[發(fā)明專利]一種基于無人機(jī)光譜數(shù)據(jù)的灌溉處方圖反演方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110078410.8
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112906477B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳震;程千;段福義
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所
• 主分類號: G06V20/10
• 分類號: G06V20/10;G06V20/40
• 代理公司: 鄭州慧廣知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 41160
• 代理人: 朱廣存

本發(fā)明涉及一種基于無人機(jī)光譜數(shù)據(jù)的灌溉處方圖反演方法，包括以下步驟：(1)遙感數(shù)據(jù)采集；(2)遙感影像作物信息提取；(3)田間蒸散發(fā)時空分布估算；(4)田間數(shù)據(jù)采集：無人機(jī)飛行日同步田間取樣，獲得土壤根系吸水層有效可利用土壤水分含量和田間持水量；(5)通過歷史氣象灌溉資料、實時熱紅外、多光譜高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、地面?zhèn)鞲衅鞯膲勄樾畔?shù)據(jù)，結(jié)合不同的灌溉技術(shù)反演的灌溉處方圖。本發(fā)明中無人機(jī)攜帶光譜感知系統(tǒng)，獲取田間熱紅外、多光譜、可見光影像，通過植被提取，計算作物冠層水分虧缺，結(jié)合田間蒸散發(fā)空間分布開展灌溉處方圖反演，為精準(zhǔn)灌溉提供數(shù)據(jù)信息支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于無人機(jī)光譜數(shù)據(jù)的灌溉處方圖反演方法，屬于農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作物灌溉處方圖是實現(xiàn)變量灌溉灌溉、精準(zhǔn)灌溉、智慧灌溉的必要條件，當(dāng)前灌溉朝著精準(zhǔn)灌溉、智慧灌溉的方向發(fā)展，而在灌溉技術(shù)方面往往很難去獲得田間作物精準(zhǔn)灌溉處方圖。隨著近期變量灌溉、精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的發(fā)展，灌溉處方圖的逐步凸顯其灌溉決策的重要性。當(dāng)前USDA ARS隋瑞秀研究員開展的變量灌溉的研究，利用土壤電導(dǎo)率反演灌溉處方圖，指導(dǎo)大型噴灌機(jī)開展變量灌溉。此外，美國Chavez團(tuán)隊通過無人機(jī)攜帶光譜相機(jī)的方式開展農(nóng)田水分管理，利用熱紅外獲取冠層溫度信息，反演冠層CWSI及冠層蒸散發(fā)分布圖，進(jìn)一步反演水分虧缺指導(dǎo)田間水分管理。此外，在噴灌機(jī)安裝熱紅外系統(tǒng)獲取田間冠層熱紅外數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取利用CWSI獲取水分虧缺進(jìn)行變量精準(zhǔn)灌溉。目前反演灌溉處方圖的方法主要是通過獲取土壤電導(dǎo)率空間分布圖方式進(jìn)行，在土壤水分反演精度上還有待提高。研究表明植被指數(shù)可以有效揭示作物長勢，一定程度上可以反演水肥信息，其在高光譜應(yīng)用方面已取得一定進(jìn)展。但是在可見光和多光譜應(yīng)用上，水肥精準(zhǔn)反演尚處于探討階段，缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐不同水肥處理條件下，利用無人機(jī)高分辨率遙感數(shù)據(jù)衡量土壤水肥信息指數(shù)變化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于無人機(jī)光譜數(shù)據(jù)的灌溉處方圖反演方法，解決了精準(zhǔn)灌溉信息無法精準(zhǔn)有效、快速獲取的問題，為實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、智慧灌溉、精準(zhǔn)高效現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供了技術(shù)與方法支撐。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于無人機(jī)光譜數(shù)據(jù)的灌溉處方圖反演方法，包括以下步驟：

(1)遙感數(shù)據(jù)采集：利用安裝了多光譜相機(jī)的無人機(jī)獲取農(nóng)田作物遙感影像，經(jīng)拼接處理后得到農(nóng)田作物的整體時空分布光譜影像數(shù)據(jù)；

(2)遙感影像作物信息提取：對得到的整體光譜影像進(jìn)行影像提取作物冠層數(shù)據(jù)信息和作物水分虧缺數(shù)據(jù)；

(3)田間蒸散發(fā)估算：采用根據(jù)能量平衡原理根據(jù)田間冠層輻射溫度計算田間蒸散發(fā)，或通過其原理開發(fā)的相關(guān)模型估算田間蒸散發(fā)量；

(4)田間數(shù)據(jù)采集：無人機(jī)飛行日同步田間取樣，獲得土壤根系吸水層有效可利用土壤水分含量和田間持水量；

(5)通過歷史氣象灌溉資料、實時熱紅外、多光譜高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、地面?zhèn)鞲衅鞯膲勄樾畔?shù)據(jù)，結(jié)合不同的灌溉技術(shù)反演的灌溉處方圖，反演過程目標(biāo)限制：灌溉水量最少，滿足作物正常生理生長需求，灌溉上限達(dá)到土壤田間持水量，灌溉周期根據(jù)歷史氣象資料估算灌溉次數(shù)或根據(jù)作物冠層蒸散發(fā)與土壤中有效可利用水分含量的關(guān)系確定，進(jìn)行灌溉量公式為：

I_T＝f(CWSI_r，ET，SWC，θ_c) (1)

式中：I_T一次灌水定額，CWSI_r作為冠層相對水分虧缺指數(shù)，ET利用QWaterModel獲取的作物冠層ET，SWC土壤根系吸水層有效可利用土壤水分含量，θ_c田間持水量；

鑒于公式1，第一步需要先判斷灌溉周期，判斷灌溉周期的原理基于周期內(nèi)的蒸散發(fā)總量與土壤中有效可利用水分之間的關(guān)系，確定最優(yōu)灌溉周期，為此，判斷周期的公式為：