CN106770299A - 使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法及无人机航拍设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，是通过无人机航拍作物冠层图片，同时获取对应于作物冠层图片的航拍经纬度，由图片信息结合经纬度信息进行作物氮素分析及土壤施肥指导。获得的方法，能够快速获取大面积的农田信息，不受作物生长、农田环境的影响与限制，利用图片的色彩参数诊断作物氮素状态并推荐氮肥追肥的指标，精准、可靠，利于氮肥的精准管理，实现更好的经济和生态效益。该方法，操作快速、简便，结果稳定、可靠，操作成本低，利于农田应用与推广，能够显著促进农田精细化耕作。本发明提供的无人机航拍设备，结构简单，更利于高效、稳定地航拍作物冠层图片。

Description

使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥 指导的方法及无人机航拍设备

技术领域

本发明涉及作物氮素分析技术领域，尤其涉及使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，以及该方法使用的无人机航拍设备。

背景技术

氮肥施用是农业生产中普遍且重要的快速、有效增产措施，但传统施肥方法常采用均一施用的做法，不仅不利于作物产量和品质的提高，降低了肥料利用率，而且过量的肥料还造成了严重的土壤和环境污染。变量施肥作为精准农业的一项重要内容，主张根据田间不同部位土壤和植株的差异，因地制宜地施肥，成为现代农学研究的热点。长期以来，植物氮素营养诊断大都采用室内分析方法，通过测定植株或土壤中各形态氮素如全氮、碱解氮、硝态氮等的含量进行推荐施肥，但该测试方法耗时费力，成本高且时效性差，很难满足大面积农田生产的需求。由于作物冠层颜色与其氮素营养状况密切相关，利用可见光光谱分析技术在作物氮素营养诊断中的研究日益深入，随着数码成像设备的发展与普及，应用数字图像技术进行氮素营养诊断成为可能，促使田间变量作业的精准农业技术得以发展。但由于缺乏低成本、大面积、高精度和高可靠性的高效获取农田信息的技术，田间信息获取成为限制精准农业技术应用的瓶颈。以往田间信息主要依靠采样信息的获取，如Lukina等人使用田间光谱仪获取采样点小麦的氮素信息，Gotway等人实测了采样点土壤养分信息，并使用Kriging插值方法，获取整个田地的连续土壤养分信息；这些信息获取方法不仅在数据获取方面费时，而且不可能得到足够多的点进行插值运算，从而较难获得达到精度要求的田块面状信息。鲍艳松等人使用遥感监测方法，通过航空飞行并机载实用型模块化成像光谱仪采集作物的高光谱数据，进行氮素预测，实现变量施肥技术，虽然该技术的信息采集、分析精度高，但由于信息获取设备及使用成本的限制，难以使该技术普及推广。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，该方法能够低成本、大面积、高精度和高可靠性地获取农田信息，进而利于作物氮素分析及土壤施肥指导，促进农田精细化耕作。

为实现上述目的，本发明提供的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，包括以下步骤：

a、航拍作物冠层图片：选择在无风或微风、且晴天无云的天气，于10-14点的时间段内，使用无人机航拍设备，在航拍高度为距离地面10-50米位置，保持航拍镜头正射采集作物冠层图片，同时获取作物冠层图片的航拍经纬度；

所述航拍经纬度为作物冠层图片在采集时刻航拍镜头所处位置的经纬度；

b、作物氮素分析及土壤施肥指导：分析获得作物冠层图片的色彩参数，通过比值形式的色彩衍生参数，依据作物冠层图片的色彩参数与作物氮素状态的相关性，结合作物冠层图片的航拍经纬度进行处理，获得作物氮素养分的高低及其空间分布，进而形成氮素追肥的作业图，得到土壤施肥的精准指导方案。

本发明使用无人机航拍技术采集作物信息，能够快速获取大面积的农田信息，特别在作物生长到一定高度、人工不便于进入农田采样情况下，无人机航拍不会受到任何影响与限制，而且设备成本及操作成本低，利于在农业生产中推广应用。由于无人机航拍设备的轻巧性，易受飞行环境的影响，为保证航拍过程信息采集的稳定性、准确度，以及图片的清晰度，本发明的方法，对于航拍条件进行限定，确定航拍天气、航拍时间段、航拍高度、以及通过正射方式航拍即图片采集过程保持航拍镜头水平，从而保证飞行航拍过程顺利、无障碍，同时保证获得的作物冠层图片的色彩参数与作物氮素养分状态具备高的相关性，以提供准确、可靠、全面的作物氮素信息。由于在不同高度对作物冠层进行无人机航拍时，获得的图片色彩参数与作物氮素养分状态的相关性不同，同时由于野外航拍存在电线杆等障碍物的影响，因此航拍高度对于图片采集的影响较为重要。在限定的航拍条件下得到的作物冠层图片，只需分析作物冠层图像的色彩参数，将照片中非作物冠层的像素进行了剔除，以及通过比值形式的色彩衍生参数，结合冠层图片的航拍经纬度，得到作物氮素分析结果，提高了分析的准确度，剔除了外界光线变化的影响，再根据氮素分析结果获得作物氮素养分的高低及其空间分布，进而形成氮素追肥的作业图，得到高精度和高可靠性的分析、指导结果，便于氮肥的精准管理，减少盲目施肥的现象，实现更好的经济和生态效益。本发明的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，操作快速、简便，结果稳定、可靠，操作成本低，利于促进农田精细化耕作。

作为对上述技术方案的限定，步骤b中所述作物氮素分析的方法包括以下步骤：

(1)对航拍采集的作物冠层图片，通过目视判读非农田照片，并删除；

(2)利用Adobe Photoshop软件或PCI Geomatics软件对作物冠层图片进行处理，获得色彩参数，通过色彩参数指标：G/(R+G+B)>0.37且R/(R+G+B)<0.42且R>20，剔除非作物冠层像素，再依据目标产量，计算氮肥追肥量；所述R、G、B分别是红、绿、蓝3个通道的色彩参数；

(3)将航拍经纬度、氮肥追肥量、农田田块划分的长宽数据绘制氮肥追肥作业图，实施精准追肥。

作为对上述技术方案的限定，所述无人机的飞行速度为3-5米/秒；所述航拍的拍照间隔为(飞行高度*0.663*2*0.667*2/3/飞行速度)秒按四舍五入取整。

限定无人机的飞行速度，避免引起机身倾斜，造成对航拍的影响；按计算得到的拍照间隔时间设定数码相机，进行自动间隔拍照。

作为对上述技术方案的限定，所述作物为小麦、玉米。

其它作物建立相应的诊断指标后可参照使用。

作为对上述技术方案的限定，小麦的航拍时期为拔节期；玉米的航拍时期为7-10叶期。

对于作物的生育期，小麦的拔节期、玉米的7-10叶期，为适宜采集作物冠层图片进行作物氮素分析的航拍时期，可提供准确、全面的作物氮素营养信息。

作为对上述技术方案的限定，小麦的航拍高度为10米；玉米的航拍高度为50米。

在既能保证无人机飞行，又能提高航拍图片色彩参数与作物氮素养分状态相关性的基础上，对于不同种类作物确定不同的适宜航拍高度，提高冠层图片采集的适用性。

进一步限定方法中图片分析的操作步骤、无人机飞行速度、航拍拍照间隔等条件，优化航拍、分析过程，获得更精确、全面的分析、指导结果；该方法适用于小麦、玉米等作物的氮素分析与施肥指导，进一步限定对于小麦、玉米的最佳航拍时期及最佳航拍高度，更利于作物的种植指导。

同时，本发明还提供了一种无人机航拍设备，用于如上所述的无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，该所述无人机航拍设备包括具有脚架的无人机，于所述无人机的底部固定设置安装支架，还包括通过减震机构连接悬置于所述安装支架上、并置于脚架内侧的形成有开孔的安装板，以及置于所述开孔处并水平固定在安装板上的数码相机，所述无人机具有POS数据获取模块或所述数码相机连接有GPS模块。

本发明提供的无人机航拍设备，更利于上述方法中作物冠层图片的航拍，通过将数码相机水平固定在安装板，以在航拍过程保持相机稳定并对作物冠层始终进行正射采集图片，获得有效的信息；通过减震机构将固定相机的安装板与无人机的安装支架相连，最大限度地减少无人机振动对相机拍照的影响，确保图片采集的准确度和清晰度；通过无人机的POS数据获取模块或数码相机连接的GPS模块，以在航拍过程获取对应于作物冠层图片的航拍经纬度，保证后续的数据分析。

作为对上述技术方案的限定，所述安装板通过连接杆与安装支架相连，所述减震机构为抵接在连接杆与安装支架之间的减震球。

作为对上述技术方案的限定，所述安装板采用碳纤维板材质。

采用质量较轻的碳纤维板作为安装板，减少无人机额外耗电，保证飞行顺利。

作为对上述技术方案的限定，所述无人机使用多旋翼无人机，所述数码相机的分辨率达到1600万以上。

采用稳定性较高、且操控性能较好的多旋翼无人机，同时选择分辨率较高的数码相机，以提供性能更优异的无人机航拍设备。

综上所述，采用本发明的技术方案，获得的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，能够快速获取大面积的农田信息，且不受作物生长、农田环境的影响与限制，在航拍条件下得到的作物冠层图片，结合冠层图片的航拍经纬度，利用图片的色彩参数诊断作物氮素状态并推荐氮肥追肥的指标，进而形成氮素追肥的作业图，得到高精度和高可靠性的作物氮素分析及农田氮肥施用指导结果，利于氮肥的精准管理，实现更好的经济和生态效益。该方法，操作快速、简便，结果稳定、可靠，操作成本低，利于农田应用与推广，能够显著促进农田精细化耕作。本发明提供的无人机航拍设备，结构简单，更利于高效、稳定地航拍作物冠层图片。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中使用的无人机航拍设备结构示意图；

图中：1、无人机；2、脚架；3、安装支架；4、安装板；5、连接杆；6、减震球；7、数码相机；8、GPS模块。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例涉及使用无人机航拍采集作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法。

方法中使用的无人机航拍设备，如图1所示，包括带有脚架2的无人机1，所述无人机1适宜选用稳定性较高、且操控性能较好的多旋翼无人机。于所述无人机1的底部固定有安装支架3，以及与安装支架3连接的安装板4。所述安装板4悬置于安装支架3上、并置于脚架2的内侧；安装板4可通过连接杆5与安装支架3相连，并在连接杆5与安装支架3、以及连接杆5与安装板4的抵接处均设置减震机构如减震球6；安装板4也可直接通过减震机构与安装支架3连接。还包括数码相机7，所述数码相机7安放在所述安装板3上设置的开孔处，并水平固定在安装板3上；所述无人机具有POS数据获取模块或数码相机连接有GPS模块8，通过POS数据获取模块或GPS模块获取航拍经纬度。

方法按以下步骤进行：

a、航拍作物冠层图片：

对于作物的生育期，小麦的拔节期、玉米的7-10叶期，为适宜采集作物冠层图片进行作物氮素分析的航拍时期，可提供准确、全面的作物氮素营养信息；

选择在无风或微风、且晴天无云的天气进行航拍，减少风对无人机飞行的影响，避免因风导致拍摄到的照片倾斜过大，不利于后续分析；

选择在10-14点的时间段内，使用无人机航拍设备，在航拍高度为距离地面10-50米位置，保持航拍镜头正射采集作物冠层图片；综合考虑航拍高度与照片色彩参数的影响、色彩参数与小麦、玉米氮素营养的相关性，以及航拍时避开地面电线杆等障碍物的需求，确定适宜小麦的航拍高度为10米、适宜玉米的航拍高度为50米，在实际航拍时，为了保证航拍高度一致，可以利用无人机地面站先进行航线规划，根据实际情况，比如航拍密度、障碍物分布、田块长度等，合理设计航拍路线，在提高取样密度的同时，保障飞行安全；

无人机飞行速度设置为3米/秒；进行航拍的拍照间隔为(飞行高度*0.663*2*0.667*2/3/飞行速度)秒按四舍五入取整，小麦航拍的拍照间隔为2秒，玉米航拍的拍照间隔为10秒；

在上述条件下，获取作物冠层图片，以及每一张作物冠层图片的航拍经纬度，即每一张作物冠层图片在采集时刻航拍镜头所处位置的经纬度；

b、作物氮素分析及土壤施肥指导：

分析获得作物冠层图片的色彩参数，通过比值形式的色彩衍生参数，依据作物冠层图片的色彩参数与作物氮素状态的相关性，结合作物冠层图片的航拍经纬度进行处理，获得作物氮素养分的高低及其空间分布，进而形成氮素追肥的作业图，得到土壤施肥的精准指导方案；

对作物冠层图片的处理，按以下步骤进行：

(1)航拍完成后将所采集的作物冠层图片导入计算机，通过目视判读非农田照片，如道路、农田防护林等，并删除；

(2)利用Adobe Photoshop软件或PCI Geomatics软件对作物冠层图片进行处理，获得所需要的色彩参数；

对于小麦的氮素分析，为了提高色彩参数提取精度，采用下式剔除非植被像素(如土壤、落叶等)，即：

G/(R+G+B)>0.37且R/(R+G+B)<0.42且R>20

式中，R、G、B分别是冠层图像红绿蓝3个色彩通道的数值；

通过与航拍同时同步地面作物取样，利用常规作物氮素状态检测方法获得作物氮素状态，即小麦基部硝酸盐浓度与玉米叶片叶脉硝酸盐浓度，小麦冠层图像色彩参数中，VARI参数(VARI＝(G-R)/(G+R-B))与小麦基部硝酸盐浓度相关性最好，利用VARI求出小麦植株茎基部硝酸盐浓度：

硝酸盐浓度＝2.089*e^18.88*VARI

式中，e＝2.71828；该方程式相关性R²＝0.825；

依据目标产量计算获得尿素追肥量；

(3)根据地块的实际情况，将其划分成小田块，结合取样点，利用反距离插值的方法，获得每个田块的氮肥追肥量，如下表所示：

结合上表进行小麦氮肥追肥量的推荐，将POS数据获取模块或GPS模块获取的航拍经纬度信息、氮肥追肥量、农田田块划分的长宽数据绘制氮肥追肥作业图，实施精准追肥。

对于玉米的氮素分析，玉米冠层照片色彩参数中蓝光标准化值参数(B/(R+G+B))与叶片叶脉硝酸盐含量相关性最好，可用于玉米植株氮素营养状态的诊断。B/(R+G+B)指数与玉米叶片叶脉硝酸盐浓度的拟合方程如下：

硝酸盐浓度＝1.53*10³²*VARI^50.44

该方程式相关性(R²＝0.924)；

根据目标产量计算所需要的尿素施肥量(公斤/亩)，根据地块的实际情况，将其划分成小田块，结合取样点，利用反距离插值的方法，获得每个田块的氮肥追肥量，如下表所示：

结合上表进行玉米氮肥追肥的推荐，将POS数据获取模块或GPS模块获取的航拍经纬度信息、氮肥追肥量、农田田块划分的长宽数据绘制氮肥追肥作业图，实施精准追肥。

作物冠层图片中的裸地土壤、作物阴影等非作物冠层部分，因不是绿色，会对色彩参数的分析结果造成很大影响，在后续对图片的分析中，通过将非作物冠层的像素进行了剔除，只分析作物冠层图像的色彩参数，从而提高分析的准确度。在野外太阳光强弱对判断指标的影响方面，本发明采用照片红、绿、蓝色彩参数，通过比值的形式把光线强弱对色彩参数的影响去除。在对作物氮素敏感色彩参数的筛选上，选择比值形式的色彩衍生参数，同时通过与航拍同时同步地面作物取样，利用常规作物氮素状态检测方法获得作物氮素状态，然后与相关色彩衍生参数进行相关性分析，进而筛选出本方法采用的VARI(见光大气阻抗植被指数)。

综上所述，本发明的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，能够快速获取大面积的农田信息，不受作物生长、农田环境的影响与限制，在航拍条件下得到的作物冠层图片，通过分析作物冠层图像的色彩参数，结合冠层图片的航拍经纬度，利用图片的色彩参数诊断作物氮素状态并推荐氮肥追肥的指标，进而形成氮素追肥的作业图，得到高精度和高可靠性的作物氮素分析及农田氮肥施用指导结果，利于氮肥的精准管理，实现更好的经济和生态效益。该方法，操作快速、简便，结果稳定、可靠，操作成本低，利于农田应用与推广，能够显著促进农田精细化耕作。本发明提供的无人机航拍设备，结构简单，更利于高效、稳定地航拍作物冠层图片。

Claims (10)

1.一种使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、航拍作物冠层图片：选择在无风或微风、且晴天无云的天气，于10-14点的时间段内，使用无人机航拍设备，在航拍高度为距离地面10-50米位置，保持航拍镜头正射采集作物冠层图片，同时获取作物冠层图片的航拍经纬度；

所述航拍经纬度为作物冠层图片在采集时刻航拍镜头所处位置的经纬度；

b、作物氮素分析及土壤施肥指导：分析获得作物冠层图片的色彩参数，通过比值形式的色彩衍生参数，依据作物冠层图片的色彩参数与作物氮素状态的相关性，结合作物冠层图片的航拍经纬度进行处理，获得作物氮素养分的高低及其空间分布，进而形成氮素追肥的作业图，得到土壤施肥的精准指导方案。

2.根据权利要求1所述的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于，步骤b包括以下步骤：

(1)对航拍采集的作物冠层图片，通过目视判读非农田照片，并删除；

(2)利用Adobe Photoshop软件或PCI Geomatics软件对作物冠层图片进行处理，获得色彩参数，通过色彩参数指标：G/(R+G+B)>0.37且R/(R+G+B)<0.42且R>20，剔除非作物冠层像素，再依据目标产量，计算氮肥追肥量；所述R、G、B分别是红、绿、蓝3个通道的色彩参数；

(3)将航拍经纬度、氮肥追肥量、农田田块划分的长宽数据绘制氮肥追肥作业图，实施精准追肥。

3.根据权利要求1所述的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于：所述无人机的飞行速度为3-5米/秒；所述航拍的拍照间隔为(飞行高度*0.663*2*0.667*2/3/飞行速度)秒按四舍五入取整。

4.根据权利要求1所述的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于：所述作物为小麦、玉米。

5.根据权利要求4所述的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于：小麦的航拍时期为拔节期；玉米的航拍时期为7-10叶期。

6.根据权利要求4所述的使用无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于：小麦的航拍高度为10米；玉米的航拍高度为50米。

7.一种无人机航拍设备，用于如权利要求1-6中任一项所述的无人机航拍作物冠层图片进行作物氮素分析及土壤施肥指导的方法，其特征在于：所述无人机航拍设备包括具有脚架的无人机，于所述无人机的底部固定设置安装支架，还包括通过减震机构连接悬置于所述安装支架上、并置于脚架内侧的形成有开孔的安装板，以及置于所述开孔处并水平固定在安装板上的数码相机，所述无人机具有POS数据获取模块或所述数码相机连接有GPS模块。

8.根据权利要求7所述的无人机航拍设备，其特征在于：所述安装板通过连接杆与安装支架相连，所述减震机构为抵接在连接杆与安装支架之间的减震球。

9.根据权利要求7所述的无人机航拍设备，其特征在于：所述安装板采用碳纤维板材质。

10.根据权利要求7所述的无人机航拍设备，其特征在于：所述无人机使用多旋翼无人机，所述数码相机的分辨率达到1600万以上。