Envidata土壤墒情与旱情监测管理系统

——列入中国水利部科技推广中心“2013年度水利先进实用技术重点推广指导目录”

随着水资源的短缺，提高作物的水分利用效率成为农业节水的关键。墒情监测是确定作物水分生产力、制定灌溉定额、实现灌溉预报的基础工作。墒情的时间和空间变异性很大，监测点的位置和数量直接影响灌溉时间和灌溉量。ENVIdata土壤墒情与旱情监测管理系统通过集合土壤、作物、气象数据，实现区域墒情监测和分析，已成为提高灌溉预报水平的必要工具。

ENVIdata系统墒情监测

ENVIdata系统通过数据采集器连续测量土壤剖面的土壤水分、温度和电导率，还可同时采集大田的温湿度、风速、风向、辐射、光谱、作物温度等参数，实现农田小气候的全方位观测。观测数据通过ENVIdata Internet 遥测软件发送到系统数据库，灌溉预报软件通过分析大田的水、土、气、作物的历史数据和目前信息，提供下次的灌溉时间和灌溉量。

墒情监测的布设可在同一个田块的不同作物种植区，也可在不同村、乡、县或省。各测点的数据数据推送模式，经Internet 发送到远程的系统数据库。系统数据库可接收来自100个测点的墒情等农田小气候数据。这种新设计比传统的用电话猫将数据发送到服务器更稳定、更可靠，费用更低。

ENVIdata系统数据库即可安装在用户的计算机上，也可安装在远程服务器上（如澳作服务器）。选择澳作服务器时，用户无需维护数据库，澳作服务器可帮助用户监控大田测点硬件系统的运行状态。用户只要能上网，即可监测墒情，做灌溉预报。

ENVIdata系统灌溉预报

通过实时远程遥测墒情、降雨量、农田小气候信息，综合工程、农艺、管理等节水措施，根据天气预报资料、土壤结构、作物生育期，结合水源供应情况、科学预测预报不同土壤类型、不同种植结构、不同可供水量条件下的农田水分动态状况，给出适宜灌水时间和适宜灌水量，实时跟踪土壤墒情变化，及时调整预测预报结果，并能够通过网站定期向农民发布预报结果，指导农民适时、适量灌溉，实现科学灌溉、节水灌溉。

ENVIdata的灌溉预报软在国内外已经使用了近二十年。功能设计合理，操作方便。

1 针对每个地块的特点进行最优化灌溉管理

通过土壤水分数据，计算每个地块的作物耗水量。根据当前的日耗水强度、天气变化和历史资料，预测下次的灌溉时间和确切的灌溉量。确保每个地块的作物一直都处于最佳的土壤水分状况。对不同的的田块、作物进行分类管理，协调灌水次序。

2、为土壤改良、地下水位管理、盐渍化、养分淋溶等问题提供合理的依据

可监测土壤剖面的水分运移与变化，发现过涝、土壤板结和深层渗漏等问题，从而为我门改良土壤、地下水位管理、盐分和养分的调控提供合理的参考。

3、提供了科研和生产应用的多种公式和函数

作物相对水分利用率；作物累积日耗水量，用于预测产量；存贮作物生长季节内的长期日耗水资料；计算作物生长速率，如直径。

4、通过研究作物各种性状的参数与土壤含水量、气象数据的关系，完成对作物产量与品质的调控

软件可将用户选择的气象、作物参数和土壤含水量制作成关系图。测定的作物参数，输入软件后和土壤含水量进行相关分析，可确定作物生长期内的需水量和进行其他许多方面的研究。

5、图形功能 ：可分别作时间图、深度图。

Time graphs（时间图）：显示整个季节的土壤湿度变化；灌溉和降水的供给量和有效利用量；计算的土壤水分日变化量

Depth grahps（深度图）：显示某一时刻的土壤剖面，反映土壤容积含水量在剖面上的变化。显示作物扎根深度；确定根系活动范围和各层次的耗水量；研究和分析土壤改良、地下水位管理、盐渍化、养分淋溶等问题，确定由于灌溉过量或者灌溉不足而造成的土壤的过湿或过干等问题。

6、灌溉预报

灌溉日期和灌溉量可按如下条件是否满足实施：土壤湿度达到低限时的日期（通常为补灌点）；在给定的日期，土壤湿度达到饱灌点所需的灌水总量；低限可以是补灌点，或者由公式计算出，或者随季节而变化，以下为低限的计算方法。

灌溉可以一个文件的形式输出，文件包括位置序号、灌溉总量、灌溉日期，文件可以由用户制定，或者由系统自动生成。软件计算灌溉的经济效益。

ENVIdata 系统组成

1、组成

ENVIdata墒情与旱情监测管理系统根据土壤墒情监测规范要求设计，由野外站和中心服务器组成。野外站采用高精度土壤水分、土壤水势传感器及数据采集单元，组成一套完整的自动监测系统，不仅可实时监测墒情的最主要参数——土壤水分，还可根据用户需求实时记录土壤水势、温度和电导率等参数；配套的ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件，运行在用户的服务器上，也可以运行在供应商提供的安全服务器上，为多个监测站点提供数据接收服务，同时帮助用户远程监控野外监测站点硬件系统的运行状态。

2、技术原理

ENVIdata墒情与旱情监测管理系统中的TDR土壤水分传感器，它利用目前世界先进的时域反射（TDR）原理，建立了时间采样技术。工作时产生1GHz的高频电磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周围产生一个电磁场，信号传输到波导体的末端后又反射回发射源，传输时间在10ps-2ns间，使得仪器可以检测到小至3ps的时间信号，从而实现土壤水分的精确测量。

ENVIdata墒情与旱情监测管理系统各观测点土壤水分传感器采集的数据自动保存在数据采集器中，然后通过网线、无线数据传输或GPRS将数据传送到ENVIdata系统中心服务器，无法直接传送的数据也可通过人工输入或数据文件导入，从而实现墒情与旱情的实时监测与数据中心管理。

3、技术特点

ENVIdata 墒情与旱情监测管理系统野外站的记录器采用数据推送模式，将记录的数据从野外发送到服务器上，这种新设计比传统的用电话猫将数据发送到服务器更稳定、更可靠、费用更低。

ENVIdata 服务器软件通过GPRS无线网络最多可以同时连接1000台野外站，接收实时数据，接收的数据保存在服务器数据库中，并能够进行各种数据显示。进入系统后用户可查看实时数据、历史数据及系统的配置。

ENVIdata墒情与旱情监测管理系统允许用户在野外采用GPRS记录器或卫星通信记录器将采集的生态环境数据，如气象因子、土壤墒情、水文、水质等信息，以各种时间间隔（每分钟、每小时、每天）发送到网站上，用户只要能上网，既可浏览实时数据。ENVIdata 系统允许用户设立各种报警条件，超限的数据可通过邮件或短信发给用户。采集记录的所有数据文件可通过邮件发送给用户，也可定时发送到其它数据分析或专家系统。多站点用户还可在地图上实时显示各站点情况，实现墒情旱情实时监测与管理。

ENVIdata系统可采集的参数

土壤：水分、温度 、电导率、土壤CO2

植物/作物：冠层温度、高度、茎干变化、液流

气象：降雨量、温度、湿度、风速、风向、气压、蒸发、辐射 

光谱：NDVI、可见光、紫外、近红外、远红外

ENVIdata系统国外应用

澳大利亚农场、加利福尼亚的酒葡萄园、瑞士的甘蔗种植园、南非的苹果园、肯尼亚的蔬菜种植园，新疆建设兵团在棉花的灌溉管理中已经采用该系统的灌溉预报模块，研究根系的吸水模式和耗水量。

ENVIdata 在国内水利领域的应用范围及前景

Envidata土壤墒情与旱情监测管理系统的数据采集器采用双重通道隔离技术，利用FTP进行数据自动传送。15个传感器模拟输入通道，最多可扩展到300个模拟输入，另有12个灵活的数字通道，极大方便了用户的各种测量需求，用户还可以自定义内存分配空间和存储形式。

该系统所使用的TDR土壤水分传感器利用目前世界先进的TDR时域反射技术，建立了时间采样技术，能够满足水利部门墒情旱情监测系统建设对土壤水分仪器稳定性和可靠性的极致要求，实现土壤水分的精确测量。其在水利部墒情项目比测中名列前茅。

 该系统应用的软件获得了中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权的登记证书，享有自主的知识产权。该系统的研发及系统集成严格按照质量管理体系进行，完全符合GB/T19001-ISO9001：2008的认证标准，并获得了相应的ISO9001质量管理体系认证证书！

总之，该系统可实时、连续、原位监测土壤水分、温度、水势的变化，实时远程遥测墒情，结合降雨量、农田小气候信息以及工程、农艺、管理等节水措施，根据天气预报资料、土壤结构、作物生育期，结合水源供应情况，科学监测不同土壤类型、不同种植结构、不同可供水量条件下的农田水分动态状况，实时跟踪土壤墒情变化，及时调整适宜灌水时间和适宜灌水量，并能够通过网站定期向农民发布预报结果，指导适时、适量的科学节水灌溉。为研究人员分析墒情信息、科学制定抗旱方案提供第一手田间数据资料，为正确指挥抗旱救灾、最大限度地减轻灾害损失提供决策支持。

该系统已经在中国水利水电科学研究院、中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所、水利厅局、交科院、农科院等多个密切关注土壤墒情、需要进行土壤墒情远程监测的单位得到了广泛应用。其中中国水利水电科学研究院水利研究所于2008年即在北京大兴试验基地安装了该套系统，实现了土壤水分、温度、电导率（盐分）的实时、连续、原位监测以及远程控制。该系统自2008年安装以来，已连续运行5年，传感器及采集器性能稳定可靠，维护操作简单，数据精度满足科研及应用要求，为完成该所承担的国家自然科学基金、“863”计划项目中与水肥优化管理相关内容的研究提供了大量翔实的观测数据。

Envidata土壤墒情与旱情监测管理系统列入中国水利部科技推广中心“2013年度水利先进实用技术重点推广指导目录”

ENVIdata 在国内水利领域的技术指标

1、数据采集器

采用双重通道隔离技术，2个串行的’智能传感器’端口，FTP用于数据自动传送，Modbus用于SCADA系统，用户可自定义内存分配空间和存储形式，支持SDI-12传感器 (多个网络)，Web网络接口

l 通道：2/6通道设置，10个SDI传感器

l 采样：最大采样速度25Hz；有效采样分辨率18位，线性0.01％

l 显示：2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行

l 内置存储：128MB内存(10，000，000数据点)

l U盘存储：兼容USB1.1或USB2.0驱动，每兆约90，000采集数字点

l 通讯：RS232、USB、以太网等

l 温度范围：-45-70℃

l 工作湿度：0-85％（无水汽凝结）

l 电源外接：10-30VDC

l 内置时钟精准度：±1分钟/年（0-40℃）；±4分钟/年（-40-70℃）

l 采样间隔：10ms至多日，可自定义；

l 输出值种类：平均值， 最大值， 最小值， 取样值 (Sample)， 向量值， 累计值 ( Totalize )等。

l 报警：高、低，范围内和范围外，可选择延迟时间。

2、TRIME-PICO-64/32土壤水分传感器