本发明涉及农业灌溉工程与作物灌水质量评价方法,具体涉及一种基于无人机成像的大型灌区旱作物灌水质量评价方法。
背景技术：
中国是一个农业大国，而农业的发展离不开水的作用。受水资源总量的制约，农业用水状况也面临着巨大的问题。大型灌区作为粮食和其它农产品的主要输出场所，通过几十年的发展和改进已经基本解决了农业用水危机和灌溉水利用效率低下的问题，但仍存在着耕地大平小不平、灌水不够均匀、灌溉定额过大等问题。因此，制定科学的灌溉评价方法来指导大型灌区精准灌溉、提高灌溉水利用效率和水分生产率是解决农业用水危机和维持农业可持续发展的必然选择。
目前，关于大型灌区灌水质量的评价方法的研究主要集中在不同因素控制下灌水质量的比较、灌水质量评价模型的优化、不同水分监测方法下灌水质量的效果对比等方面。其中关于农田作物水分状态的监测方法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，也有极个别学者通过气象指标进行监测。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，应用也较为广泛，但通常需要借助特定的监测设备，且只能提供较小区域的相关数据信息。另外，考虑到这些指标在田间存在一定的空间变异性，在大型灌区应用仍存在一定困难。jackson和idso等人通过对冠层温差上下限反差进行理论解释提出了作物水分胁迫指数的理论和经验模式。红外热成像和地面数据分析技术的快速发展，使获取更大范围的冠层温度，进而估算水分亏缺指标的分布成为可能。而借助水分亏缺指标与土壤水分含量的关系估算灌溉前后水分含量，从而计算灌区净灌水深度的分布特征也得以实现。这对于解决大型灌区灌水不均匀、灌水效率低等问题提供了一种评估手段。对于灌区灌溉效果评价与科学管理提供了一种决策依据。
技术实现要素：
发明目的：针对大型灌区存在的灌溉技术问题，本发明提供了一种基于无人机成像的能够评价灌区灌水均匀性与作物需水满足程度的大型灌区旱作物灌水质量评价方法。
技术方案：一种基于无人机成像的大型灌区旱作物灌水质量评价方法，包括如下步骤：
(1)采用无人机监测灌区大范围内不同田块作物灌溉前后的水分状况，根据作物水分状况与土壤水分含量θ，单位％，来估算土壤灌溉前的土壤水分含量θ前和灌溉后的土壤水分含量θ后值；
(2)根据灌溉前后土壤水分含量差值计算净灌水深度h，得到灌区h的空间分布特征；
(3)评价灌区灌水均匀性与作物需水满足程度，为灌溉效果评价与科学管理提供决策依据。
步骤(1)中，所述灌区大范围内不同田块作物灌溉前后水分状况采用作物水分亏缺指数cwsi来表征，具体采用作物冠层温度分布，并结合充分蒸发面的参考温度和空气温度计算；
所述作物水分亏缺指数cwsi计算公式为：
cwsi＝(tc-tw)/(td-tw)
式中，tc为冠层温度，单位为℃；tw为地面充分蒸发参考面温度，单位为℃；td为作物气孔完全关闭时的叶片温度，td＝ta+5，单位为℃，ta为田间空气温度，单位为℃，5是建立叶片温度和空气温度的经验常数。
所述作物冠层温度tc借助固定在无人机云台上的红外热成像仪对灌区大范围内作物红外图像进行采集，通过地面数据处理系统对接收到的红外图像及其定位信息进行配准、拼接和再分割处理而获得；所述地面充分蒸发参考面温度tw借助田间铺设辅助装置获得。所述田间铺设辅助装置，包括田间空气温度传感器，该田间空气温度传感器按照气象观测规范放置，作物气孔完全关闭时的叶片温度通过空气温度传感器获得的空气温度数据求得。所述田间铺设辅助装置还包括地面充分蒸发参考面，该地面充分蒸发参考面高于冠层高度2～3cm，且数量不少于一个，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不少于一个充分蒸发参考点。
所述灌水前后的土壤水分含量分布根据无人机监测的作物水分状况，采用作物水分亏缺指数cwsi与土壤水分含量θ的定量关系cwsi＝a*θ+b确定，式中，a和b在不同作物类型、不同需水敏感期有所差异。
步骤(2)中，所述净灌水深度h＝h*(θ后-θ前)，式中，h为田间计划是湿润层深度，单位为mm。
附图说明
图1是本发明的红外图像拍摄示意图；
图2是本发明的流程示意图；
图中：1-无人机，2-云台，3-红外热成像仪，4-田间空气温度传感器，5-地面充分蒸发参考面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明的技术方案。
图1是本发明的红外图像拍摄示意图，根据图1，一种基于无人机成像的大型灌区旱作物灌水质量评价方法描述如下：
(1)在田间设置辅助装置，包括田间空气温度传感器4和地面充分蒸发参考面5，其中田间空气温度传感器4按照气象观测规范放置，充分蒸发参考面5具体设计如下：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，无纺布外面包裹两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。地面充分蒸发参考面5有若干个，均匀布置在灌区的农田内部，略高于作物冠层高度，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)在无人机1云台2上固定红外热成像仪3，对灌区大范围作物进行红外图像采集，并同时借助gps模块记录图像定位信息；
(3)地面数据处理系统接收红外图像及其定位数据信息，对图像进行配准和拼接；并将拼接好的图像导入配套的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获得冠层温度(tc)和地面充分蒸发参考面温度(tw)的空间分布，
(4)采用irmak等定义的测试干球温度(即田间空气温度)加5℃方法估算作物气孔完全关闭时的叶片温度(td)，结合(3)中得到的冠层温度(tc)和地面充分蒸发参考面温度(tw)计算作物水分亏缺指数cwsi＝(tc-tw)/(td-tw)分布特征。
(5)根据不同作物cwsi和土壤水分含量(θ)的关系(如：小麦：cwsi＝-0.0074θ+0.9796，玉米：cwsi＝-0.0073θ+0.9212，棉花：cwsi＝-0.0071θ+0.8494)估算灌区不同田块灌溉前后的θ前和θ后值。
(6)根据不同田块灌溉前后土壤含水量差值θ后-θ前与净灌水深度h的定量关系h＝h*(θ后-θ前)估算灌区h空间分布，评价灌区灌水均匀性与作物灌水需求满足度。
综上，本发明采用无人机监测的灌区大范围内作物灌溉前后水分状况，根据作物水分状况与土壤水分含量的定量关系，估算灌溉前后的土壤含水量，并根据灌区不同田块土壤水分含量差值计算灌区净灌水深度分布特征，评价灌区灌水均匀性与作物需水满足程度，能够实现灌区大面积作物水分状况的监测和不同田块净灌水深度的估算等功能，为灌区灌溉效果评价与科学管理提供决策依据。