一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉系统和方法，首先获取柑橘园冠层光谱图像和柑橘的生长环境信息，通过GPRS技术传输至云服务器，云服务器对光谱数据进行处理后输入到预先训练好的水分胁迫指数预测模型中，得到整个柑橘园的水分胁迫状况图。上位机获取到整个园区的水分胁迫状况，将需要进行灌溉的区域提取出来，再通过模糊控制器计算出各个区域的灌溉量，然后通过无线传感器网络发送给各个灌溉控制节点，对整个园区进行灌溉，实现了对柑橘园水分的监测和灌溉，水资源得到了充分的利用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉系统和方法
本专利技术涉及农业灌溉管控
，更具体的说是涉及一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉系统和方法。
技术介绍
随着水资源逐渐短缺，再加上灌溉用水的铺张浪费，农业因旱成灾的情况越来越严重，农业灌溉用水资源日趋紧张。水分亏缺是导致柑橘严重减产减质的主要因素之一，采用传统的人工监测会导致发现作物缺水时，作物已处于严重胁迫状况，且不能作出合适的灌溉决策，造成水资源的大量浪费；而有些能精确测量作物水分状况的方法因操作不方便，不能对作物进行远程灌溉，目前部分地区采用的无线传感器网络监测作物水分状况只适合于小块农田。因此，如何实现远程柑橘水分监测，并指导柑橘灌溉，提高灌溉用水效率，减少水资源浪费是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉系统和方法，采用基于无人机遥感获取的柑橘园遥感图像，来反演作物的水分胁迫状况，并与联网获取到的天气情况共同对是否需要灌溉进行决策，指导柑橘的灌溉，减少不必要的水资源浪费，提高灌溉用水效率。为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：获取柑橘园的光谱图像，以及柑橘的生长环境信息和未来降雨量；/n步骤2：对所述光谱图像进行预处理，将预处理后的数据输入预先构建的水分胁迫预测模型中，计算出柑橘树的水分胁迫指数，并输出水分胁迫状况图；/n步骤3：根据预设的水分胁迫阈值对所述水分胁迫状况图中对应的所述水分胁迫指数进行筛选，提取出需要进行灌溉的区域，计算需要灌溉区域的柑橘蒸散量并结合所述未来降雨量，通过模糊控制器计算出所需灌溉量；/n步骤4：根据所述所需灌溉量生成灌溉指令传输至相应的控制节点，对柑橘园进行灌溉操作。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取柑橘园的光谱图像，以及柑橘的生长环境信息和未来降雨量；
步骤2：对所述光谱图像进行预处理，将预处理后的数据输入预先构建的水分胁迫预测模型中，计算出柑橘树的水分胁迫指数，并输出水分胁迫状况图；
步骤3：根据预设的水分胁迫阈值对所述水分胁迫状况图中对应的所述水分胁迫指数进行筛选，提取出需要进行灌溉的区域，计算需要灌溉区域的柑橘蒸散量并结合所述未来降雨量，通过模糊控制器计算出所需灌溉量；
步骤4：根据所述所需灌溉量生成灌溉指令传输至相应的控制节点，对柑橘园进行灌溉操作。


2.根据权利要求1所述的一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉方法，其特征在于，采集柑橘园中柑橘冠层的光谱图像；所述生长环境信息包括：空气温湿度、风速、降雨量、土壤热通量和太阳净辐射。


3.根据权利要求2所述的一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉方法，其特征在于，基于烟花算法的BP神经网络训练构建所述水分胁迫预测模型；
所述水分胁迫预测模型的建立步骤包括：
步骤21：在柑橘园中挑选若干典型区域，在少云或无云的中午，获取其冠层光谱图像，同时在地面测量柑橘树的冠层温度、空气温度和空气湿度，计算出各区域的水分胁迫指数；
步骤22：将所述冠层光谱图像和所对应的水分胁迫指数划分为训练集和测试集；首先利用因子分析法，将所述冠层光谱图像进行降维，输入到基于烟花算法的BP神经网络，输出为对应的所述水分胁迫指数，从而训练网络获得所述水分胁迫预测模型。


4.根据权利要求3所述的一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉方法，其特征在于，所述步骤21中计算所述水分胁迫指数的过程如下：
利用冠气温差上下限的经验公式获得柑橘冠气温差上下限，根据所述冠气温差上下限建立柑橘的水分胁迫指数公式，所述水分胁迫指数公式如下所示：



式中，Tc和Ta分别表示冠层温度和空气温度，(Tc-Ta)l和(Tc-Ta)u分别代表冠气温差下限和冠气温差上限，
冠气温差下限经验公式表示为：
(Tc-Ta)l＝A*VPD+B



A和B的值由将柑橘进行充分灌溉或降雨后的若干组冠层温度Tc、空气温度Ta和空气湿度RH代入所述冠气温差下限经验公式进行拟合估算获得；
冠气温差上限经验公式由下式计算：
(Tc-Ta)u＝A*VPG+B
VPG＝VPD(Ta)-VPD(Ta+A)
将地面测量柑橘树的冠层温度、空气温度和空气湿度，代入所述冠气温差下限经验公式和所述冠气温差上限经验公式获得柑橘冠气温差上下限，根据所述柑橘冠气温差上下限获得所述水分胁迫指数公式，由所述水分胁迫指数公式计算柑橘的水分胁迫指数。


5.根据权利要求4所述的一种基于柑橘冠层光谱响应的灌溉方法，其特征在于，所述步骤22的具体实现过程如下：
步骤221：对所述冠层光谱图像进行因子分析，获得各所述冠层光谱图像之间存在相关关系的一组共同因子；
所述冠层光谱图像具有p个通道，因此进行因子分析的指标变量有p个，共有n张所述冠层光谱图像，按下式对所测量到的各波段反射率进行标准化：



其中分别为第j个指标变量的样本均值和样本标准差；
再按照下式计算进行标准化后各波段反射率的相关系数：




和分别表示标准化后的每张所述冠层光谱图像的各波段反射率；rij为第i个指标与第j个指标之间的相关系数；由相关系数rij组成相关系数矩阵R；
步骤222：根据所述相关系数矩阵R，计算出相关系数矩阵的特征值及对应的特征向量，并将特征值按大小进行排列，得到初等载荷矩阵：



其中λ和u分别为特征值和对应的特征向量；
步骤223：根据所述初等载荷矩阵A，计算各个所述特征值的贡献率，并对所述初等载荷矩阵A选择m个主因子，获得因子载荷矩阵；对提取的所述因子载荷矩阵进行旋转，得到矩阵其中所述因子载荷矩阵为所述初等载荷矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫星，周平，杨明欣，高鹏，陈文彬，丁郑，廖飞，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44