基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法及系统

本发明涉及农业遥感，特别是基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法及系统。

背景技术：

1、水稻追肥决策通常结合田间长势监测、植株氮营养诊断与变量施肥技术开展。现有方法可利用无人机搭载可见光或多光谱传感器获取冠层影像，通过植被指数、冠层覆盖度、株高及叶绿素相关特征表征水稻群体生长状态，再结合生育阶段、目标产量或经验阈值确定追肥区域与追肥量，并生成空间化施肥处方，为稻田精准养分管理提供依据。

2、现有方法在连续群体变化判定中仍主要侧重某一时刻或相邻时刻的数量、光谱及长势差异，难以区分净消长相近但内部新增与消退同步程度不同的群体状态；同时，当群体由扩增转入衰减时，单独依据冠层氮营养下降或分蘖减少进行判断，难以进一步区分自然收敛与仍具有恢复潜力的氮限制型衰减，进而影响追肥对象和追肥强度的判定。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法解决现有技术难以准确区分水稻群体真实消长状态及衰减驱动类型的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法，其包括：

5、采集无人机巡田影像数据，对不同观测时刻的水稻群体空间位置进行统一配准并按照固定群体评价单元完成跨时刻对齐，生成稻田群体时序观测体；

6、读取稻田群体时序观测体，追踪同一固定群体评价单元内水稻群体的跨时刻延续关系，并识别水稻分蘖的真实新增和有效消退，同时排除遮挡形成的伪消退，生成群体消长关联链；

7、对群体消长关联链中的新增与消退过程进行同步追踪，通过水稻分蘖的净消长变化与群体周转状态识别群体扩增向平衡及衰减转变的动态过程，生成群体动态消长速率图；

8、利用群体动态消长速率图对齐冠层氮营养变化时序，依据消长转折与冠层氮营养状态下降的先后关系区分自然收敛和可恢复的氮限制型衰减，形成群体消长驱动判定图；

9、依据群体消长驱动判定图筛选具有恢复潜力的氮限制区域，并结合水稻群体的分蘖扩增不足程度与分蘖衰减趋势确定追肥优先级和追肥强度，形成水稻追肥决策处方图。

10、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中：所述无人机巡田影像数据包括水稻分蘖空间位置、冠层边界、冠层覆盖范围、冠层高度、红光反射率、红边反射率、近红外反射率以及对应采集时刻和地理坐标。

11、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述对不同观测时刻的水稻群体空间位置进行统一配准并按照固定群体评价单元完成跨时刻对齐，生成稻田群体时序观测体，步骤如下：

12、将各观测时刻的无人机巡田影像数据转换至统一地理坐标基准，并依据地理坐标信息校正不同架次无人机巡田影像之间的整体位置偏移；

13、以首个有效观测时刻的无人机巡田影像作为空间基准，对后续无人机巡田影像数据中的水稻群体边界及稳定地面特征进行匹配，修正同一空间位置在不同观测时刻产生的局部配准偏差；

14、按照统一配准后的目标稻田空间范围划分固定群体评价单元，并为各固定群体评价单元建立保持不变的空间边界和位置标识；

15、依据固定群体评价单元的位置标识提取各观测时刻对应范围内的水稻群体观测信息，并按照采集时刻建立连续对应关系，生成稻田群体时序观测体。

16、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述追踪同一固定群体评价单元内水稻群体的跨时刻延续关系，步骤如下：

17、读取稻田群体时序观测体，按照固定群体评价单元的位置标识提取各观测时刻对应的水稻群体观测信息，并按照采集时刻形成连续观测序列；

18、对同一固定群体评价单元内相邻观测时刻的水稻群体观测信息进行空间对应，依据水稻分蘖空间位置的连续变化确定水稻群体的跨时刻延续关系。

19、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述别水稻分蘖的真实新增和有效消退，同时排除遮挡形成的伪消退，生成群体消长关联链，步骤如下：

20、基于水稻群体的跨时刻延续关系，将前一观测时刻未出现且后一观测时刻新出现并在后续观测中持续存在的水稻分蘖确定为真实新增的水稻分蘖；

21、对前一观测时刻存在而后续观测时刻持续缺失的水稻分蘖进行回溯，并排除因相邻水稻分蘖空间覆盖造成的伪消退确定为有效消退的水稻分蘖；

22、将水稻分蘖的真实新增和有效消退按照发生时刻与对应固定群体评价单元进行关联，形成群体消长关联链。

23、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述通过水稻分蘖的净消长变化与群体周转状态识别群体扩增向平衡及衰减转变的动态过程，生成群体动态消长速率图，步骤如下：

24、基于群体消长关联链，同步提取各固定群体评价单元内真实新增的水稻分蘖和有效消退的水稻分蘖，形成连续消长序列；

25、对连续消长序列中真实新增的水稻分蘖与有效消退的水稻分蘖进行同期比较，根据两者的相对变化确定各固定群体评价单元的水稻分蘖净消长变化；

26、基于水稻分蘖净消长变化，比较同一观测周期内真实新增与有效消退的同步变化幅度，识别新增与消退同时发生的周转程度，区分净消长相近但内部更替程度不同的群体状态，生成群体周转状态；

27、连续追踪水稻分蘖净消长变化与群体周转状态的共同变化，识别水稻群体的分蘖消长状态由持续扩增转入高周转平衡后又转为持续衰减的动态过程，并确定消长转折位置；

28、将各固定群体评价单元的水稻分蘖净消长变化按照相邻观测时刻的时间间隔转换为消长速率，并与群体周转状态及群体消长转折位置按照位置标识进行关联映射，生成群体动态消长速率图。

29、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述依据消长转折与冠层氮营养状态下降的先后关系区分自然收敛和可恢复的氮限制型衰减，形成群体消长驱动判定图，步骤如下：

30、读取群体动态消长速率图，按照观测时刻连续追踪各固定群体评价单元的消长速率与群体周转状态变化，并识别水稻群体分蘖消长发生转折的时刻，形成群体消长变化时序；

31、从稻田群体时序观测体中提取对应固定群体评价单元的红光反射率、红边反射率及近红外反射率，识别各观测时刻的冠层氮营养状态并生成冠层氮营养变化时序；

32、将群体消长变化时序与冠层氮营养变化时序按照相同固定群体评价单元及观测时刻进行对齐，获得群体消长转折与冠层氮营养状态下降之间的时间对应关系；

33、比较群体消长转折与冠层氮营养状态下降的发生先后，当群体消长转折先于冠层氮营养状态下降时判定为自然收敛，当冠层氮营养状态下降先于群体消长转折且水稻分蘖仍保持新增时判定为可恢复的氮限制型衰减；

34、将各固定群体评价单元的自然收敛及可恢复的氮限制型衰减状态与对应群体消长转折位置进行关联映射，形成群体消长驱动判定图。

35、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述依据群体消长驱动判定图筛选具有恢复潜力的氮限制区域，并结合水稻群体的分蘖扩增不足程度与分蘖衰减趋势确定追肥优先级和追肥强度，步骤如下：

36、基于群体消长驱动判定图，筛选具有恢复潜力的氮限制区域，将具有恢复潜力的氮限制区域内当前水稻分蘖数量与预设分蘖扩增基准进行比较，依据未达到预设分蘖扩增基准的差距表征水稻群体的分蘖扩增不足程度；

37、连续比较具有恢复潜力的氮限制区域在多个观测时刻的消长速率变化，依据分蘖由缓慢增长转向持续减少的变化程度表征水稻群体的分蘖衰减趋势；

38、结合水稻群体的分蘖扩增不足程度与分蘖衰减趋势，对具有恢复潜力的氮限制区域进行追肥需求排序，并按照扩增不足加深和衰减加快的变化确定对应追肥优先级与追肥强度。

39、作为本发明所述基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策方法的一种优选方案，其中，所述水稻追肥决策处方图是通过将各固定群体评价单元的追肥优先级和追肥强度按照目标稻田空间位置进行映射形成的。

40、第二方面，本发明提供了一种基于无人机群体动态消长速率的水稻追肥决策系统，包括：时序观测模块，采集无人机巡田影像数据，对不同观测时刻的水稻群体空间位置进行统一配准并按照固定群体评价单元完成跨时刻对齐，生成稻田群体时序观测体；

41、消长关联模块，读取稻田群体时序观测体，追踪同一固定群体评价单元内水稻群体的跨时刻延续关系，并识别水稻分蘖的真实新增和有效消退，同时排除遮挡形成的伪消退，生成群体消长关联链；

42、消长速率模块，对群体消长关联链中的新增与消退过程进行同步追踪，通过水稻分蘖的净消长变化与群体周转状态识别群体扩增向平衡及衰减转变的动态过程，生成群体动态消长速率图；

43、消长驱动判定模块，利用群体动态消长速率图对齐冠层氮营养变化时序，依据消长转折与冠层氮营养状态下降的先后关系区分自然收敛和可恢复的氮限制型衰减，形成群体消长驱动判定图；

44、追肥决策模块，依据群体消长驱动判定图筛选具有恢复潜力的氮限制区域，并结合水稻群体的分蘖扩增不足程度与分蘖衰减趋势确定追肥优先级和追肥强度，形成水稻追肥决策处方图。

45、本发明有益效果为：通过对群体消长关联链中的真实新增与有效消退进行同步追踪，结合水稻分蘖净消长变化与群体周转状态识别扩增、平衡及衰减过程，生成群体动态消长速率图，实现对水稻群体内部更替及消长转折的连续表征；通过对齐群体消长变化时序与冠层氮营养变化时序，依据消长转折与冠层氮营养状态下降的先后关系区分自然收敛和可恢复的氮限制型衰减，形成群体消长驱动判定图，并据此确定追肥优先级和追肥强度，从而提高水稻追肥决策的针对性与合理性。