[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

说明书

技术领域

本发明涉及农业灌溉技术领域，具体涉及一种基于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。

背景技术

农田作物水分状态监测的方法众多，主要包括基于土壤水分(或水势)和作 物生理生长指标监测两大类，还有极个别通过气象指标监测。基于作物本身对水 分下降反应的指标通常被认为能够更好地体现作物水分亏缺状况，应用也比较 多，比如叶片含水率、叶水势、茎直径变化、气孔导度、细胞变化、叶气温差等， 这些一般需要借助特定的仪器，且通常只能提供个别植株或个别叶片的信息，考 虑到这些指标在田间存在较大的空间变异性，应用中存在一定的困难。澳大利亚 科学家Jackson和Idso对冠层温差上下限反差进行理论解释并提出了作物水分胁 迫指数(CWSI)的理论模式和经验模式，红外热像仪的发展使采集一定范围的 红外热图像，利用软件分析红外温度分布，进而计算水分亏缺指标的分布情况成 为可能。同时无人机和自动控制技术的发展使得利用一台红外热像仪可以实现更 大范围的图像采集。因此，开发基于无人机红外热成像系统的大范围农田作物水 分监测方法，对于实现农业精准灌溉，提高农业现代化水平具有重要的理论意义 和应用价值。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明利用无人机监测范围广且灵活 的优势，搭载红外热成像系统采集农田作物冠层红外热图像，并配合田间辅助装 置监测田间空气温度和充分蒸发参考面温度，提供一种大面积农田作物水分状况 监测的方法及系统，更加科学地指导灌溉。

技术方案：本发明提出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，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；

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；

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。

(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；

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。

本发明还提出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；