BR112021004212A2 - método para determinar o estresse de planta, sistema para determinar o estresse em plantas, sistema para gerenciar irrigação, sistema para agendar irrigação, método para agendar irrigação de terra e método para obter informações sobre as condições atmosféricas relacionadas ao estresse da planta - Google Patents
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Abstract
MÉTODO PARA DETERMINAR O ESTRESSE DE
PLANTA, SISTEMA PARA DETERMINAR O ESTRESSE EM PLANTAS, SISTEMA PARA
GERENCIAR IRRIGAÇÃO, SISTEMA PARA AGENDAR IRRIGAÇÃO, MÉTODO PARA AGENDAR
IRRIGAÇÃO DE TERRA E MÉTODO PARA OBTER INFORMAÇÕES SOBRE AS CONDIÇÕES
ATMOSFÉRICAS RELACIONADAS AO ESTRESSE DA PLANTA.
A invenção proporciona vários métodos para determinar estresse de
planta, incluindo o uso de um sistema de câmera baseado em computador
(84) tendo imagens térmicas (46) e imagens visuais (50) para capturar
folhagens na proximidade de pelo menos uma planta (70) para prover alta
resolução de imagens/vídeo (72,74) da mesma; analisar imagens/vídeo
térmicas e visuais (72,74) da mesma para formar uma imagem composta;
determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e estado de
fotossíntese de pelo menos uma referida planta (70); e derivar o
estresse da planta a partir dessa determinação. Um sistema de câmera
baseado em computador portátil (84) também é divulgado tendo um
smartphone (86) e dispositivo de imagem térmica (100).
Description
[0001] A presente invenção reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório Australiano nº 2018903312 depositado em 5 de setembro de 2018, cujo conteúdo completo é aqui incorporado por referência. Campo
[0002] A presente invenção se refere a métodos e sistemas para determinação de estresse em plantas e métodos e sistemas de gerenciamento de irrigação automatizados baseados na determinação de estresse em plantas. Antecedentes
[0003] Em campos agrícolas, as observações meteorológicas padrões - temperatura do ar, umidade relativa, radiação solar, velocidade do vento - são usadas para estimar a Evapotranspiração Potencial (PET), que constitui o principal uso da água na agricultura. A PET é calculada convencionalmente por um modelo FAO56 baseado na abordagem de Penman-Monteith. A PET pode ser estimada usando apenas os dados meteorológicos e assume que não há limitação de água no solo disponível para a evapotranspiração. Consequentemente, a PET é considerada como o uso máximo possível de água pelas lavouras em uma dada condição meteorológica e frequentemente superestima o consumo real de água pelas lavouras. A PET pode ser convertida em evapotranspiração real (AET) ajustando-a usando o indicador de crescimento da cultura e o indicador de estresse hídrico. A AET torna-se próxima da PET à medida que as lavouras estão em pleno crescimento e no modo fotossintético ativo, com sinais mínimos de estresse hídrico.
[0004] A presente invenção é uma extensão dos sistemas e métodos de gerenciamento de irrigação divulgados em nosso Pedido de Patente Internacional nº PCT/AU2018/050858, o conteúdo completo incluindo a descrição, reivindicações e desenhos publicação a qual é considerada como lida e incorporada aqui por referência para evitar a repetição da descrição. Esta especificação de patente deriva espacialmente a umidade do solo para qualquer local dentro de um distrito de irrigação e a capacidade de mapear a umidade do solo em qualquer ponto no tempo e espacialmente em todo o distrito de irrigação. A derivação é obtida usando as entradas monitoradas de:
1. Quando os dados históricos de irrigação foram aplicados (incluindo quanto foi aplicado e, portanto, tendo conhecimento do estado/nível de umidade do solo após a irrigação);
2. Calculando a evapotranspiração contínua (ET) no local e, portanto, o declínio acumulado na umidade do solo no local. A ET pode ser derivada usando a equação de Penman-Monteith conhecida junto com informações de cultivo que calculam a ET a partir das seguintes variáveis de entrada: a. Radiação solar; b. Temperatura; c. Umidade; d. Velocidade do vento; e e. Fator de cultivo (derivado de medições térmicas de satélite);
3. Medição de quaisquer eventos de chuva e dedução da precipitação no local e o subsequente aumento da umidade do solo no local; e
4. Tipo de solo no local e, portanto, capacidade de retenção de água do solo. Isso é usado para determinar o ponto de irrigação para o solo e, portanto, o ponto ideal no qual a planta fica estressada, mas não incorre em nenhum dano biológico.
[0005] A especificação divulga o uso de dados de entrada a partir de sensores para refletir a natureza altamente variável espacialmente de alguns desses parâmetros para, por sua vez, derivar a umidade do solo que também é altamente variável espacialmente na natureza.
[0006] As técnicas de identificação do sistema são usadas para produzir um algoritmo com base nas entradas acima e no uso de sensores de umidade do solo em vários locais no campo para derivar a relação e prover calibração contínua.
[0007] Não é admitido que qualquer uma das informações nesta especificação de patente seja de conhecimento geral comum, ou que o técnico no assunto possa razoavelmente determinar ou compreender, considerá-la relevante ou combiná- la de qualquer forma antes da data de prioridade. Sumário da invenção
[0008] Em um aspecto da invenção, é provido um método de determinação de estresse de planta usando um sistema de câmera baseado em computador tendo imagens térmicas e imagens visuais para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; analisar ambas as imagens/vídeo térmicas e visuais das mesmas para formar uma imagem composta; determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e estado de fotossíntese de pelo menos uma referida planta; e derivar o estresse da planta a partir dessa determinação.
[0009] Em um aspecto adicional, é provido um sistema de determinação de estresse de planta, incluindo um sistema de câmera baseado em computador tendo imagem térmica e imagem visual para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; analisar ambas imagens/vídeo térmicas e visuais das mesmas para formar uma imagem composta; determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e estado de fotossíntese de pelo menos uma referida planta; e derivar o estresse da planta a partir dessa determinação.
[0010] Preferivelmente, o referido sistema de câmera baseado em computador é baseado em um smartphone. Em um aspecto, a referida imagem térmica é capturada por uma câmera térmica associada ao referido smartphone e a referida imagem térmica pode ser capturada por uma câmera térmica associada ao referido smartphone.
[0011] Em uma concretização preferida, as referidas imagens térmicas e visuais capturam pelo menos uma ou mais informações relacionadas ao tempo de captura, localização GPS, dados do acelerômetro, dados da direção e dados do inclinômetro.
[0012] Em um aspecto adicional, a referida imagem composta usa a detecção de borda da referida folhagem para alinhar/co- registrar a imagem/vídeo térmica e visual e as imagens/vídeo térmicas alinhadas/co-registradas podem ser processadas usando técnicas de realidade aumentada para prover medição de imagem.
[0013] Em uma outra concretização, a determinação do estresse da planta inclui ainda entradas de dados relevantes de evapotranspiração derivada e umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação para um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionando a referida determinação de estresse da planta, a referida evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo a partir do referido terreno a ser irrigado.
[0014] Outro aspecto, a determinação do estresse da planta é calculada pelo referido sistema de câmera baseado em computador e a referida imagem térmica e a referida imagem visual podem ser sincronizadas para serem obtidas ao mesmo tempo.
[0015] Um outro aspecto da determinação do estresse da planta inclui ainda entradas de uma superfície representando uma folha não transpirante cuja temperatura é medida e uma superfície representando uma folha transpirante cuja temperatura é medida.
[0016] Em ainda um outro aspecto da invenção, é provido um sistema para gerenciar irrigação para irrigar áreas predeterminadas de um distrito de irrigação, o referido sistema para gerenciar irrigação incluindo: (a) um sistema de determinação de umidade do solo para derivar espacialmente a umidade do solo em um local selecionado dentro de um distrito de irrigação a ser irrigado, o referido sistema incluindo um sistema de computador em rede conectado a uma pluralidade de estações meteorológicas dentro do referido distrito de irrigação para medir uma seleção de: espectro de radiação solar, velocidade do vento, precipitação, temperatura, umidade, pressão barométrica e medição de energia a partir de painéis solares em cada uma de uma pluralidade de locais representativos, o referido sistema de computador em rede tendo acesso a dados de fator de cultura, tipo de solo e dados históricos de irrigação nos referidos locais representativos, o referido sistema de computador em rede usando técnicas de identificação do sistema para produzir um algoritmo para evapotranspiração com base em uma seleção predeterminada a partir das medições da estação meteorológica e o acesso aos dados para fator de cultura, tipo de solo e dados históricos de irrigação nos referidos locais representativos; o referido sistema de computador em rede calibrando o referido algoritmo por medição direta da umidade no solo em cada um dos referidos locais representativos pelos respectivos sensores de umidade do solo; e usando parâmetros medidos de precipitação, tipo de solo, dados históricos de irrigação e fator de cultura com o referido algoritmo para derivar ou interpolar a umidade do solo no referido local selecionado dentro do referido distrito de irrigação; (b) um sistema de determinação de estresse de planta, conforme previamente definido, associado com o referido sistema de determinação de umidade do solo para receber a referida umidade do solo derivada a partir do referido sistema de umidade do solo; e o referido sistema para gerenciar irrigação monitorando o referido estresse da planta a partir do sistema de estresse da planta; a referida umidade do solo derivada ou interpolada para as referidas áreas predeterminadas; disponibilidade de água de irrigação para as referidas áreas predeterminadas; e pedidos para irrigação programada de usuários finais para as referidas áreas predeterminadas; e permissão da irrigação solicitada ocorra às referidas áreas predeterminadas com base no referido monitoramento.
[0017] Ainda um outro aspecto da invenção fornece um método de programação de irrigação de terra incluindo etapas de determinação do estresse da planta usando um sistema de câmera baseado em computador tendo imagem térmica e imagem visual para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens de alta resolução/vídeo do mesmo; analisar ambas as imagens/vídeo térmicas e visuais das mesmas para formar uma imagem composta; determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e estado de fotossíntese de pelo menos uma referida planta; derivar o estresse da planta da referida determinação; sendo que a determinação do estresse da planta inclui ainda entradas de evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação a um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionando a referida determinação de estresse da planta, a referida evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo de referida terra a ser irrigada.
[0018] Ainda em outro aspecto da invenção, é provido um método para obter informações sobre as condições atmosféricas relacionadas ao estresse da planta usando um alvo térmico tendo: (a) uma superfície representando uma folha não transpirante cuja temperatura é medida; e (b) uma superfície representando uma folha transpirante cuja temperatura é medida.
[0019] Um outro aspecto da invenção fornece um método de determinação de estresse de planta usando um sistema de câmera baseado em computador tendo capacidade de imagem visível, infravermelho próximo, infravermelho de ondas curtas e infravermelho térmica para capturar a folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; analisar seleções de compostos das referidas bandas visíveis e de infravermelho nas imagens/vídeo; determinar o estresse hídrico, teor de água na folha, condição de pigmento da folha e atividade fotossintética a partir da imagem/vídeo composta de pelo menos uma referida planta; e derivar o estresse da planta a partir dessa determinação.
[0020] Preferivelmente, o referido sistema de câmera baseado em computador é baseado em um smartphone. A imagem infravermelha de onda curta e próxima pode ser capturada por uma câmera infravermelha associada ao referido smartphone e a referida imagem térmica é capturada por uma câmera térmica associada ao referido smartphone.
[0021] Em uma concretização preferida, as referidas imagens térmicas, infravermelho próximo/de ondas curtas e imagens visuais capturam pelo menos uma ou mais das informações relacionadas ao tempo de captura, localização GPS, dados do acelerômetro, dados da direção e dados do inclinômetro.
[0022] A imagem composta usa detecção de borda da referida folhagem para alinhar/co-registrar a imagem/vídeo térmica e visual e as imagens/vídeo térmicas alinhadas/co-registradas são processadas usando técnicas de realidade aumentada para prover a medição de imagem.
[0023] A determinação do estresse da planta inclui ainda entradas a partir de dados relevantes de evapotranspiração derivada e umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação para um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionando a referida determinação de estresse da planta, a referida evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo dos referidos terra a ser irrigada. Breve descrição dos desenhos
[0024] Uma concretização do método e do aparelho será agora descrita a título de exemplo apenas com referência aos desenhos anexos, nos quais:
[0025] A Figura 1 mostra um fluxograma ilustrando os componentes e a operação do sistema de determinação de estresse da planta da presente invenção;
[0026] A Figura 2 é um desenho mais aprimorado do fluxograma da Figura 1 destacando os componentes do sistema de determinação de estresse da planta;
[0027] A Figura 3 é uma vista em perspectiva frontal de um sistema de câmera baseado em computador para prover imagens térmicas e visuais que podem ser usadas no sistema de determinação de planta;
[0028] A Figura 4 é uma vista em perspectiva posterior da Figura 3;
[0029] A Figura 5 é uma vista frontal do sistema de câmera baseado em computador da Figura 3;
[0030] A Figura 6 é uma vista em corte transversal ao longo e na direção das setas 6-6 na Figura 5;
[0031] A Figura 7 é uma vista explodida da Figura 3 mostrando os componentes que formam o sistema de câmera baseado em computador;
[0032] A Figura 8 é uma vista explodida da Figura 4 mostrando os componentes que formam o sistema de câmera baseado em computador; e
[0033] A Figura 9 é uma vista em perspectiva do sistema de câmera baseado em computador da Figura 3, mostrando a operação do sistema no campo. Descrição das concretizações
[0034] As concretizações da presente invenção buscam prover melhorias de nossa invenção anterior divulgada no Pedido de Patente Internacional No. PCT/AU2018/050858 determinando o estresse da planta ou estresse hídrico no local. O estresse da planta (estresse hídrico) é um estado onde a planta está crescendo em condições de crescimento não ideais que aumentam as demandas feitas sobre ela. Os efeitos do estresse podem levar a deficiências no crescimento, produtividade das colheitas, danos permanentes ou morte se o estresse exceder os limites de tolerância da planta. Consequentemente, a irrigação precisa para as plantas reduzirá o estresse para maximizar o crescimento e a saúde das plantas. Com efeito, a umidade do solo é indiretamente um indicador do estresse da planta. O estresse da planta é inversamente uma medida da fotossíntese da planta (ou seja, crescimento produtivo). Conforme o estresse hídrico aumenta na planta, a fotossíntese começa a diminuir. Existe um ponto ideal de estresse da planta quando a cultura deve ser irrigada para eficiência do uso da água e produção da planta. O estresse da planta também pode variar para diferentes estágios do ciclo de crescimento da planta. Por exemplo, o estresse mais alto pode estimular a penetração da raiz no solo, o que, por sua vez, pode melhorar o crescimento da planta.
[0035] A Figura 1 divulga um fluxograma incluindo os aspectos operacionais de nossa invenção anterior totalmente descritos no Pedido de Patente Internacional No. PCT/AU2018/050858, o conteúdo deste já tendo sido incorporado a esta especificação e é assumido como tendo sido lido. Os componentes e dados discutidos em nosso pedido anterior PCT/AU2018/050858 estão incluídos dentro das linhas tracejadas 10. Uma estação meteorológica representativa 12 pode ser associada com uma respectiva porta de fluxo (não mostrada) incorporada a um sistema para gerenciar irrigação (não mostrado) para prover parâmetros medidos para auxiliar na derivação da evapotranspiração, conforme mostrado nos desenhos de nosso pedido anterior. As entradas da estação meteorológica 12 são tipicamente temperatura 16, radiação solar 18, velocidade do vento 20, pressão atmosférica e umidade 22. Estações meteorológicas compactas adequadas estão disponíveis comercialmente. Uma estação meteorológica preferida foi descrita no Pedido de Patente Internacional nº PCT/AU2018/051205, o conteúdo completo incluindo descrição, reivindicações e desenhos, publicação a qual se presume ter sido lida, estão incorporados aqui por referência para evitar a repetição da descrição. Um algoritmo para evapotranspiração 24 pode ser derivado por um sistema de computador em rede (não mostrado) usando as entradas da estação meteorológica 12 com a adição do fator de cultura 26 com base em imagens térmicas de satélite/aérea 32 prontamente disponíveis, tipo de cultura 28 e status de cultura 30 por meio de dados acesso pelo sistema de computador em rede.
[0036] A evapotranspiração derivada 24 pode então permitir que a umidade do solo 34 seja determinada pelo sistema de computador em rede. A umidade do solo 34 é derivada usando as entradas de precipitação 14 a partir da estação meteorológica 12, dados históricos de irrigação 36 juntamente com o tipo de solo 38 armazenado no sistema de computador em rede. Um sensor de umidade do solo representativo 40 é monitorado pelo sistema de computador em rede para prover feedback para calibrar o algoritmo usado para derivar a umidade do solo 34. Um sensor de umidade do solo disponível comercialmente 40 teria 1 metro de comprimento e teria sondas de medição a cada 10 cm ao longo de seu comprimento. Essas sondas de medição irão prover uma melhor análise da umidade do solo, pois a penetração da umidade é importante, assim como a umidade da superfície.
[0037] A presente invenção melhora a operação da divulgação no Pedido de Patente Internacional No. PCT/AU2018/050858 mostrado dentro das linhas tracejadas 10. A presente invenção usa os dados da umidade do solo derivada 34 como uma entrada na derivação 44 do estresse da planta/cultura para ajustar ainda mais os programas de irrigação 42 providos pelo sistema de computador em rede (não mostrado).
[0038] A folhagem é o principal órgão de fotossíntese e transpiração nas plantas mais altas. A invenção fornece medição de campo (fonte de ponto no solo) 46 da temperatura da folhagem usando uma câmera de imagem térmica (não mostrada). A medição é feita em um local GPS conhecido em um ponto no tempo. A imagem térmica é obtida por uma câmera infravermelha acoplada a um smartphone (não mostrado). A câmera infravermelha é acoplada ao smartphone (diretamente, ou via Bluetooth ou outra comunicação sem fio). O smartphone é conectado ao sistema de rede de computador.
Essa câmera de imagem térmica é disponível comercialmente a partir da FLIR Systems, Inc. para conexão com smartphones Apple IOS ou Android.
O smartphone pode prover a localização GPS necessária e a data e hora relacionadas às imagens tiradas.
O smartphone executará um aplicativo para solicitar água que tem acesso a entradas de dados mais amplas e evapotranspiração 24, umidade do solo 34 e análise de estresse de planta/cultura 44. O smartphone irá prover uma imagem dupla (imagem térmica 46 da câmera infravermelha e imagem visual 50 da câmera do smartphone) da mesma vista da copa da cultura.
O uso típico do smartphone será para tirar as imagens da copa da cultura enquanto o smartphone é manuseado com uma área de visualização típica de 1m x 1m com o smartphone mantido a uma altura de aproximadamente 1m acima do solo.
As imagens resultantes terão resolução de pixel de aproximadamente um milímetro.
A câmera infravermelha será usada primeiramente para calibrar dados de satélite 48 com resolução grosseira e sujeita a passagens raras de satélite, normalmente - uma a duas semanas.
Usando técnicas de processamento de imagem conhecidas, por exemplo, programa de imagem de código aberto ImageJ, a imagem da copa da cultura será processada e as informações obtidas sobre o tamanho/densidade/cor da folhagem dentro da visão particular da imagem que foi tirada.
Os dados de imagem infravermelha 46 (por exemplo, os espectros de energia irradiada) também serão “emparelhados” com a imagem visual 50 provendo dados adicionais 52 (por exemplo, análise térmica) para folhagem específica dentro da vista. O foco particular é o “emparelhamento” das duas imagens de modo que a imagem térmica da matéria da folha seja conhecida. O emparelhamento irá alinhar ou co-registrar as imagens. Existe uma correlação direta entre o estado térmico (temperatura) da matéria da folha e o estado da fotossíntese da planta. A medida do estado fotossintético da planta é inversamente proporcional ao estresse da planta. Esta análise de fonte pontual no nível do solo fornece uma microanálise da copa da cultura nas proximidades. Ele permite uma medição indireta instantânea do estado da fotossíntese da planta.
[0039] A imagem visual será analisada para determinar o conteúdo da copa da cultura na vista usando um software de visualização. De particular interesse será a identificação da matéria da folha em oposição a outro conteúdo da cultura, tal como, caules, incluindo pecíolos, nós e entrenós, brotos e flores das folhas. O smartphone também será capaz de distinguir outro conteúdo não vegetal, tal como, solo. A análise visual também servirá para determinar o tamanho dos componentes identificados na vista e estabelecer, por exemplo, se a matéria da folha é um crescimento antigo ou novo.
[0040] O estresse da planta é a função objeto da derivação da umidade do solo e da estimativa do tempo ideal para irrigar uma cultura, ou seja, o cronograma de irrigação 42. A medição do estresse da planta no solo será usada dentro do processo de identificação do sistema para prover calibração contínua do sistema de programação de irrigação. Entradas diretas adicionais para a derivação do estresse da planta na medição do solo virão de dados meteorológicos locais a partir da estação meteorológica 12, tal como, temperatura ambiente, umidade, radiação solar e velocidade do vento. A hora do dia também será relevante para o ciclo diário de fotossíntese da planta. O tipo de cultura e o estágio de crescimento da cultura também serão relevantes para o estresse da planta. Essas entradas são melhor acessadas por meio da evapotranspiração derivada 24, mas não exclusivamente.
[0041] O aplicativo para pedido de água no smartphone também pode sugerir partes de uma área irrigada para tirar imagens do solo para dar a melhor representação. Por exemplo, seria benéfico obter medições do solo em uma faixa de umidades indicativas do solo (por exemplo, baixa, média e alta). O aplicativo para pedido de água não irá prover apenas uma leitura estimada do estresse da planta para a cultura naquele local/hora, mas também será usado em uma base de conhecimento mais ampla/sistema de IA para refinar e calibrar o sistema de previsão de estresse da planta para aquele local (parâmetros tais como, tipo de solo, clima), mas também para tipo/variedade de cultura que, por sua vez, pode ser aplicado em uma operação mais ampla.
[0042] Os dados históricos 54 (por exemplo, rendimentos) irão prover feedback e aprendizado sobre os níveis ideais de estresse da planta nos quais o cronograma de irrigação 42 pode atingir o uso de água mais eficiente e, ao mesmo tempo, atingir a produção máxima da cultura.
[0043] O aprendizado e refinamento contínuos não podem ser aplicados apenas a uma fazenda específica, mas também em empreendimentos agrícolas semelhantes, usando as mesmas culturas e variedades semelhantes. A plataforma fornece uma base de conhecimento, calibração e aprendizado mais amplos. Este processo poderia empregar análises de dados baseadas em computador e algoritmos de inteligência artificial.
[0044] As técnicas de identificação de sistemas serão aplicadas para desenvolver uma relação para o estresse da planta com base nas entradas de dados descritas, e também empregando ajuste e calibração finos via feedback a partir de medidas de campo, tais como, o smartphone, sondas de umidade do solo 40 e dados de rendimento históricos 54. Os processos de identificação do sistema descritos nesta invenção dependem diretamente dos dados do sensor (por exemplo, precipitação 14, temperatura 16) e dados de entrada (por exemplo, tipo de cultura 28, tipo de solo 38) para obter resultados (“outputs”) derivados provisórios (por exemplo, evapotranspiração 24, umidade do solo 34) no processo geral de produção de programação de irrigação ideal 42. As entradas mostradas em (sensor e dados de entrada) para obter os resultados derivados provisórios não estão limitadas à estrutura mostrada. Por exemplo, a temperatura 16 pode ser uma entrada direta para derivar o estresse da planta.
[0045] Uma concretização adicional desta patente será que o dispositivo smartphone irá prover resultado instantâneo do estresse da planta para a cultura capturada na vista.
[0046] Alternativamente, a técnica anterior descreveu o uso de imagens térmicas tiradas em altas altitudes acima da copa da cultura usando torres ou drones/aeronaves. Elas são conhecidas como imagens térmicas aéreas. As torres fornecem imagens térmicas contínuas em uma fonte pontual. Drones/aeronaves fornecem detalhes térmicos espaciais, mas periodicamente quando o drone/aeronave passa sobre a copa da cultura. Normalmente, a resolução do pixel pode ser de 5 cm para um drone.
[0047] As imagens térmicas de satélite também foram obtidas em uma altitude maior novamente. Quanto maior a altitude da imagem, menos resolução haverá com detalhes nas imagens. Normalmente, a resolução de pixels pode ser de 30 m para um satélite Landsat e 250 m para um satélite MODIS. Há também uma média associada a ambos os tipos de imagens térmicas. Se, por exemplo, a cultura for plantada em linhas, a imagem térmica será uma média da copa da cultura e do solo exposto.
[0048] A obtenção de imagens ao nível do solo, de acordo com a invenção, supera os problemas de resolução acima de ambas as imagens térmicas aéreas e imagens térmicas de satélite. A análise que será realizada neste processo será capaz de distinguir entre a copa da cultura e o solo exposto. Conforme a evapotranspiração ocorre na folha, a medição térmica da folha é uma indicação da taxa/nível de evapotranspiração e, consequentemente, o estresse da cultura. A medição térmica de itens estranhos no campo de visão (por exemplo, caules, ervas daninhas ou solo) produziria erros nesta medição, pois eles estão em uma temperatura diferente da folha. Assim, as técnicas de medição térmica de uma resolução menor (por exemplo, satélite/ar) não podem distinguir a temperatura da folha com precisão, pois estão calculando a média de temperaturas sobre uma área muito maior que inclui os itens estranhos. Normalmente, a resolução do pixel será de 1 mm. Esta resolução fina pode distinguir entre matéria da folha e caules, incluindo pecíolos, nós e entrenós, brotos e flores das folhas. O processamento de imagem também será capaz de distinguir entre crescimento antigo e crescimento novo por meio de técnicas de aprendizagem. As imagens se concentrarão especificamente na medição da matéria da folha da copa da cultura, sem interferência de matéria baseada sem folha estranha, a fim de medir o estado fotossintético da planta. Essas técnicas de processamento de imagens são de uma ciência conhecida e de domínio público.
[0049] A Figura 2 expande o fluxograma mostrado na Figura
1. A fim de evitar a duplicação da descrição, números inteiros idênticos na Figura 1 terão os mesmos números de referência e função na Figura 1. O lado direito da Figura 2 mostra um sistema de computador em rede 60, normalmente com base na nuvem, coletando dados continuamente incluindo o estresse derivado 44 do sistema de gerenciamento de irrigação 62 e fornece controle operacional com base nas programações de irrigação 42 solicitadas dos agricultores usando uma interface de usuário remota 64, normalmente, computadores pessoais, dispositivos de comunicação pessoal (smartphones, computadores tablets ou dispositivos semelhantes). O sistema de computador em rede inclui bancos de dados relevantes 66 e recebe dados de estações meteorológicas 12, imagens de satélite 48, nutrientes e detecção do estado da cultura/rendimento derivada de imagens térmicas, sensores de umidade do solo 40, pesquisas de solo 68 e rendimentos da cultura 54.
[0050] No lado esquerdo da Figura 2, é mostrada a operação do fluxograma da câmera de imagem térmica 46 e da câmera de imagem visual 50. Conforme descrito anteriormente, a câmera de imagem térmica 46 e a câmera de imagem visual também podem ser substituídas por outras disposições adequadas e um sistema dedicado será descrito posteriormente com referência às Figuras 3 a 9. As câmeras 46,50 fotografarão as plantas 70 em seu campo de visão e podem aumentar o zoom para isolar folhagem, especialmente a matéria da folha.
A sincronização das imagens obtidas será controlada pela câmera de imagem visual 50 por meio do software do smartphone.
A imagem térmica/vídeo 72 e a imagem visual 74 serão processadas em 76 a fim de detectar a folha e as bordas a partir do vídeo/imagem 72 e imagem visual 74. O processamento continua em 78 para emparelhar os vídeos/imagens 72,76 para que uma análise térmica possa ser realizada.
Os resultados do processamento em 76 também são passados para medição de vídeo/imagem usando técnicas de realidade aumentada em 80. Os resultados dos processos 78 e 80 são analisados em 82 por algoritmos para prover informações sobre reconhecimento de cultura/planta, tipo e variedade de cultura, estágio de crescimento, saúde da cultura/planta e doenças reconhecíveis.
Os resultados 78 e 82 podem ser analisados em 44 para derivar o estresse da planta/cultura que pode ser passado para o banco de dados 66. O processamento entre o smartphone e o sistema de computador em rede 60 através do banco de dados 66 é uma interação bidirecional, conforme indicado pela seta dupla 67. Essa interação fornece, por exemplo: • O smartphone (também rotulado como 86 nas Figuras 3 a 9) tendo banco de dados 66 acessa os sensores da estação meteorológica 12 e a interpolação espacial específica para o local onde a imagem está sendo tirada. • A possibilidade de carregar (“upload”) de imagens e outros dados obtidos a partir do smartphone quando o acesso adequado à Internet estiver disponível. • Os dados carregados podem prover uma base de informações de crescimento a partir da qual técnicas de aprendizado de máquina, inteligência artificial e análise de dados podem ser aplicadas na melhoria e conhecimento contínuos por meio de mecanismos de feedback.
[0051] As Figuras 3 a 9 mostram um sistema de câmera baseado em computador portátil 84 que pode substituir o smartphone descrito anteriormente com câmera de imagem térmica anexada. Um smartphone 86 com lente(s) fotográfica(s) integrada(s) 87 permitirá a captura de imagens e vídeos visuais. O smartphone incluirá um conector USB 88 e funcionalidade de comunicação sem fio Bluetooth. O software necessário para executar o sistema portátil 84 pode ser instalado como um aplicativo para controlar a operação do mesmo e se comunicar com o sistema de computador em rede 60. O smartphone 86 coopera com um corpo portátil 90. O corpo 90 tem um punho 92 contendo uma bateria 94 e tampa da bateria 96 para alimentar os componentes eletrônicos contidos no corpo
90. Uma blindagem de sensor 98 protegerá o dispositivo de imagem térmica 100 e os circuitos relacionados 102 da entrada de umidade e contaminantes. Uma base de telefone 104 é moldada para caber confortavelmente no smartphone 86 e pode incluir um comutador de localização para confirmar se o smartphone 86 está corretamente encaixado na base de telefone
104. Esse comutador também acionaria o “emparelhamento” Bluetooth automático do smartphone 86. Um conector USB 106 pode ser ligado ao circuito 102 para prover acoplamento com o conector USB 88 do smartphone 86.
[0052] Um comutador 108 é acoplado ao circuito 102 para prover a operação simultânea de ambas as lentes da câmera do smartphone 87 e do dispositivo de imagem térmica 100 para fotografar plantas 70. Um radar ou sensor ultrassônico 110 pode auxiliar na obtenção de dados de medição da folhagem da planta 70 em conjunto com os sensores MEMS do smartphone 86 e o software de realidade aumentada 80 (Figura 2). O radar ou sensor ultrassônico 110 proverá uma medição de distância entre a planta 70 no campo de visão e o sistema de câmera baseado em computador 84. O sistema de câmera baseado em computador 84 também pode incluir um ou mais sensores a laser 112 para dar suporte as medições adicionais de planta folhagem 70 e auxiliar no emparelhamento de imagens. Os sensores de laser 112 podem ser lasers de ponto ou linha.
[0053] O smartphone 86 irá capturar os dados 114 (Figura 2) relacionados com o processamento de vídeo/imagem. Os dados 114 podem incluir o tempo de captura e sensores microeletromecânicos dentro do smartphone 86, incluindo GPS, acelerômetro, bússola de estado sólido e inclinômetro. A Figura 9 ilustra o uso do sistema de câmera 84 fotografando a planta 70. O software também pode sugerir onde tirar o vídeo/imagem e também pode exigir o posicionamento correto do sistema de câmera portátil baseado em computador 84 antes que um vídeo/imagem possa ser gravado e o estresse da cultura calculado/exibido. O software pode controlar o posicionamento angular do dispositivo para garantir que um “campo de visão” válido esteja sendo observado. As sugestões baseadas em computador sobre o posicionamento podem ser passadas para o usuário na tela 116.
[0054] Em uma concretização adicional, o sistema de câmera 84 também pode incluir um dispositivo de imagem infravermelho próximo e/ou de ondas curtas. Tal dispositivo pode permitir que a informação do teor de água na folha seja determinada. O sistema de câmera 84 proposto tira vantagens tanto do crescimento/vitalidade da cultura quanto das informações de estresse hídrico medidas simultaneamente na faixa próxima da cultura alvo. Ao combinar imagens visíveis, infravermelho próximo e infravermelho térmico, juntamente com informações auxiliares no local, tal como, dados meteorológicos locais, tipo/crescimento da cultura e alvo de calibração portátil, o dispositivo pode produzir estimativas planta a planta do estresse hídrico da cultura, vitalidade da cultura e consumo de água com uma dependência mínima dos parâmetros empíricos da cultura.
[0055] As concretizações da invenção foram descritas acima apenas a título de exemplo não limitativo. Na prática, uma pluralidade de estações meteorológicas 12, portas de fluxo, medidores de fluxo e sensores de umidade do solo 40 estão espalhados ao redor do distrito de irrigação para prover um sistema de irrigação extensivo. Variações e modificações nas concretizações podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção.
Claims (33)
1. Método para determinar o estresse de planta, caracterizado pelo fato de usar um sistema de câmera baseado em computador tenda imagem térmica e imagem visual para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; - analisar ambos imagens/vídeo térmica e visual da mesma para formar uma imagem composta; - determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e o estado de fotossíntese de pelo menos uma referida planta; e - derivar o estresse da planta a partir dessa determinação.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido sistema de câmera baseado em computador ser baseado em um smartphone.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a referida imagem térmica ser capturada por uma câmera térmica associada ao referido smartphone.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de as referidas imagens térmicas e visuais capturarem pelo menos uma ou mais das informações relacionadas ao tempo de captura, localização GPS, dados do acelerômetro, dados da direção e dados do inclinômetro.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de a referida imagem composta usar detecção de borda da referida folhagem para alinhar/co- registrar a imagem/vídeo térmica e visual.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de as imagens/vídeo térmicas alinhadas/co- registradas serem processadas usando técnicas de realidade aumentada para prover medição de imagem.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de a determinação do estresse da planta incluir ainda entradas de dados relevantes de evapotranspiração derivada e umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação para um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionando a referida determinação do estresse da planta, a referida evapotranspiração derivada relevante e os dados de umidade do solo a partir da referida terra a ser irrigada.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de a determinação da estresse da planta ser calculada pelo referido sistema de câmera baseado em computador.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de a referida imagem térmica e a referida imagem visual serem sincronizadas para serem obtidas ao mesmo tempo.
10. Sistema para determinar o estresse de planta, caracterizado pelo fato de incluir um sistema de câmera baseado em computador tenda imagem térmica e imagem visual para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; - analisar ambos imagens/vídeo térmicas e visuais da mesma para formar uma imagem composta; - determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e estado de fotossíntese de pelo menos uma referida planta; e - derivar o estresse da planta a partir dessa determinação.
11. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o referido sistema de câmera baseado em computador ser baseado em um smartphone.
12. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a referida imagem térmica ser capturada por uma câmera térmica associada ao referido smartphone.
13. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 12, caracterizado pelo fato de as referidas imagens térmicas e visuais capturarem pelo menos uma ou mais das informações relacionadas ao tempo de captura, localização GPS, dados do acelerômetro, dados da direção e dados do inclinômetro.
14. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 13, caracterizado pelo fato de a referida imagem composta usar a detecção de borda da referida folhagem para alinhar/co-registrar a imagem/vídeo térmica e visual.
15. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de as imagens/vídeo térmicas alinhadas/co-registradas serem processadas usando técnicas de realidade aumentada para prover a medição de imagem.
16. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 15, caracterizado pelo fato de a determinação de estresse de planta incluir ainda dados de evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação para um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionando a referida determinação de estresse da planta, a evapotranspiração derivada relevante e os dados de umidade do solo a partir da referida terra a serem irrigados.
17. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 16, caracterizado pelo fato de a determinação de estresse de planta ser calculada pelo referido sistema de câmera baseado em computador.
18. Sistema para determinar o estresse em plantas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 17, caracterizado pelo fato de a referida imagem térmica e a referida imagem visual serem sincronizadas para serem obtidas ao mesmo tempo.
19. Sistema para gerenciar irrigação, para irrigar áreas predeterminadas de um distrito de irrigação, o referido sistema para gerenciar irrigação, caracterizado pelo fato de incluir: (a) um sistema de determinação de umidade do solo para derivar espacialmente a umidade do solo em um local selecionado dentro de um distrito de irrigação a ser irrigado, o referido sistema incluindo um sistema de computador em rede conectado a uma pluralidade de estações meteorológicas dentro do referido distrito de irrigação para medir uma seleção de: espectro de radiação solar, velocidade do vento, precipitação, temperatura, umidade, pressão barométrica, e medição de energia a partir de painéis solares em cada um de uma pluralidade de locais representativos, o referido sistema de computador em rede tendo acesso a dados para fator de cultura, tipo de solo e dados históricos de irrigação em os referidos locais representativos, o referido sistema de computador em rede usando técnicas de identificação do sistema para produzir um algoritmo para evapotranspiração com base em uma seleção predeterminada a partir das medições da estação meteorológica e o acesso aos dados para fator de cultura, tipo de solo e dados históricos de irrigação nos referidos locais representativos; o referido sistema de computador em rede calibrando o referido algoritmo através da medição direta da umidade no solo em cada um dos referidos locais representativos pelos respectivos sensores de umidade do solo; e usando parâmetros medidos de precipitação, tipo de solo, dados históricos de irrigação e fator de cultura com o referido algoritmo para derivar ou interpolar a umidade do solo no referido local selecionado dentro do referido distrito de irrigação; (b) um sistema de determinação de estresse de planta, conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 10 a 18, associado com o referido sistema de determinação de umidade do solo para receber a referida umidade do solo derivada do referido sistema de umidade do solo; e o referido sistema para gerenciar irrigação monitorando o referido sistema de estresse da planta; a referida umidade do solo derivada ou interpolada para as referidas áreas predeterminadas; a disponibilidade de água de irrigação para as referidas áreas predeterminadas; e pedidos para irrigação programada de usuários finais para as referidas áreas predeterminadas; e permitindo que a irrigação solicitada ocorra para as referidas áreas predeterminadas com base no referido monitoramento.
20. Sistema para agendar irrigação, caracterizado pelo fato de incluir uma ou mais características conforme aqui descrito.
21. Método para agendar irrigação de terra, caracterizado pelo fato de incluir etapas de: - determinar o estresse da planta usando um sistema de câmera baseado em computador tenda imagem térmica e imagem visual para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; - analisar ambos imagens/vídeo térmica e visual da mesma para formar uma imagem composta; - determinar a atividade térmica da imagem/vídeo composta e estado de fotossíntese de pelo menos uma referida planta; - derivar o estresse da planta a partir da referida determinação; sendo que a determinação do estresse da planta inclui ainda entradas de evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação a um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionando a referida determinação de estresse da planta, a referida evapotranspiração derivada relevante e os dados de umidade do solo de referida terra a ser irrigada.
22. Sistema de determinação de estresse de planta, em combinação com sistema de determinação de umidade do solo, caracterizado pelo fato de incluir uma ou mais características conforme aqui descritas.
23. Método para determinar o estresse de planta, em combinação com um método de derivar espacialmente a umidade do solo em um local selecionado, caracterizado pelo fato de incluir uma ou mais características conforme aqui descritas.
24. Método para obter informações sobre as condições atmosféricas relacionadas ao estresse da planta, caracterizado pelo fato de usar um alvo térmica que tem: (a) uma superfície representando uma folha não transpirante cuja temperatura é medida; e (b) uma superfície representando uma folha transpirante cuja temperatura é medida.
25. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de a determinação do estresse da planta incluir ainda entradas a partir de uma superfície representando uma folha não transpirante, cuja temperatura é medida, e uma superfície representando uma folha transpirante, cuja temperatura é medida.
26. Método para determinar o estresse de planta, caracterizado pelo fato de usar um sistema de câmera baseado em computador tendo capacidade de imagem visível, infravermelho próximo, infravermelho de onda curta e infravermelho térmica para capturar folhagem na proximidade de pelo menos uma planta para prover imagens/vídeo de alta resolução da mesma; analisar seleções de compostos das referidas bandas visíveis e de infravermelhos em imagens/vídeo; determinar o estresse hídrico, teor de água na folha, condição de pigmento da folha e atividade fotossintética a partir da imagem/vídeo composta de pelo menos uma referida planta; e derivar o estresse da planta a partir dessa determinação.
27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de o referido sistema de câmera baseado em computador ser baseado em um smartphone.
28. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de a referida imagem infravermelha de ondas curtas e próxima ser capturada por uma câmera infravermelha associada ao referido smartphone.
29. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de
26 a 28, caracterizado pelo fato de a referida imagem térmica ser capturada por uma câmera térmica associada ao referido smartphone.
30. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 26 a 29, caracterizado pelo fato de as referidas imagens térmicas, infravermelho próximo/de ondas curtas e imagens visuais capturarem pelo menos uma ou mais das informações relacionadas ao tempo de captura, localização GPS, dados do acelerômetro, dados da direção e dados do inclinômetro.
31. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 26 a 30, caracterizado pelo fato de a referida imagem composta usar detecção de borda da referida folhagem para alinhar/co-registrar a imagem/vídeo térmica e visual.
32. Método, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de as imagens/vídeo térmicas alinhadas/co- registradas serem processadas usando técnicas de realidade aumentada para prover medição de imagem.
33. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 26 a 32, caracterizado pelo fato de a determinação do estresse da planta incluir ainda entradas de evapotranspiração derivada relevante e dados de umidade do solo a partir da terra a ser irrigada para prover um cronograma de irrigação para um operador conectado a um sistema de computador em rede supervisionar a referida determinação de estresse da planta, os referidos dados relevantes de evapotranspiração derivada e umidade do solo a partir da referida terra a ser irrigada.
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