一种基于作物长势传感器的变量施肥方法及装置

本发明涉及农业追肥，尤其涉及一种基于作物长势传感器的变量施肥方法及装置。

背景技术：

1、对农田科学合理地施用肥料，已成为现代农业可持续发展的必要措施和亟待解决的问题，从而作为现代精准农业重要组成部分的变量施肥技术成为现代农机装备领域研究的重点内容。

2、变量施肥技术通过实时获取作物长势和养分含量的空间变异信息，并将此作为按需变量投入的出发点和依据，结合适宜的目标作物氮肥优化模型，通过智能机械装备在田块内定点按需按量的进行精细化土肥管理，提高肥料利用效率，防止生态恶化，获得最高作物产量和最佳经济效益。

3、目前，对农田实施的变量施肥技术主要集中在如下两个方面，其中一方面为，基于遥感平台测量的田块数据发送至专家决策系统分析后生成处方图并下载至变量施肥机具实现施肥量的调节，达到变量施肥的目标，而这种施肥方式长势信息监测精确度不及实时监测，并且由于处方图及卫星数据处理过程导致时效性不足。另一方面为，基于在线测量的土壤配方或光谱信息进行变量施肥，但是，土壤配方这种方式存在操作繁琐、技术难度大等问题，并没有综合考虑到作物当前的长势情况，以进行相应的施肥需求的调整，从而并未实现大范围的推广应用；

4、由此可见，现有的对农田实施的变量施肥方式均存在一定的片面性，难以准确且全面地获取与变量施肥相关的信息，导致不能精准地进行实时变量施肥，达不到相应的施肥效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于作物长势传感器的变量施肥方法及装置，用以解决传统变量施肥方法存在施肥处方片面性、缺乏时效性以及难以准确、全面且及时地获取与变量施肥所需相关信息的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种基于作物长势传感器的变量施肥方法，其包括以下步骤：

4、步骤1：在小麦生育期取样，获取小麦植株氮积累量数据以及植株生物量数据；

5、步骤2：在小麦生育时期获取小麦冠层特定光谱反射率数据；

6、步骤3：根据小麦冠层特定光谱反射率数据构建归一化植被指数ndvi；

7、步骤4：将小麦各生育期的归一化植被指数ndvi与对应生育时期植株氮积累量pna数据进行相关性分析，构建基于ndvi的植株氮积累量pna监测模型，并通过决定系数r2和相对均方根误差rrmse来评价模型的表现；

8、步骤5：将小麦各生育期的归一化植被指数ndvi与对应生育时期植株生物量pdm数据进行相关性分析，构建基于ndvi的植株生物量pdm监测模型，并通过决定系数r2和相对均方根误差rrmse来评价模型的表现；

9、步骤6：根据步骤5中构建的植株生物量pdm监测模型，构建临界植株氮积累量pnac监测模型；

10、步骤7：根据步骤4和步骤6中构建的植株氮积累量pna监测模型和临界植株氮积累量pnac监测模型，依据氮肥优化算法nfoa计算追肥量nr；

11、步骤8：根据步骤7生成的追肥量预测模型，录入变量施肥控制系统，基于作物长势传感器的变量施肥装置在预设区块田间施肥作业时，根据作物生长监测诊断仪监测的光谱值，经变量施肥控制系统计算生成当前区块追肥量调节；

12、步骤9：利用作物生长监测诊断仪获取与预设区域相应的当前区块内作物的实时长势信息，并基于追肥量预测模型，计算得出当前区块追肥量；

13、步骤10：基于步骤9得出的当前区块追肥量，结合施肥装置的作业位置和行驶速度，通过控制施肥装置的肥量调节盘，在田间完成精确施肥操作。

14、进一步的，所述步骤3中构建的归一化植被指数ndvi，公式如下：

15、

16、其中，red和nir分别代表730nm和815nm波段处的反射率。

17、进一步的，所述步骤4中，采用指数函数模型构建基于ndvi的植株氮积累量pna监测模型，构建的植株氮积累量pna监测模型结构为：

18、pna＝a+b×ec×ndre

19、其中，a、b、c皆为模型特征系数；

20、所述步骤4中，决定系数r2和相对均方根误差rrmse的计算公式为：

21、

22、

23、其中，m和n分别是预测值和实测值，和分别是平均预测值和实测值，k是样品数目。

24、进一步的，所述步骤5中的植株生物量pdm监测模型结构为：

25、pdm＝a+b×ec×ndre

26、其中，a、b、c皆为模型特征系数；

27、决定系数r2和相对均方根误差rrmse的计算公式为：

28、

29、

30、其中，m和n分别是预测值和实测值，和分别是平均预测值和实测值，k是样品数目。

31、进一步的，所述步骤6中的临界植株氮积累量pnac监测模型结构为：

32、nc＝4.17×pdm-0.39

33、pnac＝nc×pdm

34、其中，nc为临界植株氮浓度；pdm为步骤5构建的植株生物量监测模型。

35、进一步的，所述步骤7中追肥量nr计算公式如下：

36、and＝pnac-pna

37、nr＝nlocal+and/nue

38、其中，and为实时累积氮亏缺量；pnac为根据步骤6构建的临界植株氮积累量pnac监测模型计算的待调控田块的实时植株临界氮积累量；pna为根据步骤4构建的植株氮积累量pna监测模型计算的待调控田块的实时植株氮含量；nlocal为作物适宜氮素状态下追氮量；nue为小麦平均氮肥利用率。

39、进一步的，所述方法还包括：步骤11，将所述施肥装置的作业位置和行驶速度及进行变量施肥的施肥参数实时存储并上传至云服务器。

40、另一方面，本发明还提供一种基于作物长势传感器的变量施肥装置，该变量施肥装置包括作物生长信息采集系统、变量撒肥系统和行走系统，其中：

41、所述作物生长信息采集系统由作物生长监测诊断仪组成，用于采集作物冠层的归一化植被指数信息；

42、所述变量撒肥系统通信连接所述作物生长信息采集系统，其接收作物生长信息采集系统和行走系统所处位置，并根据数据进行分析和计算，以确定当前位置所需的实时追肥施氮量，并且其还负责控制变量撒肥系统的操作，包括调节排肥流量以实现作物的实时变量施肥；

43、所述行走系统上安装所述作物生长信息采集系统和变量撒肥系统，用于实现整个装置的移动。

44、进一步的，所述作物生长监测诊断仪安装在传感器支架上，传感器支架安装于行走系统的前端，在传感器支架上设置有减震器，以降低行走机构在运动过程中振动对作物生长信息采集系统带来的影响，提高作物长势监测精度；所述作物生长信息采集系统包括多个并排布置的作物长势监测传感器。

45、进一步的，所述变量撒肥系统设置在行走系统的后端，其包括肥料箱、肥量控制机构和撒肥机构；所述肥料箱的底部设有出料口，所述肥量控制机构用于控制肥量调节盘以调节出料口的开度，所述撒肥机构设在出料口位置。

46、更进一步的，所述肥量控制机构包括减速换向器、齿轮、步进电机和肥量调节盘，所述减速换向器安装在支承架上，所述齿轮安装在减速换向器的输出轴上，并且其与肥量调节盘的圆周齿轮啮合，所述肥量调节盘安装在和排肥口对应的轴承座上，通过控制系统驱动步进电机经过减速换向器和齿轮使得肥量调节盘以轴承座进行正反旋转，所述肥量调节盘在不同的旋转位置对应不同的肥料箱底部出料口的开度从而控制排肥量。

47、更进一步的，所述撒肥机构包括旋转驱动机构和离心撒肥盘，所述旋转驱动机构连接所述离心撒肥盘，离心撒肥盘会旋转驱动机构的驱动下作高速旋转运动，当肥料从肥料箱落下至离心撒肥盘上时，离心撒肥盘在高速旋转时的离心力的作用下，带动肥料进行径向抛撒。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果是：。

49、在对田间作物进行变量施肥时，通过作物生长监测诊断仪获取预设区域内作物的长势信息，可将作物的长势信息与相应预设区域内作物的实时监测信息结合追肥模型计算，获取能够反映预设区域所需施肥量的推荐施肥量，进而控制系统可基于推荐施肥量，并结合施肥装置的作业位置和行驶速度，控制变量撒肥系统对作物进行实时变量施肥。

50、由上可知，本发明的变量施肥方式在进行施肥时，综合考虑到田间的土壤肥力分布和作物当前的长势情况，从而基于整个田间的总施肥量分布，根据田间不同区块的苗情信息进行施肥量的精细控制，实现了“缺氮”多施肥和“过量、适量氮肥”不施肥、少施肥，在保证作物长势均匀下充分发挥肥料的效率。