[發(fā)明專(zhuān)利]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)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610024995.4
• 申請(qǐng)日: 2016-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105527657A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐俊增;呂玉平;楊士紅;繳錫云;王衛(wèi)光
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01V8/10
• 分類(lèi)號(hào): G01V8/10;G01N21/84;G01J5/10
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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剑t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

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。

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：

(1)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測(cè)規(guī)范放置，地面充分蒸發(fā)參考面略高 于冠層高度；

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10cm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)；

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)。

(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；

(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)值高于臨界值的區(qū)域進(jìn)行高亮顯示 預(yù)警；

所述作物水分虧缺指數(shù)CWSI的計(jì)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(fā)參考面溫度，T_D＝T_A+5為作物氣孔完 全關(guān)閉時(shí)的葉片溫度，T_A為測(cè)試干球溫度，即田間空氣溫度。

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)；

其中，田間空氣溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)田間的空氣溫度；

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)；

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；