农田粮食产量分布信息数字化研究

为了获取农田作物产量分布信息，发展数字农业，研究了机收时粮食产量分布信息的获取和分析方法。借助于全球定位系统和地理信息系统，经过坐标转换等数据处理，快速生成计划收割区域的数字地图，在机载计算机上实时显示联合收获机行走的轨迹。对测产系统各传感器信息进行数据处理，由动态产量数据值及其定位信息，实时绘制采样点粮食产量分布图，结合割台高度信息，实时获取收获面积。借助于后处理手段，对实测数据进行空间数据分析，得到准确的粮食产量分布。本系统能快速生成待收割区域的数字地图，能实时显示联合收割机行走轨迹、产量波形曲线、产量分布图，实时显示收割面积。粮食产量分布信息数字化，为精准农业生产提供指导。     

基于小区育种的收获机智能测产系统

摘要：目前,中国境内大部分育种单位产量测试主要采用人工抽检方式完成,劳动强度大,工作效率低,测试数据的质量与发达国家所采用的测产系统相距甚远。为解决这一问题,该文设计研制了一种基于小区育种的收获机测产系统。该测产系统包括上位机和下位机两部分。下位机采用美国TI公司的MSP430单片机,通过粮食水分传感器,重量传感器,环境温湿度传感器,GPS模块,获取收获机的产量、粮食水分含量、环境温湿度及GPS地理位置等信息。上位机采用能够运行MCGS组态软件的嵌入式触摸屏作为人机交互界面。下上位机通过RS-232串口及Modbus协议实现通讯,完成数据的传输。该系统可以自动实现地块号与产量相关数据的准确对应关系,并利用U盘实现海量数据的导入、导出等数据管理功能。并利用虚拟试验验证了该收获机测产系统方案正确和可行,并且可明显提高育种测产的工作效率和数据的准确性。     

基于Mallat算法的谷物流量信号小波去噪方法

针对联合收获机在复杂噪声背景作业过程中难以获取可靠的谷物流量信息的难题,提出了利用小波变换(wavelet transform,WT)对谷物流量传感器输出信号去噪处理方法。根据流量原始信号和噪声的频谱特性确定小波函数和分解尺度,将采集的流量原始信号通过Mallat算法进行小波分解,滤除高频噪声分量重构流量有效信号,由单片机AD通道对流量有效信号进行标定,标定试验后的传感器在不同谷物流量下累积质量最大相对误差为1.68%。利用北斗定位模块进行差分定位提高定位精度,测产装置信息由8051F单片机存储用以绘制农田作业产量图,将设计的测产系统安装在联合收获机上进行模拟水稻作业试验,试验结果表明:对流量传感器输出信号进行小波分解后,谷物流量测量相对误差最大为6.18%,平均相对误差为5.37%。通过对流量传感器输出原始信息进行小波变换,对比小波去噪前后信号的频谱曲线,验证了基于Mallat算法的流量信号去噪和流量有效信息重构方法的可行性和准确性,该研究可为研究农业机械复杂作业环境下原始信息去噪与有效信息重构提供参考。     

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。     

谷物联合收获机在线测产技术研究现状与进展

为加速推进中国智慧农业发展,深入了解精准农业技术体系中田间谷物产量在线监测技术的研究现状,该研究重点概述了国内外谷物联合收获机在线测产方法,包括动态称量测量、体积测量、冲击力测量、射线测量及其他测量方法,介绍了不同测量方法的原理和测产传感器的关键技术与应用。从可行性、通用性、稳定性与准确性方面,分析归纳了中国当前谷物产量在线监测技术所存在的主要问题,指出冲击力测量方法应用广泛,但尚未考虑谷物与冲击板碰撞时对谷物造成的机械损伤等问题。同时,该研究提出了谷物联合收获机在线测产技术未来的研究重点与发展方向,旨在为作物产量信息监测技术与智能化农业机械装备的发展和应用提供理论依据和技术参考。     

切纵流联合收获机夹带损失监测方法

摘要：为实现切纵流联合收获机田间作业过程中籽粒夹带损失的自动监测,该文提出通过对滚筒下脱出混合物沿纵向与横向的分布规律进行分析建立监测区域籽粒量、喂入量与夹带损失之间的数学模型,应用以PVDF压电薄膜作为敏感元件制作的籽粒损失检测传感器监测脱粒滚筒末端监测区域内脱出混合物中的籽粒分离量,根据所建立的籽粒夹带损失与该区域籽粒分离量的数学模型进行联合收获机夹带损失实时间接测量;将籽粒损失监测传感器安装在联合收获机上进行夹带损失监测试验,最大测量误差为3.40%。     

农牧交错带耕地数量变化对粮食产量影响的时空关联性——以内蒙古乌兰察布市为例

[目的]分析耕地变化和粮食生产的时空动态特征及其相互关联性,为研究区耕地集约利用水平的提高与粮食产量的增加提供科学依据。[方法]利用遥感解译获取的土地利用变化数据和粮食产量等统计数据,采用地理学和经济学理论、技术与方法,分析区域耕地与粮食产量的时空动态格局,构建"粮耕弹性系数"反映农牧交错区耕地资源变化与粮食生产的互动关系,揭示耕地数量变化对粮食产量的影响机理。[结果](1)1990—2000年耕地扩张明显,研究区中部、北部增加而东部减少。粮食产量逐渐上升,四子王旗粮食产量对耕地面积具有高敏感度,其它地区粮食产量对耕地数量变化的敏感度较低。(2)2000—2013年,耕地总量明显减少,耕地利用变化主要发生在研究区中部和南部,粮食产量出现先减少后增加的趋势,乌兰察布市东部和西部地区粮食综合生产能力明显提高,粮食产量对耕地数量变化的敏感度变低。[结论]1990—2013年乌兰察布市耕地数量变化对乌兰察布市粮食产量的影响显著。全市粮食产量对耕地数量变化的敏感度有着明显的区域差异,且2000—2013年的敏感度相对1990—2000年而言较低。     

中国粮食产量变化的时空格局与影响因素

基于1990-2011年分省面板数据,应用均值、标准差与区位基尼系数揭示了中国粮食产量的阶段特征与主导类型,进而利用空间面板计量经济模型探讨了中国粮食产量变化的影响因素。结果表明:中国粮食产量变化可分为3个阶段,主要年份各粮食主导类型包含的省份存在较大差异;土地投入的影响由强转弱,劳动力依次表现为正显著、不显著与负显著,不同类型的资本投入存在迥异的影响效应;粮食产量同时受到农业结构调整、非农产业发展等宏观背景以及空间随机误差溢出效应的影响;不同主导类型的粮食产量变化机制存在差异,体现要素边际报酬递减、规模效应、政府调控等内在规律与外在因素的综合作用。该文揭示了全国及各主导类型的粮食产量波动原因及其作用规律,有助于确定各区域粮食增产的主要制约因素与提升途径,该研究为中央制定差别化的粮食生产支持政策提供参考。     

精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计

田间数据的实时采集、传输与处理是实施精准农业的关键环节。长期以来,困扰该环节的一个技术瓶颈是客户端实时数据采集与服务器端联动式决策的一体化处理。本文利用ArcIMS的技术框架,利用ArcXML语言,开发了适用于精准农业分布式数据采集、可独立运行、能实现空间决策分析的技术系统。系统由数据采集、数据处理、信息分析与智能决策4个模块组成。本文结合该系统在莱西市高科技农业示范园区的应用实例,揭示了这一系统的逻辑设计、物理实现、技术特色及主要功能。该系统的逻辑设计为精准农业园区高效采集、传输、处理信息和数据提供了一套可行的技术框架。     

基于农用地分等的粮食生产能力田间质量限制研究

农用地自然质量分能否正确反映耕地田间质量因素对粮食生产能力的作用,是农用地分等成果应用于粮食生产能力核算的关键问题。据此,该文依据天津市农用地分等成果,从自然质量等指数的计算过程出发,将自然质量分视为田间质量限制系数,应用回归分析的方法,探讨了耕地田间质量因素对粮食产量形成的影响,从而为农用地分等成果应用于区域粮食生产能力的核算提供思路。研究得到了以下结论:农用地自然质量等指数与标准粮的相关关系显著,农用地分等成果正确地反映了耕地质量及其粮食生产能力;自然质量分与标准粮产量的相关关系较差,但自然质量分的高低总体上与粮食产量呈正相关,即田间质量限制系数起到了耕地田间质量因素对作物产量的正确"限制"作用;但须设置控制性田间试验,才能在机理上建立各田间质量因子与产量的定量化模型,从而使得耕地质量评价指标体系更精准。     

压力式谷物产量监测系统优化与试验验证

为了提高谷物收获作业过程中谷物产量在线监测的精度,研制了基于谷物流压力原理的车载谷物产量在线监测系统,该系统包括谷物流量监测装置、定位装置、割台高度控制开关、核心处理器以及人机交互装置。以谷物产量与谷物流压力间的谷物产量监测数学模型为指导,搭建了谷物产量监测试验台,采用Box-Behnken试验设计方法优化谷物流量监测装置结构参数,研究了传感器数量、传感器安装位置和监测装置水平倾角对谷物产量监测系统测产误差的影响,确定了最优参数组合为传感器数量5、传感器安装位置0.24 cm、监测装置水平倾角5°,并对最优参数组合进行了验证试验,结果表明,谷物产量监测系统测产误差为3.27%,满足谷物产量监测的精度要求。对谷物产量监测系统田间实际效果进行了试验验证,试验结果表明,田间测产误差为5.28%,生成的产量分布图为后续田间作业管理提供了决策依据。     

谷物联合收割机远程测产系统开发及降噪试验

为降低田间振动干扰对谷物产量检测精度的影响,同时增加测产系统的实用性,设计了一种基于CAN总线技术、无线通信技术以及计算机网络技术的新型谷物智能测产系统。系统包括车载子系统和远程监测子系统2个部分,实现了谷物产量的现场监测、产量图绘制、远程监控与收获作业管理等功能。车载部分设计了弧形冲量传感器,提出了机械减振和双板差分方法来降低收割机振动对谷物流量测量的影响,采用数字阈值滤波的方法来提高谷物产量的测量精度,并建立了总产量和单位面积产量的数学模型。田间动态试验结果表明双板回归差分方式滤除干扰的效果优于直接差分,其最大测产误差为8.03%,测产平均误差为3.27%,最大测产误差比直接差分方式降低了7.12个百分点,最后绘制了试验地块的产量分布图。另外,系统的远程监控部分开发了界面友好的收获作业管理系统,实现了谷物产量的远程监测与管理。系统总体运行性能良好,满足了测产需要。     

嵌入式谷物流量传感器设计与试验

为进一步提高双平行梁谷物测产系统的集成度以便于推广应用,提出一种嵌入式谷物质量流量传感器。设计了基于混合信号控制器HY16F188和嵌入式处理器STM32F405的信号采集处理模块。其中HY16F188负责谷物冲击信号的后置放大和AD转换,STM32F405则主要完成自适应噪声对消算法,输出谷物质量流量信号。基于MFC设计了配套的上位机软件,用于谷物产量显示、存储和产量图生成。为验证传感器性能,2016年11月在扬州市江都区的实际生产稻田进行了空载振动试验、标定试验、测产试验。空载振动试验分成原地小油门、原地大油门和行走等3种工况,振动干扰噪声幅度降低了97.4%。标定试验中采用线性关系对传感器进行标定,通过直线拟合获得了标定系数。选择3个不同田块开展测产试验,共计进行8次实际测产试验,获得了产量分布图,可以直观看出农田各位置的谷物产量分布情况。大田测产试验结果表明最大测量误差小于7.4%。该研究可为精准农业谷物在线测产研究提供参考。     

水稻籽粒流对承载板冲击过程离散元分析

为了提高谷物流量测量精度,基于软球模型的离散元法,采用Hertz-Mindlin(无滑移)接触力学模型模拟水稻籽粒流与承载板冲击过程,在升运器线速度分别为0.5、1.0、1.5m/s时分析水稻质量与平均法向冲击力变化规律。结果表明:水稻籽粒流对承载板冲击过程的离散元模型参数选用合理,具有工程应用价值;去除水稻籽粒在承载板上的滑落阶段,3种线速度下水稻质量与平均法向力的线性相关系数由0.8062,0.9082,0.9891分别增大到0.9144,0.9630,0.9944。在设计冲量式谷物质量流量测量装置时应考虑如何减少谷物在测量装置上的滑落阶段,从而提高测量精度。为谷物流量测量装置的开发提供技术支持。     

黄淮海平原粮食均衡增产潜力及空间分异

在当前区域发展和保障粮食安全的双向压力下,为了了解粮食主产区增产潜力、区域内部差异及空间分布特征,该文以土地利用现状数据为基础,通过空间均衡增产途径分析,初步研究了黄淮海平原均衡增产潜力及其空间分布;运用空间自相关分析方法结合GIS技术,分析了黄淮海平原增产潜力空间分布模式。结果表明:黄淮海平原粮食增产潜力达到3 304.57万t,空间上表现为南部平原区高于西北部平原区;黄淮海平原粮食增产潜力的空间分布存在正的空间自相关性,空间集聚类型主要为高高集聚型和低低集聚型;在增产潜力及增产潜力空间分布模式引导下,黄淮海平原土地整治类型区划可分为中低产田改造区,包含258个区县;农用地整理区包含24个区县;农村居民点整治区,包含20个区县;土地开发区,包含7个区县。通过均衡的思想,对进一步提高粮食主产区的产量,保护国家粮食安全有重要意义,同时可为因地制宜制定区域均衡增产方向和途径提供支撑。     

单纵轴流谷物联合收获机清选装置内部流场分析与优化

单纵轴流谷物联合收获机清选装置内部流场对筛面风速分布和清选效果具有显著影响。该研究以雷沃重工RG-60型联合收获机为研究对象,通过田间试验测试了清选装置上筛面风速分布情况,结果表明上筛面右侧的风速大于左侧,风速分布均匀性差,造成振动筛左侧的脱出混合物堆积现象,不利于清选作业。为解决上述问题,对清选装置内部脱出混合物的受力和运动速度进行分析,利用HyperWorks软件对清选装置内部的风速分布进行仿真,结果表明风机前出风口和尾筛中部的风速最大值为8.6 m/s,筛面右侧风速偏大,左右两侧风速平均差值为2.6 m/s,试验和仿真结果的各测点风速变化规律一致。对清选装置的结构进行仿真优化,并进行优化后联合收获机田间试验,结果表明当清选装置右侧挡风板逆时针转动30°时上筛面风速分布最均匀,风速最大值为8.7 m/s;左右两侧流场对称分布,筛面各测点的风速比优化前平均提高2m/s;小麦籽粒损失率为0.89%,含杂率为0.37%;水稻籽粒损失率为1.85%,含杂率为0.51%,清选效果良好。研究结果为单纵轴流收获机清选装置结构设计提供了参考。     

光电信号与收割机谷物产量数据转换模型的构建与验证

为了准确获取联合收割机作业过程中的谷物产量信息,自主研发了基于光电漫反射原理的联合收割机谷物产量计量系统。系统主要由传感器模块、数据采集模块、GPS模块和谷物产量计量显示终端组成。在研究了联合收割机田间工作状态和籽粒升运器刮板谷堆近似模拟形状的基础上,提出了分段式光电信号与收割机谷物产量数据转换模型。同时为了进一步消除收割机作业过程中产生的奇异点数据,提出了基于籽粒升运器转速的双阈值动态均值滤波的数据预处理方法。结果表明,采用该方法可以有效剔除奇异点数据,提高产量数据整体平滑度。田间试验结果表明,在考虑升运器转速条件下,该研究提出的分段式谷物产量数据转换模型动态验证误差小于3.50%,满足联合收割机谷物产量计量的实际需要。     

不同样本尺度和分区方案的粮食产量空间化及误差修正

粮食产量数据空间化有助于粮食产量数据与其他自然、人文数据进行综合分析,但空间化过程中必然会产生误差。该文按照3种分区方案(全国不分区、全国分为7个区以及按省分区),选择3种尺度上(县级、地市级和公里网格)的总产及平均产量数据(即4种样本:县级粮食总产、县级平均粮食产量、地市级粮食总产、地市级平均粮食产量)分别为因变量,以对应的3种农田类型(水田、水浇地、旱地)面积数据为自变量,利用多元线性回归分析方法,得到15种空间化模型。采用两阶段误差分析方法,选取2个模型误差评价因子和5个空间化结果误差评价因子,对模型和空间化结果进行误差分析。结果表明:1)空间化过程中,模型精度与空间化结果的精度存在不一致性;2)对于采用同一样本的模型(常数项为0)而言,空间化结果精度随着分区方案的细化先提高再降低,而对于采用同一样本的模型(常数项非0)而言,空间化结果精度随着分区方案的细化而降低;3)在全国不分区和分为7个区2种情况下,空间化结果精度随着分析样本尺度的细化(从地市级到县级再到公里网格)先提高后降低。根据上述分析结果,最终以县级粮食总产为样本、常数项为0、全国分7个区建模的方案实现全国粮食产量数据空间化,并通过修正,得到2005年中国粮食产量公里网格分布图。该研究弥补了粮食产量空间化误差分析的不足,探寻了不同样本尺度和分区方案与空间化误差的关系,提高了空间化精度,同时对其他类型的社会经济统计数据空间化研究具有一定的参考价值。