“精确林业”的发展及其应用前景*

概述了“精确林业”的内涵及其主要支撑技术 (包括 GPS、GIS、RS、DBMS、DSS、VRT等 )、操作过程和国内外研究现状 ,并对精确林业在中国的发展前景进行了探讨。     

基于双目立体视觉的植物三维重建系统

为推进农林业科技发展,将虚拟现实的三维重建技术进一步应用于农林业领域将受到更加广泛的关注。本文通过拍摄两幅不同视角的拟南芥图片来获得二维图像信息转换为三维信息,重建出三维模型,并建立人机交互系统。选择双目立体视觉系统来进行拍摄不同视角的拟南芥图片,采用相机标定参数对获取的图像进行畸变校正和极线校正,同时对图像进行图像分割。然后选择SURF特征检测算法和SIFT特征匹配算法进行特征检测匹配,将匹配后得到的拟南芥的二维数据转换为空间三维坐标,使用三角剖分算法和纹理映射方法得到了拟南芥三维逼真模型。最终得到了具有592个空间点的拟南芥的三维模型,并建立了基于机器视觉技术的模式植物虚拟生长模型的人机交互系统。通过对多盆拟南芥进行建模和参数验证,拟南芥叶片长度、宽度和茎秆长度的软件测量值与真实值之间的相关系数R 2分别为0.9404,0.974,0.9862,且软件测量值都在真实值的5%误差线范围以内。表明本文重建的拟南芥模型稳定性和可靠度都较高。     

基于YOLO v5的植物叶绿素含量估测与可视化技术

为快速估测并直观显示植物叶绿素含量的冠层分布,以苗期的簸箕柳作为研究对象,构建了一套多视角表型信息采集平台,通过目标检测算法YOLO v5检测识别出植物分枝区域并提取不同色彩空间下的主枝部分分层色彩因子,对比多种模型回归方法,将多组色彩因子组合与手持式叶绿素含量测定仪测得的SPAD进行反演建模,得到拟合度最高的色彩因子组合回归模型;将该模型应用于整株苗木图像来表征SPAD的冠层分布,实现叶绿素含量在整株植物分布上的可视化。结果表明：通过对比多种回归算法下不同色彩因子组合模型与SPAD指数的相关性,发现在RGB空间下由色彩因子R、G、B、G/R、G/B构建的对数项岭回归算法拟合模型效果最佳,其拟合度最高（R²为0.73）,且误差最小（RMSE为2.16）。本文通过采集多视角图像,基于YOLO v5目标检测模型识别出植物主枝冠层区域,得到叶绿素含量冠层分布的最佳估测模型并进行可视化,可实现植物苗期生长的监测与植物长势的快速评判,为氮胁迫早期诊断和氮肥科学施加提供技术指导。     

转笼式生物农药雾化喷头的性能试验

化学农药对生态环境的危害和人类健康的威胁使得低毒、低残留、不易产生抗药性的生物农药日益受到重视,但与之相配套的喷施机具的缺乏限制了生物农药的推广使用。为了研究保证生物农药存活率的专用喷施器械与操作方法,该文研究了喷施生物农药的专用转笼式离心喷头,并测试了其雾化性能和生物活性保持率。该文建立性能测试系统,利用粒子图像测速系统和激光粒度仪研究生物农药离心雾化喷头的转笼直径、丝网目数等结构参数,流量、转速等操作参数和生物农药制剂选择对于雾滴流场均匀性、雾滴粒径分布、生物农药活性的影响。量化分析了喷头结构和操作参数对雾滴体积中径和苏云金杆菌、白僵菌2种生物农药存活率的影响程度,采用SPSS软件通过相关信息和逐步回归分析建立了包含转笼直径、丝网目数、输药流量、转笼转速因素的转笼喷头雾化性能多元线性回归拟合模型,并检验其拟合度,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。综合各因素,提出了转笼式生物农药雾化喷头结构和操作参数的优化配置为:转笼直径100mm、丝网目数60、转笼转速3000r/min、输药流量80L/h。结果表明,转笼输液装置的双侧对称进液比单侧进液时雾滴流场均匀性提高,为了保证生物农药活性,转笼式喷头的转速不宜太高。该文的研究为设计生物农药喷施机具、制定确保活性成分的操作规范、提高生物农药防治病虫害效果提供了理论依据和技术支持。     

国内外植保机械发展及智能化有害生物综合治理系统展望

简析了植保机械发展历程并分析归纳植物保护自然耕稼、农药优先、综合治理3个阶段的典型植保机械概况,分析综述了国内外开展物理防治、生物防治、化学防治和有害生物综合治理的方法和装备及其关键应用技术的研究进展.最后以组织、技术和制度等集成为切入点,提出了农机农艺深度融合开发原创性植保机械的互动机制、匹配技术、种植制度建议,并提...     

农药喷雾全过程性能分析及其测试技术研究进展

农林植物受生物及非生物胁迫的发生面积居高不下,化学农药防治是消灭或控制病虫草害等有害生物胁迫的最主要方法,而农药喷雾性能直接影响着病虫草害防治效果.通过农药喷雾全过程性能综合分析图,归纳了农药喷雾过程中的雾化性能、输运沉降性能和沉积性能.其中,雾化性能包括雾流锥角形状、射流贯穿长度、液膜破碎距离以及药液在线混合等喷雾宏...     

精确林业GPS信标差分定位精度分析

利用设计的Trimble AgGPS132定位试验装置进行连续时间内的单机定位试验和信标差分定位试验,作出x、y坐标多次测量结果散点分布图和同一点的多次测量结果散点分布图,平均值、标准差等结合数据分析对比其精度,检验信标差分定位系统的静态符合度和动态符合度。试验结果表明：信标差分定位比单点定位精度高,误差小,信标差分定位比单点定位横、纵坐标精度提高12%到47%,AgGPS132信标差分试验系统的静态符合度和动态符合度都较好,符合精准度要求较高的精确林业的生产作业要求。在中国建立的导航信标信号覆盖区内,采用信标差分GPS系统具有信号连续、工作稳定、精度可靠、费用低廉等优点,因此信标差分技术在精确林业应用上将具有巨大的发展潜力。     

扇形喷头雾滴粒径分布风洞试验

利用开路式风洞系统和Sympatec激光粒度仪测试了参考喷头的雾谱尺寸以此作为喷头雾谱等级的依据。对扇形雾喷头在不同压力、风速、喷头与激光粒度仪距离情况下的雾滴粒径、数量和范围进行了试验。试验结果表明,压力、风速、喷头与激光粒度仪之间距离的增大,都导致扇形雾喷头的雾滴体积中径变小,尺寸小于150μm的雾滴占全部雾滴体积的百分比变大,增加了农药脱靶飘移的可能性,同时压力和风速的增大都导致部分喷头的雾谱等级降低。为了保证激光粒度仪对雾滴粒径测试结果的可靠性,可以使用风洞试验和调整喷头与激光粒度仪的距离,来减小因细小雾滴通过激光束过程中速度迅速衰减而对测量结果带来的影响。     

风送转盘式生物农药离心雾化喷头的性能

针对专门喷施生物农药的器械较少的现状,设计制造了风送离心式雾化装置,并通过改变风送离心雾化转盘的结构参数（外径、齿数、斜角）以及操作参数（流量、转速、风速）进行雾滴粒径、生物农药活性以及小菜蛾Plutella xylostella防治药效试验。得出的主要结论有:转盘外径越大,雾滴粒径越小;斜角度数越大,雾化粒径越小;齿数越多,雾滴粒径越小。由此推荐了针对不同环境下的作物,风送转盘式生物农药离心雾化喷头的最佳结构参数组合,转盘外径、转盘斜角、转盘齿数对于生物农药活性的影响都不大,满足病虫害防治要求。综合各因素,提出了风送转盘式生物农药离心雾化喷头操作参数的优化设置为:流量为40 L·h-1,转速为6 000 r·min-1,风速为5 m·s-1;从药效上看,各种结构参数和操作参数组合小菜蛾的死亡率都在90%以上,满足使用要求。     

表型技术在林木育种和精确林业上的应用

缺乏有效的表型采集与分析能力已成为林木育种研究领域的瓶颈,其关键难点是生成准确的表型数据,以便正确解释获得的结果。在精确林业中面临的核心挑战是实现自动化、大范围、快速实时的表型性状分析。长久以来,林木遗传育种和精确林业监测要花费大量的人力收集常规表型数据,传统的表型研究方法具有效率低、维度低、通量低、精度低、劳动量大、主观性强等缺点,无法满足挖掘"基因型—表型—环境型"内在关联、揭示特定生物性状形成机制的科研需求。因此,亟需在林业上发展并应用非破坏式、自动化、高通量、高精度的表型监测技术。现代表型技术使用搭载多种类型成像传感器的系统,自动收集林木形态结构和生理生化等大量表型数据,实现对大批量林木个体的生长监测。另外,无损测量的特点使对同一林木个体进行连续监测得以实现,从而获取林木生长相关的表型性状,如在胁迫研究中,表型技术能明晰林木对胁迫的响应模式及其对胁迫的抗性。利用新型传感器技术对遗传测定群体进行准确、高通量、无损式、快速高效的表型信息采集,对于加快林木遗传改良进程、实施精确林业战略、挖掘优良种质、提高森林质量和抗逆能力至关重要。本文回顾林木表型技术的发展,介绍了基于个体和基于林分(群体)的林木表型技术的应用领域和研究内容。详细分析可见光相机、荧光成像仪、近红外成像仪、高光谱成像仪、热红外成像仪和激光雷达扫描仪等各成像传感器的测量参数、频谱范围、成像原理、优缺点,以及在林木表型信息采集上的应用现状等。林木表型技术的研究趋势为:1)构建新型采集平台获取林分和个体的关键表型性状以提高精度及通量;2)利用环境监测技术,分析林木在温度、湿度、水分、光照等非生物胁迫下的表型反应,以进行抗逆良种选育;3)利用生物胁迫下的表型变化分析推动精确林业中的病虫害监测、分类、识别和防治等;4)利用高通量表型技术与全基因组选择、数量性状位点和全基因组关联分析相结合以鉴定基因的功能,提高选择的准确性。表型技术的应用将实现快速实时、高质量、高精度、高通量的采集林木数据,从而提高育种效率,优化精确林业实践,加速林业信息化的发展进程。