农业环境远程分布式多功能监控系统

农业环境远程分布式多功能监控系统是一种高度自动化和网络化的监控系统,除了可对农业与生态环境等要素信息（如气象、土壤和作物等）进行实时动态采集监测,而且还可通过图像视频技术对不同场景（如现场景观、作物生长、形念变化等）进行动态监测,真正实现了农业现场图像与数据一体化精准监控。     

农业环境远程分布式多功能监控系统

农业环境远程分布式多功能监控系统是一种高度自动化和网络化的监控系统，除了可对农业与生态环境等要素信息（如气象、土壤和作物等）进行实时动态采集监测，而且还可通过图像视频技术对不同声景（如现场景观，作物生长、形态变化等）进行动态监测，真正实现了农业现场图像与数据一体化精准监控。     

基于WebGIS与模型的农业经济监测与评价系统的建立

为动态、准确获取区域农业生产的投入结构、产出水平、经济效益等信息,在时空数据库支持下,以开源SharpMap为地图服务器,利用ASP.NET（C#）语言,建立农业经济监测与评价系统（SHAEWS）,SHAEWS的构建包括农业投入产出监测数据库和模型系统两部分。数据库由样本农户动态监测数据、地形图数据和元数据组成。模型系统包含作物数据聚合与分析模型、轮作茬口识别及数据聚合分析模型、柯布-道格拉斯模型和综合评价模型。SHAEWS包括样本数据采集与编辑、样本数据检验、作物评价、茬口评价、投入产出定量模型分析、时序分析、区域分析、报表输出、元数据浏览等9个功能子系统。结果表明,该系统能够把样本监测数据与地图数据相结合,并通过模型运算,实现区域农业投入产出等信息的在线共享、评价与服务。     

中国作物生长模拟监测系统构建及应用

该文系统阐述了中国作物生长模拟监测系统（Crop Growth Simulating and Monitoring System in China, CGMS-China）的构建方法及其在国家级农业气象业务中的应用。CGMS-China是基于WOFOST、Oryza2000、WheatSM、ChinaAgroys 4个作物模型构建的系统,在作物长势监测评估、农业气象灾害影响评估、作物产量预报等农业气象业务中均有应用。该系统可进行作物长势监测、产量预报、农业气象灾害影响评估。利用CGMS-China模拟输出的地上生物量、叶面积指数、穗质量,建立作物长势评估指标,可对小麦、玉米、水稻进行实时长势监测与评估。通过CGMS-China对2014年8月中旬华北黄淮夏玉米的干旱产量损失评估和2016年6月22日早稻高温热害的产量损失预估表明,CGMS-China对农业气象灾害影响评估的效果较好。利用CGMS-China对2014年冬小麦主产省进行产量预报,各省的平均预报相对误差为7%。与此同时,在CGMS-China中利用遥感数据同化方法,对山西洪洞县进行产量预报,预报相对误差小于11%。该系统在国家级农业气象业务中具有良好的应用前景。     

典型旱年农业干旱遥感监测指标在东北地区生长季的表现

以8d为时间尺度,以土壤相对湿度（RSM）为参考指标,采用相关分析方法,分析评估典型旱年2009年作物生长季内分别表征降水、土壤和作物的3个类别10种农业干旱遥感监测指数在东北地区的适用性。结果表明：（1）生长季中、后期,综合考虑冠层温度和植被特征的温度植被干旱指数（TVDI）与RSM的相关系数绝对值在0.5左右,对土壤湿度变化较敏感,可用于该生长阶段的农业干旱监测;（2）考虑作物前期缺水的累积作物缺水指数（ACWSI）是与RSM相关性较好的指数之一,在生长季前期和后期与RSM的相关系数绝对值在0.47以上,表现良好,但应用过程中需注意累积效应的时间尺度;（3）表观热惯量（ATI）更适于生长季前期干旱监测,改进型能量指数（MEI）适用于各种植被覆盖条件,但存在一定不稳定性;（4）考虑前期累积降水的APCI指数比仅考虑8d降水的条件降水指数PCI更能反映土壤湿度状况,特别是在生长季中、后期,可作为其它监测指数的补充;（5）条件植被指数（VCI）、归一化差异水分指数（NDWI）与RSM相关性较低,对现时土壤湿度的反映不敏感,不适于研究区内短时间尺度的农业干旱监测。研究结果可为东北地区开展农业干旱监测选取合适指标提供参考,也可为农业干旱指数的广泛应用构建可行性框架。     

基于GSM的数字农业远程监控系统研究与应用

应用无线网络技术可实现农机作业过程和农田水利设施等的远程监控,为作物生长过程与产量、农业气象等信息的实时采集提供保障。探讨了基于GSM无线技术的数字农业远程测控系统组成结构,阐述了系统监控端软件的实现。在此基础上,采用自行研制的GSM远程通信控制器,开发了智能测产远程数据传输系统,并介绍了该系统的硬件组成和相应软件开发。在测产试验中对现场数据传输的实时性进行了测试,结果表明,GSM无线通信技术能满足农业远程监控的要求。     

基于称重式蒸渗仪及多种传感器的作物表型及蒸散监测系统研制

作物蒸散量测量与估算在农业方面有着重要作用,而当前对于作物蒸散量的估算主要以试验的方式进行,有一定局限性,且测量面积小,与实际应用还有一定距离。针对以上问题,该文在已有24座小型称重式蒸渗仪基础上,集成RGB成像传感器、多光谱成像传感器和二维激光扫描仪于一体,配合龙门架进行移动控制,构建称重式蒸渗仪植物表型监测系统,实现18 m~2植物生长过程中的RGB、红(668 nm)、绿(560 nm)、蓝(475 nm)、红边(717 nm)、近红外(840 nm)图像信息和植株高度信息的自动监测。最后通过试验,在已设定好的常用速度下,系统单趟运行用时142 s,可采集28组RGB、多光谱图像及所有植株高度信息,速度相对误差在1.8%～6.0%之间。通过对获取的夏玉米多光谱图像和激光扫描仪数据信息分析,系统能够可靠获取归一化差异植被指数等作物指数及植株高度信息。并结合气象站数据,对冬小麦主要耗水期的RGB图像进行分析,对其蒸散量进行了估计,与蒸渗仪获取的实际蒸散量对比,其平均相对误差为16.62%。该系统为大面积作物蒸散量的实时监测和精确诊断以及作物生长状况研究提供有效技术与装备支撑。     

作物生长模型的应用研究进展

作物生长模型不仅能够进行单点尺度上作物生长发育的动态模拟,而且能够从系统角度评价作物生长状态与环境要素的关系。本文通过梳理当前作物生长模型应用的诸多研究成果,剖析模型在气候变化对农业生产影响研究、作物生长模型区域应用中的关键问题,总结了当前以作物生长模型为核心的农业决策支持系统开发的研究情况,意在促进作物生长模型在生态、农业、区域气候资源和气候变化等研究中更广泛地应用。结果表明,作物生长模型在国内外的研究与应用广泛而深入,在气候变化背景下,应用作物生长模型进行历史时期气候条件和农业气象灾害对作物生产状况和产量的影响研究已相当广泛且相对成熟。利用全球气候模式（GCM）或区域气候模式（RCM）构建未来气候变化情景,再与作物生长模型耦合已发展成为评估未来气候变化对农业生产影响的重要手段。通过集成与整合多作物生长模型、多气候模式集合模拟、优化气候模拟数据订正方法可有效降低气候变化对农业生产影响评估的不确定性。遥感数据同化技术能够将站点模型运用到区域尺度上评价不同环境因子对农业生产的影响,拓宽了作物生长模型的应用尺度范围并有效提高作物产量估算的精度。以作物生长模型为核心的农业决策支持系统的研究与应用越来越多元化,是辅助农业生产管理和决策的重要工具。然而,由于作物生态系统的复杂性,作物生长模型模拟结果仍存在很大的不确定性,今后对作物生长机理及过程间耦合机制的探索还需加强,以便进一步完善和改进模型,促进作物生长模型更广泛地应用。     

国家级作物长势遥感监测业务系统设计与实现

作物长势监测是农情遥感监测的重要组成部分。为了建立稳定的作物长势监测业务系统,该文一方面选取NDVI时间序列提取的时空参数从不同侧面描述作物长势,建立作物长势监测的综合性模型,另一方面建立了一个覆盖全国主要农区、由200个县组成的地面调查网络,采集地面实况信息,并采用客户端/服务器（C/S）和浏览器/服务器（B/S）的混合结构开展系统设计,基于遥感和地面调查两个角度设计实现了国家级作物长势遥感监测业务系统,同时对由于作物种类和监测区域不同引起的长势评价标准不一致、模型定量化和业务系统架构仍需根据应用进一步分解完善等问题进行了讨论。以中国冬小麦主产区为例,进行了作物长势监测试验,取得较好的监测结果。目前该系统已在大尺度作物遥感监测中得到应用。     

通用农业环境信息监控系统ReGA网关设计

无线传感器网络(WSN)在农业智能化应用中具有良好技术优势和广阔应用前景,网关作为WSN连接外界应用系统的桥梁,在WSN中具有重要作用。已有网关设备主要针对特定应用系统提供数据汇集与转发功能,很少具备监测区域信息组织管理能力。该文以设计通用农业环境信息监控系统架构为背景,提出一种基于WinCE系统的可配置WSN网关体系结构(ReGA),在完成监测数据和控制指令转发的基础上,实现现场可视化设备和监测数据综合管理。ReGA的可配置体现在支持环境监测类型、监测节点属性动态配置,通过定义网关与上下层的交互协议,支持交互指令和封装参数的可配置,系统结构高内聚、低耦合。试验证明ReGA可靠性高,可灵活应用于农田、水产、林业、温室等不同领域。     

基于无人机遥感影像的玉米冠层温度提取及作物水分胁迫监测

针对当前无人机热红外遥感提取冠层温度不准确、监测作物水分胁迫状况精度不高的问题,该研究以不同水分处理的拔节期夏玉米为研究对象,利用无人机获取试验区域热红外和可见光图像资料,分别采用Otsu算法、EXG-Kmeans算法和Otsu-EXG-Kmeans算法获取冠层区域图像,并对提取结果进行精度评价,而后采用最优算法求得对应作物水分胁迫指数（Crop Water Stress Index,CWSI）,通过分析CWSI同土壤含水率相关关系以及CWSI日平均变化趋势来监测玉米水分亏缺状况。结果表明：1）相比于其他方法,Otsu-EXG-Kmeans算法对冠层温度提取精度更高（用户精度为95.9%）,提取的冠层温度更接近实测温度（r=0.788）,可以准确获取图像冠层温度。2）相比于冠层温度,CWSI与土壤含水率的相关性更高（r= -0.738）,CWSI日平均变化趋势更符合实际情况,可更加精确地监测玉米缺水状况。该研究为无人机遥感精准监测作物水分胁迫状况提供参考。     

桁架式可移动作物生长远程监控系统设计

针对固定式图像采集设备终端在实时采集过程中存在的采集角度和范围有限等问题,研究开发了一种固定桁架式地面移动多点作物图像远程获取系统。系统采用网络摄像机和电动变焦镜头作为图像摄取设备,通过全方位智能控制云台、螺旋四杆机构和水平滑块导轨机构的设计与选型,建立了作物图像摄取设备的水平移动、垂直移动、360°空间转动、俯仰运动等子系统。开发了远程控制软件,建立了作物图像数据库和远程管理系统,实现了监测区域内所有植株不同部位图像信息的远程控制获取和管理。系统在温室中进行了运行测试,运行正常可靠。该系统可为作物远程在线水肥诊断提供了一种空间移动多点实时监测和远程管理平台。     

基于“树莓派”三代的农业智慧监测系统研究

为了更实时有效地监测作物生长环境参数,设计并实现了一套基于树莓派(Raspberry Pi)农业智慧监测系统。该系统以树莓派3代B型为核心,连接土壤湿度、空气温湿度、叶面温湿度、光照强度和pH值等传感器,可用于监测作物整个生长周期的土壤湿度、空气温湿度、叶面温湿度、光照强度和pH值等参数。本研究基于树莓派3代成功搭建了农业智慧监测系统,开发了适于电脑端的Web版和移动手机端的App(iOS版和Android版),并已监测获取作物生长相关参数和环境因子的数据。该系统运行可靠,操作简单实用,可扩展性强,为下一步开展作物长期数据监测,进行作物生产参数研究和智能控制奠定了基础。     

遥感与作物生长模型数据同化应用综述

遥感是获取大面积地表信息最有效的手段,在农业资源监测、作物产量预测中发挥着不可替代的重要作用;作物生长模型能够实现单点尺度上作物生长发育的动态模拟,可对作物长势以及产量变化提供内在机理解释。遥感信息和作物生长模型的数据同化有效结合二者优势,在大尺度农业监测与预报上具有巨大的应用潜力。该文系统综述了遥感与作物生长模型的同化研究,概述了遥感与作物生长模型数据同化系统的构建,在归纳国内外研究进展的基础上,总结了当前主流同化方法的特点以及在不同条件下的同化效果。进而具体分析影响同化精度的关键环节,明确了相关科学概念,并相应指出改善精度的策略或者方向。最后从多参数协同、多数据融合、动态预测、多模型耦合以及并行计算环境5个方面展望了遥感与作物生长模型数据同化的未来研究重点和发展趋势,同时结合农业应用现实需求,介绍一种数据同化与集合数值预报结合的应用框架,为大区域、高精度同化研究提供新的思路与借鉴。     

采用图像处理技术对鱼体健康状况监视和预报

该文采用两台PC工业控制计算机分别为现场上位机和远程监控机,以多个PLC可编程控制器和多个单片机系统作为下位机,构成计算机集散监控系统。对养殖水体的多环境因子进行自动监测和控制。特别是当鱼类出现不适或死亡时,鱼体会侧翻,腹部白色的区域会暴露,根据其特点,利用数字图像处理技术可以实现对养殖现场中鱼类的健康状况进行实时监视和预报。首先将摄像头拍摄的现场图像灰度化,然后去除各种噪声干扰,得到质量较好的图像,最后对该图像进行数据统计和识别。对如何实现这种图像处理进行了具体描述,结果表明该系统具有良好的实用效果。     

基于遥感影像的作物生长监测系统的设计与实现

利用遥感监测技术实时快速地获取作物长势参数和氮素营养状况,可以为作物的精确管理提供决策支持。在已有作物（小麦和水稻）生长监测模型的基础上,采用GDAL和GDI+信息处理方法,使用EM算法对反演的作物长势参数进行聚类分析,在Microsoft .NET平台上构建基于聚类分析和遥感影像的网络化作物生长监测系统。系统具有常见格式遥感影像读取、遥感信息提取、作物长势参数反演、聚类分析、专题图制作以及信息发布等功能,并以江苏省方强农场为案例区,对系统的部分功能进行了测试与检验。结果表明,该系统能够准确的读取遥感影像信息,反演作物生长参数,并可根据聚类分析结果自动制作专题图,通过互联网予以发布,从而初步突破了用户无法直接参与遥感影像分析过程的瓶颈,为区域尺度的作物生长监测和精确管理调控提供了决策支持。     

基于6LoWPAN无线传感器网络的农业环境实时监控系统

针对现有农业环境监控系统的不足,提出了一种基于6LoWPAN无线传感器网络的农业环境实时监控系统,该系统采用6LoWPAN构架实现互联网与无线传感器网络之间的点到点通信,无需特定的网关进行协议转换或者协议承载,从而实现了对农业环境的实时监测和控制,降低了能耗,缩短了延迟时间。该文从硬件结构、软件结构及节能等方面对此系统进行了详细阐述和分析,试验结果表明该系统的实用性和高效性,可应用于温室、农田、苗圃等区域。     

基于物联网的内河小型渔船动态信息监控系统设计

为规范内河流域渔业生产秩序,保障渔船作业安全,该文设计了基于物联网的内河小型渔船动态信息监控系统。该系统集成了无线传感器网络、远程信息传输、远端后台监控等多种技术方法。其中,无线传感器网络主要用于获取包括渔船位置、电捕鱼违法监测信息和渔船超载检测信息等渔业现场数据。依靠Zig Bee技术,该网络实现了对不同类别传感器数据的汇聚、判断以及远程播发。远程信息传输是利用GPRS/GSM移动通信网络与互联网传输技术,实现了多渔船作业信息向后台监控中心的实时传输。后台渔政监控中心,具有渔船在电子地图上的识别与定位,渔业生产的实时监控以及渔政执法的决策辅助等功能。该系统经测试,可满足内河流域作业渔船在实时监管和安全保障等方面的需求,提高了农业渔政管理的水平。     

基于HJ-1 CCD的县域农作物种植结构提取和时空分析(英文稿)

作物分类和时空变化监测信息可以为农业管理提供依据,多年作物种植结构图反映了作物种植方式的变化,对经济和社会分析起着重要作用。然而,用于绘制作物分布图的卫星影像不能同时具有高时间高空间分辨率,在提取作物种类复杂多样地区的种植结构图时,往往难以提供足够的作物生长周期内影像。该研究提出了一种既经济又高效的解决方案,即利用重复周期短的环境一号CCD（HuanJing-1 Charge-Coupled Device,HJ-1 CCD）图像和免费Landsat-8图像来提取中国监利县的作物种植区时空变化图。根据NDVI时间序列曲线定义了不同作物生育期物候指标例如归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）的最大值、日期和天数等,用于作物分类。为了获取物候指标的阈值,首先从15m Landsat-8影像中提取典型种植区,然后利用典型种植区作物生长阶段NDVI时间序列曲线,得到物候指标中的NDVI阈值和时间阈值,再根据这些阈值制定了分类规则,并获得了2009-2016年作物分布图。根据多年主要作物分布图,分析不同作物的土地利用变化。最后利用高空间分辨率卫星图像和监利县统计年鉴中的作物面积数据对作物分类结果进行精度评估。与高空间分辨率图像相比,平均分类精度为84%,与统计作物面积数据相比,分类精度达到81.60%。结果表明,该研究为在像监利县这样复杂地区进行常规的作物分布制图提供了一种可行的分类方法。通过对夏收作物的时空动态变化分析可以发现,油菜农业机械化水平低、劳动力成本高,导致愿意种植油菜的农民较少。对于秋收作物,政府设定了中稻最低收购价标准,大大降低了农民种植中稻的风险,对农民种植秋收作物具有指导作用。     

气候变化下黄土高原耕作系统演变与适应性管理

耕作系统主要包括土壤系统、作物系统和区域气候系统等几个相对独立、但又紧密关联的组成部分,涉及作物栽培模式、作物类型、杂草和病虫害及农田水土资源管理等方面,在黄土高原生态系统管理和农业可持续发展中占有重要地位。过去50a (1951-2000年),黄土高原的年平均气温升高了1.1℃,且其变率逐渐增加,降雨和热量资源分布呈现复杂的时空异质性。作物种植区域的变迁、熟制制度的演变和农田灾害的加剧促使农田管理模式不断寻求改变,对当地农业耕作系统产生了深远影响。本文总结了黄土高原过去多年的气候变化（气温、降水量、积温）特征和发展趋势,气候变化下耕作系统（种植区、耕作制度、土壤环境）和作物系统（需水量、物候、品种、产量）的演变规律,作物与土壤互作关系,以及气象灾害对黄土高原耕作系统的影响,并提出气候变化下耕作系统适应性管理途径和策略。旨在为黄土高原耕作技术和田间管理提供新的理论,寻求气候变化下区域农业可持续发展应对策略。