[發明專利]基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水分狀態監測方法及系統

在審

• 申請號: 201610024995.4
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105527657A
• 公開（公告）日: 2016-04-27
• 發明（設計）人: 徐俊增;呂玉平;楊士紅;繳錫云;王衛光
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01V8/10
• 分類號: G01V8/10;G01N21/84;G01J5/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水分狀態監測方法， 其特征在于：包括如下步驟：

(1)在田間設置輔助裝置，包括田間空氣溫度傳感器和地面充分蒸發參考 面，其中田間空氣溫度傳感器按照氣象觀測規范放置，地面充分蒸發參考面略高 于冠層高度；

(2)通過無人機上云臺固定的紅外熱成像系統對農田作物進行大面積的紅 外圖像采集，同步觸發GPS模塊獲取對應圖像的定位信息；

(3)地面數據處理系統接收紅外圖像及圖像定位信息，對圖像進行配準和 拼接，并對拼接好的圖像進行圖像分割，區分冠層、背景和地面充分蒸發參考面， 分別從冠層圖像和地面充分蒸發參考面圖像得到冠層溫度和地面充分蒸發參考 面溫度的空間分布，然后結合田間空氣溫度傳感器監測的空氣溫度數據，估算作 物氣孔完全關閉時的葉片溫度，最后計算作物水分虧缺指數，將作物水分虧缺指 數展示在空間分布圖上，對作物水分虧缺指數值高于臨界值的區域進行高亮顯示 預警。

2.根據權利要求1所述的基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水 分狀態監測方法，其特征在于：所述地面充分蒸發參考面設計如下：選擇一個邊 長30cm、深度10cm的正方形水盆，水盆內加入適量水備用，5cm厚發泡聚苯 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厚的吸水無紡 布，無紡布外面包裹2層吸水性膠黏纖維布，無紡布和纖維布的四周均浸入水中， 使無紡布和纖維布一直處于全蒸發狀態以代替水的蒸發。

3.根據權利要求1所述的基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水 分狀態監測方法，其特征在于：所述地面充分蒸發參考面不少于一個，均勻布置 在監測區域的農田內部，在采集的田間紅外熱圖像中形成若干個充分蒸發的參考 點。

4.根據權利要求1所述的基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水 分狀態監測方法，其特征在于：所述作物水分虧缺指數CWSI的計算公式為：

CWSI＝(T_C-T_W)/(T_D-T_W)

式中，T_C為冠層溫度，T_W為地面充分蒸發參考面溫度，T_D＝T_A+5為作物氣孔完 全關閉時的葉片溫度，T_A為測試干球溫度，即田間空氣溫度。

5.一種基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水分狀態監測系統， 其特征在于：包括田間空氣溫度傳感器、地面充分蒸發參考面、紅外熱成像系統、 地面數據處理系統；

其中，田間空氣溫度傳感器用于監測田間的空氣溫度；

地面充分蒸發參考面用于在田間紅外熱圖像中形成充分蒸發的參考點；

紅外熱成像系統用于采集農田作物的紅外圖像和圖像的定位數據信息；

地面數據處理系統用于接收紅外圖像及圖像定位數據信息，對圖像進行配準 和拼接，對拼接好的圖像進行圖像分割，區分冠層、背景和地面充分蒸發參考面， 分別從冠層圖像和地面充分蒸發參考面圖像得到冠層溫度和地面充分蒸發參考 面溫度的空間分布，結合田間空氣溫度傳感器監測的空氣溫度數據，估算作物氣 孔完全關閉時的葉片溫度，并基于上述數據計算作物水分虧缺指數并預警。

6.根據權利要求5所述的基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水 分狀態監測系統，其特征在于：所述紅外熱成像系統包括相機機殼、成像元件、 GPS模塊和控制器，其中成像元件和GPS模塊安裝在機殼的前端并與機殼內的 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、定時控 制模塊、信號接收模塊，與控制模塊輸出端相連接的存儲模塊、輸出模塊構成， 控制器中與控制模塊連接的這些模塊分別與機殼上USB供電接口、定時控制按 鈕、控制信號接收孔、存儲卡插槽和USB數據傳輸接口相連接。

7.根據權利要求5所述的基于無人機紅外熱圖像采集的大面積農田作物水 分狀態監測系統，其特征在于：所述地面數據處理系統安裝于地面控制站的PC 電腦主機，包括數據接收模塊、圖像配準與拼接模塊、紅外熱圖像分析軟件、作 物水分虧缺指數計算模塊及預警模塊，其中數據接收模塊用于接收紅外熱成像系 統拍攝的紅外圖像及配套的GPS數據信息；圖像配準與拼接模塊用于對紅外圖 像經過幾何信息校正，按照GPS數據信息進行圖像配準和拼接；紅外熱圖像分 析軟件對拼接好的圖像進行紅外圖像分割，區分冠層、背景和地面充分蒸發參考 面，分別從冠層圖像和地面充分蒸發參考面圖像得到冠層溫度和地面充分蒸發參 考面溫度的空間分布，結合田間空氣溫度傳感器監測的空氣溫度數據，采用Irmak 等定義的測試干球溫度估算作物氣孔完全關閉時的葉片溫度；作物水分虧缺指數 計算模塊用于根據冠層溫度、地面充分蒸發參考面溫度和作物氣孔完全關閉時的 葉片溫度計算作物水分虧缺指數，并將作物水分虧缺指數直觀的展示在空間分布 圖上；預警模塊用于對作物水分虧缺指數高于某一臨界值的下墊面分區在分布圖 中進行高亮顯示預警，表明此區域為作物水分虧缺區。