一种基于遥感数据的农田变量施肥方法与流程

本发明涉及遥感技术领域，具体涉及一种基于遥感数据的农田变量施肥方法。

背景技术：

当前，在农作物的变量施肥技术中，一般是通过测土配方施肥技术完成的，测土配方需要大量的测土数据的支持，不仅测土成本高、浪费大量的人力物力，而且时效性差，会增加生产成本，难以大范围普及和应用。

近年来，随着卫星遥感、无人机遥感等空间技术的发展，数字农业技术得到了巨大的提升，遥感技术应用于精准农业也逐渐兴起。

技术实现要素：

本发明为解决以上技术问题，提供了一种基于遥感数据的农田变量施肥方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于遥感数据的农田变量施肥方法，包括：

农作物播种前，测定目标区域土壤样本中的速效养分含量，农作物生长周期内，至少获取农作物生长初期、生长中期和生长末期的目标区域的各一张遥感影像，根据所述遥感影像获取目标区域的遥感数据，同时获取农作物生长周期内目标区域的地形数据和气象数据；

基于所述遥感数据、地形数据、气象数据和测定的播种前的速效养分数据，进行土壤速效养分反演，得到下一季播种前的目标区域内土壤速效养分含量的空间分布栅格数据；

建立施肥用量模型，根据反演得到的所述土壤速效养分的空间分布栅格数据在gis中计算生成下一季播种前目标区域的速效养分的施肥用量的空间分布栅格数据；

将施肥用量进行分级，并确定每级的施肥用量；

将分级后的施肥用量栅格数据转化为矢量数据，根据用户耕地边界进行调整和裁剪，形成针对每块耕地的施肥数据。

进一步，所述速效养分包括速效氮、速效钾和有效磷。

进一步，测定目标区域土壤样本中的速效养分含量的具体方法为：在目标区域内选取多个采样点采集土壤样本测定土壤样本中速效养分，并取平均值，得到的所述平均值即为目标区域土壤样本中的速效养分含量。

进一步，所述遥感数据包括植被指数和叶面积指数，所述地形数据为目标区域的坡度的空间分布栅格数据，所述气象数据包括日期、平均温度、最高温度、最低温度、日照时数、降水量、大气压、风速和湿度。

进一步，目标区域的所述坡度的空间分布栅格数据的和获取方法为：下载dem高程数据，利用gis进行重采样，使其分辨率与所述遥感影像分辨率保持一致，并计算得到所述坡度的空间分布栅格数据。

进一步，获取所述遥感数据之前对所述遥感影像进行辐射定标和大气校正处理。

进一步，所述施肥用量模型为：

下一季施肥用量＝(农作物目标产量*单位产量吸收养分量)-(下一季播种前土壤速效养分含量*校正系数)/肥料利用率，所述校正系数为空白地块的土壤速效养分含量与种植了农作物的土壤速效养分含量的比值。

进一步，所述速效氮的校正系数为0.3～0.7，速效钾的校正系数为0.5～0.85，有效磷的校正系数为0.4～0.5。

进一步，氮肥的利用率为30％～50％，磷肥的利用率为10％～30％，钾肥的利用率为40％～70％。

本发明的有益效果是：本发明通过利用遥感技术进行土壤养分的反演，结合gis技术进行变量施肥，可以节约生产成本、提高生产效率，同时达到耕地保护的目的。

附图说明

图1为本发明2019年陆家村玉米速效氮的施肥处方图；

图2为本发明2019年陆家村玉米有效磷的施肥处方图；

图3为本发明2019年陆家村玉米速效钾的施肥处方图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种基于遥感数据的农田变量施肥方法，包括以下步骤：

1、农作物播种前，测定目标区域土壤样本中的速效养分含量，农作物生长周期内，至少获取农作物生长初期、生长中期和生长末期的目标区域的各一张遥感影像，根据所述遥感影像获取目标区域的遥感数据，同时获取农作物生长周期内目标区域的地形数据和气象数据。具体为：

农作物播种前，在目标区域的农田中选取多个采样点采集土壤样本，采样点尽量包含每种土壤类型和地形变化的地区，一般相同的土壤类型每100亩左右选择一个采样点，记录每个采样点的经纬坐标和土样编号，采集的土样带回实验室进行化验，测定土壤中的速效养分含量，包括速效氮、速效钾和有效磷的含量，并将不同采样点的速效氮、速效钾和有效磷的含量分别取平均值得到土壤中速效氮、速效钾和有效磷的含量。同时调查当地农作物的生长周期、农作物施肥量和作物单产等信息并进行记录。

根据农作物的生长周期和监测范围进行遥感影像下载，遥感影像至少3幅，尽量保证平均分布在农作物生长初期、生长中期和生长末期，利用envi5.3对遥感影像进行辐射定标、大气校正处理，并根据处理后的遥感影像获取包括植被指数和叶面积指数在内的遥感数据；

下载dem高程数据，利用gis进行重采样，使之分辨率与遥感影像的分辨率保持一致，利用arcgis坡度计算工具求得目标区域的坡度的空间分布栅格数据；

下载农作物生长周期内目标区域的气象数据，包括日期、平均温度、最高温度、最低温度、日照时数、降水量、大气压、风速和湿度。

2、基于所述遥感数据、地形数据、气象数据和测定的播种前的速效养分数据，进行土壤速效养分反演，得到下一季播种前的目标区域内土壤速效养分含量的空间分布栅格数据。

其中土壤速效养分反演采用wofost模型与遥感数据同化结合的算法进行反演(反演的算法具体可参见论文“蒙继华，程志强，王一明，2018，wofost模型与遥感数据同化的土壤速效养分反演，遥感学报，22(4)：546-558”)。

3、建立施肥用量模型，根据反演得到的土壤每种速效养分含量的空间分布栅格数据在gis中计算生成下一季播种前目标区域的每种速效养分的施肥用量的空间分布栅格数据，施肥用量模型为：

施肥用量＝(农作物目标产量*单位产量吸收养分量)-(下一季播种前土壤速效养分含量*校正系数)/肥料利用率，所述校正系数为空白地块的土壤速效养分含量与种植了农作物的土壤速效养分含量的比值。农作物目标产量即农作物计划产量，应该根据上一季的产量适当调整，不同作物单位产量吸收养分量不同，利用近十年中国相关文献总结，我国主要粮食作物生产100kg经济产量所吸收的养分量(kg)参考见下表1。

表1主要粮食作物经济产量所吸收的养分量

不同作物校正系数不同，同种作物不同地力条件也存在差异，根据水稻测土配肥施肥相关参考文件数据，土壤速效氮的校正系数为0.3～0.7，有效磷的校正系数为0.4～0.5，速效钾的校正系数为0.5～0.85，实际操作过程中应该结合具体情况进行调整。

肥料的利用率不同区域有所不同，一般情况下氮肥的利用效率为30％～50％，磷肥的利用率为10％～30％，钾肥的利用率为40％～70％。

4、将施肥用量进行分级，并确定每级的施肥用量。

分级应当集合当地的实际情况，利用gis中reclassify工具将施肥用量分级，为方便用量，将每级施肥量设为整数。

5、将分级后的施肥用量栅格数据转化为矢量数据，根据用户耕地边界进行调整和裁剪，形成针对每块耕地的施肥数据。

6、利用gis将分级后的栅格数据转成矢量格式，结合实际情况进行修饰，调整合并面积极小的施肥区域，然后利用用户耕地边界进行裁剪，形成针对每块耕地的施肥处方图。

实施例1

本发明以吉林省通榆县陆家村农田为例，采用本发明的方法，最终获得耕地土壤变量施肥处方图。

陆家村纵耕地面积为1万亩，根据当地实际情况，采集土壤样本，记录每个采样点的经纬坐标和土样编号，将土样带回实验室进行测试，分别测得每个样本中速效氮、速效钾和有效磷的含量，并分别取平均值，得到土壤速效氮、速效钾、有效磷的含量分别为57.3、84和4.7mg/kg，通过对陆家村的调查，得到该村主要种植作物为玉米，农作物生长周期为5月下旬到9月底，往年单产为550kg，使用肥料利用率分别为：速效氮40％，有效磷20％，速效钾60％。

查询并下载遥感影像，本实施例下载高分一号wfv影像，分辨率为16米，影像时间分别为7月15日、8月18日、9月10日，利用envi5.3对影像进行辐射定标、大气校正、正射校正、几何校正处理，利用矢量范围进行裁剪；下载本地的dem高程数据，利用gis重采样为16米，然后利用相同的矢量范围进行裁剪；下载通榆县2018年5月下旬到9月下旬的气象数据，数据包含日期、平均温度、最高温度、最低温度、日照时数、降水量、大气压、风速和湿度，利用excel整理完成。

将整理完成的遥感数据、地形数据、气象数据和播种前的土壤速效养分含量数据进行反演，得到2019年5月份播种前的土壤速效养分的空间分布栅格数据。

根据施肥用量模型计算施肥用量：

施肥用量＝(农作物目标产量*单位产量吸收养分量)-(下一季播种前土壤速效养分*校正系数)/肥料利用率，结合往年单产情况，与陆家村农户沟通，计划下一年玉米目标产量为600kg，根据水稻吸收养分量，确定每生产100kg玉米所吸收的速效氮、速效钾、有效磷的含量分别为2.85kg、2.2kg、0.7kg，速效氮、速效钾和有效磷的校正系数为0.65、0.8和0.5，该区域氮肥利用率为40％、钾肥利用率为60％，磷肥利用率为20％，根据土壤速效养分的空间分布栅格数据和施肥用量模型，利用gis中栅格计算器工具，计算得到速效氮、速效钾和有效磷每种肥料元素的施用量栅格数据。

利用gis中的reclassify工具将施肥量分级，分级应结合当地的实际情况，为方便应用，将每级施肥量设定为整数，速效氮、速效钾各分为5个施肥等级，有效磷施肥量由于变化很小，因此分为2个施肥等级；

结合陆家村实际应用情况进行修饰，调整合并面积极小的施肥区域，然后利用农户耕地边界进行裁剪，形成针对每块耕地的速效氮、速效钾和有效磷肥处方图。其中图1、图2和图3分别为2019年陆家村玉米速效氮、有效磷和速效钾的施肥处方图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。