本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土壤墑情監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

科學(xué)灌溉是農(nóng)業(yè)節(jié)水的一個(gè)重要部分，合理灌溉方案的制定是科學(xué)灌溉的前提，而作物缺水診斷是制定合理灌溉方案的依據(jù)。土壤水分狀況的監(jiān)測(cè)歷來受到人們的重視，特別是隨著水資源短缺狀況的加劇。傳統(tǒng)的觀測(cè)方法包括取土烘干法、中子水分儀法、張力計(jì)方法等等，均是在點(diǎn)上的測(cè)量，存在較大的取樣誤差，無(wú)法獲知較大區(qū)域農(nóng)田土壤墑情的分布，難以輔助實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的科學(xué)灌溉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種土壤墑情監(jiān)測(cè)方法。

在農(nóng)田的能量平衡中，作物表面接收到的凈輻射轉(zhuǎn)換成土壤熱通量、顯熱通量和潛熱通量。其中，潛熱通量主要作用于作物蒸散和土壤蒸發(fā)，其數(shù)量大小與土壤水分狀況密切相關(guān)。如果土壤含水量增加，蒸散冷卻作用就大，作物觀測(cè)溫度就會(huì)降低，反之作物觀測(cè)溫度就會(huì)升高。

基于上述原理，本發(fā)明提供一種土壤墑情監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：

1)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行裝置上安裝的熱紅外相機(jī)系統(tǒng)、GPS模塊對(duì)航線和拍照時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)；

2)無(wú)人機(jī)按照預(yù)定航線進(jìn)行飛行，熱紅外相機(jī)按照預(yù)設(shè)的時(shí)間進(jìn)行拍照，監(jiān)測(cè)氣象信息，并將無(wú)人機(jī)的飛行航線位置信息、拍照照片和氣象信息進(jìn)行存儲(chǔ)；

3)對(duì)飛行航線位置信息、拍照照片信息和氣象信息進(jìn)行比對(duì)分析，獲取土壤墑情的信息。

所述步驟3)中的比對(duì)分析采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

CWSI為作物水分脅迫指數(shù)，Tc為作物冠層溫度，Ta為空氣溫度，D1為最大冠層與空氣溫差，D2為冠層與空氣溫差的下限，即作物充分供水條件下冠層與氣溫的差值。

所述步驟1)中拍照時(shí)間預(yù)設(shè)包括拍照開始時(shí)間和拍照間隔時(shí)間的預(yù)設(shè)。

所述氣象信息包括空氣溫度、濕度和氣壓。

5、本發(fā)明還提供一種土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括熱紅外相機(jī)系統(tǒng)、GPS模塊、拍照控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析裝置和無(wú)人機(jī)飛行裝置，其中所述拍照控制器、熱紅外相機(jī)系統(tǒng)和GPS模塊安裝在無(wú)人機(jī)飛行裝置上；所述拍照控制器通過數(shù)據(jù)鏈路與熱紅外相機(jī)系統(tǒng)相連；所述熱紅外相機(jī)系統(tǒng)分別與GPS模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置連接；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置與數(shù)據(jù)分析裝置連接。

進(jìn)一步的，所述拍照控制器、熱紅外相機(jī)系統(tǒng)和GPS模塊通過帶有減震配件的平臺(tái)安裝在無(wú)人機(jī)飛行裝置上。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)分析裝置為具有數(shù)據(jù)處理能力的電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步的，所述無(wú)人機(jī)飛行裝置上還設(shè)有與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置連接的氣象監(jiān)測(cè)裝置。所述氣象監(jiān)測(cè)裝置包括溫度計(jì)、濕度計(jì)和氣壓計(jì)等。

在航拍時(shí)，利用數(shù)據(jù)線將控制器與計(jì)算機(jī)連接，通過軟件設(shè)定熱紅外相機(jī)拍照的開始時(shí)間、間隔時(shí)間。無(wú)人機(jī)按照設(shè)定的航拍路線進(jìn)行自動(dòng)或人工控制飛行。拍照控制系統(tǒng)按照設(shè)定的間隔時(shí)間控制熱紅外相機(jī)的拍照，同時(shí)采集GPS模塊中經(jīng)緯度位置信息，將熱紅外照片及位置信息存貯到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，整個(gè)拍照過程按照參數(shù)設(shè)定自動(dòng)完成。航拍結(jié)束后，利用USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的照片及相關(guān)數(shù)據(jù)文件下載到電腦進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明將熱紅外相機(jī)搭載在無(wú)人機(jī)上，同時(shí)裝配GPS模塊，采用航線定制和熱紅外相機(jī)定時(shí)間隔拍照的方法，獲取作物的冠層溫度照片并記錄拍照點(diǎn)的經(jīng)緯度，同時(shí)記錄航拍時(shí)期的空氣溫度。后期處理中獲得作物的冠層溫度、經(jīng)緯度、空氣溫度及其他氣象數(shù)據(jù)，利用這些參數(shù)可以計(jì)算每個(gè)拍照點(diǎn)的作物水分脅迫指數(shù)，從而獲知整個(gè)航拍區(qū)域內(nèi)農(nóng)田各點(diǎn)的作物干旱狀況，為農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉提供參考。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為利用本發(fā)明的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拍得的關(guān)于土壤墑情的照片

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步技術(shù)說明。以下說明是對(duì)本發(fā)明發(fā)明構(gòu)思的解釋，不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在農(nóng)田的能量平衡中，作物表面接收到的凈輻射轉(zhuǎn)換成土壤熱通量、顯熱通量和潛熱通量。其中，潛熱通量主要作用于作物蒸散和土壤蒸發(fā)，其數(shù)量大小與土壤水分狀況密切相關(guān)。如果土壤含水量增加，蒸散冷卻作用就大，作物觀測(cè)溫度就會(huì)降低，反之作物觀測(cè)溫度就會(huì)升高。

實(shí)施例1

基于上述原理，本實(shí)施例提供一種土壤墑情監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：

1)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行裝置上安裝的熱紅外相機(jī)系統(tǒng)、GPS模塊對(duì)航線和拍照時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)；

2)無(wú)人機(jī)按照預(yù)定航線進(jìn)行飛行，熱紅外相機(jī)按照預(yù)設(shè)的時(shí)間進(jìn)行拍照，監(jiān)測(cè)氣象信息，并將無(wú)人機(jī)的飛行航線位置信息、拍照照片和氣象信息進(jìn)行存儲(chǔ)；

3)對(duì)飛行航線位置信息、拍照照片信息和氣象信息進(jìn)行比對(duì)分析，獲取土壤墑情的信息。

所述步驟3)中的比對(duì)分析采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

CWSI為作物水分脅迫指數(shù)，Tc為作物冠層溫度，Ta為空氣溫度，D1為最大冠層與空氣溫差(一般設(shè)定其上限為2℃)，D2為冠層與空氣溫差的下限，即作物充分供水條件下冠層與氣溫的差值。D2可通過拍照時(shí)空氣的飽和水汽壓差計(jì)算：

D₂＝1.4234-0.001837VPD

其中VPD為飽和水汽壓差。

所述步驟1)中拍照時(shí)間預(yù)設(shè)包括拍照開始時(shí)間和拍照間隔時(shí)間的預(yù)設(shè)。

所述氣象信息包括空氣溫度、濕度和氣壓。

本實(shí)施例將熱紅外相機(jī)搭載在無(wú)人機(jī)上，同時(shí)裝配GPS模塊，采用航線定制和熱紅外相機(jī)定時(shí)間隔拍照的方法，獲取作物的冠層溫度照片并記錄拍照點(diǎn)的經(jīng)緯度，同時(shí)記錄航拍時(shí)的空氣溫度。后期處理中獲得作物的冠層溫度、經(jīng)緯度、空氣溫度及其他氣象數(shù)據(jù)，利用這些參數(shù)可以計(jì)算每個(gè)拍照電的作物水分脅迫指數(shù)，從而獲知整個(gè)航拍區(qū)域內(nèi)農(nóng)田各點(diǎn)的作物干旱狀況，為農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉提供參考。

本實(shí)施例中所用無(wú)人機(jī)為專利號(hào)為ZL201620477741.3所保護(hù)的無(wú)人機(jī)，能夠保證航拍的成圖效果，從而能夠準(zhǔn)確計(jì)算出土壤墑情情況。

本實(shí)施例的方法將無(wú)人機(jī)航拍、熱紅外獲取冠層溫度、GPS位置跟蹤以及作物冠氣溫差診斷農(nóng)田土壤水分狀況等技術(shù)綜合創(chuàng)新利用，形成了一套便捷的農(nóng)田灌溉指導(dǎo)系統(tǒng)，解決了目前農(nóng)田墑情診斷的技術(shù)難題。

實(shí)施例2

6、本發(fā)明還提供一種土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括熱紅外相機(jī)系統(tǒng)、GPS模塊、拍照控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析裝置和無(wú)人機(jī)飛行裝置，其中所述拍照控制器、熱紅外相機(jī)系統(tǒng)和GPS模塊安裝在無(wú)人機(jī)飛行裝置上；所述拍照控制器通過數(shù)據(jù)鏈路與熱紅外相機(jī)系統(tǒng)相連；所述熱紅外相機(jī)系統(tǒng)分別與GPS模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置連接；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置與數(shù)據(jù)分析裝置連接。

進(jìn)一步的，所述拍照控制器、熱紅外相機(jī)系統(tǒng)和GPS模塊通過帶有減震配件的平臺(tái)安裝在無(wú)人機(jī)飛行裝置上。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)分析裝置為具有數(shù)據(jù)處理能力的電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步的，所述無(wú)人機(jī)飛行裝置上還設(shè)有與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置連接的氣象監(jiān)測(cè)裝置。所述氣象監(jiān)測(cè)裝置包括溫度計(jì)、濕度計(jì)等。

在航拍時(shí)，利用數(shù)據(jù)線將控制器與計(jì)算機(jī)連接，通過軟件設(shè)定熱紅外相機(jī)拍照的開始時(shí)間、間隔時(shí)間。無(wú)人機(jī)按照設(shè)定的航拍路線進(jìn)行自動(dòng)或人工控制飛行。拍照控制系統(tǒng)按照設(shè)定的間隔時(shí)間控制熱紅外相機(jī)的拍照，同時(shí)采集GPS模塊中經(jīng)緯度位置信息，將熱紅外照片及位置信息存貯到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，整個(gè)拍照過程按照參數(shù)設(shè)定自動(dòng)完成。航拍結(jié)束后，利用USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的照片及相關(guān)數(shù)據(jù)文件下載到電腦進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析。

后期熱紅外照片數(shù)據(jù)分析時(shí)，利用軟件根據(jù)熱紅外相機(jī)的相關(guān)參數(shù)自動(dòng)提取照片的溫度信息，結(jié)合GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)獲得各個(gè)采用點(diǎn)冠層溫度。與航拍時(shí)記錄的氣象數(shù)據(jù)一起通過CWSI計(jì)算公式計(jì)算獲得作物水分脅迫指數(shù)，通過地理信息系統(tǒng)軟件(如Arcmap)，利用空間差值方法我們就能獲得整個(gè)航拍區(qū)域農(nóng)田土壤干旱狀況的分布圖，當(dāng)CWSI低于0.15時(shí)，表示該區(qū)域需要灌溉，數(shù)值越低灌水量越大。根據(jù)該分布圖，結(jié)合農(nóng)田噴管等節(jié)水灌溉設(shè)備，就能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水分的精準(zhǔn)管理。

CWSI為作物水分脅迫指數(shù)，Tc為作物冠層溫度，Ta為空氣溫度，D1為最大冠層與空氣溫差(一般設(shè)定其上限為2℃)，D2為冠層與空氣溫差的下限，即作物充分供水條件下冠層與氣溫的差值。D2可通過拍照時(shí)空氣的飽和水汽壓差計(jì)算：

D₂＝1.4234-0.001837VPD

其中VPD為飽和水汽壓差。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明具體實(shí)施例,但并不局限于實(shí)施例,凡在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下,依本申請(qǐng)所做的等效修飾和現(xiàn)有技術(shù)添加均視為本發(fā)明技術(shù)范疇。