植保无人机航空喷施作业有效喷幅的评定与试验

植保无人机有效喷幅宽度的准确评定是农业航空精准作业的前提,对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义。该文以不同参数的单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机为例,分别通过12架次不同飞行参数下的航空喷施试验及目前国内常用的雾滴密度判定法和50%有效沉积量判定法来评定植保无人机的有效喷幅宽度,并根据雾滴处理软件Deposit Scan对水敏纸等采集卡上的图像处理原理对不同评定方法进行了深入分析。结果表明:50%有效沉积量判定法更适于雾滴粒径相对较大的3WQF120-12型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥4.44 m;雾滴密度判定法更适于雾滴粒径相对较小的P-20型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥2.58 m;评定的有效喷幅结果与实际情况相符合。另外,由分析可知,由于当前图像处理技术的限制,不同粒径大小的雾滴斑点图像,软件Deposit Scan所产生的相对误差不同,因此,应根据植保无人机喷施雾滴粒径的范围选择合适的有效喷幅宽度评定方法。该结果为不同参数的植保无人机选择较优的有效喷幅评定方法提供了指导,降低了航空喷施作业的重喷率和漏喷率,提高了植保无人机航空喷施作业质量,可为植保无人机精准喷施作业的实施提供参考。     

植保无人机飞行参数对施药雾滴沉积分布特性的影响

为探究植保无人机喷雾田间雾滴沉积分布特性和飞行参数及参数精准度对沉积分布影响,该文采用高精度北斗卫星定位系统获取无人机精准飞行参数,以柠檬黄示踪剂水溶液代替农药对4种典型国产植保无人机进行了小麦田间喷雾试验,并将其中2种单旋翼无人机的飞行参数与其变异系数、均方根误差相结合,对雾滴沉积分布特性的影响因素进行了研究。结果表明:4种无人机施药在航线两端区域内沉积量变化剧烈,航线中间区域沉积量较稳定;影响横向雾滴沉积分布主要因素是无人机相邻喷头或喷幅间的雾滴重合度;对于单旋翼无人机,在高度1.1~1.2 m、速度4.2~4.9 m/s的范围内,沉积量与速度均方根误差呈极显著线性正相关关系(P0.01,r=0.952),纵向沉积量变异系数与速度变异系数呈极显著线性正相关关系(P0.01,r=0.963),总体沉积量变异系数与高度呈显著线性负相关关系(P0.01,r=–0.888);使用速度均方根误差、速度变异系数和高度这3个飞行参数和参数精准度指标来分析和预测雾滴沉积量和分布均匀性的方法合理、有效、可行。根据试验结果,该文给出了相关合理建议以改善植保无人机施药效果,研究结果可为植保无人机田间喷雾作业参数确定、作业条件的选择和田间作业规范的制定提供参考。     

植保无人机低空低量施药雾滴沉积飘移分布立体测试方法

随着植保无人机在中国的广泛使用,植保无人机的沉积分布均匀性与雾滴飘移流失也引起各方面的重视。目前,针对植保无人机施药雾滴沉积飘移的测试方法较少,且着重于从沉积或飘移中某一方面分析植保无人机雾滴沉积飘移规律,未对作业中全方位的雾滴的沉积飘失规律进行系统测试。该文基于国际标准ISO22866和ISO24253建了1套针对低空低量植保无人机的立体测试方法,分别在地面布置沉积和飘移收集器,在空中架设立体沉积和空中飘移收集器,结合航拍影像所获取的植保无人机准确作业参数,对4个型号植保无人机分别搭载德国Lechler公司的IDK120-015和TR80-0067喷头进行了测试,系统分析了无人机周边的总沉积以验证方法准确性,计算了总地面沉降以表征可利用部分和空中耗散以评估环境风险。结果表明,各植保无人机地面沉积率在53.6%~76.6%,地面飘移率最高17.4%,空中飘移率可高达14.7%;该测试系统可收集62.4%~101.7%无人机喷洒出的雾滴。测试的4种植保无人机在搭载IDK喷头后均明显降低了雾滴飘移,但也同时降低地面沉积率;各植保无人机在搭载2种喷头时沉积规律不同,不同植保无人机设计需要选择不同喷头。该测试方法能够有效的收集并分析植保无人机在作业区域的雾滴立体分布状态,可为植保无人机综合评估提供新的参考依据。     

旋翼无人机气流特征及大田施药作业研究进展

旋翼植保无人机近年发展迅速,已出现大量施药作业的相关研究成果。针对目前研究现状中基础作业体系不清晰、关键问题研究不深入的问题,该文聚焦旋翼无人机施药目的,明确指出旋翼气流的存在是旋翼植保无人机大田作业的典型特征。围绕该特征,提出旋翼无人机大田施药作业基础体系,依照农药装载搬运-农药转化雾滴-雾滴空间运动-雾滴植株扩散-施药作业方法的主线,分别对旋翼无人机的机体、药箱、雾滴物理状态、运动状态、旋翼气流、对靶沉积、脱靶飘移、气流与作物互作、雾滴附着、机体控制、喷施量控制及作业模式等基本要素的研究现状进行归纳总结,梳理旋翼无人机施药作业体系的内在逻辑关系,探寻施药作业体系中待深入研究的基础科学问题。指出目前旋翼无人机大田作业亟需解决作业体系内容研究不均衡、机理研究不深入的问题;亟需解决作业参数关联性不强、大田试验条件精准性有待提高的问题;亟需解决作业模式无法直接表征作业效果、高精度飞行参数难转化为作业参数的问题,并给出深入研究的相关建议。期待广大学者提高对旋翼气流相关研究的关注度,围绕旋翼无人机大田作业体系中的实践与技术难点,寻找出具有旋翼气流特征的物理参数,提炼基础科学问题,加强工程应用研究。     

多翼单臂纵列式电动无人机旋翼间距优化及能耗试验

针对现代农业航空技术的发展对电动多旋翼农用无人机的载荷能力、持续作业能力、作业效率提出更高的要求,而目前电动多旋翼植保无人机存在续航时间短、载质量小、作业效率低等问题,该文通过试验测试平台,首先对共轴式双旋翼进行不同纵向间距下的升力性能及能耗测试,分析纵向间距对双旋翼升力的影响规律,根据分析结果,针对纵列式双旋翼进行升力随横向间距的变化规律研究,得出横向间距比等于1.8为双旋翼纵列式方式的最优横向间距比。随后对不同尺寸纵列式双旋翼和纵列式多旋翼升力随横向间距比的变化规律进行测试,验证最优横向间距比1.8的普遍适用性。最后,对多旋翼单机臂结构六轴十二旋翼纵列式布局无人机的综合性能参数进行优化分析,并对平面式、纵列式布局方式下的六轴十二旋翼无人机进行飞行试验,验证旋翼间距的优化结果。优化分析结果表明,横向间距比均分别在最优化条件下时,纵列式和平面式布局的升力远高于共轴式布局。与纵列式布局相比,平面式布局机型升力差别不大,但机身尺寸增加38.70%。飞行试验结果表明,在相同负载下,相对于优化后的纵列式机型,平面式机型在单位时间内悬停功率仅减小0.062%,而机身质量增加6.8%。该研究在保证无人机能效的前提下,通过改变旋翼间的相对位置,对多旋翼单机臂结构电动无人机的旋翼间距进行优化,从而优化机身尺寸及质量,改善多翼单臂结构无人机的气动特性,降低惯性,提升有效负载能力,从而提升整机性能。     

基于改进最小化SNAP的植保无人机作业轨迹优化算法

轨迹优化是实现植保无人机自主作业路径规划的重要环节，合理高效的轨迹优化算法能使植保无人机安全快速地跟踪轨迹作业，提升作业稳定性与精准性。针对传统最小化SNAP算法偏移误差较大、时间分配不合理的问题，该研究提出一种针对植保作业场景的改进最小化SNAP轨迹优化算法。首先，运用机载载波相位差分(real-time kinematic,RTK)模块采集作业地块地形数据并搭建三维空间地图，基于空间地图采用牛耕法规划初始作业路径；其次，通过改进最小化SNAP算法优化作业路径，结合初始轨迹状态参量构建时间分配函数，解算得到当前最优时间分配；然后，重构最小化SNAP轨迹约束函数，添加位置偏移量梯度惩罚因子，采用最优化方法求解轨迹多项式系数；最后，联合无人机位置控制周期与轨迹多项式实例化航迹点，作为无人机运动的位置期望。试验结果表明，相较于传统最小化SNAP算法，本文算法在同等作业时间前提下，平均加速度减小7.82%，平均偏移误差减小45.56%，对轨迹偏移的抑制效果明显，并降低了加速度在地头转向处的超调，作业轨迹更加精准，作业速度更加平稳，可为植保无人机的轨迹优化策略提供参考。     

多翼单臂纵列式布局电动无人机旋翼间距优化及能耗试验

针对现代农业航空技术的发展对电动多旋翼农用无人机的载荷能力、持续作业能力、作业效率提出更高的要求,而目前电动多旋翼植保无人机存在续航时间短、载质量小、作业效率低等问题,该文通过试验测试平台,首先对共轴式双旋翼进行不同纵向间距下的升力性能及能耗测试,分析纵向间距对双旋翼升力的影响规律,根据分析结果,针对纵列式双旋翼进行升力随横向间距的变化规律研究,得出横向间距比等于1.8为双旋翼纵列式方式的最优横向间距比。随后对不同尺寸纵列式双旋翼和纵列式多旋翼升力随横向间距比的变化规律进行测试,验证最优横向间距比1.8的普遍适用性。最后,对多旋翼单机臂结构六轴十二旋翼纵列式布局无人机的综合性能参数进行优化分析,并对平面式、纵列式布局方式下的六轴十二旋翼无人机进行飞行试验,验证旋翼间距的优化结果。优化分析结果表明,横向间距比均分别在最优化条件下时,纵列式和平面式布局的升力远高于共轴式布局。与纵列式布局相比,平面式布局机型升力差别不大,但机身尺寸增加38.70%。飞行试验结果表明,在相同负载下,相对于优化后的纵列式机型,平面式机型在单位时间内悬停功率仅减小0.06%,而机身质量增加6.82%。该研究在保证无人机能效的前提下,通过改变旋翼间的相对位置,对多旋翼单机臂结构电动无人机的旋翼间距进行优化,从而优化机身尺寸及质量,改善多翼单臂结构无人机的气动特性,降低惯性,提升有效负载能力,从而提升整机性能。     

用P20型植保无人机减量施药防治稻纵卷叶螟

为探讨植保无人机（UAV）减量施药对水稻病虫害的防治效果,该研究采用P20型植保无人机进行水稻田间施药作业。分别在水稻分蘖末期、孕穗期开展了两种施药液量（15、22.5 L/hm2）的水稻冠层雾滴沉积试验,以及两种施药液量下480、540、600 mL/hm2 3种农药剂量（阿维·氯苯酰推荐剂量的80%、90%、100%）的防治稻纵卷叶螟减量施药田间药效试验,并与背负式电动喷雾器（Knapsack Electric Sprayer,KES）人工施药的常规防治方法进行施药效果对比。雾滴沉积试验结果表明,水稻冠层上部的雾滴分布均匀性优于水稻冠层下部;施药液量15、22.5 L/hm2的冠层上部雾滴沉积有显著差异,且施药液量22.5 L/hm2的冠层上部雾滴沉积显著优于施药液量15 L/hm2。药效试验结果表明,农药剂量越大稻纵卷叶螟防治效果越好,采用农药剂量100%的植保无人机施药防治效果最好,并优于KES人工施药;施药液量15、22.5 L/hm2的稻纵卷叶螟防治效果有显著差异,且施药液量22.5 L/hm2较15 L/hm2的防治效果更好;处理T2（施药液量15 L/hm2、农药剂量90%）、处理T4（施药液量22.5 L/hm2、农药剂量80%）与KES人工施药的防治效果没有显著差异。采用植保无人机施药防治稻纵卷叶螟,施药液量22.5 L/hm2可以获得更好的雾滴沉积和稻纵卷叶螟防治效果;施药液量22.5 L/hm2时,减少20%的农药剂量也能保证稻纵卷叶螟防治效果。该结果对水稻田间植保无人机减量施药具有实践指导意义。     

植保无人机飞行参数对油茶授粉雾滴分布及坐果率的影响

为了探究植保无人机授粉喷施时对油茶坐果率的影响,该文采用大疆T20型无人机开展授粉试验研究。通过设置植保无人机不同飞行高度和飞行速度,比较分析各试验组的雾滴分布情况,探究植保无人机飞行参数对油茶授粉雾滴分布的影响,以及雾滴分布对油茶坐果率的影响。结果表明：油茶树冠层对于植保无人机喷施的雾滴有较强的阻碍作用;植保无人机授粉喷施的雾滴沉积量随着飞行速度的增加而逐渐减少;随着植保无人机飞行高度增加,雾滴沉积量呈现先升后降的趋势;当飞行速度为3m/s、飞行高度为2.5m时,植保无人机授粉效果最好,油茶树上层平均坐果率达到42.67%,油茶树下层平均坐果率为36.00%;油茶坐果率与雾滴沉积量之间呈正相关,斜率K为25.267,修正后的R²为0.806。该研究结果可为植保无人机开展油茶林授粉喷施作业提供重要的数据支撑,为提高油茶产量提供理论依据。     

无人机倾斜摄影技术在水土保持监测中的应用

通过对典型公路工程水土流失易发区域进行无人机倾斜摄影监测，规划航线进行飞行拍摄，获得影像数据，利用影像处理软件和地理信息系统软件进行数据处理，按照算法得出监测点位的土方量，并与施工现场土方量记录表进行比较，结果表明：两者误差为3.5%,可满足水土保持监测的精度要求，保证水土保持监测工作的客观性和准确性。     

The science and application of ecological monitoring

We provide a broad overview of the underlying philosophy of ecological monitoring. We argue that the major characteristics of effective monitoring programs typically include: (1) Good questions. (2) A conceptual model of an ecosystem or population. (3) Strong partnerships between scientists, policy-makers and managers. (4) Frequent use of data collected.We classify monitoring programs into three categories - (1) Passive monitoring, which is devoid of specified questions or underlying study design and has limited rationale other than curiosity. (2) Mandated monitoring where environmental data are gathered as a stipulated requirement of government legislation or a political directive. The focus is usually to identify trends. (3) Question-driven monitoring, which is guided by a conceptual model and by a rigorous design that will typically result in a priori predictions that can be tested.There are advantages and disadvantages of mandated monitoring programs, which are typically large-scaled, and generally smaller-scaled, question-driven monitoring programs. For example, while question-driven monitoring programs can provide insights into the ecological processes giving rise to emergent environmental patterns, spatial generalization from them is difficult because results may not extrapolate well to other regions, states or to a national level. Conversely, while mandated monitoring can be useful for producing coarse level summaries of temporal changes in a target population or resource condition they may not identify the mechanism influencing a change in an ecosystem or an entity. A key remaining challenge is to develop much improved mandated monitoring programs through more widespread adoption of the features of successful question-driven monitoring programs in efforts to enhance biodiversity conservation and environmental management.     

畜禽行为及生理信息的无损监测技术研究进展

畜禽信息主要包括动物健康信息、行为信息、情绪信息。禽畜养殖中,准确高效监测畜禽信息有助于分析动物的生理、健康和福利状况,及时发现生病或异常个体,以减少经济损失和保障动物福利。目前畜禽养殖中主要依靠人工观察方式获取畜禽信息,主观性强且精度低;或者在饲养过程中采用一些将装置植入动物体内或对动物进行手术的监测手段,造成动物应激反应,有损动物福利。无损监测技术可以有效减少人力,降低观察者对动物的影响,减少监测过程中对动物造成的损伤与应激反应,提高动物福利。随着信息技术的进步,畜禽信息无损监测技术也在不断发展。该文阐述了畜禽养殖中传感器监测、图像监测及声音监测3种无损监测技术在获取畜禽信息方面的研究与应用现状,并分析3种无损监测技术的优劣。传感器监测技术发展较其他2种技术相对更加成熟,应用也更加广泛,可用来监测动物饮食、行为姿态等,但适合动物穿戴、可长期高效工作的传感器节点技术有待突破;图像监测技术利用前景提取、模式识别等方法对动物图像进行分析,可进行动物行为识别、质量估计等,对动物影响最小。但目前算法还不成熟,装置受环境干扰较大,因此应用有限;声音监测技术起步较晚,受限于环境噪声的影响,识别正确率较低,但在动物行为监测、疾病预警、情绪识别、饮食监测等方面均有较好的应用前景。该文还展望了畜禽信息无损监测技术未来精准、高效、智能、经济的发展趋势。     

沟蚀监测研究现状及发展展望

介绍了国内外常用的沟蚀监测方法中传统皮尺侵蚀针监测法、遥感监测法、GPS监测法、树木断代法、塘库淤地坝回溯法、三维激光扫描监测法的研究与应用成果,讨论了各种方法的优缺点及适用范围,指出提高监测精度、降低监测工作难度是沟蚀监测方法发展的趋势,认为监测精度高的三维激光扫描、无人机遥感等新兴技术在沟蚀监测领域的应用是今后一段时间的研究热点。     

Potential of a national monitoring program for forests to assess change in high-latitude ecosystems

Broad-scale monitoring in Alaska has become of increasing interest due to uncertainty about the potential impacts of changing climate on high-latitude ecosystems. The Forest Inventory and Analysis (FIA) program is a national monitoring program for all public and private forestlands in the US, but the program is not currently implemented in the boreal region of Alaska. We provide an overview of the strengths and weaknesses of the FIA system for monitoring the potential impact of climate change on Alaska’s species, communities, and ecosystems. The primary strength of the system is a scientifically rigorous design-based statistical estimation method that produces estimates of forest attributes with known sampling error and quantifiable measurement error. The weaknesses of the system include low power for small area estimates, lack of spatial context and contiguity, and difficulty in inferring causality of factors when changes in monitored attributes are detected.Climate change is expected to impact many components of boreal ecosystems, but for most indicators the direction and magnitude of change are difficult to predict because of complex interactions among system components. Status and trend information provided by FIA monitoring that could be helpful to conservation decisions includes abundance and rarity of vascular plants, invasive species, biomass and carbon content of vegetation, shifting vegetation species distribution, disturbance frequency, type, and impact, and wildlife habitat characteristics. Because of unique factors such as the low level of infrastructure, modifications to the FIA monitoring system used in the conterminous US have been proposed for Alaska. Remote sensing data would play a greater role in meeting monitoring objectives, and sampling intensity of field plots would be reduced. Coordination with other national, regional, and local monitoring efforts provides potential for increased understanding of change in boreal ecosystems at multiple scales.     

基于监测指标复合式控制区的耕地质量监测点布设方法

为探寻耕地质量监测点布设方法,解决现有监测点空间布局不合理、针对性不强,监测精准化程度差和监测成本过高的问题.该文以耕地地力调查与质量评价成果为数据源,在样点数据分析基础上,采用变异系数法、可视离散化法、克里格插值法、叠加法,以及误差理论和抽样理论,确定监测控制区层级、层级划分区间及与之对应的监测点位数量,形成监测指标复合式控制区,布设监测点位.以克山县为例进行技术应用,将11个指标200个监测点位进行2200次测试化验,110 kg土壤样本消耗量、44万元监测费用的方案,优化至7个指标30个监测点位进行81次测试化验,4.05 kg土壤样本消耗量、1.62万元监测费用,增强了耕地质量监测的针对性,降低了监测成本和资源消耗,且研究布设监测点位数据对耕地地力调查与质量评价数据具有较好的代表性.该方法切实可行,具有很好的应用价值,可以通过较少的投入,获取精准、较大的信息量,可为耕地质量监测点位优化提供方法借鉴.     

开发建设项目水土保持监测点布局

开发建设项目水土流失是一种典型的人为加速侵蚀现象,其发生发展的机理较为复杂,水土保持监测工作的开展也具有一定的难度。监测点布局是水土保持监测的基础性工作,其合理性直接影响水土流失动态变化状况、水土保持措施实施及效果监测的科学性与客观性。目前尚缺乏统一的监测点布局规范,给监测设计工作带来了不确定性。综合考虑了自然条件和项目工程特性,采用分层抽样的基本思想,提出利用水土流失类型、地形地貌类型、土地利用类型和工程功能单元类型进行4级分区控制的开发建设项目水土保持监测点布局方法,构建了项目区-监测分区-监测点逐层细化的监测点布局方法,提出了不同项目水土保持监测的重点地段,旨在解决因自然条件、工程特性的差异而导致监测点布局困难的问题。     

试论我国水土保持监测的类型与方法

依据监测工作性质，可将我国水土保持监测划分为研究性监测、实验性监测、生产性监测和预警预报性监测4种类型。各类型相互嵌套，相互依存；因此，实践中，要正视发展现状，辩证分析水土保持监测各类型间的关系，准确定位，把握正确方向，在加强监测理论和实验研究的同时，加强生产实践，并健全制度，规范管理，加强人才队伍和学科建设，进一步推动水土保持监测科学、全面、可持续发展。     

线状工程建设项目的水土保持监测—以西气东输项目为例

以西气东输项目为例,在分析项目区及不同工程部位水土流失特点的基础上,以水土保持措施布局分区为依据,对大型跨区域线形建设项目水土保持监测类型区进行了划分.采用监测类型区与监测工程区正交布点的方式确定监测点位,具有较强的代表性.监测时段分为施工前期、施工建设期和运营初期,给出了各时段的确定方法.分时段提出了不同工程类型区的监测内容和监测方法.     

Global trends in soil monitoring research from 1999–2013: a bibliometric analysis

A bibliometric analysis of soil monitoring during the period of 1999–2013 was performed based on Science Citation Index Expanded and Social Science Citation Index databases. The measuring parameters included scientific outputs, subject categories and major journals, international collaboration and geographic distribution of authors and countries, keywords, and hot topics. This research demonstrated a significant increase in the field since 1999. The USA was the largest contributor, generating 26.7% of the total articles with a total number of cited times per paper (CPP) of 17.4. The USDA ARS was the most productive institute with a CPP of 19.0. Hot topics were classified into two major groups according to the author keywords analysis: (1) monitoring objectives and indicators, e.g. climate change, land use and agriculture, soil moisture and heavy metals, which reveal the relationships between the soil and environmental factors; (2) monitoring techniques and monitoring scales, e.g. remote sensing and integrated ‘3S’ techniques, and the varied scales aiming at the comprehensive detection of various soil attributes change. We found that environment policy should be formulated regarding heavy metal pollution which raised great concern about soil monitoring. Biodegradation and bioremediation were popular methods to restore the changes in microbial communities, soil water quality, soil organic matter and inorganic matter. What is more, the integration of ‘3S’ techniques at a regional scale guaranteed the rapid data acquisition and facilitated soil mapping and its spatio-temporal pattern analysis, which should be a future research direction.     

开发建设项目水保监测中土壤侵蚀模数监测方法探讨--以"东深供水改造工程水土保持监测"项目为例

以“东深供水改造工程水土保持监测”为例,探讨了土壤侵蚀模数的监测方法。针对项目施工期动土量大,地形、地貌变化迅速、剧烈,扰动地表类型多样的特点,因地制宜地采用了标桩法、径流小区法、侵蚀沟量测法、人工模拟降雨法四种监测方法进行了各种不同地表扰动类型的土壤侵蚀模数监测。结果表明,四种方法基本可以囊括工程所有地表扰动类型的土壤侵蚀模数的监测,数据的准确性和可靠性较高,监测效果较为理想。可为类似项目的土壤侵蚀模数监测提供借鉴和参考。