本文是一篇農業畢業論文，筆者認為此次研究成果已在新鄉市衛濱區、牧野區、獲嘉縣、原陽縣、延津縣等地進行了推廣使用，按照實際應用情況，系統可以穩定地運行，提高了監測效率與和預告效率，確保了當地的農業生產。
1 緒論
1.1 研究背景及意義
1.1.1 研究背景
在當前社會的發展歷程中，有三大問題急需得到解決：一是環境問題，二是資源問題，三是人口問題。這其中就牽涉到水資源問題，由於水資源跟人類生活息息相關，成為一種沒有其它替代品的戰略資源，重要程度極高。從目前的情況看，水資源問題的解決受到了全世界的共同關注。在地球的表面，水資源所覆蓋的面積達到了 70%多，但是淡水資源所占的比例只有 2.5%。一般來說，淡水資源是可以讓人類直接利用的，目前使用最多的是河流水資源、湖泊水資源以及比較淺層的地下水資源，而儲備量最多的則是海水資源、冰雪資源以及深層的地下水資源，但在開發方面非常的困難。從占比情況看，河流水資源、湖泊水資源以及比較淺層的地下水資源，僅僅占據了整個地球水資源總體儲備量的 。
如今，全球的人口數量不斷增長，加上經濟全球化的發展，整個世界的用水總量在逐年提高，這使得原先就非常緊張的淡水資源變得更加的短裙。據相關統計，自1970 年到現在，世界總人口增加了 20 多億，當前的人均用水量比 1970 年降低了 30%多，有七十多個國家的水危機非常嚴重，將近 10 多億人不能使用乾淨的淡水，深刻影響到人們的身體健康。據聯合國水資源組織的估計，到 2025 年，全球將有一半人口以上會面臨著淡水缺乏的問題。
從我國的淡水資源儲備總量來看，還是比較的豐富，在全世界的排名位居第 6名。但是我國的人口基礎較大，在一定程度上拉低了人均淡水資源占有量，只有世界平均水平的四分之一，所以我國屬於一個貧水的國家。從我國淡水資源的區域分布來看，南方和北方的淡水資源分布比較的不均，例如長江以南的國土面積只有我國總面積的三分之一，然而淡水資源的儲備量卻達到了我國淡水資源總儲備量的五分之四，由此可見長江以北的地區淡水資源非常緊缺。雖然我國實施了諸如南水北調的重大工程，但短時間內尚不能很好解決北方地區用水緊張的問題。此外，在我國工業的快速發展下，對淡水資源所產生的污染也越來越嚴重。
.........................
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 土壤墒情監測方法研究現狀
在當前的土壤墒情監測方法研究中，主要有兩大方法：一是地面測墒法；二是遙感測墒法。對於地面測墒來說，一般通過常規方法在相關監測區域開設監測點，對這部分區域的墒情狀況進行記錄，然後使用統計法分析數據，構建起監測網絡，最終實現土壤墒情監測的目標。而遙感測墒主要是通過衛星遙感對目標區域實施大規模的測墒。
（1）地面測墒常用的監測方法有以下幾種：
一是張力計算法。該方法主要是對土壤所含水分的張力進行測量計算，形成監測對象的水分分析報告，屬於一種使用較為廣泛的土壤墒情監測方法。張力計算法要使用到張力計，這是一種對土壤水分進行測量的儀器，這方面的研究起步很早。例如早在 1924 年，Penna 就通過張力計的使用，對農作物土壤在水分方面的張力進行測量，得出土壤樣本的含水量，進而為農作物生產改進提供依據。Draper 在 Penna 研究的基礎之上，於 1953 年對早期的張力計進行改進，使新儀器可以同時滿足實驗室和田野里的測量需求。進入上世紀八十年代之後，國外有大量學者對土壤水分張力進行更深的研究。例如 Anthony 於 1984 年對美國亞寒帶地區的土壤水分張力進行了統籌分析，他使用到的張力計溶液是乙二醇。Colliander 則強化了張力計對數據的自動記錄功能，有機結合了張力計和壓力傳感器，使張力計這一儀器得到了換代升級[13]。上世紀九十年代，Korres 對數字張力計進行了開發研究，將現代電子技術、計算機技術融入到張力計的開發之中。從整體情況看，張力計算法在測量原理以及設備結構方面都比較的簡單，能夠對土壤樣本里的水分張力情況進行實施測量，但存在的缺點也比較明顯，因為其檢測範圍深受土壤樣本品質的影響，通常需要分析土壤水分的特徵曲線，才能對土壤樣本的含水量進行計算。
.........................
2 土壤水分數據採集設計
2.1 研究區概況
此次研究區域為河南省新鄉市，該市處於河南北部，中心位於北緯 35°18′，東經 113°54′，總面積為 8249 平方公里。新鄉市在區域方面屬於華北板塊，地處黃河、海河兩大流域，從地勢方面看是北高南低，北部地區主要為太行山山地以及丘陵崗地，占全市面積的 23%；南部地區是黃河沖積扇平原，土質大多是混合礫石或者是粘性土，平原占全市土地總面積的 77%。新鄉屬於暖溫帶大陸性氣候，四季比較的分明，冬寒夏熱，秋涼春早，歷年平均氣溫 14℃，其中 7 月最熱，平均溫度為 27.3℃；而 1 月最冷，平均溫度為 0.2℃。該市的年平均降水量 573.4 毫米，各轄縣之間變幅為 549.9-644.4 毫米，少雨中心在原陽，多雨中心一在西北部的輝縣山區，二在東部平原的長垣。
新鄉市除西北隅太行山區至山前傾斜平原一帶地勢從晉豫邊界向東南呈台階式下降外，廣大黃河沖積扇平原地勢西南高而東北低，總體自轄區西南隅向東北傾斜，有中山、低山、丘陵、山間盆地和平原等多種地貌類型，土壤的分布與之密切相關。各類地貌的展布格局和延伸方向，除南部臨黃一帶受秦嶺系東西向活動構造的控制外，其餘地區大多受新華夏系北北東-北東向構造格局的控制。降水量在季節分配上極不均勻，大致與冬、夏季風進退相一致。市境霜凍初日多出現在 10 月下旬，終日多出現在 4 月上旬。年均無霜期為 205 天。新鄉市分屬海河、黃河兩大水系，是水源偏少的區域。地處黃河下游北岸，黃河自原陽縣姚口村入境，至長垣縣瓦屋寨出境，河長165 公里，堤長 153 公里。境內地表沖積扇扇面上的河流，以西漢時期自西南流向東北的地上懸河古黃河（禹河）西漢故道為分水嶺古河道高出地面 2-4 米，在原陽祝樓、黑羊山-新鄉縣八柳樹、古固寨-延津東屯-衛輝龐寨-延津豐莊一線。新鄉西北側為海河水系，流域面積為 3985 公里，東南側為黃河水系，流域面積為 4184 平方公里。
.......................
2.2 GPRS 技術介紹
GPRS（General Packet Radio System）是一種通用型的無線分組業務，是在第二代通信技術之後發展起來的。GPRS 的適用領域較為廣泛，特別在中流量以及小流量的一些數據傳輸里運用得較多，其基礎是 GSM 系統，它對 TCP/地址 協議進行了支持，甚至能夠跟網際網路進行直接的連接。
相對來說，GPRS 的特點主要有下面三個：第一個特點是 GPRS 能夠做到實時在線，相關的設備可以隨時隨刻跟網絡進行聯繫。在對網際網路進行訪問的時候，相關設備能夠實現無線數據的收取和發送。若沒有相關的數據進行傳輸，則設備還是會跟網際網路進行聯繫，不但能夠對數據傳輸進行主動的傳送，還可以不用重新撥號，網絡狀態實時保持。第二個特點是 GPRS 的數據傳輸比較快，它的傳輸技術為分組交換，能夠傳輸較大的數據包。第三個特點是按照傳輸量進行相關的收費，所以即便永遠在線，但是流量數據未產生，則費用不會消耗。
採用了 ASW-4 型號的測速儀，這種測速儀能夠很好地測量土壤水分，其結構組成有 3S 接收模塊、土壤水分傳感器模塊、數據中心模塊等，詳細的結構圖如圖 2-1 所示。
..........................
3 農田土壤墒情信息系統構建......................15
3.1 系統組織結構.........................15
3.2 軟體系統開發.........................15
4 農田土壤墒情預告模型構建......................23
4.1 人工神經網絡模型介紹.....................23
4.1.1 生物神經細胞模型.......................23
4.1.2 人工神經細胞模型.........................23
5 結論與展望.....................35
5.1 結論........................35
5.2 展望.......................35
4 農田土壤墒情預告模型構建
4.1 人工神經網絡模型介紹
4.1.1 生物神經細胞模型
人類是具備神經系統的，而神經細胞則是最基本的一種單元，主要對人體各部位通信進行負責。根據相關研究成果，人腦內的神經細胞數量極多，基本上在1010-1011之間，而且無論哪一個神經細胞的結構的非常的完整，能夠對信號進行完整的接收，同時也能對信號進行轉發，由此形成人體信號傳輸結構。
4.1.2 人工神經細胞模型
鑒於人類神經系統的豐富性，誕生了一種模擬式的科學，叫做人工神經網絡，簡稱為神經網絡，這是一種數學模型，主要是對生物體內分布式的信息進行模擬計算。神經網絡原理接近與人類的神經系統，它的處理單元所起到的功能就是人類神經細胞的功能，包括對信號進行完整的接收，同時也能對信號進行轉發，由此完成數據建模功能，使實際情況下的一些問題得到圓滿的解決。其神經細胞模型結構如圖 4-1 所示。
...........................
5 結論與展望
5.1 結論
此次研究以相關文獻研究情況的採集分析為基礎，對於當前農田土壤墒情監測和預告問題進行了深入分析，並以此為基礎對農田土壤墒情信息系統進行了相關的設計。此次設計開發的系統，架構為 B/S，主要功能包括相關數據的採集分析、儲存管理以及數據輸出等等。土壤水分測速儀使用的是 ASW-4，可以對土壤樣本的含水量進行快速測算，土壤水分的動態變化情況也可以實施進行了解。還對土壤墒情預告模型進行了構建，深入分析了相關算法在預告模型里的使用。主要結論有以下幾點：
（1）土壤墒情的數據採集是第一步，所以首先對土壤水分數據採集的相關移動終端進行設計，此次設計的是 ASW-4 移動終端，這種型號的移動終端可以對土壤樣本里的水分含量進行快速的測量，而這些數據還能利用 GPRS 發回到數據中心。由於設計的移動終端有 GPS 定位，所以能夠定位相關的坐標信息。ASW-4 移動終端相對來說成本比較低，在操作方面非常的簡單方便，不受任何的限制，有著極強的靈活性能，能夠跟固定監測站進行互補，這樣在區域覆蓋方面能夠做到均勻而全面。
（2）此次設計開發的農田土壤墒情信息系統是以 GIS 技術為基礎的。這個系統能夠對 ASW-4 移動終端里採集到的相關數據信息進行接收，而且有接口預留，能夠實現日後的擴展。該系統可以接收固定站點的數據信息，有著較為強大的功能，不僅能夠採集相關數據，還有數據管理、數據儲存、數據顯示以及數據傳輸等功能，對於採樣點的土壤含水量變化能夠實時監測與預告，並通過圖形的方式展現出來。系統結合了土壤水分和農作物生長期，可以作出比較精確的土壤墒情分析，進而掌握監測區域土壤墒情的整體趨勢。
（3）此次研究的 BP 神經網絡學習樣本的數據採集點為新鄉市原陽縣元武鎮固定墒情監測站，通過 BP 神經網絡技術構建土壤墒情預告系統模型。經過相關的分析，預告模型的輸入變量為三個層次的土壤樣本含水量、當地的降水量以及平均溫度、日照時間等，而輸出變量則是次日土壤樣本第二層次的含水量，通過該流程實現土壤墒情預告模型的構建，最後通過遺傳算法有效優化了 BP 神經網絡，由此提高了預告的精度。
參考文獻（略）
1 緒論
1.1 研究背景及意義
1.1.1 研究背景
在當前社會的發展歷程中，有三大問題急需得到解決：一是環境問題，二是資源問題，三是人口問題。這其中就牽涉到水資源問題，由於水資源跟人類生活息息相關，成為一種沒有其它替代品的戰略資源，重要程度極高。從目前的情況看，水資源問題的解決受到了全世界的共同關注。在地球的表面，水資源所覆蓋的面積達到了 70%多，但是淡水資源所占的比例只有 2.5%。一般來說，淡水資源是可以讓人類直接利用的，目前使用最多的是河流水資源、湖泊水資源以及比較淺層的地下水資源，而儲備量最多的則是海水資源、冰雪資源以及深層的地下水資源，但在開發方面非常的困難。從占比情況看，河流水資源、湖泊水資源以及比較淺層的地下水資源，僅僅占據了整個地球水資源總體儲備量的 。
如今，全球的人口數量不斷增長，加上經濟全球化的發展，整個世界的用水總量在逐年提高，這使得原先就非常緊張的淡水資源變得更加的短裙。據相關統計，自1970 年到現在，世界總人口增加了 20 多億，當前的人均用水量比 1970 年降低了 30%多，有七十多個國家的水危機非常嚴重，將近 10 多億人不能使用乾淨的淡水，深刻影響到人們的身體健康。據聯合國水資源組織的估計，到 2025 年，全球將有一半人口以上會面臨著淡水缺乏的問題。
從我國的淡水資源儲備總量來看，還是比較的豐富，在全世界的排名位居第 6名。但是我國的人口基礎較大，在一定程度上拉低了人均淡水資源占有量，只有世界平均水平的四分之一，所以我國屬於一個貧水的國家。從我國淡水資源的區域分布來看，南方和北方的淡水資源分布比較的不均，例如長江以南的國土面積只有我國總面積的三分之一，然而淡水資源的儲備量卻達到了我國淡水資源總儲備量的五分之四，由此可見長江以北的地區淡水資源非常緊缺。雖然我國實施了諸如南水北調的重大工程，但短時間內尚不能很好解決北方地區用水緊張的問題。此外，在我國工業的快速發展下，對淡水資源所產生的污染也越來越嚴重。
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1.2 國內外研究現狀
1.2.1 土壤墒情監測方法研究現狀
在當前的土壤墒情監測方法研究中，主要有兩大方法：一是地面測墒法；二是遙感測墒法。對於地面測墒來說，一般通過常規方法在相關監測區域開設監測點，對這部分區域的墒情狀況進行記錄，然後使用統計法分析數據，構建起監測網絡，最終實現土壤墒情監測的目標。而遙感測墒主要是通過衛星遙感對目標區域實施大規模的測墒。
（1）地面測墒常用的監測方法有以下幾種：
一是張力計算法。該方法主要是對土壤所含水分的張力進行測量計算，形成監測對象的水分分析報告，屬於一種使用較為廣泛的土壤墒情監測方法。張力計算法要使用到張力計，這是一種對土壤水分進行測量的儀器，這方面的研究起步很早。例如早在 1924 年，Penna 就通過張力計的使用，對農作物土壤在水分方面的張力進行測量，得出土壤樣本的含水量，進而為農作物生產改進提供依據。Draper 在 Penna 研究的基礎之上，於 1953 年對早期的張力計進行改進，使新儀器可以同時滿足實驗室和田野里的測量需求。進入上世紀八十年代之後，國外有大量學者對土壤水分張力進行更深的研究。例如 Anthony 於 1984 年對美國亞寒帶地區的土壤水分張力進行了統籌分析，他使用到的張力計溶液是乙二醇。Colliander 則強化了張力計對數據的自動記錄功能，有機結合了張力計和壓力傳感器，使張力計這一儀器得到了換代升級[13]。上世紀九十年代，Korres 對數字張力計進行了開發研究，將現代電子技術、計算機技術融入到張力計的開發之中。從整體情況看，張力計算法在測量原理以及設備結構方面都比較的簡單，能夠對土壤樣本里的水分張力情況進行實施測量，但存在的缺點也比較明顯，因為其檢測範圍深受土壤樣本品質的影響，通常需要分析土壤水分的特徵曲線，才能對土壤樣本的含水量進行計算。
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2 土壤水分數據採集設計
2.1 研究區概況
此次研究區域為河南省新鄉市，該市處於河南北部，中心位於北緯 35°18′，東經 113°54′，總面積為 8249 平方公里。新鄉市在區域方面屬於華北板塊，地處黃河、海河兩大流域，從地勢方面看是北高南低，北部地區主要為太行山山地以及丘陵崗地，占全市面積的 23%；南部地區是黃河沖積扇平原，土質大多是混合礫石或者是粘性土，平原占全市土地總面積的 77%。新鄉屬於暖溫帶大陸性氣候，四季比較的分明，冬寒夏熱，秋涼春早，歷年平均氣溫 14℃，其中 7 月最熱，平均溫度為 27.3℃；而 1 月最冷，平均溫度為 0.2℃。該市的年平均降水量 573.4 毫米，各轄縣之間變幅為 549.9-644.4 毫米，少雨中心在原陽，多雨中心一在西北部的輝縣山區，二在東部平原的長垣。
新鄉市除西北隅太行山區至山前傾斜平原一帶地勢從晉豫邊界向東南呈台階式下降外，廣大黃河沖積扇平原地勢西南高而東北低，總體自轄區西南隅向東北傾斜，有中山、低山、丘陵、山間盆地和平原等多種地貌類型，土壤的分布與之密切相關。各類地貌的展布格局和延伸方向，除南部臨黃一帶受秦嶺系東西向活動構造的控制外，其餘地區大多受新華夏系北北東-北東向構造格局的控制。降水量在季節分配上極不均勻，大致與冬、夏季風進退相一致。市境霜凍初日多出現在 10 月下旬，終日多出現在 4 月上旬。年均無霜期為 205 天。新鄉市分屬海河、黃河兩大水系，是水源偏少的區域。地處黃河下游北岸，黃河自原陽縣姚口村入境，至長垣縣瓦屋寨出境，河長165 公里，堤長 153 公里。境內地表沖積扇扇面上的河流，以西漢時期自西南流向東北的地上懸河古黃河（禹河）西漢故道為分水嶺古河道高出地面 2-4 米，在原陽祝樓、黑羊山-新鄉縣八柳樹、古固寨-延津東屯-衛輝龐寨-延津豐莊一線。新鄉西北側為海河水系，流域面積為 3985 公里，東南側為黃河水系，流域面積為 4184 平方公里。
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2.2 GPRS 技術介紹
GPRS（General Packet Radio System）是一種通用型的無線分組業務，是在第二代通信技術之後發展起來的。GPRS 的適用領域較為廣泛，特別在中流量以及小流量的一些數據傳輸里運用得較多，其基礎是 GSM 系統，它對 TCP/地址 協議進行了支持，甚至能夠跟網際網路進行直接的連接。
相對來說，GPRS 的特點主要有下面三個：第一個特點是 GPRS 能夠做到實時在線，相關的設備可以隨時隨刻跟網絡進行聯繫。在對網際網路進行訪問的時候，相關設備能夠實現無線數據的收取和發送。若沒有相關的數據進行傳輸，則設備還是會跟網際網路進行聯繫，不但能夠對數據傳輸進行主動的傳送，還可以不用重新撥號，網絡狀態實時保持。第二個特點是 GPRS 的數據傳輸比較快，它的傳輸技術為分組交換，能夠傳輸較大的數據包。第三個特點是按照傳輸量進行相關的收費，所以即便永遠在線，但是流量數據未產生，則費用不會消耗。
採用了 ASW-4 型號的測速儀，這種測速儀能夠很好地測量土壤水分，其結構組成有 3S 接收模塊、土壤水分傳感器模塊、數據中心模塊等，詳細的結構圖如圖 2-1 所示。
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3 農田土壤墒情信息系統構建......................15
3.1 系統組織結構.........................15
3.2 軟體系統開發.........................15
4 農田土壤墒情預告模型構建......................23
4.1 人工神經網絡模型介紹.....................23
4.1.1 生物神經細胞模型.......................23
4.1.2 人工神經細胞模型.........................23
5 結論與展望.....................35
5.1 結論........................35
5.2 展望.......................35
4 農田土壤墒情預告模型構建
4.1 人工神經網絡模型介紹
4.1.1 生物神經細胞模型
人類是具備神經系統的，而神經細胞則是最基本的一種單元，主要對人體各部位通信進行負責。根據相關研究成果，人腦內的神經細胞數量極多，基本上在1010-1011之間，而且無論哪一個神經細胞的結構的非常的完整，能夠對信號進行完整的接收，同時也能對信號進行轉發，由此形成人體信號傳輸結構。
4.1.2 人工神經細胞模型
鑒於人類神經系統的豐富性，誕生了一種模擬式的科學，叫做人工神經網絡，簡稱為神經網絡，這是一種數學模型，主要是對生物體內分布式的信息進行模擬計算。神經網絡原理接近與人類的神經系統，它的處理單元所起到的功能就是人類神經細胞的功能，包括對信號進行完整的接收，同時也能對信號進行轉發，由此完成數據建模功能，使實際情況下的一些問題得到圓滿的解決。其神經細胞模型結構如圖 4-1 所示。
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5 結論與展望
5.1 結論
此次研究以相關文獻研究情況的採集分析為基礎，對於當前農田土壤墒情監測和預告問題進行了深入分析，並以此為基礎對農田土壤墒情信息系統進行了相關的設計。此次設計開發的系統，架構為 B/S，主要功能包括相關數據的採集分析、儲存管理以及數據輸出等等。土壤水分測速儀使用的是 ASW-4，可以對土壤樣本的含水量進行快速測算，土壤水分的動態變化情況也可以實施進行了解。還對土壤墒情預告模型進行了構建，深入分析了相關算法在預告模型里的使用。主要結論有以下幾點：
（1）土壤墒情的數據採集是第一步，所以首先對土壤水分數據採集的相關移動終端進行設計，此次設計的是 ASW-4 移動終端，這種型號的移動終端可以對土壤樣本里的水分含量進行快速的測量，而這些數據還能利用 GPRS 發回到數據中心。由於設計的移動終端有 GPS 定位，所以能夠定位相關的坐標信息。ASW-4 移動終端相對來說成本比較低，在操作方面非常的簡單方便，不受任何的限制，有著極強的靈活性能，能夠跟固定監測站進行互補，這樣在區域覆蓋方面能夠做到均勻而全面。
（2）此次設計開發的農田土壤墒情信息系統是以 GIS 技術為基礎的。這個系統能夠對 ASW-4 移動終端里採集到的相關數據信息進行接收，而且有接口預留，能夠實現日後的擴展。該系統可以接收固定站點的數據信息，有著較為強大的功能，不僅能夠採集相關數據，還有數據管理、數據儲存、數據顯示以及數據傳輸等功能，對於採樣點的土壤含水量變化能夠實時監測與預告，並通過圖形的方式展現出來。系統結合了土壤水分和農作物生長期，可以作出比較精確的土壤墒情分析，進而掌握監測區域土壤墒情的整體趨勢。
（3）此次研究的 BP 神經網絡學習樣本的數據採集點為新鄉市原陽縣元武鎮固定墒情監測站，通過 BP 神經網絡技術構建土壤墒情預告系統模型。經過相關的分析，預告模型的輸入變量為三個層次的土壤樣本含水量、當地的降水量以及平均溫度、日照時間等，而輸出變量則是次日土壤樣本第二層次的含水量，通過該流程實現土壤墒情預告模型的構建，最後通過遺傳算法有效優化了 BP 神經網絡，由此提高了預告的精度。
參考文獻（略）
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