專利名稱：一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于系統(tǒng)分析與評價方法領(lǐng)域，涉及一種用于農(nóng)田、園林綠地和花卉苗圃等噴頭裝置的噴灑均勻度的測量方法，特別涉及一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法。
背景技術(shù)：
噴灌以其適應(yīng)性廣、易于機械化作業(yè)等優(yōu)點成為目前世界上廣泛采用的節(jié)水灌溉技術(shù)之一。噴灌均勻度是衡量灌溉質(zhì)量和噴頭水力性能的重要指標，是噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中的重要參數(shù)。通過密布測點的方法可以直接計算出噴灌均勻度，但一般由于試驗工作量等條件的限制，往往不能將測點布置過密，而是代之以一定的計算方法將有限測點水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)，然后計算出均勻度。這時就需要考慮測點布置密度和測算方法帶來的誤差問題。
目前測點布置方法主要有等間距徑向布置和網(wǎng)格布置兩種。一般認為，對已有固定式噴灌系統(tǒng)均勻度的測試采用網(wǎng)格布置；對于單噴頭水量分布的測試采用徑向布置或網(wǎng)格布置。利用單噴頭水量分布推求組合均勻系數(shù)時，一般利用計算機對組合水量分布進行疊加計算。
當單噴頭噴灑試驗中測點為徑向布置時，需要采用一定的方法將徑向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)。目前最常用的方法是插值法，即利用已知鄰近三點或四點的測點數(shù)據(jù)插值計算出網(wǎng)格點上的水深數(shù)據(jù)。插值的方法主要有距離加權(quán)插值(張新華，1981；薛克宗，1982)、直線插值(羅金耀，1987)、三角形插值(Evans，1995)、平面插值(黃修橋，1995)等。另外，陳大雕(1984)在研究用特性曲面法選擇最優(yōu)噴頭組合形式時，采用了沿射線方向(徑向)和圓弧方向(周向)兩次線性插值的方法計算網(wǎng)格點水深。
需要指出的是，上述方法都沒有考慮遠點數(shù)據(jù)對插值點的影響。噴灌水量分布理論上是一連續(xù)系統(tǒng)，遠點數(shù)據(jù)趨勢對計算點水深值也有很重要的影響。上述計算方法都是基于離散系統(tǒng)的統(tǒng)計原理，忽略了測點間的位置信息和水量分布的連續(xù)性特征信息，實質(zhì)上計算的是孤立的有限測點的樣本均勻度。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述噴灌均勻度計算方法存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法，提高噴灌均勻度計算精度，也為建立噴頭或噴灌系統(tǒng)水量空間分布函數(shù)提供依據(jù)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法，其特征在于，該方法對噴灌水量分布為一連續(xù)系統(tǒng)的理論條件下，利用實測降水深數(shù)據(jù)插值計算未知點降水深；當雨量筒徑向布置時，通過徑向和周向兩次對實測數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，計算未知點降水深，當雨量筒網(wǎng)格布置時，采用橫向和縱向兩次對實測數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，計算未知點降水深。
當噴頭噴灑試驗中雨量筒為徑向布置時，首先利用每條測點(雨量筒)布置射線上的實測數(shù)據(jù)進行徑向插值，計算出每條射線上的任意未知點(或均勻度計算點)的水深值。然后利用徑向插值求出的至噴頭一定半徑上幾組實測射線上的降水深數(shù)據(jù)(為一定半徑圓周上分布的數(shù)據(jù))，對任意方向角進行插值，這樣可以求出噴頭射程范圍內(nèi)任意點上的水深值，進而可以計算出噴灌均勻度值。當噴頭噴灑試驗中雨量筒為網(wǎng)格布置時，首先利用每條橫向雨量筒布置線上的實測數(shù)據(jù)進行橫向插值，可以計算出每條橫向線上的任意未知點(或均勻度計算點)的水深值。然后利用一定間距的縱向線上的水深值，插值求出的任意間距的縱向線上的所有水深值，這樣可以求出噴頭射程范圍內(nèi)或噴灌系統(tǒng)均勻度計算面積上任意點的水深值，進而測量出噴灌均勻度值。
本發(fā)明的測量方法，每次插值時采用三次樣條插值法，考慮了每個方向上所有測點水深數(shù)據(jù)對插值點水深值的影響。徑向和周向(或橫向和縱向)的兩次插值考慮了噴頭射程范圍內(nèi)或噴灌系統(tǒng)均勻度測算面積上所有測點數(shù)據(jù)對插值點降水深的影響，從而在理論上提高了噴灌均勻度的測量精度，也為建立噴頭或噴灌系統(tǒng)水量空間分布函數(shù)提供了依據(jù)。


圖1是噴頭噴灑試驗中雨量筒布置方式，圖中，(A)為徑向布置，(B)為網(wǎng)格布置，圖中的小圓圈為雨量筒。
圖2是三次樣條兩次插值法計算簡圖；圖3是30PSH噴頭正方形組合三維水量分布圖；圖4是30PSH單噴頭三維水量分布等值線圖；圖5是30PSH噴頭正方形組合三維水量分布圖；圖6是30PSH噴頭正方形組合三維水量分布等值線圖；圖7是30PSH噴頭正三角形組合三維水量分布圖；圖8是30PSH噴頭正三角形組合三維水量分布等值線圖；圖9是30PSH噴頭正方形組合均勻度相對間距系數(shù)變化曲線；圖10是30PSH噴頭正三角形組合均勻度相對間距系數(shù)變化曲線。
下面結(jié)合附圖和發(fā)明人完成的具體實例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明是一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法，以徑向布置雨量筒為例，該方法的步驟包括步驟1徑向布置雨量筒以圖1噴頭所在位置作為圓點，噴頭射程為半徑，徑向布置雨量筒。為表述方便，這里設(shè)徑向輻射線條數(shù)為6條。
步驟2測降水深值開始噴灑試驗，讀出雨量筒中的降水深值。
步驟3建立坐標系以圖1中噴頭所在位置作為原點建立極坐標系OX，用li(i＝1，2，...6)表示噴頭試驗中的雨量筒輻射線，如圖2所示。以輻射線上至噴頭最遠點的極徑為半徑作圓Φl，這樣所有實測降水深數(shù)據(jù)都分布在圓周線Φl內(nèi)的6條輻射線上。作Φl的外接正方形ABCD。在ABCD內(nèi)，給定網(wǎng)格間距，確定網(wǎng)格線數(shù)目和網(wǎng)格點?，F(xiàn)需將圓周Φl內(nèi)輻射線上的徑向降水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ABCD內(nèi)網(wǎng)格點上的網(wǎng)格型數(shù)據(jù)。
由于ABCD內(nèi)網(wǎng)格點降水深的位置信息取決于該點的極徑和方向角兩個要素。因此，利用已有徑向數(shù)據(jù)分別進行徑向插值(對極徑進行插值)和周向插值(對方向角進行插值)，即可將原徑向型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)。
步驟4徑向插值徑向插值是利用徑向輻射線上的已有降水深數(shù)據(jù)對極徑進行插值，計算出各條徑向輻射線上至噴頭任意距離的未知降水深，徑向插值計算過程如下對于任意網(wǎng)格點Pm×n的極徑rm×n和極角αm×n可由設(shè)網(wǎng)格線的序號m和n以及輻射線上最遠點至噴頭的距離R唯一確定。以rm×n為半徑作圓Φa，與輻射線li(i＝1，2，...6)分別交于點ai(i＝1，2，...6)。
設(shè)每條輻射線上的測點降水深為dij(i＝1，2，...6；j＝1，2，...xi)，其中xi分別為每條輻射線雨量筒個數(shù)。采用三次樣條插值的方法利用dij對rm×n進行插值即可計算出ai點降水深Di，用下式表示Di＝Fi(dij，rm×n)(i＝1，2，...6；j＝1，2，...xi)(1)式中Fi表示三次樣條插值函數(shù)。
步驟5周向插值周向插值是利用每條輻射線上通過徑向插值計算出的的任意極徑rm×n上的降水深數(shù)據(jù)Di對極角αm×n進行插值，計算出任意網(wǎng)格點上的降水深Dm×n，計算公式如下Dm×n＝F(Di，αm×n)(i＝1，2，...6) (2)式中F表示三次樣條插值函數(shù)。
步驟6均勻度計算根據(jù)噴頭組合方式和組合間距，將Dm×n疊加，求出多噴頭組合控制面積內(nèi)的網(wǎng)格點降水深Dm×n′，代入均勻系數(shù)計算公式，即可求出噴灌均勻度。這里以克里斯琴森均勻系數(shù)和分布均勻系數(shù)為例，分別計算如下CU=100×{1.0-Σ|Dm×n′-D‾D‾}---(3)]]>式中CU為克里斯琴森均勻系數(shù)；D為Dm×n′的平均值。
DU=D‾′D‾×100---(4)]]>式中，D為1/4個Dm×n′低值的平均值。
當噴頭噴灑試驗中雨量筒為網(wǎng)格布置時，將上述方法的步驟1改為網(wǎng)格布置雨量筒，步驟4和步驟5改為橫向插值和縱向插值，每次插值時仍然采用三次樣條插值法，其它步驟相同。
本發(fā)明人提供了一測量實例來證明本發(fā)明方法的可行性和精確性。測量對象是美國雨鳥30PSH噴頭的組合噴灌均勻度。表1是依據(jù)本發(fā)明的測量方法的雨量筒徑向布設(shè)后讀出的實測降水深數(shù)據(jù)，雨量筒按每隔60度等間距布設(shè)。
對實測降水深數(shù)據(jù)進行不同組合方式和組合間距的組合，以求組合后的噴灌均勻度。組合方式分為正方形組合和正三角形組合兩種。組合間距l(xiāng)以組合間距系數(shù)k(組合間距等于組合間距系數(shù)與噴頭射程的乘積)確定，分為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40九種情況。
為了進一步比較和驗證三次樣條兩次插值法測量結(jié)果，申請人還計算了Keller和Bliesner(1990)回歸分布均勻系數(shù)DUKB和李久生(1999)回歸分布均勻系數(shù)DULCUKB＝0.63DU+37 (5)DUL＝1.21CU-24 (6)三次樣條兩次插值法采用人工計算幾乎是不可能的，為此申請人用MATLAB語言編制了可以實現(xiàn)三次樣條兩次插值法的噴灌組合均勻度計算軟件“SIUEW1.0(Sprinkler Irrigation Uniformity Evaluation for Windows)”。輸入噴頭試驗中各條輻射線上的雨量筒實測值，SIUEW1.0將根據(jù)要求自動計算出不同組合方式及組合間距下的組合均勻度值，給出組合均勻度隨組合間距變化曲線，并可繪制單噴頭和多噴頭三維水量分布圖和等值線圖。
首先證明本發(fā)明的均勻度測量方法的可行性。輸入表1中的噴頭實測降水深數(shù)據(jù)，SIUEW1.0組合均勻度測量結(jié)果見表2和3。
表1 30PSH噴頭的雨量筒實測降水深數(shù)據(jù)

表2 30PSH噴頭正方形組合均勻度計算結(jié)果

注k——組合間距系數(shù)；l——組合間距。l＝kr，r為噴頭射程，r＝18m。
表3 30PSH噴頭正三角形組合均勻度計算結(jié)果

注k——組合間距系數(shù)；l——組合間距。l＝kf，r為噴頭射程，r＝18m。
圖3和4分別為30PSH單噴頭三維水量分布圖及其等值線圖。圖5和圖6分別為30PSH噴頭正方形組合(組合間距系數(shù)為1.2)三維水量分布圖及其等值線圖。圖7和8分別為30PSH噴頭正三角形組合(組合間距系數(shù)為1.2)三維水量分布圖及其等值線圖。圖9和10分別為30PSH噴頭正方形和正三角形組合時均勻度相對組合間距系數(shù)的變化曲線。
由圖9和10可知，Keller和Bliesner(1990)的回歸分布均勻系數(shù)DUKB與1/4低值的分布均勻系數(shù)DU吻合較好。李久生(1999)的回歸分布均勻系數(shù)DUL與DU吻合較差，原因可能是李久生(1999)的回歸關(guān)系式是在較大的組合均勻度變化范圍(CU＝44～98)內(nèi)回歸的。但DUL和DUKB的變化趨勢都與DU基本相同。
對于正方形組合(圖9)，當組合間距系數(shù)k＝1.0時，組合均勻度最大。隨著k增加，組合均勻度開始下降。在k＝1.1～1.3范圍內(nèi)，組合均勻度趨于平緩。當k＞1.3時，組合均勻度開始快速下降。對于正三角形組合(圖10)，在k＝1.1～1.3范圍內(nèi)，組合均勻度變化較小，k＝1.2時組合均勻度最大。當k＞1.3時，組合均勻度也開始快速下降。
由組合均勻度測量結(jié)果及各均勻系數(shù)比較結(jié)果可知，利用計算機程序?qū)崿F(xiàn)的三次樣條兩次插值法可以可靠地計算出噴頭在不同組合方式、不同組合間距及不同均勻系數(shù)表示的噴灌組合均勻度，并繪制出噴頭組合三維水量分布圖及其等值線圖。
本發(fā)明人采用上例對本發(fā)明的方法的精確性也進行了對比證明。除了采用本發(fā)明的測量方法對上例中的30PSH噴頭進行了測量，同時采用網(wǎng)格密布測點的測量方法和傳統(tǒng)基于離散系統(tǒng)的測量方法進行測量。網(wǎng)格密布測點的測量方法直接測出的噴灌均勻度為實測噴灌均勻度，這里作為均勻度的真值，用于驗證本發(fā)明的方法和傳統(tǒng)基于離散系統(tǒng)噴灌均勻度測量方法的精確性。正方形組合和正三角形組合下三種方法的均勻度測算結(jié)果分別如表4和表5所示，本例計算的描述噴灌均勻度的系數(shù)是克里斯琴森均勻系數(shù)，CU表示均勻度真值，CUd表示采用傳統(tǒng)基于離散系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法測算出的均勻度值，CU表示采用本發(fā)明的基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法測算出的均勻度值。
計算表4和表5的測量值和真值的偏差可得傳統(tǒng)基于離散系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法的平均偏差為2.0，本發(fā)明的基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法的平均偏差為0.79，由此可知，本發(fā)明的噴灌均勻度測量方法的測量精度明顯高于傳統(tǒng)測量方法的精度。
表4 30PSH噴頭正方形組合均勻度測算結(jié)果

注k——組合間距系數(shù)；l——組合間距。l＝kr，r為噴頭射程，r＝18m。
表5 30PSH噴頭正三角形組合均勻度計算結(jié)果

注k——組合間距系數(shù)；l——組合間距。l＝kr，r為噴頭射程，r＝18m。
權(quán)利要求
1.一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度計算方法，其特征在于，該方法對噴灌水量分布為一連續(xù)系統(tǒng)的理論條件下，利用實測降水深數(shù)據(jù)插值計算未知點降水深；當噴頭噴灑試驗中雨量筒徑向布置時，通過徑向和周向兩次對實測數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，計算未知點降水深，當噴頭噴灑試驗中雨量筒網(wǎng)格布置時，采用橫向和縱向兩次對實測數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，計算未知點降水深。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當噴頭噴灑試驗中雨量筒為徑向布置時按下列步驟進行(1)以噴頭為中心點，徑向布置雨量筒；(2)開始噴灑試驗，讀出雨量筒中降水深；(3)在均勻度計算面積上以噴頭為原點，建立直角坐標系，對降水深數(shù)據(jù)開始處理。(4)利用每條橫向雨量筒布置線上的實測數(shù)據(jù)進行橫向的三次樣條插值，計算出每條橫向線上的任意未知點或均勻度計算點的水深值；(5)利用一定間距的縱向線上的水深值，采用三次樣條插值法求出的任意間距的縱向線上的所有水深值；利用每條測點，即雨量筒布置射線上的實測數(shù)據(jù)進行徑向的三次樣條插值，計算出每條射線上的任意未知點或均勻度計算點的水深值；(6)利用插值點水深值，計算噴灌均勻度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當噴頭噴灑試驗中雨量筒為網(wǎng)格布置時按下列步驟進行(1)以噴頭為中心點，網(wǎng)格布置雨量筒；(2)開始噴灑試驗，讀出雨量筒中降水深；(3)在均勻度計算面積上建立直角坐標系；(4)利用每條橫向雨量筒布置線上的實測數(shù)據(jù)進行橫向的三次樣條插值，計算出每條橫向線上的任意未知點或均勻度計算點的水深值；(5)利用一定間距的縱向線上的水深值，采用三次樣條插值法求出的任意間距的縱向線上的所有水深值；(6)利用插值點水深值，計算噴灌均勻度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于連續(xù)系統(tǒng)的噴灌均勻度測量方法，該方法對噴灌水量分布為一連續(xù)系統(tǒng)的理論條件下，利用實測降水深數(shù)據(jù)插值計算未知點降水深；當噴頭噴灑試驗中雨量筒徑向布置時，通過徑向和周向兩次對實測數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，計算未知點降水深，當噴頭噴灑試驗中雨量筒網(wǎng)格布置時，采用橫向和縱向兩次對實測數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，計算未知點降水深。本發(fā)明考慮了每個方向上所有測點水深數(shù)據(jù)對插值點水深值的影響。徑向和周向(或橫向和縱向)的兩次插值考慮了噴頭射程范圍內(nèi)或噴灌系統(tǒng)均勻度測算面積上所有測點數(shù)據(jù)對插值點降水深的影響，從而在理論上提高了噴灌均勻度的測量精度，也為建立噴頭或噴灌系統(tǒng)水量空間分布函數(shù)提供了依據(jù)。
文檔編號G01M99/00GK1908615SQ20061010449
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者韓文霆, 汪有科, 吳普特, 馮浩, 牛文全 申請人:西北農(nóng)林科技大學