日光温室冠层特征温度时空变化规律分析

　　摘要：针对日光温室冬季反季节生产中冠层温度时空分布不均的问题。以西北型日光温室为研究对象,建立40通道PT100温度场监测系统，实现了冬季番茄冠层全天候动态温度数据采集。在此基础上，采用克里金插值算法进行冠层温度场建模，通过差分进化算法获取温度极值点，分析了不同天气条件下冠层特征温度的时空变化规律。结果表明，晴天、多云、阴(雨)天插值验证的均大于0.9，平均均方根误差分别为1.34℃、0.95℃、0.40℃，算法更适用于阴(雨)天及夜间低温冠层温度场的插值。不同天气条件下，温室冠层温度全天整体呈现西高东低、内高外低趋势，阴(雨)天温室内温度整体变化规律趋于一致，晴天、多云天气揭被后受外界光辐射等因素影响室内温度分布差异性较大，且晴天的夜间温度下降程度大于阴(雨)天。进一步分析冠层极值点分布结果表明，在不同天气条件下，极值特征点在日光温室中分布区域基本相同，冠层最高温点主要出现在温室中部[22.0m，2.5m]附近，最低温点主要出现在温室东部外膜[4.0m，5.48m]附近。日光温室冠层极值特征点的获取为温室栽培、温度灾害监测与传感器部署提供了理论基础。

　　关键词：日光温室;冠层温度场;时空变化规律;克里金插值;差分进化算法

　　引言

　　冠层温度是作物生长发育过程中重要环境因素，直接影响作物的生理状态[1]。冬季北方反季节生产过程中，温室温度的监测和调控尤为重要，日光温室通过后墙对太阳能的蓄放热特性及保温覆盖物的保温，能有效实现夜间温室内温度的提升，在中国北方地区广泛分布[2,3]。但随着生产需求及建造技术的提升，日光温室建造朝着大跨度、大长度方向发展，室内空间不断扩大[4,5]，温室内温度不仅受外界环境影响，同时受墙体、地温、作物、湿度等因素影响，导致温室内温度时空分布不均的问题凸显[6,7]，特别是受冬季连续阴(雨)天、雪天等气候季节性变化影响时，极易导致作物冠层局部温度过低，造成作物冷害、冻害甚至死亡[8,9]。

　　因此，分析作物冠层温度分布特征，进而寻找温度最低点，为优化日光温室环境监测及增温设施部署提供理论支撑，对减少冻害损失具有重要意义。目前针对日光温室温度变化规律、分布特征及监测预警已开展大量研究[1011。

　　现有日光温室小环境因子建模预测方法已具有较高精度，能准确模拟、预测监测点的变化规律[1215]，然而以单点或少数监测点数据对温室内整体及冠层温度进行分析存在一定局限性，易忽略全局极值温度点的分析;近年来，CFD技术广泛应用于农业，能动态模拟太阳热负荷在温室中的分布与变化，结合温室构造等因素可实现对温室小气候整体的变化规律分析，同时可进行温室温度场仿真，为温室温度场预测与调控提供新的解决思路[1618]。

　　但由于日光温室结构复杂，特别是温室内冠层温度受作物长势、外界光照、墙体蓄热、覆盖材料等因素影响，导致作物冠层温度的空间分布表现出非线性且变化不定，该方法相对难以模拟[6,19]，在实际监测调控应用中存在较大误差。以上研究虽然在一定程度揭示了日光温室整体温度变化，但仅以温室较少典型位置(温室中部及两端)的传感器部署监测[9,20]，难以全面反映温室冠层时空分布不均的实际情况，导致获取的特征点存在偏差，无法为日光温室生产过程作出及时的预警，防止温度灾害的发生。

　　本文通过构建基于物联网技术的日光温室温度场监测系统，采集冠层温度数据，采用插值算法完成番茄冠层温度场的拟合，并进行冠层温度场特征分析，提取温度极值点，研究不同天气条件下温度极值点分布规律，以期为日光温室设施调控传感器及增温设施高效部署提供理论依据。

　　1试验数据获取与处理

　　1.1试验对象

　　试验采用典型西北下沉式日光温室为试验对象，属于单栋、单坡面、厚土墙式温室，其坐北朝南，温室东西长50m，南北跨度7m，脊高5m，下沉0.5，后墙、东、西两侧墙体为黏土制成，拱架为钢架结构，后坡覆以PC板和纺织材料制成的保温棉被，透光材料为聚氯乙烯薄膜，采用上下通风方式建造。试验于陕西省泾阳县西北农林科技大学泾阳蔬菜示范基地号日光温室进行，位于北纬34.4°~34.6°，东经108.4°~108.9°，属于典型的温带大陆性季风气候。棚内种植作物为番茄，于2019年10月20日定植，温室内垄宽0.8m，垄间距0.8m，每垄种植行番茄，共计33垄，整个生育期采用滴灌方式进行灌溉，试验期间温室于8:009:00间揭保温被，晴天多云天气10:0010:30间开上通风进行降温及外界二氧化碳补充，阴(雨)天一般不通风或延迟至12：30后。

　　1.2建模数据获取

　　为采集番茄冠层温度分布情况数据，采用自主开发的温度场监测系统，包括温度采集节点、485节点、TU数据上传模块与物联网监控平台。整套温度场监测系统分路共计40个温度采集节点。

　　温度采集节点以MSP430FR2433微处理器为核心处理单元，采用德国贺利氏生产的PT100型薄膜铂热电阻进行温度采集，其使用不锈钢保护管与四氟高密度镀银屏蔽线进行封装，具有良好的抗腐蚀性与抗干扰性能，测量精度0.15℃，温度测量范围50℃300℃;温度信号通过ADS127424位高精度采样芯片进行转换，并由串口传送给核心处理单元，每个处理单元具有单独编号，各个单元间通过485总线形式进行通信。485节点采用STM32F103微处理器，负责接收处理每个温度采集节点传输数据。数据上传模块采用Comway4GDTU全网通透传模块(模块)，负责将汇集的温度场数据上传。

　　最终数据汇聚至物联网监控平台进行管理与分析。试验于2019年11月27日12月日进行，番茄处于花期，试验期间植株平均高度4060cm，共连续采集冠层温度场数据，其中晴天、多云、阴(雨)天天数分别为 。温度场监测系统每5min记录一次温度场数据，通过4G模块将数据上传至监控平台。温度场监测系统40个温度传感器按图中所示方案部署，共列，东西距侧墙各4m作为缓冲区，各列相距6m;每列部署个传感器分别距后墙1.5、2.5、3.5、4.5、5.5m，距地面0.5m。本文采用试验期间19数据进行分析，每30min选取一次数据，共获912组冠层原始温度数据，每组40个温度点，总计36480个温度点数据用于番茄冠层温度场插值模型构建。

　　1.3数据分析

　　以实测试验数据为基础，通过克里金法(Kriging)计算温度场数据，进而采用差分进化算法获取番茄冠层温度场极值特征点，探寻日光温室作物冠层温度特征点分布及变化规律。

　　1.3.1克里金插值

　　针对冠层温度场连续且分布不均、差异性大、不规律，以及试验过程中因试验条件限制导致支撑建模分析数据量少的问题，本文采用简单克里金算法进行温度场建模，克里金法是通过协方差函数对随机过程或场进行空间建模和预测的回归算法，能实现目标位置的无偏估计[21,22]，其广泛应用于农业、气象等空间领域插值，如土壤有机质空间分布、作物需水量变化趋势分析、地下地表温度预测、降水时空分布等[2327]。

　　本文通过Pycharm软件与克里金算法库进行温度场建模，采用留一法对19每个时刻监测温度数据进行交叉验证的数据集划分，即每个时刻温度场的40个温度点中每个点轮流作为测试集，剩余39个点为训练集，循环建模验证40次，每个时刻共获取40个验证模型及验证数据点，19共计获取36480个验证数据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为激活函数，由于监测数据量有限，预测点相邻要素点数量设置为10，即预测点数据由其最近临10个监测点计算所得。

　　2冠层温度特征点日变化规律分析

　　2.1冠层温度场特征点获取以克里金插值模型为差分进化算法的适应度函数，设置算法参数种群规模为20，迭代次数1000，缩放因子0.5，交叉因子0.8，对日光温室冠层温度进行二维寻优，以其中2019年12月03日00时温度最大值寻优为例其进化曲线可知采用DE算法收敛速度较快，在进行至11次迭代时基本平稳，能快速获取温度极值。本文共获取连续19每30min一组极值数据，共获取1824个温度极值特征点与位置坐标，其中最高温与最低温点各912个，晴天、多云天极值各336组，阴(雨)天极值240组。

　　2.2冠层温度特征点日变化规律分析通过建模寻优结果分析不同天气条件下温室内冠层温度特征点的分布及变化规律，其中温度变化趋势为不同天气条件下，同一时刻所有天温度均值的变化趋势。

　　农艺师论文投稿刊物：《农业工程学报》是由中国农业工程学会主办的全国性学术期刊，自2005年始为单月刊。主要栏目有：农业水土工程，农业装备工程与机械化，农业信息与电气技术，农业生物环境与能源工程，土地整理工程，农产品加工工程。

　　3结论

　　(1)克里金插值能较好获取符合实际冠层温度的插值数据，经验证其插值后晴天、多云天气、阴(雨)天的决定系数分别为0.9553、0.9604、0.9447，均方根误差分别为1.34℃、0.95℃、0.40℃，由于日光辐射变化及通风等农事操作影响，克里金插值更适用于阴(雨)天全天及夜间低温冠层温度场的数据插值。(2)不同天气条件下，日光温室内冠层温度变化趋势基本一致，揭被后温室内温度呈上升趋势，最低温主要出现在揭被及日出前后，最高温出现在中午13:0分左右，夜间温度下降速率为晴天最快，多云天气次之，阴(雨)天最慢，最低温与下降速率规律相反为阴(雨)天最高;(3)不同天气条件下温室内冠层最高温点存在差异，但主要集中出现在温室中部，即横向22.0、距后墙2.附近位置，最低温点主要集中位在温室横向.0、距后墙5.48靠近东墙与薄膜附近区域，分析所得特征点分布位置能为温室温度灾害监测、温室智能化控制、增温设施部署等提供有效参考。

　　参考文献

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　　作者：张军华1,，沈楷程1,，陈丹艳1,，张明科，张海辉1,，胡瑾1,

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