灌区水稻需水信息感知及灌溉决策方法技术

本发明专利技术公开了一种灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，包括：1)按照设定的频次，通过无人机遥感系统获取代表性稻田区域的水稻冠层遥感影像；2)结合无人机遥感系统的工作区域，在稻田布设监测点位，获取稻田实测水分数据；3)识别无人机遥感系统的工作区域内水稻水分状况；4)判断该工作区域内是否需要灌溉，若是，则直接进行灌溉作业；若否，则进行步骤5)；5)结合无人机遥感系统的工作区域的气象资料及天气预报对田间水分进行预测，获取田间水分预测结果；6)进行数据融合，根据融合结果明确稻田灌溉量，实现灌区水稻灌溉决策。本发明专利技术具有可科学优化灌区的灌溉决策过程的优点。有可科学优化灌区的灌溉决策过程的优点。有可科学优化灌区的灌溉决策过程的优点。

【技术实现步骤摘要】
灌区水稻需水信息感知及灌溉决策方法


[0001]本专利技术属于农业节水灌溉
，涉及一种灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，尤其涉为一种可应用于农业用水管理、灌区管理以及农业遥感等方面的基于无人机遥感和多源数据结合的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法。

技术介绍

[0002]进入新时期，水利部提出了新阶段水利高质量发展六条实施路径，智慧水利作为路径之一，以构建数字孪生流域为核心，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系。灌区是农业和农村经济发展的重要基础设施，是我国农产品的重要生产基地。同时，灌区也是各大流域及国家水网工程的重要组成。在数字孪生流域的背景下，建设数字灌区，推进“四预”能力向灌区尺度及管理场景的精准应用，开展取供用耗排全过程智慧化模拟、支撑精准化灌溉决策，具有重要的现实意义。
[0003]目前，国家启动了大型灌区现代化改造工作，对灌区用水效率及管理调度水平提出了更高要求。水稻作为我国南方灌区的主要种植作物，传统稻田管理模式灌溉用水量较大，在灌区实际灌溉管理中，农户依据各自经验判断稻田水分状况，将灌水需求上报灌区管理处后，灌区工作人员汇总用水需求，依据工作经验设置渠系配水方案并通知至村组及农户。农民确定稻田水分状况时缺少数据支撑，多为主观经验判断，且主动采用水稻节水灌溉技术的意识相对薄弱，存在较大的节水潜力。作物的需水诊断是实现精量灌溉的前提，实时准确的获取灌区水稻的需水信息并开展科学的灌溉决策，对于提高灌溉用水效率和优化灌区水资源配置具有重要意义。
[0004]在作物需水信息感知上，国内外学者基于田间试验，围绕土壤水分状况、作物生理信息和气象条件等指标开展了大量研究工作，信息获取的准确性较高，但传统的原位观测方法因布设成本高、代表性较差、设备管理维护难度高等弊端，无法在灌区尺度大面积应用。得益于卫星遥感的迅速发展，基于星载的光谱技术已经成功地应用于宏观农情监测，弥补了原位观测适用范围小的缺点，但同时卫星遥感存在影像分辨率低、重现期较长等缺点，受到云雨的影响，在作物关键生育期对指定区域作物进行遥感监测，卫星遥感往往难以满足需求。无人机作为平台搭载有效载荷能够实时快速地获取遥感数据，从根本上解决了卫星遥感技术由于时间重现期长、空间分辨率低而引起的技术问题，使农情监测更加精细化，在农业生产中应用更广。
[0005]在灌溉决策上，水稻需水是土壤水分条件和外部环境条件的综合影响结果，若只考虑其中的一个因素进行灌溉决策可能存在一定的风险。鉴于单项指标决策的局限性，众多学者开始考虑利用多源信息进行融合，以期从多信息融合的角度来提高获取信息的能力，通过对不同来源的农业数据进行分析与综合，产生对灌溉决策的一致性解释和描述，消除信息之间可能存在的冗余和矛盾，降低灌溉决策的不确定性，进而提高灌溉决策的可靠性。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种可科学优化灌区灌溉决策过程的方法。
[0007]技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，包括以下步骤：
[0008]1)按照设定的频次，通过无人机遥感系统周期性获取代表性稻田区域的水稻冠层遥感影像；
[0009]2)结合无人机遥感系统的工作区域，在稻田布设监测点位，获取稻田实测水分数据；
[0010]3)根据步骤1)的结果以及步骤2)的结果识别代表性稻田区域内的水稻水分状况；
[0011]4)根据步骤3)所得到的水稻水分状况判断该区域内稻田是否需要灌溉，若是，则直接进行灌溉作业；若否，则进行步骤5)；
[0012]5)结合区域气象资料及天气预报对稻田田间水分状况进行预测；
[0013]6)将步骤1)得到的水稻冠层的遥感影像、步骤2)得到的监测点位稻田实测水分数据、步骤3)所得到的工作区域内水稻水分状况以及步骤5)所得到的田间水分预测结果进行数据融合，根据融合结果明确稻田灌溉量，实现灌溉决策。
[0014]作为优选，本专利技术所采用的无人机遥感系统包括无人机平台以及设置在无人机平台上的机载光谱成像仪；所述无人机平台是M300 RTK；所述机载光谱成像仪是MS600 Pro。
[0015]作为优选，本专利技术所采用的步骤1)的具体实现方式是：
[0016]1.1)根据灌区渠系分布以及灌溉农田空间分布特征等，确定具有代表性的稻田作为无人机遥感系统的工作区域；所述无人机遥感系统的工作区域是将无人机平台在天气晴朗且无云的条件下由闭合飞行航线所形成的区域；
[0017]1.2)获取步骤1.1)所确定的无人机遥感系统的工作区域的稻田灌溉前水稻冠层光谱影像；
[0018]1.3)对稻田灌溉前水稻冠层光谱影像进行预处理，获取稻田灌溉前水稻冠层的遥感影像；所述预处理的方式是图像配准、影像拼接和辐射校正、相机参数进行初始化处理、空中三角测量、概略DSM、单片正射影像以及镶嵌正射影像。
[0019]作为优选，本专利技术所采用的步骤2)的具体实现方式是：根据无人机遥感系统的工作区域，均匀地在工作区域内布设监测点位，所述监测点位包括用于观测稻田水分状况的TDR以及用于观测水稻叶片含水量信息的光合仪；所述光合仪的型号是LI
‑
6800。
[0020]作为优选，本专利技术所采用的步骤3)的具体实现方式是：
[0021]3.1)基于步骤1)所获取得到的稻田灌溉水稻冠层的遥感影像构建植被水分指数，所述植被水分指数的表达形式是：
[0022][0023]其中：
[0024]R代表红光的反射率；
[0025]NIR代表近红外波段的反射率；
[0026]3.2)采用支持向量机算法建立拟合回归函数，得到植被水分指数与田间水分的转
换函数关系，将植被水分指数转换为田间水分w1；
[0027]3.3)根据植被水分指数确定灌溉阈值；
[0028]3.4)根据灌溉阈值识别无人机遥感系统的工作区域内水稻水分状况。
[0029]作为优选，本专利技术所采用的步骤3.3)的具体实现方式是：
[0030]3.3.1)计算工作区域内灌溉前后的植被水分指数OSAVI1和OSAVI2，其中，OSAVI1为灌溉前植被水分指数；OSAVI2为灌溉后植被水分指数；
[0031]3.3.2)获取工作区域内灌溉前后的植被水分指数的差值ΔOSAVI，其中，
[0032]ΔOSAVI＝OSAVI2‑
OSAVI1；
[0033]3.3.3)根据步骤3.3.2)获取得到的差值确定灌溉阈值。
[0034]作为优选，本专利技术所采用的步骤3.4)的具体实现方式是：当植被水分指数的差值大于灌溉阈值时，表明此时作物含水量较低，识别得到无人机遥感系统的工作区域应当进行灌溉；当小于临界值时，表明此时作物含水量较高，识别得到无人机遥感系统的工作区域当前不需要灌溉。
[0035]作为优选，本专利技术所采用的步骤5)的具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按照设定的频次，通过无人机遥感系统周期性获取代表性稻田区域的水稻冠层遥感影像；2)结合无人机遥感系统的工作区域，在稻田布设监测点位，获取稻田实测水分数据；3)根据步骤1)的结果以及步骤2)的结果识别代表性稻田区域内的水稻水分状况；4)根据步骤3)所得到的水稻水分状况判断该区域内稻田是否需要灌溉，若是，则直接进行灌溉作业；若否，则进行步骤5)；5)结合区域气象资料及天气预报对稻田田间水分状况进行预测；6)将步骤1)得到的水稻冠层的遥感影像、步骤2)得到的监测点位稻田实测水分数据、步骤3)所得到的工作区域内水稻水分状况以及步骤5)所得到的田间水分预测结果进行数据融合，根据融合结果明确稻田灌溉量，实现灌溉决策。2.根据权利要求1所述的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，所述无人机遥感系统包括无人机平台以及设置在无人机平台上的机载光谱成像仪；所述无人机平台是M300 RTK；所述机载光谱成像仪是MS600 Pro。3.根据权利要求2所述的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，所述步骤1)的具体实现方式是：1.1)根据灌区渠系分布以及灌溉农田空间分布特征，确定具备代表性的稻田作为无人机遥感系统的工作区域；所述无人机遥感系统的工作区域是将无人机平台在天气晴朗且无云的条件下由闭合飞行航线所形成的区域；1.2)获取步骤1.1)所确定的无人机遥感系统工作区域稻田灌溉前的水稻冠层光谱影像；1.3)对稻田灌溉前水稻冠层光谱影像进行预处理，获取稻田灌溉前水稻冠层的遥感影像；所述预处理的方式是图像配准、影像拼接和辐射校正、相机参数进行初始化处理、空中三角测量、概略DSM、单片正射影像以及镶嵌正射影像。4.根据权利要求3所述的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体实现方式是：根据无人机遥感系统的工作区域，均匀地布设监测点位，所述监测点位包括用于观测稻田水分状况的TDR以及用于观测水稻叶片含水量信息的光合仪；所述光合仪的型号是LI
‑
6800。5.根据权利要求4所述的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，所述步骤3)的具体实现方式是：3.1)基于步骤1)所获取得到的稻田灌溉水稻冠层的遥感影像构建植被水分指数，所述植被水分指数的表达形式是：式中：R代表红光的反射率；NIR代表近红外波段的反射率；3.2)采用支持向量机算法建立拟合回归函数，得到植被水分指数与田间水分的转换函数关系，将植被水分指数转换为田间水分w1；
3.3)根据植被水分指数确定灌溉阈值；3.4)根据灌溉阈值识别无人机遥感系统的工作区域内水稻水分状况。6.根据权利要求5所述的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，所述步骤3.3)的具体实现方式是：3.3.1)计算工作区域内灌溉前后的植被水分指数OSAVI1和OSAVI2，其中，OSAVI1为灌溉前植被水分指数，OSAVI2为灌溉后植被水分指数；3.3.2)获取工作区域内灌溉前后的植被水分指数的差值ΔOSAVI，其中，ΔOSAVI＝OSAVI2‑
OSAVI1；3.3.3)根据步骤3.3.2)获取得到的差值确定灌溉阈值。7.根据权利要求6所述的灌区水稻需水信息感知及灌溉决策的方法，其特征在于，所述步骤3.4)的具体实现方式是：当植被水分指数的差值大于灌溉阈值时，表明此时作物含水量较低，识别得到无人机遥感系统的工作区域应...

【专利技术属性】
技术研发人员：和玉璞，付静，纪仁婧，麦紫君，孙勇，孙牧原，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：