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。     

多源遥感数据支撑的耕地质量监测与评价

【目的】耕地质量监测与评价可为土地整治、占补平衡、新增耕地质量评估和基本农田管护提供科学依据,多源遥感为实现长时序大范围的耕地质量监管提供了数据基础和技术支撑。【方法】文章从耕地质量的定义出发,研究了基于遥感技术耕地质量监测与评价的两种策略:(1)从地学特征、土壤特性、环境状况、建设水平和生物多样性等5个维度表达耕地质量的科学内涵,构建以多源遥感数据为基础的耕地质量监测与评价指标体系,并梳理利用遥感技术获取各关键指标因素的方法;(2)从系统思维的角度,利用长时间序列遥感数据监测作物长势间接反映耕地质量综合状况。【结果】以多源遥感支撑的耕地质量监测与评价体系可实现耕地质量信息的实时、大范围获取,对耕地质量监测与评价工作具有重要意义;遥感技术支撑的耕地质量监测与评价,逐渐向更高精度、更多样化和更融合的方向发展。【结论】该研究结果可为耕地质量的实时大范围监管和耕地资源的"三位一体"管护提供参考。     

1985-2020年海伦市耕地质量遥感监测与空间格局变化分析

耕地数量和质量变化直接关系到国家粮食安全,海伦市是中厚层典型黑土区,是黑龙江省重要的商品粮食县。为了揭示东北典型黑土示范区海伦市耕地质量时空变化特征,本研究利用Landsat系列卫星遥感影像进行每五年为一期,共8期的长时序分析,建立基于压力-状态-响应模型(Pressure-State-Response, PSR)的耕地质量评价方法,运用层次分析法为各评价指标赋予权重,结合专家评分与线性内插法实现评价因子的定量评价,最终将各评价因子进行空间权重叠加获得1985-2020年海伦市耕地质量评价结果。结果表明,海伦市1985年耕地质量优于其他年份,一级、二级和三级耕地面积减少,五级耕地面积明显增加;海伦市东部耕地质量高于西部,1985-2020年四级、五级耕地主要分布在西南部以及中部地区的部分区域;1985-2020年一级、二级耕地集中分布在东部及双录乡附近;本研究将遥感技术引入耕地质量评价中,合理揭示了其时空变化特征,为该区域今后耕地质量提升工作指明了方向,对今后进一步可持续利用和管理黑土地具有积极意义。     

县域耕地-人口-粮食系统与耕地压力研究

依据阳新县域2000-2012年来耕地-人口-粮食系统的演变情况,对耕地压力的变化态势进行了解析,并基于GM(1,1)模型预测了2013-2020年相关基础指标和耕地压力指数K。结果显示,阳新县域耕地-人口-粮食系统发展不均衡,最小人均耕地面积总体变化呈现波浪式上升,而耕地压力指数均大于1,呈快速增加趋势,耕地压力较重;2013-2020年间,系统矛盾将继续存在,最小人均耕地面积和耕地压力指数均逐年升高,耕地压力持续增大。未来阳新县必须采取得力措施,以实现耕地-人口-粮食系统的可持续发展,减轻耕地压力。     

基于3G和WSN的森林土壤湿度采集系统研究

本文提出了基于无线传感器网络和TD-SCDMA传输的森林土壤湿度检测方案,分析了采集系统的工作原理和整体方案,设计了采集系统各个部分的硬件组成.同时分析了土壤湿度不同采集方法的优缺点,列出了土壤含水量的数学表达式.最后介绍了土壤传感器网络节点的分布规则和计算方法.     

岩溶区县域耕地质量”外监测网络布设研究——以陆良县为例

耕地质量动态监测是为掌握实时实地的耕地质量状况,持续定期地通过科学而合理的空间取样,调查影响耕地质量的主要指标或属性,并结合其他数据的分析,对耕地质量的变化做出评估。结合区域耕地质量变化的自然规律,科学构建覆盖面广、层次清楚、代表性强的耕地质量"外监测网络对监测的科学性、监测结果的可靠性具有重要意义。该文研究提出了岩溶地区县域耕地质量"外监测网络布设方法,并以耕地质量等级监测示范县陆良县对此方法进行了实例验证。陆良县共划分为9类监测控制区,共12片;共布设了9个随机监测样点,26个固定监测样点。经论证,所布设监测样点实现了对全县耕地利用类型的全覆盖,具有很好的代表性。研究结果显示,提出的方法符合耕地质量等级监测的需求,可为岩溶区县域耕地质量"外监测网络布设提供技术参考。     

基于无线传感网的土壤水分实时监测系统的设计

根据农田环境信息采集和作物节水灌溉决策的需求,设计了农田基于无线传感网的土壤水分实时监测系统。该系统基于ZigBee无线通信协议设计,克服了有线传感器网络的局限性,避免了其他无线通信技术的高功耗的缺点,节点成本低、网络容量大、生存周期长,其采集的数据可为作物节水灌溉提供实时决策依据。分析了系统的总体设计框架、传感器节点的硬件结构、应用软件主要模块功能。系统的设计为精准农业中的节水灌溉决策研究提供了有效工具。     

塔里木河干流区人口-耕地系统发展水平研究

人口-耕地系统是人地关系系统的关键字系统之一,塔河干流人口-耕地系统的发展水平决定着塔河地区的可持续发展。以地均产值（由地均粮食产值、地均棉花产值及地均其他经济作物产值组成）为反映耕地生产力的指标,测度影响干流区及上中下游耕地生产力的因素,以粮食人口承载力和耕地压力指数为指标,分析该地区人口-耕地系统发展水平。研究认为,1988～2007年下游尉犁县的人类不合理活动,对干流区人口-耕地系统的可持续发展影响比较大,表现在人口和耕地增加过快、种植结构不合理、粮食安全问题、耕地压力不断增加等方面。因此,塔河干流区的可持续发展不仅要关注上中游耕地、水资源合理开发利用的问题,更要关注下游地区人口耕地-系统的合理发展。     

LIMS系统在新增耕地质量监测中的研究与应用

土地整治工程的最终产品和成果是新增耕地,新增耕地质量是检验和评价土地工程成败的关键,对新增耕地质量检测指标的管理、分析和数据融合十分重要.该研究在总结国内外实验室信息管理系统(LIMS)研究进展的基础上,以国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室为研究对象,分析了土地整治工程中不同土地类型整治后对新增耕地质量要求,采用信息融合、物联网、Portal和工作流等关键技术方法,设计并实现了检测流程标准化、检测数据精确化、检测仪器自动化的LIMS系统.研究表明,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室LIMS系统的建立和运行,构建了常态监测体系,解决了新增耕地质量检测指标的管理不规范、数据异构以及数据难以共享等问题,实现了1个中心基地(陕西富平)实验室室内检测、5个野外监测站(榆林、延安、华阴、卤泊滩、澄城县)现场检测、1个流动实验车移动检测和多传感器在线监测的全方位管理和信息资源共享,为多地点、多检测手段和各种土地类型耕地质量监测提供了一条规范化、标准化管理的可行性途径,具有实用价值,并为土地工程其他实验室的规范化管理和信息化建设提供参考.     

基于ZigBee无线传感器网络的农业环境监测系统研究与设计

针对目前农业环境在线监测的需要,提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的农业环境监测系统设计方案,该监测系统由无线监测网络和远程监控中心组成,可对影响作物生长的温度、湿度、光照等环境变量进行实时监测。介绍了系统的总体架构,设计开发了无线传感器网络节点、基站以及软件流程。由于采用了无线传输方式,该系统解决了有线通信方式存在的难以扩展、难以升级等问题,具有低功耗、低成本、扩展灵活等优点,其应用前景非常广阔。     

农田信息采集系统中传感器网络簇首认证方案研究

在农田信息采集系统的传感器网络中引入分簇结构,可提升系统吞吐量、降低系统延迟以及节省能量。但已有的分簇方案并未在簇形成及稳定阶段对簇首身份进行认证。文章针对簇首认证问题提出了BA-LEACH协议,并通过仿真试验表明协议以较低的能耗增强了系统中分簇传感器网络的安全性。     

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.     

基于可见光波段的无人机超低空遥感图像处理

【目的】探讨低成本的可见光超低空农业遥感平台提取与分析农情信息的可行性,为农用无人机精准施药与农情监测提供技术支持。【方法】以仅包含红光、蓝光和绿光的超低空可见光农田遥感图像为研究对象:首先利用张氏校正法获取相机的畸变矩阵,并校正图像;然后提取与分析图像的可见光植被指数;最后通过分析超低空可见光农田图像中植被与非植被的光谱特性,对可见光超低空遥感图像进行植被信息提取。【结果】获得的农田植被提取图像很好地区分了植被与非植被。【结论】基于可见光的超低空遥感农业信息获取系统应用具有可行性,可为构造低成本的可见光低空遥感监测系统提供参考。     

张家港市农田土壤重金属含量高光谱遥感监测模型构建

以张家港农田土壤作为研究对象,在实验室测定土壤重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Hg的含量,并与土壤可见近红外高光谱数据建立土壤重金属含量的定量估测模型,以快速获取研究区农田的土壤重金属含量。为保证模型预测的精度和稳定性,首先,对原始高光谱数据进行平滑处理,并进行一阶导数、倒数一阶导数、倒数的对数一阶导数、平方根一阶导数和连续统去除等形式的光谱变换;然后,提取不同变换光谱的特征波段进行相关性分析;最后,通过逐步回归法建立重金属含量的定量估算模型。结果表明:张家港市农田土壤中Cd、Hg、Cu、Zn存在一定的污染风险。在高光谱的不同变换形式中,一阶导数和连续统去除与重金属含量的相关系数高于其他变换形式。基于8种土壤重金属含量与高光谱数据建立的定量估算模型具有良好的预测精度。Cd、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni、Pb估算模型的实际值与验证值的拟合度分别为0.874、0.879、0.800、0.646、0.513、0.655、0.603和0.542,可用于预测张家港市的农田土壤重金属含量。