一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法，包括用无人机下端图像传感器对测量区域进行图像拍摄，拍摄后的图像信息由无人机上的图像发射器发射无线图像信号，图像接收器获取图像信号并将图像信号输入至计算机系统，将获取的农田图像变成灰度图像；设置残膜的灰度区分阀值，进行残膜图像分割，将图像进行二值化处理；通过闭合运算与腐蚀运算，将二值化后的残膜形状灰度值进行量化统计相加，最终得出测量区域农田表面的残膜残留量的量化值。结果表明，与人工测量方法相比，图像识别方法的误差度均值为4.82％，测量精度一致性较好，对于农业污染的田间数据，完全满足测量精度。本发明专利技术还公开了一种农田土壤表层残膜残留量的测量系统，所述测量系统包括无人机，图像传感器，图像发射器，图像接收器和计算机。

Method and system for measuring residual amount of residual film on farmland soil surface

The invention discloses a method for measuring the residual amount of a soil surface film, including images of measurement area for UAV at the lower end of the image sensor, shooting image information by non image transmission on wireless transmitter UAV image signal, the image receiver to get the image signal and the image signal is input to the computer system of farmland the image into a grayscale image; gray film set threshold segmentation to distinguish, residual film image, the image binarization processing; through the closed operation and corrosion operation, the binarization after the film shape gray value of quantitative statistics together, finally obtains the residual film measurement of regional farmland surface residues quantitative value. The results show that compared with the manual measurement method, the average error degree of the image recognition method is 4.82%, and the measurement accuracy is consistent. The field data for agricultural pollution fully satisfy the measurement accuracy. The invention also discloses a measuring system for residual amount of residual film on the surface of farmland soil, comprising a drone, an image sensor, an image emitter, an image receiver and a computer.

【技术实现步骤摘要】
一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法及系统
本专利技术属于图像识别与测量
，主要涉及平作区农田残膜污染物在农田中残留量的计算机图像识别测量的方法和系统。
技术介绍
随着地膜技术的不断应用与推广，残膜污染问题日益严重，尤其是新疆、东北等主要的覆膜播种区域，残膜污染问题已经影响到了当地农业的可持续发展问题，根据农业部测算，新疆平作区部份地区农田残膜残留量已经达到了250～300kg/hm2，残膜污染问题已经成了一个急需解决的重大难题。为了解决或降低残膜污染的问题，现有技术中的一种思路是使残膜更容易回收，如文献1公开了一种易回收环保地膜及制备方法，这种思路增加了地膜的制造成本；文献2公开了便于回收的地膜，该地膜使用起来很繁琐。还有一种思路是用专用工具来清除残膜，如文献3公开了地膜清除工具，文献4公开了一种残留地膜回收机等。但是，不同地膜残留量所需清除方式也不同，特别是较大面积的农田，不同地块的农膜残留情况需要首先预估农膜残留量。残膜污染问题的解决首先需要进行对当地地块残膜残留量的测算，用测算后的残膜残留量值来衡量当地农田残膜污染情况。目前在测算方法上，主要采用以对角线法、梅花点法、棋盘点法和蛇形线法等田间野外采样法，人工将1m×1m的正方形的田间样块中取出耕层土壤，将土壤中的残膜数量进行人工筛选，最后统计1m×1m样块中的残膜残留量，以此来测算当地区的每公顷残膜残留量。目前，这种人工采样的方法进度较慢，无法进行大面积农田残膜残留量的快速计算；大面积的测算需要大量的人力物力费用，浪费了较多的调研时间；且由于不同地块的种植信息不同，统计后的残膜残留量数据存在一定的误差，影响了计算精度。文献5公开了一种耕层土壤中地膜残留污染系数监测方法，该本专利技术涉及一种耕层土壤中地膜残留污染系数监测方法，该具体过程为：步骤a，选取采样点进行采样；步骤b，样品检测与处理；步骤b1，样品粗拣，去除土块、湿土；步骤b2，样品细拣；步骤b3，残膜片数统计；步骤b4，残膜质量统计；步骤b6，残膜漂洗；步骤b7，残膜烘干；步骤b8，再次细拣；步骤b9，残膜恒重；步骤c，地膜残留污染系数的计算；步骤c1，残留量的计算；步骤c2，残留污染系数的计算。该专利技术通过选择典型的具有代表性覆盖过地膜的农田，对其调查检测，获取土壤地膜残留量，计算地膜残留系数，摸清地膜在土壤中的残留数量，准确评价地膜污染程度。该方法的操作步骤繁琐，属于人工测算残膜污染数据的范畴，至少有如下问题：(1)人工测量的工作量过大，仅适用于小区域的实验测定，对于一个省级区域或国家级区域测量，工作量过大。(2)工作步骤过多，操作细节过多容易产生数据误差，影响测量精度。(3)对于大面积测量，测量工作量较大，不能实现同一时间段的数据测量，土壤中残膜通过时空迁移产生了变化，因此，测量的数据没有考虑残膜随土壤耕作时间的变化影响。参考文献文献1：CN105367887。文献2：CN102919087。文献3：CN204681800U。文献4：CN204518352U。文献5：CN104007039。文献6：牛瑞坤,王旭峰,胡灿,侯书林,鲁兵,李俊宝.新疆阿克苏地区棉田残膜污染现状分析[J].新疆农业科学,2016,02:283-288。文献7：严昌荣，梅旭荣，何文清，等.农用地膜残留污染的现状与防治[J].农业工程学报，2006，22(11):269－272。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的农田残膜污染田间测量技术中存在测量难度大，可测范围小，人力成本高等问题，应用图像分析技术与数学计算分析方法，提出一种对春耕后平作区农田残膜残留量的自动测量计算分析装置及方法。本专利技术提供了一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法，包括如下步骤：步骤1，农田表面残膜残留量图像信息的获取；步骤2，农田表面残膜残留量图像信息的预处理；步骤3，农田表面残膜残留量的统计测量；步骤4，根据表层残膜残留量信息进行数学分析计算，统计表层残膜与耕层残膜之间的数值关系，计算出耕层残膜的残膜残留量。在有些实施方案中，步骤1中：图像获取由无人机完成，用所述无人机下端图像传感器对测量区域进行图像拍摄，拍摄后的图像信息由所述无人机上的图像发射器发射无线图像信号，图像接收器获取图像信号并将图像信号输入至计算机。在有些实施方案中，当所述计算机发出测量信号时，所述无人机自动设定所述图像传感器焦距为2.5倍焦距，标准镜头的视角50度，所述无人机上升，使所述图像传感器离农田拍摄高度为5米，当检测光强信号光照度大于1000lux时，以大于600万像素将所述图像传感器与农田表面进行垂直拍摄，拍摄后图像信息传输至所述计算机。在有些实施方案中，步骤1中：图像获取由人造卫星完成，用所述人造卫星下端图像传感器对测量区域进行图像拍摄，拍摄后的图像信息由所述卫星上的图像发射器发射无线图像信号，图像接收器获取图像信号并将图像信号输入至计算机。在有些实施方案中，步骤2中，将获取的农田图像变成灰度图像；设置残膜的灰度区分阀值，设置阀值I＝0.4，以此标准进行残膜图像分割，将图像进行二值化处理；通过闭合运算与腐蚀运算，将二值化后的残膜形状灰度值进行量化统计相加，根据换算公式：R0＝(Q/1000)*1.04，最终得出测量区域农田表面的残膜残留量的量化值，其中，R0为农田表面残膜残留量的测量值，单位为克，Q为图像残膜形状量化值，1.04为经验常数。在有些实施方案中，步骤3中，根据土壤表层农膜与土壤总农膜质量的比例关系，通过土壤表层残膜的图像数据推算土壤中整体农膜残留量。在有些实施方案中，步骤4中，根据所采集图像的田间地块大小，通过土壤表层残膜残留量的统计值，依照下面的计算数学模型进行地块残膜残留量的判断：R＝(6.25×R0)δ，其中，δ为春耕播种时的整地后残膜与土壤均匀度系数，沙土取1.02，壤土取1.05；R为测量地块的残膜残留量，单位为克。本专利技术还提供了一种用于实现上所述的农田土壤表层残膜残留量的测量方法的农田土壤表层残膜残留量的测量系统，所述测量系统包括无人机或人造卫星，图像传感器，图像发射器，图像接收器和计算机。结果表明，与人工测量方法相比，图像识别方法的误差度均值为4.82％，测量精度一致性较好，对于农业污染的田间数据，完全满足测量精度。附图说明图1为残膜残留量的测量装置示意图，其中，1代表图像获取无人机；2代表测量区域；3代表图像接收器；4代表农田；图2示出了获取的农田残膜照片；图3为农田残膜图像自识别程序流程图；图4示出了农田表层土壤残膜残留量的二值化处理图片；图5示出了农田表层土壤残膜残留量的二值化处理图片，其中a是b的二值化结果；图6示出了残膜图像处理流程；图7示出了人工测量实验流程图。具体实施方式为了更好的解释本专利技术的技术方案，下面结合附图详细介绍本专利技术的各个实施例。一、本专利技术核心构思一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法，如图1所示，其中，图像获取由无人机完成，当无人机下端图像传感器离农田拍摄高度为5米时，对测量区域进行图像拍摄，拍摄后的图像信息由无人机上的图像发射器发射无线图像信号，图像接收器3获取图像信号并将图像信号输入至计算机系统进行图像处理，当计算出测量区的残膜污染数据时，完成整个过程。其中图像处理流程如图3所示，主要流程为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，农田表面残膜残留量图像信息的获取；步骤2，农田表面残膜残留量图像信息的预处理；步骤3，农田表面残膜残留量的统计测量；步骤4，根据表层残膜残留量信息进行数学分析计算，统计表层残膜与耕层残膜之间的数值关系，计算出耕层残膜的残膜残留量。

【技术特征摘要】
1.一种农田土壤表层残膜残留量的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，农田表面残膜残留量图像信息的获取；步骤2，农田表面残膜残留量图像信息的预处理；步骤3，农田表面残膜残留量的统计测量；步骤4，根据表层残膜残留量信息进行数学分析计算，统计表层残膜与耕层残膜之间的数值关系，计算出耕层残膜的残膜残留量。2.如权利要求1所述的农田土壤表层残膜残留量的测量方法，其特征在于，步骤1中：图像获取由无人机完成，用所述无人机下端图像传感器对测量区域进行图像拍摄，拍摄后的图像信息由所述无人机上的图像发射器发射无线图像信号，图像接收器获取图像信号并将图像信号输入至计算机。3.如权利要求2所述的农田土壤表层残膜残留量的测量方法，其特征在于，当所述计算机发出测量信号时，所述无人机自动设定所述图像传感器焦距为2.5倍焦距，标准镜头的视角50度，所述无人机上升，使所述图像传感器离农田拍摄高度为5米，当检测光强信号光照度大于1000lux时，以大于600万像素将所述图像传感器与农田表面进行垂直拍摄，拍摄后图像信息传输至所述计算机。4.如权利要求1所述的农田土壤表层残膜残留量的测量方法，其特征在于，步骤1中：图像获取由人造卫星完成，用所述人造卫星下端图像传感器对测量区域进行图像拍摄，拍摄后的图像信息由所述卫星上的图像发射器发射无线图像信号，图像接收器获取图像信号并将图像信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡灿，王旭峰，鲁兵，张攀峰，刘超吉，王龙，
申请(专利权)人：塔里木大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65