GIS硕士论文范文：基于GIS的墒情自动监测系统探究与应用

第一章 绪论

1.1 本文提出的背景及研究意义
1.1.1 研究的意义
2009年春季旱灾波及逾 3 亿亩良田，受旱程度之重历史少见，据测算经济损失高达 500 亿元。面对如此严峻的形式，2005 年国家发改委等五部委联合发布的《中国节水技术政策大纲》中的农业用水优化配置技术部分提到“发展土壤的墒情和旱情预测监测技术。加强大尺度的土壤水分时空变异性研究和土壤的旱情和墒情指标体系的研究；积极开发和研制土壤旱情和墒情监测设备”，这充分表明，中国的抗旱工作要由单一的抗旱向全面防旱转变，因此，需要通过现代信息化手段，实现全面准确及时的掌握旱情发生和发展过程。
1.1.2 研究的目的
对于农田墒情的自动化信息化监测可以为农业抗旱提供可靠的技术支撑，是实现节水农业、实现水资源优化配置、提高灌区水资源管理水平的重要技术手段，是实现现代化灌溉的基础工作。建立墒情自动化监测平台，可以使各级用水决策部门及时了解灌区内土壤墒情状况以及发展趋势，可以为采取及时有效的抗旱防旱措施提供可靠的数据依据；同时经过长期的监测，可以积累大量的墒情数据，为全国范围内的灌溉管理、农业生产规划和科学研究等方面提供宝贵的资料，具有重要的意义。长远来看，为了发展节水灌溉提高水资源利用率，开展墒情自动监测具有非常重要的意义。本文将对区域墒情数据的采集和管理进行系统研究，建立起有较高信息化程度的墒情自动监测系统，为区域墒情数据的获取和管理提供有效的开放的平台。通过墒情自动监测的应用，为区域用水管理和水资源调度提供可靠的依据，从而达到农业节水和减少旱情对农业生产影响的目的。

1.2 本文主要研究内容与研究思路
本文的主要研究内容为改进和研制墒情监测设备，开发基于 GIS 的墒情自动监测系统，并在新河灌区进行应用示范，通过测试和现场应用，实现了墒情的自动监测。本文的主要研究内容如下：
1、 墒情自动监测站的设计与集成，在完善和改进采集器的基础上，通过集成相关传感器，构建了一套能够同时采集气象和农田墒情信息的墒情自动监测站，实现了信息的自动采集、存储和远程发送。
2、 系统软件平台的设计与实现。包括数据库和基于 Web GIS 的地图浏览系统的设计以及数据统计管理和网络共享功能的实现。
3、 系统的整体测试和现场应用示范，测试包括数据准确性、系统稳定性、数据处理和共享功能的测试，同时选择灌区对系统进行实施，为系统的进一步推广打下基础。本文在硬件的实施方面主要是设计开发适用于墒情自动监测的自动墒情监测站，重点完善和改进了墒情监测站的采集器，使系统能够通过无线通讯获得大范围内农田气象和土壤墒情信息。在软件实施方面，本文尽量采用易于实现的软件编写方法，在实现软件的基本功能的基础上，实现快速，简单易于升级的软件系统。另外，软件的设计主要采取模块化的方法，各模块之间采用相对独立的设计方法，这为系统的升级提供便利。

1.3 国内外研究现状
墒情监测一直是学术研究的热点，其研究主要分布在土壤含水量测量、土壤含水量时空分布规律、墒情预报、墒情数据传输和墒情数据处理发布系统等。
1.3.1 墒情监测预报系统
经过多年的研究和建设，土壤墒情监测系统从原始的人工报告、手工记录发展到数据自动采集、发送和发布，墒情监测预报系统已经进入自动化时代，并不断融合新的计算机、电子、自动控制等技术，体现出更高的智能化。在美国，政府高度重视对农业墒情信息（气候、土壤和水）的采集和发布工作，已形成了墒情信息采集—信息传输处理—信息发布的分层体系结构。例如，在俄克拉河马州，由俄克拉河马大学和俄克拉河马州立大学设计和维护的俄克拉河马州立气象网是一个功能非常完善的农业环境监测网站，它由 110 多个自动监测站点组成，每个站点能够同时监测海平面压力、太阳辐射、地下水、大气温度、大气湿度、降雨量、风速、土壤温湿度等信息，每 5 分钟就能够更新一次数据并发送到处理中心，然后，俄克拉河马气候调查局进行信息分析处理，把数据提供给俄克拉河马州立气象网，农民可以随时从网上了解到自己所在地区的环境信息，指导农业生产。加利福尼亚州从 1982 年开始建立了 162 个农业气象站，通过这些气象站，测定不同区域的基础蒸腾蒸发量，利用“3S”系统，建立加州灌溉管理信息系统，并通过互联网对外发布，农民随时可以从网上了解到自己所在地区的基础 ET 值得到如何实施农田灌溉建议。据了解，CIMIS 的运转经费 85 万美元，全加州有 14.75 万 hm2 农用地使用 CIMIS，其年产出效益 0．65 亿美元，每年农业节水 1.3亿立方米。
目前我国多个省市建立了墒情监测系统，这些系统依靠自动传感器技术，在一定程度上实现墒情自动采集，根据文献报到，贵阳、辽宁、黑龙江、河南、南京等地均建立了使用自动传感器技术的墒情监测网络。国内目前的墒情监测预测系统多采用在线 TDR、FDR 传感器测量，使用本地存储数据、数据远程发送等方式进行数据传递，通过具有数据处理功能的计算机软件进行数据分析处理和预报。现在可查到国内多个气象站和水文站建立的墒情监测系统，如隋东等开发研制的土壤墒情监测与预测系对沈阳地区的土壤墒情信息进行了发布和统计分析同时具有图形显示和预测功能；何新林等论述的土壤墒情自动墒情监测系统在绿洲农业去得到了应用；杨绍辉和邹春辉等分别利用 GIS 技术实现了土壤墒情的监测和分析，杨绍辉等建立的墒情监测系统在北京地区进行了应用；另外，高迎娟开发了区别农作物各生育段的墒情跟踪分析系统。

第二章 墒情自动监测系统整体设计 ......................19-24
    2.1 系统关键技术介绍 ......................19-20
        2.1.1 墒情数据采集技术介绍 ......................19
        2.1.2 Web GIS 技术介绍 ......................19-20
    2.2 系统的整体设计与实施方案 ......................20-22 
    2.3 系统应用简介 ......................22-23
        2.3.1 应用灌区选择 ......................22-23
        2.3.2 系统预期的应用效果 ......................23
    2.4 本章小结 ......................23-24
第三章 墒情自动监测系统设计与集成 ......................24-40
    3.1 墒情自动监测系统结构 ......................24
    3.2 气象监测点设计 ......................24-31
    3.3 墒情监测点设计 ......................31-33 
    3.4 通讯系统设计与实现 ......................33-36
    3.5 数据获取测试 ......................36-39
    3.6 本章小结 ......................39-40
第四章 基于 WEB GIS 的墒情发布系统 ......................40-51
    4.1 墒情发布系统的概述 ......................40
    4.2 墒情发布系统架构 ......................40-41
    4.3 数据库综合设计 ......................41-43
    4.4 通讯服务器的实现 ......................43-44
    4.5 墒情信息发布平台的设计与实现 ......................44-47
    4.6 基于 WEB GIS 的地图游览功能的实现 ......................47-49
    4.7 本章小结 ......................49-51
第五章 系统的性能分析和实施 ......................51-56
    5.1 系统的性能分析 ......................51
    5.2 墒情采集点的选择 ......................51-53
    5.3 墒情采集站的安装 ......................53-54
    5.4 实施的效果 ......................54-56

总结

本论文为了满足合理利用水资源，有效调度农业用水的需要，设计开发了墒情监测系统。墒情监测系统实现了大面积的墒情数据实时在线采集，并以网站的形式通过 Internet 发布墒情监测结果。信息发布系统采用了简单的 Web GIS 平台 Google Maps，实现了数据的地图显示。本论文所述的墒情监测系统具有以下三个主要特点：
1. 墒情监测系统的硬件由两部分组成，气象监测点和土壤温湿度采集点，气象监测点主要采集空气温湿度、风速风向、降雨量和辐射等气象信息，土壤温湿度采集器主要采集土壤的墒情信息。土壤温湿度采集器将土壤的温湿度信息以无线数传模块发送到气象站，在一个区域内可以设置多组，减弱了由于传感器布设位置带来的监测数据的偶然性。
2. 墒情监测系统软件具有列表显示功能外还具有地图浏览和数据分析的功能，另外对用户进行级别划分（省级、县级、乡级），保证了数据的安全。
3. 在墒情监测系统的实施过程中，考虑了专区内作物和灌溉的具体情况，在全区内选择了23 个有代表性的点，有效的反应了整个灌区的墒情情况。
通过现场测试和应用示范，本文设计的墒情监测系统实现了预定目标，与现有的墒情自动监测系统相比，具有以下优点：
1.农田墒情监测采用了单点农田气象与多点墒情监测相结合的方式，与传统单点墒情监测相比，能够更加准确的反映一个地块的实际墒情状况，有利于进行进一步的墒情状况分析和管理决策。
2.农田墒情监测点采用太阳能供电，并能够通过短信/GPRS 等方式定时进行远程传输，从而避免了对外部供电的需求，大幅度降低了系统的安装、布设和维护的工作量，有利于系统的推广。

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