一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法技术

本发明专利技术涉及一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，属于农业信息技术领域。为了解决现存基于冠层温度监测水分胁迫状况费时、费力、成本较高，并且没有考虑土壤、作物等的空间变异性的问题，本发明专利技术基于最新的无人机多光谱遥感技术，结合可见光和热红外遥感技术，提出了一种高时空分辨率大田玉米水分胁迫状况分布图的低成本、快速获取方法，旨在为田间灌溉管理提供技术支持，促进农业信息化。该方法主要包括：无人机遥感数据采集航线设计；地面控制点（Ground control point，GCP）布设；无人机遥感数据采集及预处理；无人机遥感影像的拼接、几何校正及地理信息匹配；基于无人机可见光遥感的大田玉米覆盖度提取；基于无人机热红外遥感影像的大田玉米冠层温度提取等六个主要步骤。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法
本专利技术涉及一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，属于农业信息

技术介绍
作为提高农业用水效率的重要手段，调亏灌溉可以在不减产或少量减产的情况下节约大量农业用水，为了实现作物产量与灌溉用水之间的微妙平衡需要有效的作物水分胁迫状况监测手段。冠层温度作为作物冠层茎、叶表面温度的平均值，是衡量作物水分胁迫状况的重要指标，在国内外得到了广泛的应用。然而，传统的手持或地面红外测温传感器监测作物冠层温度时，具有范围较小、成本高等缺点，且没有考虑土壤、作物等的空间变异性，利用采样点的数据测量代表整个实验区域的水分胁迫状况，无法满足目前农场尺度的精细作业需求。近年来，相比于卫星遥感和航空遥感技术，无人机凭借其平台凭借成本低、易于构建、运载便利、灵活性高、作业周期短、影像数据时空分辨率高等优势，可以低成本地多次重复采集农业遥感数据，已经成为农业遥感研究中快速、准确获取作物信息的主要工具，是当前研究的热点和趋势。由于受到微型无人机遥感平台载重能力的限制，目前搭载的热红外传感器多为重量较轻的非制冷热红外相机，存在冠层温度采集不稳定、拼接精度低、需要复杂预处理等问题，还需要对基于热红外遥感图像的作物冠层温度提取进行深入研究。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，即一种通过基于高分辨率可见光遥感数据获取大田玉米覆盖度，进行降维及二值化处理，然后采用矢量叠加的方式从热红外图像提取冠层温度的方法，可以低成本、快速获取大田作物水分胁迫状况分布图，为田间灌溉管理提供技术支持，促进农业信息化。1、本专利技术提供一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，包括以下步骤：（1）无人机遥感数据采集航线设计为了满足无人机可见光和热红外遥感数据的拼接要求，在进行航线设计时应满足航向及旁向重叠度大于85%，且可见光和热红外遥感图像的地面分辨率应满足以下要求：(1)式中GSDV为可见光遥感数据的地面分辨率（m），GSDT为热红外遥感数据的地面分辨率（m）。无人机遥感图像的地面分辨率（GSD）是表征光谱数据的重要参数，由下式计算：(2)式中GSD为地面分辨率（m），a为多光谱传感器像元尺度（um），f为相机焦距（mm），h为无人机飞行高度（m）。（2）地面像控点（Groundcontrolpoint，GCP）布设：为了实现无人机可见光和热红外遥感数据的几何校正和地理信息匹配处理，需要在采样区进行像控点布设，并利用全站仪进行三维坐标信息采集。像控点为正方形棋盘格形式，四个黑白格分别成对角放置，且尺寸大小与遥感图像地面分辨率满足以下关系：(3)式中L为正方形像控点边长，GSD为无人机遥感图像的地面分辨率。（3）无人机遥感数据采集及预处理选择晴朗天气，采用步骤（1）设计的航线以相机镜头垂直向下的方式分别进行无人机可见光和热红外遥感数据采集，基于同步采集、相同高度的黑（反射率3%）、白漫反射板（反射率58%）图像对可见光遥感图像进行辐射定标，获取地物波谱反射率。基于同步采集的包含黑、白漫反射板和水体的热红外图像提取上述三种地物的温度，并利用手持红外测温仪测量的上述三种地物温度建立热红外图像的温度校正模型并进行温度校正处理。（4）无人机遥感影像的拼接、几何校正及地理信息匹配基于步骤（3）采集的无人机可见光和热红外单张遥感数据及POS数据，利用遥感图像拼接软件得到采样区的可见光和热红外正射影像。在利用遥感图像拼接软件分别进行可见光和热红外遥感图像的拼接处理时，利用步骤（2）布设的地面控制点及测量的三维空间信息完成遥感图像的几何校正和地理信息匹配，使得获取的可见光和热红外遥感图像具有相同的地理信息。（5）基于无人机可见光遥感的大田玉米覆盖度提取在步骤（4）中获取的无人机可见光遥感数据上进行波段运算得到红绿比值指数RGRI（Red-greenratioindex）指数分布图，并应用Otsu阈值算法获取大田玉米和地物的RGRI分类阈值，小于阈值的为玉米，进而提取大田玉米覆盖度。所述红绿比值指数RGRI由公式（4）计算得到。(4)式中和分别为红色波段和绿色波段的反射率。然后采用最近邻算法对上述方法得到的大田玉米覆盖度分布图进行降维处理，得到热红外遥感影像分辨率尺度下的大田玉米覆盖度分布图并进行二值化。（6）基于无人机热红外遥感影像的大田玉米冠层温度提取利用步骤（5）获取的同分辨率尺度下的大田玉米覆盖度二值化图像，采用矢量叠加的方式从热红外遥感影像中提取大田玉米冠层温度。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术基于最新的无人机遥感技术，采用可见光和热红外遥感影像融合的方式实现了大田玉米的冠层温度的提取，可以有效的监测大田玉米的水分胁迫状况，为田间灌溉管理提供技术支持，促进农业信息化。附图说明图1基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法流程图2实验地概况及样地划分图3大田玉米冠层温度与实测温度的关系图4大田玉米冠层温度与气孔导度的关系图5大田玉米冠层温度分布图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步详述。如图1所示，这种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法主要包括6个主要步骤：（1）无人机遥感数据采集航线设计（2）地面像控点（Groundcontrolpoint，GCP）布设（3）无人机遥感数据采集及预处理（4）无人机遥感影像的拼接、几何校正及地理信息匹配（5）基于无人机可见光遥感的大田玉米覆盖度提取（6）基于无人机热红外遥感影像的大田玉米冠层温度提取本专利技术基于最新的无人机遥感技术，采用可见光和热红外遥感影像融合的方式实现了大田玉米的冠层温度的提取，可以有效的监测大田玉米的水分胁迫状况，为田间灌溉管理提供技术支持，促进农业信息化。以下结合实施例进行详细说明，本实施例的试验田域位于内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗昭君镇（40°26'0.29"N，109°36'25.99"E，海拔高度1010m），种植作物为夏玉米，行距50cm，株距25cm，行向由东向西，种植面积20亩，采用中心轴式喷灌机进行灌溉，实验地被划分为5个扇形区域，每个区域布设1个土壤含水率采集节点（紫色三角形）和3个地面数据采样区（红色方框），如图2所示。以田间持水量的不同百分比在营养生长阶段（Vegetativestage，V期）、生殖期（Reproductivestage，R期）和成熟期（Maturationstage，M期）进行不同梯度的水分处理，田间持水量的50%为充分灌溉，具体用水量设置梯度如表1所示。通过在喷灌机上安装流量计（MIK2000H型）采集实际灌溉量，通过与实验地相邻的标准气象站采集实际降雨量。为了排除其它因素的干扰，根据种植经验进行统一施肥、施加除草剂。表1用水量梯度设置本专利技术步骤（1）具体操作如下：根据试验田的区域大小（本实施例20亩）和续航时间大小进行了无人机可见光和热红外遥感数据的采集航线设计，无人机可见光遥感数据的采集高度为50m，航向及旁向重叠度为90%，地面分辨率为1.25cm；无人机热红外遥感数据的采集高度为60m，航向及旁向重叠度为85%，地面分辨率为7.8cm。满足航线设计的重叠本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）无人机遥感数据采集航线设计；（2）地面控制点（Ground control point，GCP）布设；（3）无人机遥感数据采集及预处理；（4）无人机遥感影像的拼接、几何校正及地理信息匹配；（5）基于无人机可见光遥感的大田玉米覆盖度提取；（6）基于无人机热红外遥感影像的大田玉米冠层温度提取。

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）无人机遥感数据采集航线设计；（2）地面控制点（Groundcontrolpoint，GCP）布设；（3）无人机遥感数据采集及预处理；（4）无人机遥感影像的拼接、几何校正及地理信息匹配；（5）基于无人机可见光遥感的大田玉米覆盖度提取；（6）基于无人机热红外遥感影像的大田玉米冠层温度提取。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机可见光和热红外遥感的大田玉米冠层温度提取方法，其特征在于：所述步骤（1）无人机遥感数据采集航线设计中航线航向及旁向重叠度大于85%，且可见光和热红外遥感图像的地面分辨率应满足以下要求：（1）式中GSDV为可见光遥感数据的地面分辨率（m），GSDT为热红外遥感数据的地面分辨率（m）；遥感图像地面分辨率由公式（2）计算：（2）式中GSD为地面分辨率（m），a为多光谱传感器像元尺寸（um），f为相机焦距（mm），h为无人机飞行高度（m...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩文霆，张立元，牛亚晓，彭星硕，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61