《水稻無(wú)人飛機(jī)遙感精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)規(guī)程》（征求意見(jiàn)）

1T/CATEAXXX—2024水稻無(wú)人飛機(jī)遙感精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)規(guī)程本文件規(guī)定了水稻無(wú)人飛機(jī)遙感精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)的術(shù)語(yǔ)和定義、基本要求、作業(yè)前要求、作業(yè)時(shí)要求、作業(yè)后要求、服務(wù)評(píng)估。本文件適用于從事利用無(wú)人飛機(jī)開(kāi)展水稻田間變量施肥作業(yè)的管理。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。NY/T4151農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)影像預(yù)處理技術(shù)規(guī)范DB36/T1924.1無(wú)人機(jī)影像采集及應(yīng)用技術(shù)規(guī)程第1部分：水稻DB3210/T1074-2020.水稻長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程QX/T474衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則水稻長(zhǎng)勢(shì)3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T33988-2017、GB/T36540-2018界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1水稻冠層ricecanopy水稻冠層是指水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的上部葉片和莖的集合體。它是水稻的主要光合作用部位，影響光照、溫度和水分的分布，對(duì)水稻的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量有重要影響。冠層的結(jié)構(gòu)和密度決定了光的透射和反射特性，進(jìn)而影響水稻的生長(zhǎng)環(huán)境和生理過(guò)程。3.2水稻冠層光譜反射率canopyspectralreflectivityofrice水稻冠層光譜反射率是指水稻冠層對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的反射能力，通常以反射率百分比表示。它反映了冠層對(duì)光的吸收、散射和反射特性，受葉片結(jié)構(gòu)、光譜特性和環(huán)境因素影響。3.3矢柵轉(zhuǎn)換vectorgridconversion矢柵轉(zhuǎn)換是指在地理信息系統(tǒng)（GIS）中，將矢量面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)（像素網(wǎng)格）。矢量數(shù)據(jù)以幾何形狀表示地理特征，而柵格數(shù)據(jù)則用網(wǎng)格單元表示空間信息。此轉(zhuǎn)換用于制作施肥處方圖。3.4施肥變量地塊fertilizervariableplot施肥變量地塊指的是根據(jù)施肥處方圖劃分的不同施肥區(qū)域。如果某個(gè)變量區(qū)域?yàn)?畝，則該施肥變量地塊的面積也為1畝，即每畝地對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的施肥量。3.5GeoTIFFGeoTIFF是一種地理信息系統(tǒng)（GIS）中常用的圖像文件格式，擴(kuò)展名通常為.tif或.tiff。它在標(biāo)準(zhǔn)TIFF格式的基礎(chǔ)上，添加了地理空間元數(shù)據(jù)，使得圖像能夠與地圖坐標(biāo)系統(tǒng)相結(jié)合。GeoTIFF文件可以存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)，并包含地理信息，如投影、坐標(biāo)系統(tǒng)和分辨率，便于在GIS軟件中進(jìn)行空間分析和可視化。3.6氮素反演nitrogeninversion2T/CATEAXXX—2024氮素反演是指通過(guò)遙感技術(shù)、模型分析，從觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取水稻中氮素含量的信息。該過(guò)程通常利用光譜數(shù)據(jù)、植被指數(shù)或其他相關(guān)參數(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，估算作物的氮素狀態(tài)。3.7水稻生長(zhǎng)模型ricegrowthmodel水稻生長(zhǎng)模型是用于模擬和預(yù)測(cè)水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，模型考慮了氣候條件、土壤特性、水分和養(yǎng)分供應(yīng)等因素。4測(cè)量環(huán)境4.1測(cè)量環(huán)境農(nóng)作物光譜反射率測(cè)量對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求如下：a)測(cè)量時(shí)應(yīng)以自然太陽(yáng)光為光源，測(cè)量時(shí)應(yīng)保證太陽(yáng)有足夠的高度角，太陽(yáng)天頂角應(yīng)不大于50°,一般在當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:00～15:00時(shí)段為宜；若為衛(wèi)星過(guò)境同步實(shí)驗(yàn)，測(cè)量時(shí)間根據(jù)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間確定；b)應(yīng)選擇無(wú)雨、天氣晴好、光照穩(wěn)定的日期開(kāi)展測(cè)量，能見(jiàn)度宜優(yōu)于10km；c)風(fēng)力應(yīng)不超過(guò)3級(jí)；太陽(yáng)周圍90°立體角范圍內(nèi)淡積云量小于2%，無(wú)卷云和濃積云等；d)光譜測(cè)量?jī)x、被測(cè)目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)參考板應(yīng)處于相同環(huán)境中。4.2測(cè)量工作人員農(nóng)作物光譜測(cè)量對(duì)工作人員的要求按照GB/T33988-2017和GB/T36540-2018中對(duì)工作人員的要求執(zhí)a）工作人員應(yīng)著暗色弱反射衣物，避免穿戴白色、亮紅色、黃色、綠色、藍(lán)色的衣帽；b）站位應(yīng)避免影響光譜測(cè)量?jī)x與地物目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)參考板之間的通視，測(cè)量時(shí)工作人員應(yīng)面向陽(yáng)光，避免工作人員在地物目標(biāo)及參考板上產(chǎn)生陰影或?qū)ζ浞瓷渎试斐捎绊懀籧）轉(zhuǎn)向新的觀測(cè)目標(biāo)區(qū)時(shí)，觀測(cè)組全體成員應(yīng)面向太陽(yáng)接近目標(biāo)區(qū)，應(yīng)杜絕踐踏觀測(cè)區(qū)，測(cè)試結(jié)束后應(yīng)沿進(jìn)場(chǎng)路線退出目標(biāo)區(qū)；d）若在炎熱天氣條件下長(zhǎng)時(shí)間使用非便攜式光譜測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，為了保障人員安全，應(yīng)確保至少2人交替開(kāi)展工作。4.3測(cè)量設(shè)備4.3.1高光譜測(cè)量?jī)x高光譜測(cè)量?jī)x應(yīng)性能穩(wěn)定、易操作；測(cè)量波長(zhǎng)范圍包含380nm～2500nm，其中，380nm～1050nm波段光譜分辨率不低于5nm；1050nm～2500nm波段光譜分辨率不低于10nm，測(cè)量波長(zhǎng)精度不低于0.5nm；應(yīng)保證能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間野外使用要求的電池容量與數(shù)量（不少于兩組）。光譜測(cè)量?jī)x應(yīng)有能配套使用的葉片光譜測(cè)量配件（葉片夾、積分球）。對(duì)光譜測(cè)量?jī)x定標(biāo)的要求應(yīng)按GB/T33988-2017執(zhí)行。4.3.2氣象站氣象站應(yīng)性能穩(wěn)定、易于操作，以確保對(duì)田間光照、溫度、濕度以及降雨量等關(guān)鍵氣象參數(shù)的精確監(jiān)測(cè)。還應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性和抗干擾性以確保它們能夠適應(yīng)各種天氣條件，包括高溫、低溫、強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)降水等，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3.3無(wú)人機(jī)（航測(cè)無(wú)人機(jī)）航測(cè)無(wú)人機(jī)應(yīng)具備穩(wěn)定的性能和簡(jiǎn)便的操作方式，以確保數(shù)據(jù)采集的可靠性和方便非專業(yè)人員使用。其飛行平臺(tái)應(yīng)搭載必要的航空電子設(shè)備和傳感器以及高分辨率的數(shù)碼相機(jī)等任務(wù)載荷，以滿足不同波段的光譜分辨率要求。在飛行性能方面，航測(cè)無(wú)人機(jī)的航程、飛行高度、飛行速度等參數(shù)應(yīng)滿足特定攝影3T/CATEAXXX—2024任務(wù)的需求，以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集。此外，無(wú)人機(jī)的電池續(xù)航能力應(yīng)滿足長(zhǎng)時(shí)間野外作業(yè)的需求，至少配備兩組電池，以保證持續(xù)作業(yè)。4.3.4可見(jiàn)光鏡頭可見(jiàn)光鏡頭需滿足高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍，確保在各種光照條件下都能獲得清晰、細(xì)膩的圖像。技術(shù)參數(shù)需符合特定標(biāo)準(zhǔn)，如定焦、高像素成像和準(zhǔn)確的圖像位置補(bǔ)償，以確保數(shù)據(jù)的精度和可靠性。5數(shù)據(jù)獲取5.1高光譜數(shù)據(jù)獲取高光譜數(shù)據(jù)獲取應(yīng)覆蓋380nm～2500nm的光譜范圍。其中，380nm～1050nm波段光譜分辨率不低于5nm；1050nm～2500nm波段光譜分辨率不低于10nm，測(cè)量波長(zhǎng)精度不低于0.5nm。高光譜數(shù)據(jù)的格式應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，以便于數(shù)據(jù)的處理和分析。5.2可見(jiàn)光數(shù)據(jù)獲取可見(jiàn)光數(shù)據(jù)獲取應(yīng)覆蓋380nm至750nm的光譜范圍，確保圖像具有足夠的空間和光譜分辨率，以滿足特定應(yīng)用的需求。數(shù)據(jù)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)化格式存儲(chǔ)，設(shè)備在使用前需進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠5.3氣象數(shù)據(jù)獲取氣象數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋關(guān)鍵氣象要素，如溫度、降水量、光照強(qiáng)度和濕度等。根據(jù)研究或應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率可以是逐日、逐小時(shí)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，便于處理和分析。6數(shù)據(jù)處理6.1光譜預(yù)處理農(nóng)作物高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟如下：a)首先應(yīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與異常曲線剔除，具體要求應(yīng)按GB/T33988-20178.1執(zhí)行；b)其次對(duì)農(nóng)作物高光譜反射率進(jìn)行計(jì)算，具體要求應(yīng)按GB/T33988-2017執(zhí)行；c)最后根據(jù)建模需求，利用光譜預(yù)處理方法對(duì)高光譜反射率進(jìn)行預(yù)處理，并使用預(yù)處理后光譜數(shù)據(jù)用于后續(xù)建模過(guò)程。6.2特征波段提取采集到的無(wú)人機(jī)冠層高光譜波段維度較高，存在大量冗余信息。采用特征波段選擇算法，提取對(duì)水稻氮素貢獻(xiàn)最大的無(wú)人機(jī)高光譜波段組合。以顯著降低模型的運(yùn)算時(shí)間，提升模型反演精度。6.3氮素含量反演構(gòu)建基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的水稻氮素含量無(wú)人機(jī)高光譜反演模型，實(shí)現(xiàn)水稻氮素含量反演。以提取特征波段后的無(wú)人機(jī)高光譜為模型輸入，氮素含量為模型輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)各變量施肥地塊水稻氮素含量的快速無(wú)損監(jiān)測(cè)。6.4水稻生長(zhǎng)模型同化采用歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水稻生長(zhǎng)模型進(jìn)行本地化。以水稻氮素含量無(wú)人機(jī)高光譜反演模型輸出氮素含量為同化變量，與本地化后的水稻生長(zhǎng)模型進(jìn)行同化，實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的校正，輸出各變量施肥地塊水稻生長(zhǎng)模型同化結(jié)果。4T/CATEAXXX—20246.5施肥量決策以水稻生長(zhǎng)模型同化結(jié)果為基準(zhǔn)，結(jié)合施肥區(qū)域當(dāng)?shù)厥┓蕰r(shí)間、施肥量，通過(guò)迭代確定各變量施肥地塊獲得最大經(jīng)濟(jì)效益時(shí)的施肥時(shí)間及施肥量組合，生成各變量施肥地塊水稻無(wú)人機(jī)遙感精準(zhǔn)施肥決策。7制作施肥處方圖7.1繪制矢量田塊使用GIS軟件（ArcGIS/SuperMapiDesktop）或代碼，基于可見(jiàn)光影像確定變量施肥地塊，繪制變量施肥地塊矢量圖，并將施肥量寫(xiě)入矢量文件中，如施肥類型為液體肥，單位為L(zhǎng)/畝，如施肥類型為固體顆粒肥，單位為公斤/畝。7.2田塊矢量轉(zhuǎn)換為柵格使用GIS軟件（ArcGIS/SuperMapiDesktop）或代碼，將矢量圖轉(zhuǎn)換為柵格影像，坐標(biāo)系設(shè)置為WGS1984，柵格大小為1m，柵格值字段為施肥量字段，像素格式為單精度浮點(diǎn)型或雙精度浮點(diǎn)型，轉(zhuǎn)換后導(dǎo)出為ti