一种土壤墒情监测方法和系统与流程

本发明涉及农业信息技术领域，具体涉及一种土壤墒情监测方法和系统。

背景技术：

科学灌溉是农业节水的一个重要部分，合理灌溉方案的制定是科学灌溉的前提，而作物缺水诊断是制定合理灌溉方案的依据。土壤水分状况的监测历来受到人们的重视，特别是随着水资源短缺状况的加剧。传统的观测方法包括取土烘干法、中子水分仪法、张力计方法等等，均是在点上的测量，存在较大的取样误差，无法获知较大区域农田土壤墒情的分布，难以辅助实现农田的科学灌溉。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种土壤墒情监测方法。

在农田的能量平衡中，作物表面接收到的净辐射转换成土壤热通量、显热通量和潜热通量。其中，潜热通量主要作用于作物蒸散和土壤蒸发，其数量大小与土壤水分状况密切相关。如果土壤含水量增加，蒸散冷却作用就大，作物观测温度就会降低，反之作物观测温度就会升高。

基于上述原理，本发明提供一种土壤墒情监测方法，包括如下步骤：

1)对无人机飞行装置上安装的热红外相机系统、GPS模块对航线和拍照时间进行预设；

2)无人机按照预定航线进行飞行，热红外相机按照预设的时间进行拍照，监测气象信息，并将无人机的飞行航线位置信息、拍照照片和气象信息进行存储；

3)对飞行航线位置信息、拍照照片信息和气象信息进行比对分析，获取土壤墒情的信息。

所述步骤3)中的比对分析采用如下公式进行计算：

CWSI为作物水分胁迫指数，Tc为作物冠层温度，Ta为空气温度，D1为最大冠层与空气温差，D2为冠层与空气温差的下限，即作物充分供水条件下冠层与气温的差值。

所述步骤1)中拍照时间预设包括拍照开始时间和拍照间隔时间的预设。

所述气象信息包括空气温度、湿度和气压。

5、本发明还提供一种土壤墒情监测系统，包括热红外相机系统、GPS模块、拍照控制器、数据存储系统、数据分析装置和无人机飞行装置，其中所述拍照控制器、热红外相机系统和GPS模块安装在无人机飞行装置上；所述拍照控制器通过数据链路与热红外相机系统相连；所述热红外相机系统分别与GPS模块和数据存储装置连接；所述数据存储装置与数据分析装置连接。

进一步的，所述拍照控制器、热红外相机系统和GPS模块通过带有减震配件的平台安装在无人机飞行装置上。

进一步的，所述数据分析装置为具有数据处理能力的电子设备，如计算机。

进一步的，所述无人机飞行装置上还设有与数据存储装置连接的气象监测装置。所述气象监测装置包括温度计、湿度计和气压计等。

在航拍时，利用数据线将控制器与计算机连接，通过软件设定热红外相机拍照的开始时间、间隔时间。无人机按照设定的航拍路线进行自动或人工控制飞行。拍照控制系统按照设定的间隔时间控制热红外相机的拍照，同时采集GPS模块中经纬度位置信息，将热红外照片及位置信息存贮到数据存储系统，整个拍照过程按照参数设定自动完成。航拍结束后，利用USB数据线将数据存储系统中的照片及相关数据文件下载到电脑进行后期数据分析。

本发明的有益效果为：

本发明将热红外相机搭载在无人机上，同时装配GPS模块，采用航线定制和热红外相机定时间隔拍照的方法，获取作物的冠层温度照片并记录拍照点的经纬度，同时记录航拍时期的空气温度。后期处理中获得作物的冠层温度、经纬度、空气温度及其他气象数据，利用这些参数可以计算每个拍照点的作物水分胁迫指数，从而获知整个航拍区域内农田各点的作物干旱状况，为农田精准灌溉提供参考。

附图说明

图1为本发明一种土壤墒情监测系统的结构示意图

图2为利用本发明的土壤墒情监测系统拍得的关于土壤墒情的照片

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的技术方案进行进一步技术说明。以下说明是对本发明发明构思的解释，不用于限制本发明的保护范围。

在农田的能量平衡中，作物表面接收到的净辐射转换成土壤热通量、显热通量和潜热通量。其中，潜热通量主要作用于作物蒸散和土壤蒸发，其数量大小与土壤水分状况密切相关。如果土壤含水量增加，蒸散冷却作用就大，作物观测温度就会降低，反之作物观测温度就会升高。

实施例1

基于上述原理，本实施例提供一种土壤墒情监测方法，包括如下步骤：

1)对无人机飞行装置上安装的热红外相机系统、GPS模块对航线和拍照时间进行预设；

2)无人机按照预定航线进行飞行，热红外相机按照预设的时间进行拍照，监测气象信息，并将无人机的飞行航线位置信息、拍照照片和气象信息进行存储；

3)对飞行航线位置信息、拍照照片信息和气象信息进行比对分析，获取土壤墒情的信息。

所述步骤3)中的比对分析采用如下公式进行计算：

CWSI为作物水分胁迫指数，Tc为作物冠层温度，Ta为空气温度，D1为最大冠层与空气温差(一般设定其上限为2℃)，D2为冠层与空气温差的下限，即作物充分供水条件下冠层与气温的差值。D2可通过拍照时空气的饱和水汽压差计算：

D₂＝1.4234-0.001837VPD

其中VPD为饱和水汽压差。

所述步骤1)中拍照时间预设包括拍照开始时间和拍照间隔时间的预设。

所述气象信息包括空气温度、湿度和气压。

本实施例将热红外相机搭载在无人机上，同时装配GPS模块，采用航线定制和热红外相机定时间隔拍照的方法，获取作物的冠层温度照片并记录拍照点的经纬度，同时记录航拍时的空气温度。后期处理中获得作物的冠层温度、经纬度、空气温度及其他气象数据，利用这些参数可以计算每个拍照电的作物水分胁迫指数，从而获知整个航拍区域内农田各点的作物干旱状况，为农田精准灌溉提供参考。

本实施例中所用无人机为专利号为ZL201620477741.3所保护的无人机，能够保证航拍的成图效果，从而能够准确计算出土壤墒情情况。

本实施例的方法将无人机航拍、热红外获取冠层温度、GPS位置跟踪以及作物冠气温差诊断农田土壤水分状况等技术综合创新利用，形成了一套便捷的农田灌溉指导系统，解决了目前农田墒情诊断的技术难题。

实施例2

6、本发明还提供一种土壤墒情监测系统，包括热红外相机系统、GPS模块、拍照控制器、数据存储系统、数据分析装置和无人机飞行装置，其中所述拍照控制器、热红外相机系统和GPS模块安装在无人机飞行装置上；所述拍照控制器通过数据链路与热红外相机系统相连；所述热红外相机系统分别与GPS模块和数据存储装置连接；所述数据存储装置与数据分析装置连接。

进一步的，所述拍照控制器、热红外相机系统和GPS模块通过带有减震配件的平台安装在无人机飞行装置上。

进一步的，所述数据分析装置为具有数据处理能力的电子设备，如计算机。

进一步的，所述无人机飞行装置上还设有与数据存储装置连接的气象监测装置。所述气象监测装置包括温度计、湿度计等。

在航拍时，利用数据线将控制器与计算机连接，通过软件设定热红外相机拍照的开始时间、间隔时间。无人机按照设定的航拍路线进行自动或人工控制飞行。拍照控制系统按照设定的间隔时间控制热红外相机的拍照，同时采集GPS模块中经纬度位置信息，将热红外照片及位置信息存贮到数据存储系统，整个拍照过程按照参数设定自动完成。航拍结束后，利用USB数据线将数据存储系统中的照片及相关数据文件下载到电脑进行后期数据分析。

后期热红外照片数据分析时，利用软件根据热红外相机的相关参数自动提取照片的温度信息，结合GPS经纬度数据获得各个采用点冠层温度。与航拍时记录的气象数据一起通过CWSI计算公式计算获得作物水分胁迫指数，通过地理信息系统软件(如Arcmap)，利用空间差值方法我们就能获得整个航拍区域农田土壤干旱状况的分布图，当CWSI低于0.15时，表示该区域需要灌溉，数值越低灌水量越大。根据该分布图，结合农田喷管等节水灌溉设备，就能实现农田水分的精准管理。

CWSI为作物水分胁迫指数，Tc为作物冠层温度，Ta为空气温度，D1为最大冠层与空气温差(一般设定其上限为2℃)，D2为冠层与空气温差的下限，即作物充分供水条件下冠层与气温的差值。D2可通过拍照时空气的饱和水汽压差计算：

D₂＝1.4234-0.001837VPD

其中VPD为饱和水汽压差。

上述实施例仅为本发明具体实施例,但并不局限于实施例,凡在不脱离本发明构思的情况下,依本申请所做的等效修饰和现有技术添加均视为本发明技术范畴。