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的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及農業灌溉技術領域，具體涉及一種基于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。
【背景技術】
[0002]農田作物水分狀態監測的方法眾多，主要包括基于土壤水分(或水勢)和作物生理生長指標監測兩大類，還有極個別通過氣象指標監測。基于作物本身對水分下降反應的指標通常被認為能夠更好地體現作物水分虧缺狀況，應用也比較多，比如葉片含水率、葉水勢、莖直徑變化、氣孔導度、細胞變化、葉氣溫差等，這些一般需要借助特定的儀器，且通常只能提供個別植株或個別葉片的信息，考慮到這些指標在田間存在較大的空間變異性，應用中存在一定的困難。澳大利亞科學家Jackson和Idso對冠層溫差上下限反差進行理論解釋并提出了作物水分脅迫指數(CWSI)的理論模式和經驗模式，紅外熱像儀的發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，進而計算水分虧缺指標的分布情況成為可能。同時無人機和自動控制技術的發展使得利用一臺紅外熱像儀可以實現更大范圍的圖像采集。因此，開發基于無人機紅外熱成像系統的大范圍農田作物水分監測方法，對于實現農業精準灌溉，提高農業現代化水平具有重要的理論意義和應用價值。
【發明內容】
[0003]發明目的:針對現有技術存在的問題，本發明利用無人機監測范圍廣且靈活的優勢，搭載紅外熱成像系統采集農田作物冠層紅外熱圖像，并配合田間輔助裝置監測田間空氣溫度和充分蒸發參考面溫度，提供一種大面積農田作物水分狀況監測的方法及系統，更加科學地指導灌溉。
[0004]技術方案:本發明提出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，包括如下步驟:
[0005](I)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；
[0006]所述地面充分蒸發參考面設計如下:選擇一個邊長30cm、深度1cm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；
[0007]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。
[0008](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；
[0009](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尚于臨界值的區域進彳丁尚殼顯不預警；
[0010]所述作物水分虧缺指數CWSI的計算公式為:
[0011]CffSI = (Tc-Tw)/(Td-Tw)
[0012]式中，Tc為冠層溫度，Tw為地面充分蒸發參考面溫度，Td= Ta+5為作物氣孔完全關閉時的葉片溫度，Ta為測試干球溫度，即田間空氣溫度。
[0013]本發明還提出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；
[0014]其中，田間空氣溫度傳感器用于監測田間的空氣溫度；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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(實際生產中可結合灌區渠系或灌溉管網編號分區)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。
[0020]有益效果:本發明大面積農田作物水分狀態監測方法，充分利用無人機監測范圍大且靈活的特點，將一套紅外熱成像系統應用于大面積的田間紅外熱圖像監測，且應用紅外熱像的專用軟件，得到大面積的冠層紅外溫度和充分蒸發參考面溫度的分布，并結合地面觀測同步測定的大氣溫度，直接計算作物水分虧缺指數，得到作物水分虧缺指數的空間分布信息，適用于較大面積的農田作物水分狀態監測，有利于實現農業精準灌溉，提高農業現代化水平。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的流程不意圖；
[0022]圖2是本發明的紅外圖像拍攝示意圖；
[0023]圖3是本發明的充分蒸發參考面設計圖；
[0024]圖4是本發明的紅外熱成像系統連接示意圖；
[0025]圖5是CWSI與土壤含水量、水稻凈光合速率的關系實例圖；
[0026]圖中:1-無人機，2-云臺，3-紅外熱成像系統，4-田間空氣溫度傳感器，5-地面充分蒸發參考面，6-水，7-發泡聚苯乙烯板，8-吸水無紡布，9-纖維布。
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0028]圖1是本發明的流程示意圖，圖2是本發明的紅外圖像拍攝示意圖，根據圖1和圖2，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描述如下:
[0029](I)在田間設置輔助裝置，即田間空氣溫度傳感器4和地面充分蒸發參考面5，其中田間空氣溫度傳感器4按照氣象觀測規范放置，充分蒸發參考面5設計如圖3所示，具體如下:選擇一個邊長30cm、深度1cm的正方形水盆，水盆內加入適量水6備用，5cm厚發泡聚苯乙烯板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厚的吸水無紡布8，無紡布8外面包裹2層吸水性膠黏纖維布9，無紡布8和纖維布9的四周均浸入水6中，使無紡布8和纖維布9 一直處于全蒸發狀態以代替水的蒸發。
[0030](2)紅外熱成像系統3通過云臺2固定在無人機I上，在無人機I飛行過程中利用紅外熱成像系統3對大面積農田作物以固定時間間隔采集紅外圖像，并同時借助GPS模塊記錄圖像定位信息；
[0031](3)地面數據處理系統接收紅