本發明涉及農業物聯網與生態環境調控，具體為一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統。

背景技術：

1、石漠化山地地形復雜，土壤貧瘠且水分資源匱乏，嚴重制約了植被的恢復和生長，進而影響生態系統的穩定性及光伏發電系統的運行效率。沙棘作為耐旱性強、生長根系發達的重要恢復植被種類，因其獨特的根系結構和高蒸騰能力，在促進水循環和改善局部小氣候方面具有重要作用。

2、植被的蒸騰作用不僅是植物吸水和水分運輸的關鍵過程，也是影響局部氣候條件的重要生態過程。沙棘根系水平伸展長度及連通性反映其水分吸收潛力，細根網狀結構復雜度體現根系活躍度和蒸騰能力，二者共同決定了植被的蒸騰潛力。蒸騰過程中，植物通過葉片水分蒸發帶走熱量，有效調節周邊空氣濕度和溫度，形成良好的小氣候環境，對光伏陣列下的微環境改善尤為關鍵。

3、與此同時，毛細水效應體現土壤通過毛細作用儲存和釋放水分的能力，直接影響植物根系可利用水分的持續供應。土壤中毛細水效應的強弱決定了根際水分動態特征，如濕潤前沿擴展速度和濕潤半徑，從而影響植物的蒸騰效率和微氣候調節能力。然而，石漠化區域土壤水分供應和保持能力普遍不足，水分供應不足或毛細水效應弱會導致蒸騰受限，抑制植被生長并減弱對光伏系統下微環境的調節作用，進而影響光伏系統的穩定運行。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發明提供了一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統，以解決背景技術中提到的問題。

2、為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統，包括：

3、網格單元劃分模塊，用于配置gps定位設備和激光掃描儀，用于采集光伏陣列布置與地表點云數據并生成規則柵格，按所述規則柵格為每一植被單元記錄柵格標識，配置地質雷達或近紅外激光成像設備，采集深度覆蓋至沙棘根系主活躍層0-60cm的種植區內根系三維點云數據，構建每個植被單元的根系水平伸展長度lh、根際連通性指數rconn；

4、根系分析模塊，用于配置根系顯微成像或根窗攝像裝置及圖像處理技術，用于對每個植被單元，代表性植被的細根圖像，構建每個植被單元的細根網狀結構復雜度指數rsci；

5、并在每個植被單元內，沿沙棘根系水平伸展方向的主要徑向路徑布設多點土壤體積含水率傳感器陣列，測定并計算獲得根際濕潤前沿擴展速度vw和濕潤半徑；

6、并配置毛細管水分張力計與時間域反射儀tdr，測定根際土壤水分保持曲線，計算毛細水保持能力系數wcap后，結合中心坐標、覆蓋面積a、根系水平伸展長度lh、根際連通性指數rconn、細根網狀結構復雜度指數rsci、根際濕潤前沿擴展速度vw和濕潤半徑，構建每個植被單元的特征向量n；

7、蒸騰協同感知模塊，用于針對每個植被單元的特征向量n進行判斷，生成第一優先調控區、第二優先調控區和不需要調控的區域；

8、小氣候改善識別模塊，用于在識別的第一優先調控區和第二優先調控區，生成相對應補光噴灌調控指令，同步采集噴灌與補光協同作用下的局部空氣濕度變化幅度δh、土壤溫度變化幅度δt以及光伏遮蔽強度s，分析噴灌時段與光伏遮蔽強度的匹配度m，并構建小氣候改善指數ci；

9、調控執行模塊，用于構建蒸騰協同指數并修正，獲取修正后的蒸騰協同指數、小氣候改善指數ci和匹配度m，生成相對應改善等級和相對應調控策略。

10、優選的，所述網格單元劃分模塊包括空間定位采集子單元和地下根系成像子單元；

11、所述空間定位采集子單元，用于配置gps定位設備和激光掃描儀，用于采集光伏陣列布置與地表點云數據并生成規則柵格，按所述規則柵格為每一植被單元記錄柵格標識、中心坐標(x,y)與覆蓋面積a；

12、所述地下根系成像子單元，配置地質雷達或近紅外激光成像設備，探測深度覆蓋至沙棘根系主活躍層0-60cm的種植區內根系三維點云并在每一植被單元內計算獲取根系水平伸展長度lh和根際連通性指數rconn：

13、根系水平伸展長度lh，表示根系點云在水平投影面上兩點間的最大歐氏距離，表達式為：

14、；

15、其中，點p和q是同一根系點云中任意兩個不同的點；表示所有被探測到的根系點集合，，和分別是在x軸和y軸上的坐標；

16、根際連通性指數rconn，定義根系連通區域面積與根系投影凸包面積之比，表達式為：

17、；

18、其中，為在水平投影面上由連通根像素構成的總面積，為根系點云水平投影的凸包面積，當根像素散裂時rconn→0，根網連續時→1。

19、優選的，所述根系分析模塊包括細根結構分析子單元和根際水分動態監測子單元；

20、所述細根結構分析子單元，用于配置根系顯微成像或根窗攝像裝置及圖像處理技術，用于對每個植被單元，代表性植被的細根圖像進行定量分析，獲取細根分支密度bd、分支節點密度nd和環路密度ld；細根分支密度bd表示單位面積內細根總長度，分支節點密度nd表示單位面積內細根分枝節點數；環路密度ld表示單位面積內根系回路數；

21、其中，將細跟分支密度bd、分支節點密度nd和環路密度ld進行歸一化，獲得歸一化后的細根分支密度、分支節點密度和環路密度，計算獲取細跟網狀結構復雜度指數rsci：

22、

23、式中，、和分別表示為歸一化后的細根分支密度、分支節點密度和環路密度的權重值；

24、歸一化步驟如下：

25、

26、其中，、和分別為各分支密度、分支節點密度和環路密度的參考值。

27、優選的，所述根際水分動態監測子單元，在每個植被單元內，沿沙棘根系水平伸展方向的主要徑向路徑布設多點土壤體積含水率傳感器陣列，用于測定并計算下列指標：

28、根際濕潤前沿擴展速度vw：

29、測量方法具體為：在補水或降雨起始時刻作為基準，記錄不同水平距離r處傳感器的體積含水率，設置響應閾值，當某位置首次滿足時，記錄對應時間tresp(ri)，并構建根際濕潤前沿擴展速度vw：

30、；

31、其中，表示在時刻達到濕潤響應條件的最遠水平距離，表示在時刻達到濕潤響應條件的最遠水平距離，和表示連續兩個判定時刻；

32、在時刻，滿足濕潤判定條件，即的最大水平距離r即為濕潤半徑。

33、優選的，所述根系分析模塊還包括根際水分保持能力測定子單元，所述根際水分保持能力測定子單元，用于配置毛細管水分張力計與時間域反射儀tdr，測定根際土壤水分保持曲線，計算毛細水保持能力系數wcap：

34、；

35、其中，表示體積含水率隨基質吸力變化的函數，其中，為負值，單位為kpa（負值，表示吸力），表示田間持水量對應的吸力，設置為?33kpa，因為降雨或灌溉后，重力水排盡后土壤所能保持的最大水量；表示凋萎點對應的吸力，設置為?1500kpa；

36、提取每個植被單元的中心坐標、覆蓋面積a、根系水平伸展長度lh、根際連通性指數rconn、細根網狀結構復雜度指數rsci、根際濕潤前沿擴展速度vw、濕潤半徑和毛細水保持能力系數wcap，構建每個植被單元的特征向量n，表達式為：

37、。

38、優選的，所述蒸騰協同感知模塊包括根系空間結構判定單元、根系結構活躍度判定單元、根際水分動態判定單元和根際水分保持能力判定單元；

39、所述根系空間結構判定單元，用于結合每個植被單元的根系水平伸展長度lh和根際連通性指數rconn，判定滿足下列條件之一的植被單元為根系連續優良區：

40、且；

41、其中，為預設的平均伸展長度閾值，為預設的標準根際連通性指數閾值；

42、所述根系結構活躍度判定單元，用于對每個植被單元的細根網狀結構復雜度指數rsci進行判定，包括：預設復雜度閾值，當時，表示植被單元為細根活躍區；

43、所述根際水分動態判定單元，用于結合根際濕潤前沿擴展速度vw和濕潤半徑，判定滿足下列條件之一的植被單元為水分供應不足區：

44、且；其中，為預設的濕潤前沿擴展速度閾值，為預設的濕潤半徑閾值；

45、所述根際水分保持能力判定單元，用于對每個植被單元的毛細水保持能力系數wcap進行判定，包括：預設毛細水保持能力閾值，當時，表示植被單元為水分保持能力不足區；

46、將同時滿足根系連續優良區和細根活躍區條件，且屬于水分供應不足區或水分保持能力不足區的植被單元識別為第一優先調控區；

47、將滿足根系連續優良區或細根活躍區中任一條件，且屬于水分供應不足區或水分保持能力不足區的植被單元識別為第二優先調控區；

48、優選的，所述小氣候改善識別模塊包括環境數據采集子單元、噴灌與光伏遮蔽匹配分析子單元、小氣候改善指數計算子單元；

49、所述環境數據采集子單元，用于在第一優先調控區及第二優先調控區內，配置空氣濕度傳感器、土壤溫度傳感器和光伏遮蔽強度監測裝置，實時采集噴灌與補光協同作用前后各植被單元的局部空氣濕度變化幅度δh、土壤溫度變化幅度δt以及光伏遮蔽強度s；

50、所述噴灌與光伏遮蔽匹配分析子單元，用于基于采集的光伏遮蔽強度s，結合噴灌時段信息，計算噴灌時段與光伏遮蔽強度的匹配度m，所述匹配度m通過以下公式計算：

51、；

52、其中，為噴灌時段集合，為全天時間集合，為時刻t的光伏遮蔽強度。

53、優選的，所述小氣候改善指數計算子單元，用于結合空氣濕度變化幅度δh與土壤溫度變化幅度δt，計算小氣候改善指數ci，評價噴灌和補光對局部微氣候改善的綜合效果，計算公式為：

54、

55、其中，和分別為空氣濕度提升潛力最大和最小值，設為5%和0%；和分別為土壤溫度降低潛力最大和最小值，設為2℃和0℃；和表示權重值。

56、優選的，所述調控執行模塊包括蒸騰協同指數計算單元；

57、所述蒸騰協同指數計算單元，用于提取每個植被單元的根系水平伸展長度lh、根際連通性指數rconn、細根網狀結構復雜度指數rsci和毛細水保持能力系數wcap，將每個參數歸一化為[0,1]后根系水平伸展長度、根際連通性指數、細根網狀結構復雜度指數和毛細水保持能力系數，通過以下相關聯公式計算獲取蒸騰協同指數：

58、

59、其中，、、和表示權重值；

60、并提取根際濕潤前沿擴展速度vw、毛細水保持能力系數wcap、濕潤半徑歸一化后，作為交互項對蒸騰協同指數進行修正，獲得修正后的蒸騰協同指數：

61、；

62、其中，和表示交互權重；

63、優選的，所述調控執行模塊還包括綜合評估單元和策略單元；

64、所述綜合評估單元，用于結合每個植被單元修正后的蒸騰協同指數和小氣候改善指數ci以及匹配度m進行判斷，獲取相對應改善等級，包括：

65、當且，且m＞0.5時，生成第一改善等級；

66、當且且m＞0.5時，生成第二改善等級；

67、當且，且m≤0.5時，生成第三改善等級；

68、所述策略單元，用于根據相對應改善等級生成相對應調控策略包括：

69、依據第一改善等級生成第一調控策略，包括：噴灌頻率設置為每日3次，每次噴灌時長15-20分鐘，補光強度調節為最大功率的70%-90%，光照時長為噴灌后的2-3小時內；

70、依據第二改善等級生成第二調控策略，包括：噴灌頻率設為每日2次，每次噴灌時長10-15分鐘，補光強度調節為最大功率的70%-90%，光強度調節為最大功率的40%-60%，光照時長為噴灌后的1-2小時；

71、依據第三改善等級生成第二調控策略，包括：噴灌頻率設為每日1次，噴灌時長不超過10分鐘，光強度設置為最大功率的20%-30%，光照時長限制在噴灌后1小時內。

72、本發明提供了一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統。具備以下有益效果：

73、（1）該一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統，通過精細劃分光伏陣列下的植被單元，結合地下根系成像技術與多維度根系結構分析，實現對沙棘植被根系水平伸展長度、根際連通性、細根網狀結構復雜度及毛細水效應等關鍵參數的精準測定，全面反映植被的蒸騰潛力和水分供應狀況。通過構建蒸騰協同指數并結合實時采集的局部空氣濕度、土壤溫度及光伏遮蔽強度，科學識別第一優先和第二優先調控區，確保補光噴灌調控精準聚焦于蒸騰能力強且水分脅迫明顯的區域，極大提升水資源利用效率和補光效果。同時，本發明通過動態匹配噴灌時段與光伏遮蔽強度，實現噴灌與補光協同優化，促進植被蒸騰作用與微氣候改善的有機結合，有效提升局部空氣濕度和降低土壤溫度，改善光伏板下微環境，增強光伏組件的發電效率與使用壽命。該系統還具備自動分級調控功能，適應不同植被單元的生長狀態，實現精準施策，降低水資源浪費和能耗，促進石漠化山地生態系統的恢復與穩定，促進解決了傳統補光噴灌調控中缺乏針對性、資源利用率低及微氣候改善效果有限的技術問題。

74、（2）該一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統，細根結構分析子單元與根際水分動態監測子單元的協同工作，實現對沙棘植被根系活力和水分狀況的全面評估。細根結構分析子單元采用根系顯微成像或根窗攝像裝置結合先進的圖像處理技術，對每個植被單元代表性植被的細根圖像進行高精度定量分析，獲取細根分支密度bd、分支節點密度nd和環路密度ld三個關鍵指標。細根分支密度反映單位面積內細根的總長度，體現根系的擴展能力和吸水面積；分支節點密度表示細根的分枝復雜程度，反映根系的分布多樣性；環路密度揭示根系網絡的閉合程度，反映根系的穩定性和資源傳輸效率。

75、（3）該一種石漠化山地光伏下植被補光噴灌控制系統，根際水分保持能力測定子單元通過引入毛細水保持能力系數wcap，系統量化了土壤在植物可利用吸力范圍內的水分儲存與釋放能力，解決了傳統灌溉僅關注表層水分而忽視毛細水動態的不足。結合多維根系及水分動態指標，能夠準確識別土壤持水性差、易導致水分脅迫的關鍵區域，指導精準補光噴灌策略，優化水資源利用效率，顯著提升沙棘植被的生長活力和蒸騰潛力。同時，通過改善根際水分供給和保持，促進微氣候調節效應，增強光伏陣列下生態系統的穩定性和發電效率。