基于無(wú)人機(jī)紅外熱圖像采集的大面積農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外熱圖像采集的大面積農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法眾多，主要包括基于土壤水分(或水勢(shì))和作物生理生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)兩大類(lèi)，還有極個(gè)別通過(guò)氣象指標(biāo)監(jiān)測(cè)。基于作物本身對(duì)水分下降反應(yīng)的指標(biāo)通常被認(rèn)為能夠更好地體現(xiàn)作物水分虧缺狀況，應(yīng)用也比較多，比如葉片含水率、葉水勢(shì)、莖直徑變化、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞變化、葉氣溫差等，這些一般需要借助特定的儀器，且通常只能提供個(gè)別植株或個(gè)別葉片的信息，考慮到這些指標(biāo)在田間存在較大的空間變異性，應(yīng)用中存在一定的困難。澳大利亞科學(xué)家Jackson和Idso對(duì)冠層溫差上下限反差進(jìn)行理論解釋并提出了作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)的理論模式和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，紅外熱像儀的發(fā)展使采集一定范圍的紅外熱圖像，利用軟件分析紅外溫度分布，進(jìn)而計(jì)算水分虧缺指標(biāo)的分布情況成為可能。同時(shí)無(wú)人機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展使得利用一臺(tái)紅外熱像儀可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的圖像采集。因此，開(kāi)發(fā)基于無(wú)人機(jī)紅外熱成像系統(tǒng)的大范圍農(nóng)田作物水分監(jiān)測(cè)方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)范圍廣且靈活的優(yōu)勢(shì)，搭載紅外熱成像系統(tǒng)采集農(nóng)田作物冠層紅外熱圖像，并配合田間輔助裝置監(jiān)測(cè)田間空氣溫度和充分蒸發(fā)參考面溫度，提供一種大面積農(nóng)田作物水分狀況監(jiān)測(cè)的方法及系統(tǒng)，更加科學(xué)地指導(dǎo)灌溉。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明提出一種基于無(wú)人機(jī)紅外熱圖像采集的大面積農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟:
[0005](I)在田間設(shè)置輔助裝置，包括田間空氣溫度傳感器和地面充分蒸發(fā)參考面，其中田間空氣溫度傳感器按照氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范放置，地面充分蒸發(fā)參考面略高于冠層高度；
[0006]所述地面充分蒸發(fā)參考面設(shè)計(jì)如下:選擇一個(gè)邊長(zhǎng)30cm、深度1cm的正方形水盆，水盆內(nèi)加入適量水備用，5cm厚發(fā)泡聚苯乙烯板漂浮于水中完全覆蓋水面，聚苯乙烯板上面覆蓋一層2mm厚的吸水無(wú)紡布，無(wú)紡布外面包裹2層吸水性膠黏纖維布，無(wú)紡布和纖維布的四周均浸入水中，使無(wú)紡布和纖維布一直處于全蒸發(fā)狀態(tài)以代替水的蒸發(fā)；
[0007]所述地面充分蒸發(fā)參考面不少于一個(gè)，均勻布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域的農(nóng)田內(nèi)部，在采集的田間紅外熱圖像中形成若干個(gè)充分蒸發(fā)的參考點(diǎn)。
[0008](2)通過(guò)無(wú)人機(jī)上云臺(tái)固定的紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田作物進(jìn)行大面積的紅外圖像采集，同步觸發(fā)GPS模塊獲取對(duì)應(yīng)圖像的定位信息；
[0009](3)地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收紅外圖像及圖像定位信息，對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接，并對(duì)拼接好的圖像進(jìn)行圖像分割，區(qū)分冠層、背景和地面充分蒸發(fā)參考面，分別從冠層圖像和地面充分蒸發(fā)參考面圖像得到冠層溫度和地面充分蒸發(fā)參考面溫度的空間分布，然后結(jié)合田間空氣溫度傳感器監(jiān)測(cè)的空氣溫度數(shù)據(jù)，估算作物氣孔完全關(guān)閉時(shí)的葉片溫度，最后計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)，將作物水分虧缺指數(shù)展示在空間分布圖上，對(duì)作物水分虧缺指數(shù)值尚于臨界值的區(qū)域進(jìn)彳丁尚殼顯不預(yù)警；
[0010]所述作物水分虧缺指數(shù)CWSI的計(jì)算公式為:
[0011]CffSI = (Tc-Tw)/(Td-Tw)
[0012]式中，Tc為冠層溫度，Tw為地面充分蒸發(fā)參考面溫度，Td= Ta+5為作物氣孔完全關(guān)閉時(shí)的葉片溫度，Ta為測(cè)試干球溫度，即田間空氣溫度。
[0013]本發(fā)明還提出一種基于無(wú)人機(jī)紅外熱圖像采集的大面積農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括田間空氣溫度傳感器、地面充分蒸發(fā)參考面、紅外熱成像系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0014]其中，田間空氣溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)田間的空氣溫度；
[0015]地面充分蒸發(fā)參考面用于在田間紅外熱圖像中形成充分蒸發(fā)的參考點(diǎn)；
[0016]紅外熱成像系統(tǒng)用于采集農(nóng)田作物的紅外圖像和圖像的定位數(shù)據(jù)信息；
[0017]地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于接收紅外圖像及圖像定位數(shù)據(jù)信息，對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接，對(duì)拼接好的圖像進(jìn)行圖像分割，區(qū)分冠層、背景和地面充分蒸發(fā)參考面，分別從冠層圖像和地面充分蒸發(fā)參考面圖像得到冠層溫度和地面充分蒸發(fā)參考面溫度的空間分布，結(jié)合田間空氣溫度傳感器監(jiān)測(cè)的空氣溫度數(shù)據(jù)，估算作物氣孔完全關(guān)閉時(shí)的葉片溫度，并基于上述數(shù)據(jù)計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)并預(yù)警。
[0018]所述紅外熱成像系統(tǒng)包括相機(jī)機(jī)殼、成像元件、GPS模塊和控制器，其中成像元件和GPS模塊安裝在機(jī)殼的前端并與機(jī)殼內(nèi)的控制器連接，控制器由控制模塊，與控制模塊輸入端相連接的供電模塊、定時(shí)控制模塊、信號(hào)接收模塊，與控制模塊輸出端相連接的存儲(chǔ)模塊、輸出模塊構(gòu)成，控制器中與控制模塊連接的這些模塊分別與機(jī)殼上USB供電接口、定時(shí)控制按鈕、控制信號(hào)接收孔、存儲(chǔ)卡插槽和USB數(shù)據(jù)傳輸接口相連接。
[0019]所述地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安裝于地面控制站的PC電腦主機(jī)，包括數(shù)據(jù)接收模塊、圖像配準(zhǔn)與拼接模塊、紅外熱圖像分析軟件、作物水分虧缺指數(shù)計(jì)算模塊及預(yù)警模塊，其中數(shù)據(jù)接收模塊用于接收紅外熱成像系統(tǒng)拍攝的紅外圖像及配套的GPS數(shù)據(jù)信息；圖像配準(zhǔn)與拼接模塊用于對(duì)紅外圖像經(jīng)過(guò)幾何信息校正，按照GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和拼接;紅外熱圖像分析軟件對(duì)拼接好的圖像進(jìn)行紅外圖像分割，區(qū)分冠層、背景和地面充分蒸發(fā)參考面，分別從冠層圖像和地面充分蒸發(fā)參考面圖像得到冠層溫度和地面充分蒸發(fā)參考面溫度的空間分布，結(jié)合田間空氣溫度傳感器監(jiān)測(cè)的空氣溫度數(shù)據(jù)，采用Irmak等定義的測(cè)試干球溫度估算作物氣孔完全關(guān)閉時(shí)的葉片溫度;作物水分虧缺指數(shù)計(jì)算模塊用于根據(jù)冠層溫度、地面充分蒸發(fā)參考面溫度和作物氣孔完全關(guān)閉時(shí)的葉片溫度計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)，并將作物水分虧缺指數(shù)直觀(guān)的展示在空間分布圖上;預(yù)警模塊用于對(duì)作物水分虧缺指數(shù)高于某一臨界值的下墊面分區(qū)(實(shí)際生產(chǎn)中可結(jié)合灌區(qū)渠系或灌溉管網(wǎng)編號(hào)分區(qū))在分布圖中進(jìn)行高亮顯示預(yù)警，表明此區(qū)域?yàn)樽魑锼痔澣眳^(qū)。
[0020]有益效果:本發(fā)明大面積農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，充分利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)范圍大且靈活的特點(diǎn)，將一套紅外熱成像系統(tǒng)應(yīng)用于大面積的田間紅外熱圖像監(jiān)測(cè)，且應(yīng)用紅外熱像的專(zhuān)用軟件，得到大面積的冠層紅外溫度和充分蒸發(fā)參考面溫度的分布，并結(jié)合地面觀(guān)測(cè)同步測(cè)定的大氣溫度，直接計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)，得到作物水分虧缺指數(shù)的空間分布信息，適用于較大面積的農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明的流程不意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明的紅外圖像拍攝示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明的充分蒸發(fā)參考面設(shè)計(jì)圖；
[0024]圖4是本發(fā)明的紅外熱成像系統(tǒng)連接示意圖；
[0025]圖5是CWSI與土壤含水量、水稻凈光合速率的關(guān)系實(shí)例圖；
[0026]圖中:1-無(wú)人機(jī)，2-云臺(tái)，3-紅外熱成像系統(tǒng)，4-田間空氣溫度傳感器，5-地面充分蒸發(fā)參考面，6-水，7-發(fā)泡聚苯乙烯板，8-吸水無(wú)紡布，9-纖維布。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0028]圖1是本發(fā)明的流程示意圖，圖2是本發(fā)明的紅外圖像拍攝示意圖，根據(jù)圖1和圖2，基于無(wú)人機(jī)紅外熱圖像采集的大面積農(nóng)田作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法描述如下:
[0029](I)在田間設(shè)置輔助裝置，即田間空氣溫度傳感器4和地面充分蒸發(fā)參考面5，其中田間空氣溫度傳感器4按照氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范放置，充分蒸發(fā)參考面5設(shè)計(jì)如圖3所示，具體如下:選擇一個(gè)邊長(zhǎng)30cm、深度1cm的正方形水盆，水盆內(nèi)加入適量水6備用，5cm厚發(fā)泡聚苯乙烯板7漂浮于水中完全覆蓋水面，聚苯乙烯板7上面覆蓋一層2mm厚的吸水無(wú)紡布8，無(wú)紡布8外面包裹2層吸水性膠黏纖維布9，無(wú)紡布8和纖維布9的四周均浸入水6中，使無(wú)紡布8和纖維布9 一直處于全蒸發(fā)狀態(tài)以代替水的蒸發(fā)。
[0030](2)紅外熱成像系統(tǒng)3通過(guò)云臺(tái)2固定在無(wú)人機(jī)I上，在無(wú)人機(jī)I飛行過(guò)程中利用紅外熱成像系統(tǒng)3對(duì)大面積農(nóng)田作物以固定時(shí)間間隔采集紅外圖像，并同時(shí)借助GPS模塊記錄圖像定位信息；
[0031](3)地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收紅