一种基于作物冠气温差的农田土壤水分检测方法和装置

1.本发明涉及农田作物水分检测技术领域，具体涉及一种基于作物冠气温差的农田土壤水分检测方法和装置。


背景技术：

2.我国是农作物种植、消费以及进口大国，因此农作物的稳定生产对于保障人民生活水平，保障国家粮食安全和维持国家和社会的安全稳定具有极其重要的作用。近年来由于气候变化的影响和传统灌溉方式的不足导致农作物因为缺水而减产和农业生产中大量水资源被浪费的问题日益突出。
3.传统灌溉没有一个合理的灌溉秩序，不能按照作物需水时间合理安排灌溉时间，也不能按照作物的需水规律进行合理灌溉，不仅浪费了大量的水资源，而且还得不到作物的高产。因此对作物水分状况进行实时监测和诊断，既可以实现灌溉的自动化，又可以实现农田节水生产和提高作物品质，是现代农业研究的一个重要方向。影响作物灌溉的指标有很多，但在影响作物灌溉的众多指标中，作物自身的指标往往能更加直观的反应作物的需水状况。
4.tdr水分传感器用来测量土壤含水量，有较强的独立性，其结果与土壤类型、密度、温度基本无关。一个tdr水分传感器只能测量土壤中的一个点，并且tdr水分传感器设备昂贵，不适于在大面积农田中普及。
5.从20世纪70年代早期开始，国外有许多科学家便开展了利用冠层温度对作物缺水指标的研究，经过了几十年对冠层温度变化状况的研究，研究者们最终发现：冠层温度的变化不是单一因素引起的，而是农田生态系统中能量平衡的结果，仅仅依靠冠层温度来建立灌溉指标在应用中不理想，为解决这一问题研究者们便引入了新的参数——大气温度，冠气温差指标。
6.经过连续多年的试验和应用，目前冠气温差指标已经成为了利用冠层温度诊断作物水分相关性最强的指标之一。冠气温差不仅能够直接反应作物的水分状况，而且具有代表性好、测定简单快捷的特点。monteith和szeicz研究发现利用红外测温仪测得的温度可以很好的表示作物冠层温度。1963年tubaileh最早提出:可以通过用红外测温仪测定作物冠层温度的方法来监测田间作物水分状况的变化。
7.我国对于冠层温度方面的研究开展时间较晚，不仅没有形成体系的研究，甚至连冠层温度方面的研究都较少，利用冠层温度来诊断作物水分状况的研究更是少之又少。张仁华是我国第一批使用红外遥感信息来系统地反映作物的需水状况并开展相关研究的研究者。1995年秦耀东等的研究发现:作物冠层温度的变化不仅受到土壤水分状况的影响，而是多方面综合作用的结果，但是在仅考虑作物根部水分状况和冠气温差两者之间相对关系时具有密切的关系，所以他们得出结论：可以根据作物冠层温度来诊断田间土壤状况。同年刘学著通过研究得出结论:缺水条件下的小麦冠气温差(tc-ta)明显高于同-时刻灌水充分的小麦冠气温差(tc-ta)，随着土壤水分的逐渐升高，冠气温差(tc-ta)逐渐减小。2000年梁
银丽等通过研究了不同土壤水分条件下冬小麦在拔节～抽穗期的冠气温差的变化规律及其随作物生长的变化情况发现:经过充分灌溉的作物冠气温差变化幅度较小、频率较低，而在作物缺水时冠气温差变化波动较大，在不同生育期内，经过低水分处理之后的冠气温差都要比高水分处理的冠气温差的变化趋势明显，这说明冠气温差在诊断作物水分状况方面具有指示性作用，可以根据冠气温差判断土壤水分盈亏。康绍忠、石培华、蔡焕杰等人普遍认为，在水稻生产中可以根据冠气温差(tc-ta)诊断作物水分多少的特性来指导水稻灌溉。
8.目前测定冠气温差主要采用红外测温技术和卫星遥感技术，但由于其成本过高、应用不便、参数较难获得和尺度转换困难等问题，导致利用冠气温差来诊断作物水分状况变得十分困难。


技术实现要素：

9.本发明为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
10.第一方面，本发明实施例提供了一种基于作物冠气温差的农田土壤水分检测方法，包括：
11.采集农田的大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差；
12.根据作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型，计算作物的冠气温差；
13.根据作物的冠气温差，计算农田土壤的水分状况。
14.进一步地，所述采集农田的大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差，包括：
15.采集农田的大气温度；
16.采集农田的大气湿度；
17.计算饱和水汽压差，
[0018][0019]
其中，ta为农田的大气温度，rh为农田的大气湿度，vpd为饱和水汽压差。
[0020]
进一步地，所述反演模型为：tc-ta＝0.9882-0.2223vpd，其中tc为作物的冠层温度。
[0021]
进一步地，所述方法使用气候传感器采集农田的大气温度和大气湿度。
[0022]
进一步地，所述方法采集农田的大气温度和大气湿度的时间为每天的中午12点。
[0023]
第二方面，本发明实施例提供了一种基于作物冠气温差的农田土壤水分检测装置，包括：
[0024]
参数采集模块，采集农田的大气温度和大气湿度；
[0025]
参数处理模块，根据大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差和作物冠气温差；
[0026]
土壤水分模块，根据作物冠气温差，计算农田土壤的水分状况。
[0027]
进一步地，所述参数采集模块使用气候传感器采集农田的大气温度和大气湿度，采集时间为每天的中午12点。
[0028]
进一步地，所述参数处理模块包括第一处理模块和第二处理模块，所述第一处理模块根据大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差，所述第二处理模块根据作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型，计算作物的冠气温差。
[0029]
进一步地，所述第一处理模块计算饱和水汽压差的公式为：
[0030][0031]
其中，ta为农田的大气温度，rh为农田的大气湿度，vpd为饱和水汽压差。
[0032]
进一步地，所述反演模型为：tc-ta＝0.9882-0.2223vpd，其中tc为作物的冠层温度。
[0033]
有益效果：本发明实施例所述基于作物冠气温差的农田土壤水分检测方法和装置，使用气候传感器采集农田的大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差；经过数据处理与统计分析，构建出作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型；通过作物的冠气温差，计算农田土壤的水分状况。本发明实施例通过采集较容易获得的农田大气温度和大气湿度，通过作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型，间接计算出农田土壤的水分状况，进而指导作物进行合理灌溉。相较采用红外测温技术和卫星遥感技术测定冠气温差的方式，和使用tdr水分传感器直接测量土壤含水量的方式，本发明实施例所述方法和装置成本更低、应用更方便、参数更易获得，且计算方式简便，因此本发明具有更高的推广价值和普及性。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例提供的方法流程图；
[0035]
图2-图6为本发明实施例作物在不同时段的冠气温差与饱和水汽压差相关性分析；
[0036]
图7为本发明实施例提供的装置结构示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
[0038]
饱和水汽压差(简称vpd)是指在一定温度下，饱和水汽压与空气中的实际水汽压之间的差值。饱和水汽压差表示的是实际空气距离水汽饱和状态的程度，即空气的干燥程度。饱和水汽压差通过影响植物气孔的开放过程从而影响作物的蒸腾作用，在田间水分利用方面具有重要作用。饱和水汽压差还是量化大气干燥程度的重要指标，是陆地生态系统植物群落发挥生态功能的主要驱动力，也是干旱引起植物死亡的重要驱动因素。随着气温升高，饱和水汽压显著增大，水汽压差也增大。
[0039]
作物冠层温度指的是作物茎、叶表面的平均温度，通过冠层温度可以衡量出作物的水分状况，它可以有效的展示作物是否需水及需水多少，作物冠层温度的变化不是单一因素引起的，一方面受土壤水分状况的影响，另一方面还受到环境因素的影响，土壤-植物-大气连续体内热量和水分的流通以及能量的交换导致了作物冠层温度的变化。因此，冠层温度可以作为一个综合性的生理指标，用于诊断作物缺水状况、指导水分管理。采用冠层温度诊断作物缺水状况的主要原理是：当作物吸收太阳辐射时，辐射能转化为热能导致植物体内能量增多，热量升高，作物冠层温度便会升高，同理，作物通过蒸腾作用会散失掉一部分热量使作物冠层温度下降，当作物体内水分充足时作物蒸腾作用增强，通过水分的蒸腾带走作物的热量增多，冠层温度便会下降。而当水分缺失时通过热辐射吸收的能量无法通过蒸腾作用散失便会导致植物冠层温度上升。
[0040]
农作物水分管理是重要的栽培措施，大量的研究表明利用冠气温差进行农作物水
分状况的监测是可行的，对农作物的水分管理具有重要意义。
[0041]
本发明申请人经过一系列研究发现，饱和水汽压差的大小与植物水分状况之间存在密切联系，而且饱和水汽压差主要受大气温度和大气湿度的影响。目前国内外针对冠气温差的研究大都集中在探讨不同灌溉条件下冠气温差的变化，而利用饱和水汽压差反演冠气温差的研究较少。
[0042]
因此本发明实施例通过建立饱和水汽压差和冠气温差之间的反演模型的方式，根据饱和水汽压差来反演冠气温差从而推断作物需水状况，小麦实时灌溉和节水生产提供依据，比根据土壤状况来推断作物的水分状况更加直接可靠。相比直接利用冠气温差来诊断水分状况，反演模型方式不仅具有成本低廉应用方便的特点，还可以实现对作物水分状况的监测与诊断，对于指导作物精确灌溉和节水生产具有重要意义。
[0043]
本发明实施例农田中的农作物以小麦为例进行阐述。本发明实施例利用x-therm-t3s热成像测温仪测量小麦的冠层温度tc，并使用气候传感器采集农田的大气温度ta和大气湿度rh，来计算冠气温差tc-ta和饱和水汽压差vpd，建立作物的冠气温差和饱和水汽压差vpd的反演模型。
[0044]
图1为本发明实施例提供的方法流程图，包括：
[0045]
采集农田的大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差；
[0046]
根据作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型，计算作物的冠气温差；
[0047]
根据作物的冠气温差，计算农田土壤的水分状况。
[0048]
本发明实施例利用x-therm-t3s热成像测温仪测量小麦的冠层温度，将x-therm-t3s热成像测温仪连接到手机上，打开agrtapp手动框选小麦测温区域，测量时热红外镜头距离冠层垂直高度一米左右向下拍摄，每个区域测温十次，取十次的平均值作为该时间段该区域内小麦的冠层温度。
[0049]
本发明实施例通过测量多日白天不同时段的小麦的冠层温度、农田的大气温度和大气湿度，经过数据处理与统计分析发现，一天不同时段大气温度和冠层温度的变化规律基本一致。冠层温度随着大气温度的上升而上升，随着大气温度的下降而下降，冠层温度和大气温度在一天中总是经历先升高再降低这样一个过程，具有明显的日变化规律。在一天之中最低温度总是出现在早上8：00，最高温度出现在中午12：00或下午2：00，且冠层温度和大气温度相差不大。
[0050]
经过数据处理与统计分析发现，冠气温差也有明显的日变化规律，冠气温差受大气温度的影响变化较为明显，随大气温度的变化而变化且存在一定程度上的反比例关系：
[0051]
每天8：00由于太阳辐射较弱，所以冠气温差的变化不是很明显；
[0052]
若一天中最高大气温度低于20℃，从早上8：00到中午12：00受太阳辐射的影响，大气温度上升，冠层温度也在不断升高，且冠层温度升高速率明显高于大气温度，所以冠气温度也随之升高，在12：00左右到达一天中的最大值，其后随着太阳辐射减弱，大气温度降低，冠层温度和冠气温差也下降；
[0053]
若一天中最高气温高于20℃时，一天中冠气温差的变化出现了两个谷值，分别是上午10：00和下午2：00，这主要是因为中午气温过高，导致植物气孔关闭，蒸腾作用减弱，同时大气中水汽减少导致中午12：00冠层温度升高引起的。
[0054]
由于作物的冠层蒸腾作用越强烈，冠气温差差异性越明显，所以中午12:00的冠气
温差受大气饱和水汽压的影响最为明显。
[0055]
采集农田的大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差，
[0056][0057]
其中，ta为农田的大气温度，rh为农田的大气湿度，vpd为饱和水汽压差。
[0058]
本发明实施例通过计算多日全天不同时段的饱和水汽压差，经过数据处理与统计分析发现，一天不同时段小麦饱和水汽压差的变化呈现出先升高后降低的趋势，并且小麦冠层温度和饱和水汽压差的变化存在一定的线性关系。
[0059]
在不同日期条件下、相同时刻小麦的饱和水汽压差的变化呈现出相同的变化规律。这主要是因为饱和水汽压差受大气温度和大气湿度的双重影响，而大气温度和大气湿度又表现出不同日期相同时刻变化规律一致的特点。中午12：00和14：00饱和水汽压波动较为明显，尤其是14：00变化幅度最为明显，这说明14：00是大气温度和大气湿度变化较大。
[0060]
图2-图6为本发明实施例作物在不同时段的冠气温差与饱和水汽压差相关性分析，图中x代表饱和水汽压差，y代表冠气温差，从图中得出在一天中不同时间饱和水汽压和冠气温差的拟合程度差异明显，在8：00、10：00、12：00、14：00、16：00时冠气温差和饱和水汽压差的拟合决定系数r2分别为0.2489、0.5602、0.8295、0.804、0.4667，这说明在12：00和14：00时饱和水汽压和冠气温差的相关性最大而在其他时间相关性不是那么明显。中午12：00的拟合系数r2为0.8295最接近1，说明此刻饱和水汽压和冠气温差相关性最大，所以本发明实施例取12：00时饱和水汽压差与冠气温差的关系式y＝-0.2223x+0.9882，作为利用饱和水汽压差检验冠气温差的反演模型，
[0061]
tc-ta＝0.9882-0.2223vpd，
[0062]
式中，tc—作物冠层温度(℃)，
[0063]
ta—空气温度(℃)，
[0064]
tc-ta—作物冠气温差(℃)，
[0065]
vpd—饱和水汽压差(pa)。
[0066]
由于作物的冠气温差与饱和水汽压差在中午12：00的相关性最大，本发明实施例选择中午12：00采集农田的大气温度、大气湿度和作物的冠层温度，来构建作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型。
[0067]
本发明实施例通过采集中午12：00农田的大气温度和大气湿度，计算得到饱和水汽压差，再通过反演模型计算出作物冠层温度，与实测的作物冠层温度进行比较验证两者数值相差不大，均在误差范围内，因此反演模型准确性较好。
[0068]
图7为本发明实施例提供的装置结构示意图，包括：
[0069]
参数采集模块，采集农田的大气温度和大气湿度；
[0070]
参数处理模块，根据大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差和作物冠气温差；
[0071]
土壤水分模块，根据作物冠气温差，计算农田土壤的水分状况。
[0072]
参数采集模块使用气候传感器采集农田的大气温度和大气湿度，采集时间为每天的中午12点。
[0073]
参数处理模块包括第一处理模块和第二处理模块，第一处理模块根据大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差，第二处理模块根据作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演
模型，计算作物的冠气温差。
[0074]
第一处理模块计算饱和水汽压差的公式为：
[0075][0076]
其中，ta为农田的大气温度，rh为农田的大气湿度，vpd为饱和水汽压差。
[0077]
反演模型为：tc-ta＝0.9882-0.2223vpd，其中tc为作物的冠层温度。
[0078]
本发明实施例所述方法和装置，使用气候传感器采集农田的大气温度和大气湿度，计算饱和水汽压差；经过数据处理与统计分析，构建出作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型；通过作物的冠气温差，计算农田土壤的水分状况。
[0079]
本发明实施例通过采集较容易获得的农田大气温度和大气湿度，通过作物的冠气温差和饱和水汽压差的反演模型，间接计算出农田土壤的水分状况，进而指导作物进行合理灌溉。相较采用红外测温技术和卫星遥感技术测定冠气温差的方式，和使用tdr水分传感器直接测量土壤含水量的方式，本发明实施例所述方法和装置成本更低、应用更方便、参数更易获得，且计算方式简便，因此本发明具有更高的推广价值和普及性。
[0080]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。