基于三维GIS的土壤墒情监测模拟仿真系统的研究.docx

?

?

基于三维GIS的土壤墒情监测模拟仿真系统的研究

?

?

卢健

摘要：以吉林省农安县合隆镇玉米精准作业为案例区，综合应用三维建模、数据库和GIS技术，开发了基于三维GIS的土壤墒情监测模拟仿真系统，同时对系统进行了初步的实例应用。应用结果表明：系统能实现农区土壤墒情空间信息的有效管理和虚拟显示为该区域土壤墒情的分析应用奠定了基础，更为精准农业技术实施提供有效的数字化管理平台。

关键词：三维GIS;土壤墒情;模拟仿真系统

：S127：A：1007-9416（2019）08-0099-01

在“精准农业”技术体系中，GIS的应用开发是实施“精准农业”实践的关键技术之一，将三维GIS与作物辅助决策系统相结合，通过作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化农业专家系统，根据产量的空间差异性，形成的田间作物管理处方图，为农业工作者分析决策、提出科学处方，指导科学提供支持[1]。

1研究区域和研究方法

实验选择农安县合隆镇，农安县地处松辽平原，是吉林省重要的商品粮基地之一。系统采用GPS、无线传感器对试验区域土壤墒情数据进行获取，在该数据集基础上构建空间数据库、关系数据库、动态数据库、三维数据库和图形图像库。在数据库的基础上进行空间查询和空间插值等操作，并建立三维模型进行动态模拟[2]。

1.1数据采集与知识获取

搜集地形地势、采样点等空间数据，运用GIS绘制采样网格图，采集土壤养分等属性数据，建立数据库;通过无线传感器搜集土壤水分、土壤温度等土壤墒情数据，建立动态数据库;基于人工智能技术，建立玉米精准施肥模型库;建立玉米生长阶段，田间长势、精准作业过程的图像与视频库。

1.2三维GIS模型的构建与场景模拟

利用ArcGis和3DsMax，构建土壤墒情监测三维GIS模型，根据土壤墒情可视化场景需求，将土壤墒情监测模拟仿真系统划分为地形表面、地下立体空间2个层次进行构建与描述：

（1）构建地形表面层次的数字模型。运用数字高程模型表面建模技术，通过点、三角形和格网的三种表面建模方法，面向完整的土壤地表空间信息，对地形地势等地形表面层次建立数字高程模型，确保精准作业核心区域地形表面空间层次上合理的空间划分与区域识别;

（2）构建地上地下立体层次的三维空间模型。基于土壤墒情和地力等级分布立体层次描述的三维空间，解决三维空间对象在二维抽象表示中产生的地上下交叠问题，满足土壤墒情和地力等级三维空间层面对象的精确表达与分析需求。

2研制基于三维GIS的土壤墒情监测模拟仿真系统

本系统模块分为：三维模型查询模块、动态场景模拟模块、动态监测模块和空间信息管理模块等功能，以动态模拟和动态监测模块为例阐述本系统功能。

2.1动态场景生成

利用ArcGis，结合3DsMax，构建实现精准农业区三维虚拟场景，从而实现土壤墒情模拟场景三维可视化，此过程具有很高的可重用性，提高了場景的灵活性。整个过程包括地形生成、地物导入和场景效果设定。

构建二维图层是三维虚拟场景的基础，本系统生成地形模型主要是指地上地下模型的构建，对农安边界以及地力等级的分界进行绘制。导入绘制好的二维分布图文件，通过矢量图层的对地下模型进行模拟，建立农安县地力等级和地下垂直分布三维模型图。

2.2动态监测模块

选择农安县合隆镇玉米精准作业核心示范区不同深度（0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm）土壤墒情动态监测数据，建立土壤墒情动态监测模块。

2.2.1土壤水分温度垂直分布分析

四层地下模型的土壤水分、土壤温度动态监测结果可知：土壤水分含量随着土壤深度的增加而增加;不同时间土壤水分含量的变化不一样;不同深度土壤水分的变化趋势相同;土壤温度含量随着土壤深度的增加而减少;不同时间土壤温度的变化不一样;不同深度土壤水分的变化趋势基本相同。

2.2.2玉米生长期土壤水分温度分布分析

根据动态监测的四个层次的土壤水分土壤水分、土壤温度数据可知：在生长时期，土壤温度的变化不大，而土壤水分变化较明显;土壤水分在六月末含量最低，在七月四日左右含量最多;土壤温度在六月十日左右最低，在七月十日左右温度最高。

3结论

（1）本研究通过三维GIS实现了用户与系统交互方式由传统的二维空间到多维空间的转变，有效发挥了三维场景逼真性和二维地图整体性的优势，完美地诠释了农业空间信息的本质。（2）本系统通过绘制农安边界以及地力等级的分界，生成该地区地力等级和土壤墒情地下垂直分布三维模型图，利用该三维模型图直观反映不同深度土壤墒情动态监测数据。（3）依据三维模型建立土壤墒情动态监测模块，为该区域土壤墒情的分析应用奠定了基础。

参考文献

[1]陈桂芬.面向精准农业的空间数据挖掘技术研究与应用[D].吉林：吉林人学，2009.

[2]范力铭.基于ArcGi