果树类型及配置方式对南疆间作棉花产量品质及经济效益的影响研究（英文）

[目的]选取苹果、香梨、桃、杏、核桃、红枣等果树,在南疆果棉间作生态区,研究开展间作果树类型对棉花生长的影响,为形成稳定、高效的配置结构,以及制订系统科学的管理措施提供理论依据。[方法]以生产中的主要种植模式为研究对象,采用大田随机区组设计,在关键生育时期,调查棉花的主要生长指标、冠层微气象指标、产量指标及纤维品质指标。[结果]遮荫对棉花冠层微环境的改变显著,树冠直径与遮荫效果呈加性效益,同一树种间比较,冠层微环境的变化幅度依次为冠下〉冠外〉中间测点,不同树种间比较,冠层微环境变化幅度依次为桃树〉香梨〉苹果〉桃核〉红枣。树冠直径与果枝台数、单株结铃数的下降呈正比,遮荫是造成产量下降的主要原因。树冠增大导致棉花冠层光强、冠层温度降低,冠层湿度升高,微环境因子的改变对棉纤维品质的形成具有影响作用。[结论]对间作棉花产量、品质及冠层环境综合指标较为有利的果树依次为红枣〉桃核〉苹果〉香梨〉桃树,生产中采用红枣等冠层较小的树种或适度修剪营养枝,能够提高棉花产量,改善纤维品质。     

果树类型及配置方式对南疆间作棉花产量、品质及经济效益的影响研究

[目的]选取苹果、香梨、桃、杏、核桃、红枣等果树,在南疆果棉间作生态区,研究开展间作果树类型对棉花生长的影响,为形成稳定、高效的配置结构,以及制订系统科学的管理措施提供理论依据.[方法]以生产中的主要种植模式为研究对象,采用大田随机区组设计,在关键生育时期,调查棉花的主要生长指标、冠层微气象指标、产量指标及纤维品质指标.[结果]遮荫对棉花冠层微环境的改变显著,树冠直径与遮荫效果呈加性效益,同一树种间比较,冠层微环境的变化幅度依次为冠下＞冠外＞中间测点,不同树种间比较,冠层微环境变化幅度依次为桃树＞香梨＞苹果＞桃核＞红枣.树冠直径与果枝台数、单株结铃数的下降呈正比,遮荫是造成产量下降的主要原因.树冠增大导致棉花冠层光强、冠层温度降低,冠层湿度升高,微环境因子的改变对棉纤维品质的形成具有影响作用.[结论]对间作棉花产量、品质及冠层环境综合指标较为有利的果树依次为红枣＞桃核＞苹果＞香梨＞桃树,生产中采用红枣等冠层较小的树种或适度修剪营养枝,能够提高棉花产量,改善纤维品质.     

基于低空遥感的果树冠层信息提取方法研究

【目的】 果树冠层信息是反映果树生长状况的重要参数,准确提取果树的冠层信息对于果园的精细管理十分必要。【方法】 文章以苹果树和桃树为研究对象,利用无人机遥感获取果园影像数据,首先通过Mask R-CNN实例分割算法对果园果树冠层进行逐一分割,同时提取果树冠幅和冠层面积信息。然后利用果园正射影像结合QGIS软件,对果树冠层位置信息进行提取和可视化并通过目视解译对果树冠层参数信息提取结果进行评估。【结果】 当交并比为0.5时,模型检测分割结果最优,测试集语义分割精确度为66.3%,目标检测精确度达到63.9%。总体冠层面积实测值与模型预测面积之间的平均相对误差为12.44%,均方根误差为0.5 m²。冠幅实测值与模型预测的面积之间的平均相对误差为16.39%,均方根误差为0.39 m,在一定范围内验证了模型对冠层面积和冠幅信息提取的可靠性。【结论】 结合无人机遥感数据和Mask R-CNN实例分割算法可有效地将果树冠层分割出来,并且能够较为准确地提取果树冠层的相关参数信息,可为果园的精细管理提供一定的技术支撑。     

果树冠层形态特征测量与分析研究进展

冠层是果树最先接触外界环境与光照的部位,是果树光合作用和呼吸作用的直接通道。果树冠层的形态特征不仅直接塑造了果树丰富的外观造型,同时也间接反映了果树的生长状况和产量潜力。综述了国内外研究者提出的针对果树冠层形态特征的多种测量技术和分析方法,并对今后果树冠层形态特征分析的主要研究目标进行展望,以期为相关人员进一步开展果树冠层形态特征研究和应用提供有益的参考。     

基于GPRS与ZigBee的果园环境监测系统

【目的】设计果园环境监测系统.【方法】该系统由远程ZigBee-GPRS网关与无线传感器网络(WSN)节点组合,果园参数在WSN、GPRS与Internet间进行采集与传输,实现远距离果园环境实时监测.节点采用CC2530作无线数据收发芯片,GPRS采用ComWay模块,由ZigBee进行组网采集环境信息,通过GPRS网络回传给上位机实现实时监测,再由决策支持系统进行分析发送指令控制节点电磁阀通断从而营造一个适合果树生长的环境.【结果和结论】试验表明:系统可完成传感网与移动通信网络之间的数据传送,实现不同类型感知网络之间的协议转换以及对传感器网络的部分管理控制功能.系统在果园中运行稳定并且丢包率低于10%,具有实践应用价值.     

苹果园中空气温湿度分布特征研究

无线传感器网络(WSN)应用于苹果园中能提高苹果生产的信息化水平,但WSN温湿度传感器部署的数量及位置是WSN节点部署中亟需解决的问题。基于此,在北京市丰台区一个普通苹果园进行了实地试验,采用温湿度仪测量了大量点的温湿度,研究空气温湿度的空间分布特征以决定传感器部署策略。结果表明,对于单个冠层,空气温湿度在每个平面具有相同的走势;距离果园边缘的果树冠层空气温湿度的极差大于果园中心位置的果树,相差约3倍;果树间隙的空气温湿度极差和果园中心处的冠层极差相近。基于此,提出了一种"先平面后整体,外密里疏"的苹果园中空气温湿度传感器的部署方法。     

定额灌溉对苹果树冠层温度变化的影响

果树冠层温度是反映果树水分状况的重要指标,是影响果树枝叶生长、果实产量和品质的直接因素。为了研究定额灌溉用水量对果树冠层温度变化的影响,结合试验地果农的灌溉经验,设计定额灌溉用水量和灌溉时间,参照树形结构制定冠层温度实地观测方案。结果表明:定额灌溉用水量影响果树冠层温度变化,灌水少者冠层温度的垂直变化、日变化和方位变化均大于灌水多者。得出了定额灌溉对夏季苹果树冠层温度变化的影响规律,确定定额灌溉处理Ⅲ为最佳方案。     

基于UAV-WSN的农田数据采集

[目的]将UAV(Unmanned aerial vehicle)引入传统的WSN(Wireless sensor network)中,可给静态WSN系统带来移动性和灵活性.通过将UAV-WSN结合起来应用于农田信息监测,有效地扩展单个WSN的覆盖面积,增强网络的鲁棒性,解决静态WSN在恶劣的自然环境中被划分成无法有效通信的独立子网所带来的农田监测信息采集失败的问题.[方法]选择3个物理位置独立的地块构建分簇的WSN网络,将UAV-WSN结合起来,系统中的传感器节点采用休眠-唤醒-工作-休眠的工作周期,利用UAV上的移动采集节点与UAV飞行轨迹经过的地面上的独立子网交互并采集农田信息,通过移动节点携带的3G网络将农田信息传输到农田监测数据中心.[结果]地块间距离超过100 m、UAV飞行高度维持在10 m时,UAV-WSN网络能够较好地完成农田信息采集任务,UAV-WSN的通信质量明显优于静态WSN的通信质量,地块1、2和3的平均链路消耗分别降低了约10％、27％和14％,平均丢包率降低了约24％、68％和29％.[结论]UAV-WSN结构的网络通信扩展了静态WSN的传输距离、提高了WSN系统的能量效率、延长了系统的生命周期,可以为大面积的平原或山地环境下的农田信息采集提供参考.     

信息物理系统事件驱动下的农业气象监测系统

针对传统农业气象观测和当前传感器技术存在的不足,设计了一套基于信息物理系统(Cyber-physical system,CPS)的气象远程监测系统。针对信息物理系统时空特性,基于节点事件驱动方法,建立了3层信息物理系统模型,并给出了时空事件建模方法。该系统由边缘设备负责感知,云平台负责计算,通过事件-行为模式保证时空同步性,实现了气象信息采集、传输和处理的高度集成,同时在网络边缘处应用卷积神经网络实现设备电量识别以自适应采集频率。通过在河北工业大学测试点开展的采集试验和系统模型试运行结果表明,系统表现出较好的实时性、稳定性和时空同步性,农业气象信息的采集、传输、处理和远程监控等各项功能均可满足各级用户需求。     

基于UAV-WSN的农田数据采集

【目的】将UAV（Unmanned aerial vehicle）引入传统的WSN（Wireless sensor network）中,可给静态WSN系统带来移动性和灵活性。通过将UAV-WSN结合起来应用于农田信息监测,有效地扩展单个WSN的覆盖面积,增强网络的鲁棒性,解决静态WSN在恶劣的自然环境中被划分成无法有效通信的独立子网所带来的农田监测信息采集失败的问题。【方法】选择3个物理位置独立的地块构建分簇的WSN网络,将UAV-WSN结合起来,系统中的传感器节点采用休眠-唤醒-工作-休眠的工作周期,利用UAV上的移动采集节点与UAV飞行轨迹经过的地面上的独立子网交互并采集农田信息,通过移动节点携带的3G网络将农田信息传输到农田监测数据中心。【结果】地块间距离超过100 m、UAV飞行高度维持在10 m时,UAV-WSN网络能够较好地完成农田信息采集任务,UAV WSN的通信质量明显优于静态WSN的通信质量,地块1、2和3的平均链路消耗分别降低了约10%、27%和14%,平均丢包率降低了约24%、68%和29%。【结论】UAV-WSN结构的网络通信扩展了静态WSN的传输距离、提高了WSN系统的能量效率、延长了系统的生命周期,可以为大面积的平原或山地环境下的农田信息采集提供参考。     

混合无线传感器网络移动节点部署优化

为了提高随机部署条件下无线传感器网络对目标监测区域覆盖质量,将目标区域划分为彼此相邻但互不重合的子区域,根据各子区域的期望覆盖质量,并利用改进的粒子群算法优化各子区域节点的分布密度;然后在节点间建立虚拟力场,利用虚拟力调整移动节点的部署位置.仿真实验结果表明,该方法能有效优化移动节点的部署,改善目标区域内节点的分布情况,提高无线传感器网络的覆盖服务质量.     

A wireless sensor network-based monitoring system with dynamic convergecast tree algorithm for precision cultivation management in orchid greenhouses

The orchid industry in Taiwan has established large-scale orchid greenhouses to achieve high-precision cultivation of orchids, especially for Phalaenopsis. The wireless sensor network (WSN) technology has been shown to be able to play an important and useful role for effectively acquiring environmental parameters in real-time. However, the mobile benches equipped with different sensors used in an orchid greenhouse create a problem of susceptible dynamic network topology. To meet the requirements of reliable data acquisition in the monitoring of orchid growth, a novel dynamic convergecast tree algorithm (DCTA) based on a tree-like topology was designed and implemented in the WSN-based monitoring system. The proposed WSN algorithm uses the information of the received signal strength indication and hop count to dynamically adjust the routing path of each sensor node. The proposed algorithm includes a flexible scheduling-based design for the medium access control protocol to guarantee higher transmission reliability of the sensor data. An extensive series of experiments, including tests in the lab and an orchid greenhouse, were conducted to examine the performance of the proposed DCTA. The experimental results show that the proposed algorithm can reliably collect environmental data; average successful data delivery rates up to 92.5 % of the entire tested networks with multiple mobile nodes in the greenhouse can be achieved. The WSN-based monitoring system equipped with the proposed DCTA provides environmental measurements with better spatio-temporal resolution to achieve precision cultivation management for orchids.     

基于无人机影像阴影去除的苹果树冠层氮素含量遥感反演

【目的】去除无人机多光谱遥感影像中的阴影,以提高苹果树冠层氮素含量反演模型精度。【方法】以山东省栖霞市苹果园为试验区,利用2019年6月采集的无人机多光谱影像,分别基于归一化阴影指数（normalized shaded vegetation index,NSVI）和归一化冠层阴影指数（normalized difference canopy shadow index,NDCSI）去除果树冠层多光谱影像中的阴影,提取非阴影区域果树冠层光谱信息;通过相关性分析方法,将基于原始光谱影像和基于NSVI、NDCSI去除阴影后提取的光谱数据与实测叶片氮素含量进行相关性分析,分别筛选氮素含量的敏感波段并构建光谱参量;采用偏最小二乘（partial least square,PLS）及支持向量机（support vector machine,SVM）方法构建果树冠层氮素含量反演模型并进行精度检验。【结果】绿光波段和红光波段为果树冠层氮素含量反演的敏感波段;阴影削弱了果树冠层的光谱信息,去除阴影前后,冠层多光谱各波段光谱差异较大,在红边波段及近红外波段尤为明显;基于2个阴影指数去除阴影后构建的氮素反演模型精度均有提升,最优模型为基于NDCSI去除阴影后构建的支持向量机氮素含量反演模型,该模型建模集R²和RPD分别为0.774、1.828;验证集R²和RPD分别为0.723、1.819。【结论】基于NDCSI可有效去除无人机多光谱果树冠层影像中的阴影,提高氮素含量反演精度,为果园氮素精准管理提供了有效参考。     

果园管道自动顺序喷雾控制系统设计

针对密植果园或成熟果园中由于果树树冠逐渐长大使果树行距变小甚至封行,增加果树喷药难度和劳动强度、危及喷雾作业人员安全等问题,设计了一种果园管道自动顺序喷雾控制系统.该系统由喷雾给药单元、自动顺序喷雾主控器和电磁阀控制节点组成.喷雾给药单元为系统提供药液,自动顺序喷雾主控制器给电磁阀控制节点提供控制信号,电磁阀控制节点控制电磁阀的开关,通过控制果园中多个电磁阀的顺序开启和关闭,实现对果树的自动顺序喷雾.运行试验结果表明,该系统可以按照设定喷雾时间对果树进行自动顺序喷雾,不需要人工进入果园喷雾.     

SX126苹果矮化砧在陕西区试表现

在陕西不同类型的苹果产区,以秋子作基砧,分别以杂交选育出的SX 126砧木和砧木M 26(CK)为中间砧,嫁接秋富1品种,进行连续8年的区域对比试验。结果表明,与对照M 26相比,SX 126砧木在河滩地、旱塬地及丘陵沟壑地均表现良好,耐旱性、抗偏斜能力优于M 26,耐寒性与M 26相当;对树体大小的控制能力较强,树冠表现矮化,树干周长、树高、树冠体积和新梢生长量均低于对照;嫁接品种早果性强,丰产,平均产量较对照提高23%以上;单果重和着色指数均优于对照,果实可溶性固形物含量、果肉硬度、果形指数和果实贮藏性与对照相当。说明SX 126砧木适合在陕西各类型苹果产区推广应用。     

陕北山地苹果树形改造研究

为促进陕北丘陵沟壑区山地苹果的优质高效生产,本研究将传统稀植果园中主要采用的主干疏层形改造为小冠疏层形、纺锤形或圆柱形、高干开心形和开心形,测定不同树形的树冠透光率、树冠大小、一年生枝和结果枝的数量及组成比例、果实产量和品质等指标,并估算其产值。结果表明:与对照主干疏层形相比,高干开心形和开心形的树冠大而扁,树冠透光率较高。开心形的叶丛枝和短枝占全树枝条的61.21%,树势中庸偏上;主干疏层形、小冠疏层形和高干开心形的叶丛枝和短枝占全树枝条的70.00%以上,树势较弱。开心形的短果枝占结果枝的60.68%,中果枝占28.67%,利于连年优质丰产;主干疏层形的短果枝占结果枝的85.00%,中果枝仅占8.79%,易形成隔年结果。不同树形的果实产量以主干疏层形的最高,其次为开心形;果实品质、均匀度和价格均以开心形的最高,主干疏层形的最低;经济产值以开心形的最高,其次为主干疏层形,高干开心形的最低。综上,建议将陕北丘陵沟壑区山地稀植苹果园的主干疏层形改造为开心形。     

基于无线传感网络的设施农业智能监控系统

无线传感网络是在微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术基础上发展而成,由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。结合设施农业实际,提出了基于无线传感网络的智能监控系统方案设计,采用基于ZigBee协议的CC2530芯片作为传感器节点和网关/汇聚节点,进行监控参数传输、汇聚和融合;结合数据库技术和专家决策系统,实现了农业生产自动化和精细农业。     

基于ZigBee无线传感器网络的林区局地环境监测系统

针对林区局地环境监测实时性差、长期监测困难等不足,设计并实现了一种基于ZigBee无线传感器网络的林区局地环境监测系统。系统运用无线网络协议ZigBee搭建无线传感器网络,结合GPRS通讯技术将获取的数据发送至监控中心,实现数据的实时显示、存储、分析与可视化。系统主要由传感节点、路由器、网关与监控中心组成,结构简单实用,节点放置位置灵活,不受地理环境限制,能够较好的监测空气中温湿度、大气压强、光照强度、二氧化碳浓度、土壤含水率等林区关键环境因子。通过太阳能供电系统,采用CC2530和CC2591无线通信模块,并将多传感器集成到传感节点,较好解决了无线传感器网络在林区应用过程中的节点能量不足、通信距离短以及监测参数不全等问题,实现了对林区局地环境的实时监测。试验表明,节点在空旷地方有效通信距离最大可达510.6 m,在树林中有效通信距离最大可达177.5 m;在太阳能与锂电池共同供电下,节点能量能够自给自足;在组网测试中,整个网络收包率为96.7%,能够满足林区环境监测要求。     

天空地一体耕地质量监测移动实验室集成设计

中国粮食需求压力巨大,耕地质量下降会影响粮食质量和安全。现行的耕地质量监测方法因检测时间长、时空信息不足等缺陷难以满足越来越繁重的耕地质量调查监测需求。本研究探讨了适用于耕地质量监测的方法及移动实验室案例,构建了天空地一体耕地质量监测指标体系,搭建了集成卫星遥感、无人机遥感、无线传感器网络和原位速测等技术的移动实验室架构,研发了基于中间件技术的天空地多种监测方法的集成技术;创制了一套天空地一体的耕地质量监测移动实验室,并在耕地提质改造项目区域进行了实地测试,在2 h内完成5个采样点的土壤养分、重金属等13个项目所需指标的现场速测,验证了本研究成果与常规耕地质量监测方法相比监测效率和现场出具结果的能力更强。本研究能够弥补现行耕地质量监测方法的不足之处,并且在监测指标全面性和监测数据时空尺度上都更有优势,能大大提升各级业务部门耕地质量监测的效果,加强耕地管理和保护的能力。