一种通过冬小麦水分利用效率进行防旱预警的方法

本发明属于防旱预警，具体而言，涉及一种通过冬小麦水分利用效率进行防旱预警的方法。

背景技术：

1、全球气候变暖与水资源日益紧缺，这对我国农业生产带来严峻挑战。黄淮海平原是我国重要的冬小麦生产区，冬小麦生长期内降水一般低于300mm，水资源季节分配不均等问题严重制约了当地冬小麦的可持续生产。冬小麦是水分敏感作物，尤其在拔节期、孕穗期和灌浆期缺水会使小麦生长发育迟缓，叶片萎蔫，甚至减产。水分利用效率能够反映作物自身的性能，是评价作物生长适宜度的综合生理生态指标。由于作物自身的需水特性不同，不同发育阶段水分利用效率及其驱动因子存在差异性。因此探寻冬小麦不同生育时期水分利用效率相关驱动因子及精准的水分利用效率监测对黄淮海地区小麦生产管理具有重要意义。

2、前人研究大多集中在环境因子(气温、降水、光照等)对农田水分利用效率的响应，对于作物内在生理特征如气孔导度、水分含量、冠层温度等驱动因素方面研究较少。由于作物不同生育时期具有不同的需水特征，仅采用单一生育时期指标参数预测水分利用效率存在信息片面性及精度较低等问题。

3、为了更全面精准分析冬小麦各生育时期水分利用效率特性，需筛选出各生育期影响驱动因子的信息，以提高水分利用效率监测的稳定性。

4、授权公告号为cn110231246a的中国专利公开了一种冬小麦干旱预警系统，包括：水分含量监测装置，用于监测水分含量，所述的水分含量包括冬小麦水分含量和土壤水分含量；数据获取单元，用于获取水分含量监测装置监测到的水分含量数据；等级划分存储单元，用于存储有冬小麦干旱等级与水分含量对应数据库；比对单元，用于将所述的水分含量数据与所述的数据库比对，获取所述的冬小麦干旱等级；干旱预警装置，用于在所述的小麦干旱等级达到预设等级阈值时报警，具有能够准确预警的优点。

5、上述技术方案存在以下缺陷：

6、其对于干旱预警的处理方式为对冬小麦进行实时监测，通过各项监测含量来确定是否进行干旱预警，即其预警为干旱发生时进行预警，而对于未种植使用的地区则无法进行提前预测。

技术实现思路

1、针对以上缺陷，本发明提供了一种通过冬小麦水分利用效率进行防旱预警的方法，包括以下步骤：

2、s1、分三个水分梯度对两个品种的冬小麦进行时长两年且每年定期一次的灌溉和管理；

3、s2、对步骤s1中的冬小麦拔节期、孕穗期和灌浆期进行生理指标的获取：

4、s2-1、无人机系统与影像数据的获取：

5、无人机通过传感器获取冬小麦拔节期、孕穗期和灌浆期的多光谱影像，对于采集后的数据进行多光谱影像拼接，生成dsm和数字正射影像图，并对影像进行辐射校正，获取正射影像及归一化植被指数；

6、s2-2、地面数据获取：

7、s2-2-1、对生理指标的获取；

8、s2-2-2、对土壤含水量的获取；

9、s2-2-3、对气象数据的获取；

10、s2-2-4、对冠层温度参数的获取；

11、s3、建立标准化水分利用效率的计算模型；

12、s4、根据偏最小二乘和支持向量机建模方法进行建模；

13、s5、结果分析。

14、进一步地，所述步骤s1中的三个水分梯度为w1：35mm、w2：48mm和w3：68mm，冬小麦的两个品种分别为a品种和b品种，进行三次重复灌溉形成18个分区，且灌溉时段均为冬小麦的拔节期，且为地表滴灌的灌溉方式。

15、进一步地，所述无人机系统包括采集系统和飞行系统，采集系统包括用于采集蓝光波段、绿光波段、红光波段、红边波段和近红外波段5个多光谱通道的传感器，飞行系统包括用于控制无人机时间、高度的控制器。

16、进一步地，所述采集系统采集的影像数据使用agisoft photoscan1.5.0软件进行无人机多光谱影像拼接，生成dsm和数字正射影像图，利用envi5.0软件对生成的影像进行辐射校正，获取正射影像及归一化植被指数。

17、进一步地，所述步骤s2-2-1中对生理指标的获取包括：

18、(1)对各个分区内中各选取冬小麦顶部第一张完全展开的叶片使用全自动光合仪测定蒸腾速率和气孔导度；

19、(2)对叶面积和叶片含水量的测算、叶片等效水厚度的测算、渗透调节类物质可溶性糖含量的测定、脯氨酸含量的测定、pod酶活性的测定、sod酶活性的测定。

20、进一步地，所述步骤s2-2-2中对土壤含水量的获取包括：

21、(1)对每个分区中随机选择三个地点，位于距离小麦中心点15cm的四个方位以每隔10cm分层的间隔获取0-30cm土样；

22、(2)对上述(1)中获取的土样测定土壤湿重w0和土壤干重ws，且分别计算土壤重量含水量w(g/g)和土壤体积含水量θ(cm3/cm3)，公式为：

23、

24、θ＝wρb

25、公式中w、w0和ws分别为土壤重量含水量(g/g)，土壤湿重(g)和干重(g),ρb为土壤容重(1.31g/cm3)，θ为土壤体积含水量(cm3/cm3)。

26、进一步地，所述步骤s2-2-4中对冠层温度的获取包括：

27、(1)对各个分区的热红外图像通过热红外成像仪进行两次重复获取；

28、(2)对上述(1)中获取的热红外图像通过图像分析软件filr tools将热红外图像中全部像素点全部导出到excel中；

29、(3)利用excel中的数据分析加载模块和统计直方图分析，将导出的像素温度点的值按照已知的植株温度阈值进行筛选统计，得到不同温度值占据的点位数，经过计算得到水分处理下两个小麦品种的4个冠层温度特征参数：

30、a、冠层温度极差：热成像所得小麦植株冠层像元有效温度最大值与最小值之差；

31、b、冠层温度标准差：热成像相机采集的小麦植株冠层像元温度离散程度大小；

32、c、冠层相对温差：每个采样分区的热红外图像，经数据统计分析提取小麦冠层温度最大值与最小值，其计算式为：

33、

34、公式中crtd为冠层相对温差，tcmax和tcmin分别为每个采样分区中小麦冠层温度最大值和最小值；

35、d、作物水分胁迫指数：其计算式为：

36、

37、公式中cwsi为作物水分胁迫指数，ti为作物冠层温度，单位为℃；twet和tdry分别代表在相同气象条件下冠层温度的下限和上限。

38、进一步地，所述步骤s3中建立基于生物量的标准化水分利用效率的计算模型的公式为：

39、

40、tc,adj＝ktkstkswet

41、公式中，et0为蒸发蒸腾量，wp*为标准化水分利用效率，单位为g/m2，mbio为t0至t时间段内增长的地上部干生物量，单位为g/m2，kt为蒸腾系数，ksw为水分胁迫系数，kst为温度胁迫系数。

42、进一步地，所述kt的计算公式为：

43、

44、公式中，kt,max为作物达到完全覆盖时的最大蒸腾系数，ndvimax为作物达到全覆盖时最大ndvi，ndvimin为裸土状态下ndvi，α为模型经验系数；

45、ksw的计算公式为：

46、

47、公式中，θ为作物根系层土壤含水率，单位为％，θfc为田间持水率，单位为％，θwp为凋萎系数，单位为％，θj为适宜土壤含水率，单位为％，p为生水分胁迫之前根系中所消耗水量与土壤总有效水量的比值。

48、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

49、通过分析不同生育时期冬小麦生理指标、冠层温度参数及标准化水分利用效率变化特征，利用逐步回归、通径分析方法筛选各生育时期响应标准化水分利用效率变化的指标参数，明确冬小麦各生育时期响应水分利用效率的相关驱动因子，最后采用偏最小二乘回归和支持向量机方法并构建基于驱动因子构建的标准化水分利用效率预测模型，为冬小麦水分利用效率监测提供理论依据，从而实现防旱预警的效果。