日光溫室冠層特征溫度時(shí)空變化規(guī)律分析

　　摘要：針對日光溫室冬季反季節(jié)生產(chǎn)中冠層溫度時(shí)空分布不均的問題。以西北型日光溫室為研究對象,建立40通道PT100溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了冬季番茄冠層全天候動(dòng)態(tài)溫度數(shù)據(jù)采集。在此基礎(chǔ)上，采用克里金插值算法進(jìn)行冠層溫度場建模，通過差分進(jìn)化算法獲取溫度極值點(diǎn)，分析了不同天氣條件下冠層特征溫度的時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)果表明，晴天、多云、陰(雨)天插值驗(yàn)證的均大于0.9，平均均方根誤差分別為1.34℃、0.95℃、0.40℃，算法更適用于陰(雨)天及夜間低溫冠層溫度場的插值。不同天氣條件下，溫室冠層溫度全天整體呈現(xiàn)西高東低、內(nèi)高外低趨勢，陰(雨)天溫室內(nèi)溫度整體變化規(guī)律趨于一致，晴天、多云天氣揭被后受外界光輻射等因素影響室內(nèi)溫度分布差異性較大，且晴天的夜間溫度下降程度大于陰(雨)天。進(jìn)一步分析冠層極值點(diǎn)分布結(jié)果表明，在不同天氣條件下，極值特征點(diǎn)在日光溫室中分布區(qū)域基本相同，冠層最高溫點(diǎn)主要出現(xiàn)在溫室中部[22.0m，2.5m]附近，最低溫點(diǎn)主要出現(xiàn)在溫室東部外膜[4.0m，5.48m]附近。日光溫室冠層極值特征點(diǎn)的獲取為溫室栽培、溫度災(zāi)害監(jiān)測與傳感器部署提供了理論基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：日光溫室;冠層溫度場;時(shí)空變化規(guī)律;克里金插值;差分進(jìn)化算法

　　引言

　　冠層溫度是作物生長發(fā)育過程中重要環(huán)境因素，直接影響作物的生理狀態(tài)[1]。冬季北方反季節(jié)生產(chǎn)過程中，溫室溫度的監(jiān)測和調(diào)控尤為重要，日光溫室通過后墻對太陽能的蓄放熱特性及保溫覆蓋物的保溫，能有效實(shí)現(xiàn)夜間溫室內(nèi)溫度的提升，在中國北方地區(qū)廣泛分布[2,3]。但隨著生產(chǎn)需求及建造技術(shù)的提升，日光溫室建造朝著大跨度、大長度方向發(fā)展，室內(nèi)空間不斷擴(kuò)大[4,5]，溫室內(nèi)溫度不僅受外界環(huán)境影響，同時(shí)受墻體、地溫、作物、濕度等因素影響，導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度時(shí)空分布不均的問題凸顯[6,7]，特別是受冬季連續(xù)陰(雨)天、雪天等氣候季節(jié)性變化影響時(shí)，極易導(dǎo)致作物冠層局部溫度過低，造成作物冷害、凍害甚至死亡[8,9]。

　　因此，分析作物冠層溫度分布特征，進(jìn)而尋找溫度最低點(diǎn)，為優(yōu)化日光溫室環(huán)境監(jiān)測及增溫設(shè)施部署提供理論支撐，對減少凍害損失具有重要意義。目前針對日光溫室溫度變化規(guī)律、分布特征及監(jiān)測預(yù)警已開展大量研究[1011。

　　現(xiàn)有日光溫室小環(huán)境因子建模預(yù)測方法已具有較高精度，能準(zhǔn)確模擬、預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)的變化規(guī)律[1215]，然而以單點(diǎn)或少數(shù)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對溫室內(nèi)整體及冠層溫度進(jìn)行分析存在一定局限性，易忽略全局極值溫度點(diǎn)的分析;近年來，CFD技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，能動(dòng)態(tài)模擬太陽熱負(fù)荷在溫室中的分布與變化，結(jié)合溫室構(gòu)造等因素可實(shí)現(xiàn)對溫室小氣候整體的變化規(guī)律分析，同時(shí)可進(jìn)行溫室溫度場仿真，為溫室溫度場預(yù)測與調(diào)控提供新的解決思路[1618]。

　　但由于日光溫室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是溫室內(nèi)冠層溫度受作物長勢、外界光照、墻體蓄熱、覆蓋材料等因素影響，導(dǎo)致作物冠層溫度的空間分布表現(xiàn)出非線性且變化不定，該方法相對難以模擬[6,19]，在實(shí)際監(jiān)測調(diào)控應(yīng)用中存在較大誤差。以上研究雖然在一定程度揭示了日光溫室整體溫度變化，但僅以溫室較少典型位置(溫室中部及兩端)的傳感器部署監(jiān)測[9,20]，難以全面反映溫室冠層時(shí)空分布不均的實(shí)際情況，導(dǎo)致獲取的特征點(diǎn)存在偏差，無法為日光溫室生產(chǎn)過程作出及時(shí)的預(yù)警，防止溫度災(zāi)害的發(fā)生。

　　本文通過構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，采集冠層溫度數(shù)據(jù)，采用插值算法完成番茄冠層溫度場的擬合，并進(jìn)行冠層溫度場特征分析，提取溫度極值點(diǎn)，研究不同天氣條件下溫度極值點(diǎn)分布規(guī)律，以期為日光溫室設(shè)施調(diào)控傳感器及增溫設(shè)施高效部署提供理論依據(jù)。

　　1試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與處理

　　1.1試驗(yàn)對象

　　試驗(yàn)采用典型西北下沉式日光溫室為試驗(yàn)對象，屬于單棟、單坡面、厚土墻式溫室，其坐北朝南，溫室東西長50m，南北跨度7m，脊高5m，下沉0.5，后墻、東、西兩側(cè)墻體為黏土制成，拱架為鋼架結(jié)構(gòu)，后坡覆以PC板和紡織材料制成的保溫棉被，透光材料為聚氯乙烯薄膜，采用上下通風(fēng)方式建造。試驗(yàn)于陜西省涇陽縣西北農(nóng)林科技大學(xué)涇陽蔬菜示范基地號日光溫室進(jìn)行，位于北緯34.4°~34.6°，東經(jīng)108.4°~108.9°，屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。棚內(nèi)種植作物為番茄，于2019年10月20日定植，溫室內(nèi)壟寬0.8m，壟間距0.8m，每壟種植行番茄，共計(jì)33壟，整個(gè)生育期采用滴灌方式進(jìn)行灌溉，試驗(yàn)期間溫室于8:009:00間揭保溫被，晴天多云天氣10:0010:30間開上通風(fēng)進(jìn)行降溫及外界二氧化碳補(bǔ)充，陰(雨)天一般不通風(fēng)或延遲至12：30后。

　　1.2建模數(shù)據(jù)獲取

　　為采集番茄冠層溫度分布情況數(shù)據(jù)，采用自主開發(fā)的溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，包括溫度采集節(jié)點(diǎn)、485節(jié)點(diǎn)、TU數(shù)據(jù)上傳模塊與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺。整套溫度場監(jiān)測系統(tǒng)分路共計(jì)40個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)。

　　溫度采集節(jié)點(diǎn)以MSP430FR2433微處理器為核心處理單元，采用德國賀利氏生產(chǎn)的PT100型薄膜鉑熱電阻進(jìn)行溫度采集，其使用不銹鋼保護(hù)管與四氟高密度鍍銀屏蔽線進(jìn)行封裝，具有良好的抗腐蝕性與抗干擾性能，測量精度0.15℃，溫度測量范圍50℃300℃;溫度信號通過ADS127424位高精度采樣芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并由串口傳送給核心處理單元，每個(gè)處理單元具有單獨(dú)編號，各個(gè)單元間通過485總線形式進(jìn)行通信。485節(jié)點(diǎn)采用STM32F103微處理器，負(fù)責(zé)接收處理每個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳模塊采用Comway4GDTU全網(wǎng)通透傳模塊(模塊)，負(fù)責(zé)將匯集的溫度場數(shù)據(jù)上傳。

　　最終數(shù)據(jù)匯聚至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺進(jìn)行管理與分析。試驗(yàn)于2019年11月27日12月日進(jìn)行，番茄處于花期，試驗(yàn)期間植株平均高度4060cm，共連續(xù)采集冠層溫度場數(shù)據(jù)，其中晴天、多云、陰(雨)天天數(shù)分別為 。溫度場監(jiān)測系統(tǒng)每5min記錄一次溫度場數(shù)據(jù)，通過4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控平臺。溫度場監(jiān)測系統(tǒng)40個(gè)溫度傳感器按圖中所示方案部署，共列，東西距側(cè)墻各4m作為緩沖區(qū)，各列相距6m;每列部署個(gè)傳感器分別距后墻1.5、2.5、3.5、4.5、5.5m，距地面0.5m。本文采用試驗(yàn)期間19數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每30min選取一次數(shù)據(jù)，共獲912組冠層原始溫度數(shù)據(jù)，每組40個(gè)溫度點(diǎn)，總計(jì)36480個(gè)溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)用于番茄冠層溫度場插值模型構(gòu)建。

　　1.3數(shù)據(jù)分析

　　以實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過克里金法(Kriging)計(jì)算溫度場數(shù)據(jù)，進(jìn)而采用差分進(jìn)化算法獲取番茄冠層溫度場極值特征點(diǎn)，探尋日光溫室作物冠層溫度特征點(diǎn)分布及變化規(guī)律。

　　1.3.1克里金插值

　　針對冠層溫度場連續(xù)且分布不均、差異性大、不規(guī)律，以及試驗(yàn)過程中因試驗(yàn)條件限制導(dǎo)致支撐建模分析數(shù)據(jù)量少的問題，本文采用簡單克里金算法進(jìn)行溫度場建模，克里金法是通過協(xié)方差函數(shù)對隨機(jī)過程或場進(jìn)行空間建模和預(yù)測的回歸算法，能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的無偏估計(jì)[21,22]，其廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、氣象等空間領(lǐng)域插值，如土壤有機(jī)質(zhì)空間分布、作物需水量變化趨勢分析、地下地表溫度預(yù)測、降水時(shí)空分布等[2327]。

　　本文通過Pycharm軟件與克里金算法庫進(jìn)行溫度場建模，采用留一法對19每個(gè)時(shí)刻監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證的數(shù)據(jù)集劃分，即每個(gè)時(shí)刻溫度場的40個(gè)溫度點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)輪流作為測試集，剩余39個(gè)點(diǎn)為訓(xùn)練集，循環(huán)建模驗(yàn)證40次，每個(gè)時(shí)刻共獲取40個(gè)驗(yàn)證模型及驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)，19共計(jì)獲取36480個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)用于插值模型性能分析。其中克里金算法采用粒子群算法作為激活函數(shù)，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)量有限，預(yù)測點(diǎn)相鄰要素點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為10，即預(yù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)由其最近臨10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算所得。

　　2冠層溫度特征點(diǎn)日變化規(guī)律分析

　　2.1冠層溫度場特征點(diǎn)獲取以克里金插值模型為差分進(jìn)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，設(shè)置算法參數(shù)種群規(guī)模為20，迭代次數(shù)1000，縮放因子0.5，交叉因子0.8，對日光溫室冠層溫度進(jìn)行二維尋優(yōu)，以其中2019年12月03日00時(shí)溫度最大值尋優(yōu)為例其進(jìn)化曲線可知采用DE算法收斂速度較快，在進(jìn)行至11次迭代時(shí)基本平穩(wěn)，能快速獲取溫度極值。本文共獲取連續(xù)19每30min一組極值數(shù)據(jù)，共獲取1824個(gè)溫度極值特征點(diǎn)與位置坐標(biāo)，其中最高溫與最低溫點(diǎn)各912個(gè)，晴天、多云天極值各336組，陰(雨)天極值240組。

　　2.2冠層溫度特征點(diǎn)日變化規(guī)律分析通過建模尋優(yōu)結(jié)果分析不同天氣條件下溫室內(nèi)冠層溫度特征點(diǎn)的分布及變化規(guī)律，其中溫度變化趨勢為不同天氣條件下，同一時(shí)刻所有天溫度均值的變化趨勢。

　　農(nóng)藝師論文投稿刊物：《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》是由中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會主辦的全國性學(xué)術(shù)期刊，自2005年始為單月刊。主要欄目有：農(nóng)業(yè)水土工程，農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化，農(nóng)業(yè)信息與電氣技術(shù)，農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程，土地整理工程，農(nóng)產(chǎn)品加工工程。

　　3結(jié)論

　　(1)克里金插值能較好獲取符合實(shí)際冠層溫度的插值數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證其插值后晴天、多云天氣、陰(雨)天的決定系數(shù)分別為0.9553、0.9604、0.9447，均方根誤差分別為1.34℃、0.95℃、0.40℃，由于日光輻射變化及通風(fēng)等農(nóng)事操作影響，克里金插值更適用于陰(雨)天全天及夜間低溫冠層溫度場的數(shù)據(jù)插值。(2)不同天氣條件下，日光溫室內(nèi)冠層溫度變化趨勢基本一致，揭被后溫室內(nèi)溫度呈上升趨勢，最低溫主要出現(xiàn)在揭被及日出前后，最高溫出現(xiàn)在中午13:0分左右，夜間溫度下降速率為晴天最快，多云天氣次之，陰(雨)天最慢，最低溫與下降速率規(guī)律相反為陰(雨)天最高;(3)不同天氣條件下溫室內(nèi)冠層最高溫點(diǎn)存在差異，但主要集中出現(xiàn)在溫室中部，即橫向22.0、距后墻2.附近位置，最低溫點(diǎn)主要集中位在溫室橫向.0、距后墻5.48靠近東墻與薄膜附近區(qū)域，分析所得特征點(diǎn)分布位置能為溫室溫度災(zāi)害監(jiān)測、溫室智能化控制、增溫設(shè)施部署等提供有效參考。

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　　作者：張軍華1,，沈楷程1,，陳丹艷1,，張明科，張海輝1,，胡瑾1,

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