[发明专利]基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水分状态监测方法及系统

权利要求书

1.一种基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水分状态监测方法， 其特征在于：包括如下步骤：

(1)在田间设置辅助装置，包括田间空气温度传感器和地面充分蒸发参考 面，其中田间空气温度传感器按照气象观测规范放置，地面充分蒸发参考面略高 于冠层高度；

(2)通过无人机上云台固定的红外热成像系统对农田作物进行大面积的红 外图像采集，同步触发GPS模块获取对应图像的定位信息；

(3)地面数据处理系统接收红外图像及图像定位信息，对图像进行配准和 拼接，并对拼接好的图像进行图像分割，区分冠层、背景和地面充分蒸发参考面， 分别从冠层图像和地面充分蒸发参考面图像得到冠层温度和地面充分蒸发参考 面温度的空间分布，然后结合田间空气温度传感器监测的空气温度数据，估算作 物气孔完全关闭时的叶片温度，最后计算作物水分亏缺指数，将作物水分亏缺指 数展示在空间分布图上，对作物水分亏缺指数值高于临界值的区域进行高亮显示 预警。

2.根据权利要求1所述的基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水 分状态监测方法，其特征在于：所述地面充分蒸发参考面设计如下：选择一个边 长30cm、深度10cm的正方形水盆，水盆内加入适量水备用，5cm厚发泡聚苯 乙烯板漂浮于水中完全覆盖水面，聚苯乙烯板上面覆盖一层2mm厚的吸水无纺 布，无纺布外面包裹2层吸水性胶黏纤维布，无纺布和纤维布的四周均浸入水中， 使无纺布和纤维布一直处于全蒸发状态以代替水的蒸发。

3.根据权利要求1所述的基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水 分状态监测方法，其特征在于：所述地面充分蒸发参考面不少于一个，均匀布置 在监测区域的农田内部，在采集的田间红外热图像中形成若干个充分蒸发的参考 点。

4.根据权利要求1所述的基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水 分状态监测方法，其特征在于：所述作物水分亏缺指数CWSI的计算公式为：

CWSI＝(T_C-T_W)/(T_D-T_W)

式中，T_C为冠层温度，T_W为地面充分蒸发参考面温度，T_D＝T_A+5为作物气孔完 全关闭时的叶片温度，T_A为测试干球温度，即田间空气温度。

5.一种基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水分状态监测系统， 其特征在于：包括田间空气温度传感器、地面充分蒸发参考面、红外热成像系统、 地面数据处理系统；

其中，田间空气温度传感器用于监测田间的空气温度；

地面充分蒸发参考面用于在田间红外热图像中形成充分蒸发的参考点；

红外热成像系统用于采集农田作物的红外图像和图像的定位数据信息；

地面数据处理系统用于接收红外图像及图像定位数据信息，对图像进行配准 和拼接，对拼接好的图像进行图像分割，区分冠层、背景和地面充分蒸发参考面， 分别从冠层图像和地面充分蒸发参考面图像得到冠层温度和地面充分蒸发参考 面温度的空间分布，结合田间空气温度传感器监测的空气温度数据，估算作物气 孔完全关闭时的叶片温度，并基于上述数据计算作物水分亏缺指数并预警。

6.根据权利要求5所述的基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水 分状态监测系统，其特征在于：所述红外热成像系统包括相机机壳、成像元件、 GPS模块和控制器，其中成像元件和GPS模块安装在机壳的前端并与机壳内的 控制器连接，控制器由控制模块，与控制模块输入端相连接的供电模块、定时控 制模块、信号接收模块，与控制模块输出端相连接的存储模块、输出模块构成， 控制器中与控制模块连接的这些模块分别与机壳上USB供电接口、定时控制按 钮、控制信号接收孔、存储卡插槽和USB数据传输接口相连接。

7.根据权利要求5所述的基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水 分状态监测系统，其特征在于：所述地面数据处理系统安装于地面控制站的PC 电脑主机，包括数据接收模块、图像配准与拼接模块、红外热图像分析软件、作 物水分亏缺指数计算模块及预警模块，其中数据接收模块用于接收红外热成像系 统拍摄的红外图像及配套的GPS数据信息；图像配准与拼接模块用于对红外图 像经过几何信息校正，按照GPS数据信息进行图像配准和拼接；红外热图像分 析软件对拼接好的图像进行红外图像分割，区分冠层、背景和地面充分蒸发参考 面，分别从冠层图像和地面充分蒸发参考面图像得到冠层温度和地面充分蒸发参 考面温度的空间分布，结合田间空气温度传感器监测的空气温度数据，采用Irmak 等定义的测试干球温度估算作物气孔完全关闭时的叶片温度；作物水分亏缺指数 计算模块用于根据冠层温度、地面充分蒸发参考面温度和作物气孔完全关闭时的 叶片温度计算作物水分亏缺指数，并将作物水分亏缺指数直观的展示在空间分布 图上；预警模块用于对作物水分亏缺指数高于某一临界值的下垫面分区在分布图 中进行高亮显示预警，表明此区域为作物水分亏缺区。