时，则执行步骤s630；当所述土壤含水率等于所述预设灌溉下限时，则执行步骤s640。
步骤s630：不对所述果树进行灌溉。
当所述土壤含水率大于当前生育期的预设灌溉下限时，则不对所述果树进行灌溉。
在具体实施过程中，土壤相对含水量下限根据不同生育期进行设定，萌芽前期的预设灌溉下限为70％，开花期的预设灌溉下限为60％，幼果期和果实膨大初期的预设灌溉下限为70％，果实膨大后期和成熟采收期的预设灌溉下限为60％。以萌芽前期为例，当前时刻监测的土壤含水率大于70％时，不对所述果树进行灌溉。
步骤s640：获取未来3日的气象信息。
当所述土壤含水率等于所述预设灌溉下限时，则获取未来3日的气象信息。
以萌芽前期为例，当前时刻监测的土壤含水率等于70％时，获取未来3日的气象信息。
步骤s650：判断未来3日是否有中雨、大雨或暴雨。
判断未来3日是否有中雨、大雨或暴雨，若未来3日有中雨、大雨或暴雨，则执行步骤s630；若未来3日有小雨或无雨，则执行步骤s660。
若未来3日有中雨、大雨或暴雨，则不对所述果树进行灌溉，合理利用未来的雨水，节省水资源。
步骤s660：按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。
若未来3日有小雨或无雨，则按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。
本发明实施例提供了一种果园灌溉设施布局优化方法，该方法包括：构建果树的灌溉模型数据库，其中，所述灌溉模型数据库包括所述果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉所需的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间；从所述灌溉模型数据库中调取所述果树当前树龄、当前土壤类型下对应的滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间；根据所述果树的株距，确定滴灌管布置方式；按照所述滴灌管布置方式、以及调取的所述滴头数量和滴头间距，铺设灌溉管路、安装滴头；根据所述滴头的位置，布置用于监测土壤含水率的土壤水分传感器；在所述果树的生育期，实时监测所述果树的土壤含水率，确定是否按照调取的所述滴头流量和灌溉延续时间对所述果树进行灌溉。本发明实施例提供的果园灌溉设施布局优化方法，通过构建果树的灌溉模型数据库，构造果树在不同树龄、不同土壤类型下灌溉的湿润土体模型，普通工程安装人员可以根据果树的树龄和土壤类型从灌溉模型数据库中调取对应的湿润土体模型，然后根据果树株距确定滴灌管布置方式。根据调取的湿润提模型中滴头数量、滴头间距布置灌溉管路、安装滴头。根据滴头的位置，布置土壤水分传感器，用于监测滴头附近的土壤含水率，通过监测的土壤含水率来对果树进行灌溉与否的判断。本发明无需专业工程技术人员设计，只需普通工程安装人员输入树龄和土壤类型，即可获得滴头数量、滴头间距、滴头流量和灌溉延续时间等数据，大大降低了项目人员成本。由于滴灌系统设计需要综合农业种植与灌溉工程设计两方面专业技术，本发明还解决现有技术中存在的实际应用过程中容易考虑不周造成设计不合理，导致的过量灌溉或灌溉不足问题。本发明为果树滴灌系统设计提供了一种简便易行的方法，可为专业工程设计人员提供参考依据。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。