(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210676334.5 (22)申请日 2022.06.15 (71)申请人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 周晋军　黄天意　王昊　庞亚莉　 (74)专利代理 机构 成都方圆聿联专利代理事务 所(普通合伙) 51241 专利代理师 苟铭 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真 模拟模型和方法 (57)摘要 本发明公开一种基于元胞自动机的温室土 壤水分运动仿真模拟模型和方法， 模型采用 8邻 居定值型边界的有限方形网格， 通过元胞自动机 模型模拟水体在温室土壤中的水平和垂向的运 动过程， 通过V M矩阵来表达和反映模拟区的植被 空间排列， 对土壤进行分层， 通过SM矩阵来表达 模拟区土壤各土层水分含量。 模 型设定人工浇水 后水体至少经历流动、 渗透、 植被吸收和蒸发4个 过程， 通过对上述过程更新各个元胞的含水量 的， 实现对土壤水体运动的模拟。 本发明可以对 土壤水体运动的空间分布和时间分布进行仿真 模拟， 实现补水函数或最优化土壤参数的优化选 择， 实现温室大棚土 壤水体变化的全区域预测。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115081202 A 2022.09.20 CN 115081202 A 1.基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型， 其特征在于， 所述的元胞自动 机模拟模型采用8邻居定值型边界的有限方形网格， 用于模拟水体在温室土壤中向四周扩 散的运动过程； 通过VM矩阵来表达和反映模拟区的大小、 环境和植被排列， 将土壤划分为不 同土层后通过S M矩阵来表达模拟区土壤各土层水分含量。 所述模型设定人工浇水后水体在 土壤中发生水平流动、 垂向渗透、 植被吸收、 植被蒸腾蒸发4个过程， 通过模拟所述土壤水分 运动过程 来更新各个元 胞的含水量， 实现对土壤水分运动的仿真模拟。 2.基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： S1： 根据模拟区的实际大小、 环境和植被排列情况建立矩阵VM； S2： 对一定深度的土壤进行分层， 并建立各土层的初始含水量矩阵SM； S3： 调研种植作物生长习性， 查阅相关资料获取相关作物需水和种植管理数据以确定 各土层水量的变化的数 学公式和各土层的相关参数； S4： 根据预设的各土层水量的变化的数学公式， 依次计算各土层的含水量的数值， 从而 更新含水量矩阵； S5： 若土层含水量矩阵出现负值， 必 须修改补水水量W、 土壤流动和渗透参数， 重 复进行 S4； 若因特殊需要， 同样要修改补水 水量、 土壤流动和渗透参数， 重复S4； S6： 根据预设的迭代次数， 重 复步骤S1至S5， 当运行次数超过设定的迭代次数后停止运 行， 即对模拟区的土壤水体变化情况完成了仿真模拟， 此时根据使用目的选择性输出各个 迭代时刻土壤含水量情况或相关参数值。 3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， VM矩阵中0表示该处含土壤， 1表示该处含植被， ‑1表示该处 既不含植被也 不含土壤， 划分三类工况； VM矩阵为非负矩阵， 即矩阵中不能出现负值； 对植被根系层土壤进行分层后， 应再添加N层土层， N层土层位于所有土层的最底部， 所 述N层是一个抽象层， 表示十分深的土层， 或不存在渗透和流动地方， 如承装植被的容器外 部； 除N层外， 所有土层均存在含水量上限， 并对其模拟土壤水分运动作相应模拟； 对一定深处的土壤进行分层， 并建立各土层的初始含水量矩阵； 模拟过程中认为人工浇水的主要耗散途径包括植被生长生产活动、 土壤入渗和蒸腾蒸 发耗水； 所述的[渗透]和[流动]的意义与常用的词 汇含义不同， [渗透]和[流动]与径向流动和 纵向流动相 似， 以I表示渗透， 以F表示流动； 所述[渗透]是指在一个元胞大小的面积内， 在 一个垂直的空间内， 深度较低层土壤的水分流向深度较高层土壤； 所述[流动]是指是在一 个8邻居空间内， 同一土层位于8邻居中心的元胞的土壤水分流向8邻居范围内的同一土层 的土壤； 所述[8邻居空间]指环绕矩阵单个元胞的正上、 上左、 上右、 正左、 正右、 正下、 下左 和下右8个元 胞空间。 4.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， 步骤S4中的[依次计算]， 指从土层表层由上到下依次分层计算， 最后至N层 为止。 5.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， 步骤S1的实现方式如下：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115081202 A 2根据模拟区的实际情况， 确定矩阵精度； 根据模拟区的环境和植被排列情况， 建立对应的a*b大小的矩阵， 分别用 ‑1、 0和1表示 有无土壤和植被的对应情况。 6.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， 步骤S2的实现方式如下： 对一定深处的土壤进行均匀分层， 建立各土层的初始含水量矩阵， 如在S1中进行三层 土层分层， 则建立 三个等大小的含水量矩阵， 分别记录三层土层的含水量。 7.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， 步骤S3的实现方式如下： 确定各土层水量的变化的数 学公式， 包括蒸发、 汲水、 渗透、 流动的公式； 依据已经确定好的土层水量的变化的数 学公式， 确定各土层的土壤渗透、 流动参数。 8.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， 步骤S4的实现方式如下： 通过预设的各土层水量的变化的数学公式， 包括蒸发、 汲水、 渗透、 流动的公式更新含 水量矩阵， 依次计算各土层的含水量的数值， 即更新含水量矩阵， 直至N层。 9.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟方 法， 其特征在于， 步骤S5的实现方式如下： 若土层含水量矩阵出现负值， 必须修改补水 水量、 土壤流动和渗透参数， 重复S4； 若需要， 修改补水 水量、 土壤流动和渗透参数， 重复S4。 10.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的温室土壤水分运动仿真模拟模型的模拟 方法， 其特 征在于， 步骤S6的实现方式如下： 根据预设的迭代次数， 重复步骤S1至S5； 当运行次数超过设定的迭代次数后停止运行， 即对模拟区的土壤水体变化情况完成了 仿真模拟； 根据使用目的选择性输出各个迭代时刻土壤含水量情况即含水量矩阵， 或输出各个迭 代时刻相关参数的最终修 订值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115081202 A 3