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大田农业节水物联网技术应用现状与发展趋势

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物联网技术与农业领域应用的结合是推动传统农业向现代农业转型升级的重要驱动力，农业节水是中国农业发展长期关注的重点。以物联网技术感知层、传输层、应用层架构为主线，针对大田主要粮食作物水分需求，总结物联网技术在大田农业节水关键环节中的应用发展现状以及存在的局限性，并在大数据、云计算等现代信息技术发展基础上，结合新时期互联网+战略，对物联网技术快速发展态势下农业节水技术、服务、模式的未来发展趋势进行探讨，提出技术向服务转变、决策向预测转变、微观向宏观转变的发展思路。

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第32 卷第21 期

农业工程学报

Vol.32 No.21

Nov. 2016

2016 年

11 月

Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering

·综合研究·

大田农业节水物联网技术应用现状与发展趋势

※

田宏武^1,2，郑文刚^2,3，李寒⁴

（1. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2. 北京市农林科学院，北京 100097；3. 国家农业智能装备

工程技术研究中心，北京 100097；4. 中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京 100083）

摘要：物联网技术与农业领域应用的结合是推动传统农业向现代农业转型升级的重要驱动力，农业节水是中国农业发

展长期关注的重点。以物联网技术感知层、传输层、应用层架构为主线，针对大田主要粮食作物水分需求，总结物联网

技术在大田农业节水关键环节中的应用发展现状以及存在的局限性，并在大数据、云计算等现代信息技术发展基础上，

结合新时期互联网+战略，对物联网技术快速发展态势下农业节水技术、服务、模式的未来发展趋势进行探讨，提出技术

向服务转变、决策向预测转变、微观向宏观转变的发展思路。

关键词：互联网；信息技术；无线传感网络；物联网；农业节水；大数据；发展趋势

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.21.001

中图分类号：TP273; S24

田宏武，郑文刚，李寒. 大田农业节水物联网技术应用现状与发展趋势[J]. 农业工程学报，2016，32(21)：1－12. doi：

10.11975/j.issn.1002-

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-21-0001-12

Tian Hongwu, Zheng Wengang, Li Han. Application status and developing trend of open field water-saving Internet of Things

technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 1－12.

(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.21.001

本文以物联网信息感知、数据传输、系统应用 3 层

架构为主线，针对大田粮食作物，系统总结农业节水技

术在以上 3 个层面的应用现状，并重点对大数据、云计

算技术驱动下物联网技术在农业节水中的应用发展趋势

进行探讨。

0 引言^

中国水资源严重短缺，人均水资源占有量逐年下

降，农业用水比例居高不下，同时浪费严重、灌溉水有

效利用率和水分生产效率与发达国家差距巨大。2016

年，二孩政策全面推行，连续第十三个中央一号文件^[1]

持续聚焦农业，提出十三五期间扩大农田有效灌溉面

积、进一步提高粮食产能以及推进农业现代化的远景目

标，不仅使水资源形式更加严峻，同时也对农业节水特

别是水资源的高效利用提出了更高的要求。随着土地经

营流转政策的转变和种植结构的调整，区域规模化种植

是未来必然的发展趋势，新时期农业物联网技术的发展

完善，传感器技术、自动控制技术以及通讯技术在农业

节水领域的应用更加深入，并将大幅度提高工程节水、

农艺节水、生物节水以及管理节水的效率和效果，是新

形势下农业节水过程中的重要方法和手段，也是实现农

业节水的重要途径，互联网+战略将进一步促进农业产

业升级，农业节水作为其中的重要分支，无论从体系结

构、技术应用模式、系统服务方式上都将产生巨大变革。

1 作物需水信息感知技术

作物需水量是农业用水的主要组成部分，是水资源

开发利用和水利工程设计重要依据，对作物需水量的研

究和估算是重要的研究课题。试验资料分析表明，作物

需水量大小与气象条件（温度、湿度、光照、风速）、土

壤含水状况、作物种类、生育期阶段、农艺措施以及灌

排水措施等有关^[2]。不同因素对作物需水量的影响互相联

系相互作用，对于水分信息的感知技术的研究与应用主

要集中在以下几个方面。

1.1 小尺度单点信息感知

1.1.1 土壤水分含量监测

土壤水分是植物水分的直接来源，是农业生产中最

基础和必不可少的土壤信息之一，植物吸收土壤中的水

分、有机质等营养物质吸收，进行生长。土壤水分

含量的多少对植物生长状况有直接的影响。同时，土壤

水分与养分作为植物生长自然条件中可以人为调控的

两个重要因素，因此，土壤水分监测在农业节水灌溉决

策中具有重要的实际意义^[3]。随着科学技术发展和土壤

物理学研究的深入，土壤水分含量测定方法也不断进

度，目前常见的分类方法主要有取样测试法和定位测试

法^[4-5]2 类，每类方法中由不同的具体方法构成，如图

1 所示。

收稿日期：2016-07-13

修订日期：2016-09-10

基金项目：国家科技支撑计划“大型灌区节水技术集成与示范”

（2015BAD20B03）；国家重点研发计划“集约化果园精量灌溉决策标准化技术

模式”（2016YFC0403102）；公益行业专项“大田灌溉智能控制关键技术研究

与示范”（201203012-4-1）；北京市农林科学院创新能力专项“大田无线灌溉控

制关键技术研究与设备研究”（KJCX20151411）

作者简介：田宏武，男，河北省唐山人，助理研究员，研究方向：农业智能

装备与仪器嵌入式系统开发。北京北京农业智能装备技术研究中心，100097。

E-mail:

※通信作者：郑文刚，男，山东乳山人，博士，研究员，研究方向：农业环境

监测、节水灌溉自动化控制和农业物联网技术。北京北京市农林科学院，

100097。E-mail:

万方数据

农业工程学报（）

2016 年

研究而提出的《湿土介电特性研究方法》，利用土壤介电

特性测量土壤含水量的方法研究不断发展和扩展^[9-10]。时

域反射法（time domain reflectometry，TDR）1975 年由

Topp 等^[11]率先应用于土壤水分测量中；频域反射法

（frequency domain reflectometry，FDR）由荷兰Hilhorst

等^[12]于1992 年提出，并在1993 年开发设计了土壤水分

传感器专用的芯片，大大降低了生产成本并快速进入推

广阶段^[13]；1995 年，Gaskin 等^[14]针对TDR 和FDR 方法

的缺陷，基于微波理论中驻波比原理提出驻波率法

（standing-wave radio，SWR）。与此同时，大量的学者

还对土壤含水量的测量敏感区域、土壤质地、探头结构、

探针长度以及土壤中砾石杂质对测量结果的影响开展

了大量的研究，在一定程度上提高了不同测量方法的适

用性和测量精度，并仍在不断完善中^[15-17]。土壤水分检

测方法对比分析如表1 所示。

图1 土壤水分测定方法分类图

Fig.1 Classification map for soil moisture detecting methods

烘干法^[6-7]是被国际公认的精确测定土壤水分的标准

方法，并且作为其他土壤水分测量方法的校正标准。中

子法^[8]以其快速准确和可重复等优点在一定时期内成为

土壤水分测定第 2 标准方法，并在 1950s 被广泛采用。

1970s 开始，基于前苏联学者 Chemyak 对土壤介电特性

表1 土壤水分检测方法对比

Table 1 Comparison of soil moisture detection methods

方法Method

原理Theory

选点取样，

环刀取土

优点 Advantage

局限性 Disadvantage

典型设备Typical equipment

烘干法

Oven-dried

method

操作简单，成本低，测定精时间滞后，破环水分连续运

度高

行，原样地不能连续取样，

空间变异性形成误差

中子法

Neutron

method

放射性元素衰变，实时测量，不同深度、连续垂直分辨率较差，低含水量 Troxler 4300 (Troxler Electronic Labs, Inc, 美国)

慢中子云密度与水周期测试记录，不破坏土壤测试误差大，校准仪器昂贵，

分含量关系

结构，可重复性好

放射性污染环境，价格高

近红外反射法土壤水谐振吸收非接触测量，可安装于农机受土壤表面粗糙度影响较试验研究阶段

Near-infrared

reflectance

method

特性

进行土壤水分连续行走式大，只能测量表层土壤水分

（on-the go）采集含量

张力计法

Tensiometer

method

土壤基质势（土壤结构原理简单，可在线实时受土质影响明显，安装磁头 Watermark 200SS, (Irrometer Co., Riverside, CA, 美国)^[18]；

水吸力）与土壤水测量，湿润土壤测量结果准和土壤必须形成“水膜”，需 2725AR Jet Fill Tensiometer (ICT International, 澳大利亚)

分含量的关系

确，可结合水分特征曲线指建立水分特征曲线换算土壤

导灌溉水分含量

介电特性法

Dielectric

Method

时域反射法，频域可连续、快速测量，精度高，使用前需标定，受土壤孔隙 Decagon EC-5, 5TM, 10HS (Decagon Device, Inc. 美国)^[18]；

]

反射法，驻波比法使用范围广，操作简单

影响明显；土壤湿度过大时，SM300, WET-2, PR2/4/6, Delta-T Devices Ltd. 英国

;

测量结果偏大；电路复杂， TRIME-PICO 64, The IMKO GmbH, 德国^[22]；FDS100, Beijing

价格昂贵

Unism Technologies, Inc. 中国

土壤水分监测：通过对上述测量方法的简要分析发

现，烘干法操作简单、结果精度高，但破坏土层、测量

周期长、费时费力、不适用于定点连续土壤水分的动态

监测；中子法因其放射性安全隐患目前很少应用；基于

介电法的土壤水分测量方法利用土壤含水量多少对介电

常数影响的显著性进行测定，因其快速、方便和对土壤

破坏小等特点得到广泛应用。但上述方法存在共同的局

限性，即均为“点测量”，加之土壤结构的空间变异性

大，某一特定位置的测量结果往往不能真实代表区域整

体水分亏缺情况，虽然通过增加采样点可以降低测量的

误差，但必将带来成本的上升；与此同时，在利用水

分传感器指导灌溉的条件下，其本身的滞后性加之不同

土壤类型对于灌溉水的入渗速度不同，可能导致灌溉决

策不准确。用上述方法获得的是原始数据即“采集到的数

据”，若要成为可用的数据和需要数据还必须经过专业人

员的处理，这只是实现灌溉决策的第一步。

用水含量的主要方法之一，其主要通过测量作物叶

片叶水势、气孔导度、茎杆位变化等指标间接实现。表2

对相关方法的特点进行了总结对比，并列举了对应的典

型传感器或系统。该方法将信息监测的主体由土壤转向

了通过作物生理生态信息监测反映作物体内实际水分亏

缺信息，并以此为依据进行灌溉控制。理论上讲，该方

法更具针对性且更易实现精准灌溉，但实际应用中设备

价格比较昂贵，测量难度大，时效性差，同时还会对作

物造成伤害，所以实际中较少应用。基于作物热红外传

感器因其可以对作物进行大面积成像并可以远程监测而

被广泛研究。近年来，一些专家学者结合红外图像和可

见光图像进行了作物水分胁迫诊断研究，并取得了一定

成果，表 2 列举了作物水分胁迫监测方法和应用的典型

仪器设备。

综合上述 2 种方法，以不同的对象为核心开展相关

研究，基于土壤水分的监测方法更加直接并且便于形成

产品和系统进行推广应用，而基于作物生理生态信息的

监测方法，更加体现了作物本身的主体作用，通过自身

1.1.2 作物水分胁迫信息监测

作物水分胁迫压力测量方法也是衡量土壤中作物可

万方数据

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