基于无人机三维点云的玉米植株自动计数研究

植株计数是农民、育种专家等在整个作物生长季评估作物生长状况和管理实践的最常用方法之一,可用来进行合理的田间规划以及管理。针对高密度种植试验区高通量获取玉米自动株数方法匮乏的问题,本研究利用无人机遥感平台,获取田间314个不同基因型的玉米高密度育种小区的数码影像和激光雷达(light detection and ranging, LiDAR)点云数据,发展了一种结合玉米三维空间信息的固定窗口局部最大值算法,实现了高密度玉米育种小区成株数的自动检测,并对比了基于此两种不同数据源的检测精度。该方法以冠层高度模型(canopy height model, CHM)中包含的株高信息为基础,以玉米种植株距为固定窗口进行单株玉米种子点检测,并将检测到的种子点与目视解译的玉米位置进行空间匹配来进行精度的评估。结果表明,基于无人机数码影像构建3种空间分辨率CHM的综合检测精度分别为81.30%、83.11%和78.93%;基于无人机LiDAR的综合精度分别为82.33%、88.66%和81.46%;基于两种数据源构建的CHM,均在空间分辨率为0.05 m时,获得最佳的检测精度。此外,当空间分辨率相同时,...     

基于Meta-analysis的中国北方地区免耕玉米产量效应研究

【目的】定量分析免耕对中国北方地区玉米产量的时空效应和影响机制,为该地区免耕的科学应用和推广提供依据。【方法】以中国北方为研究区域,以传统耕作为对照,通过检索文献整合已发表的相关田间试验数据（截止2017年4月共获得68篇文献和82组试验数据,将数据按照区域（东北、华北和西北）、年降水量（＜500 mm和≥500 mm）、年均气温（＜10℃和≥10℃）、耕作模式（平作和垄作）、种植制度（连作和轮作）、是否秸秆还田、试验年份（2000年之前、2000-2009年和2010年之后）和免耕持续年限（1-2 a、3-5 a、6-9 a和≥10 a）进行分组）,利用Meta-analysis方法系统探究免耕对玉米产量的时空效应与影响因素。具体分析过程包括异质性检验、综合效应量计算、发表偏倚检验、敏感性分析、累积Meta-analysis和亚组分析（影响因素分析）。【结果】与传统耕作相比,免耕总体上可显著提高玉米产量,平均增产率为3.1%（置信区间0.7%-5.5%,数据不存在发表偏倚和极端值）。2000年之前,免耕的累积增产效应不稳定（平均-0.7%-6.6%）;2000年之后,免耕与传统耕作的累积产量差异逐渐由不显著变为显著。在东北地区,免耕表现出显著的增产效应（平均5.3%,置信区间1.5%-9.2%）;而在华北和西北地区,免耕的增产效应不显著,分别为-2.6%-6.4%和-1.0%-6.4%。在年降水量＜500 mm、年均气温＜10℃的地区和轮作、秸秆还田条件下,免耕的增产率显著提高,平均分别为5.4%（置信区间1.7%-9.1%）、3.8%（置信区间0.8%-6.7%）、4.4%（置信区间1.3%-7.5%）和3.3%（置信区间0.8%-5.8%）。平作和垄作下,免耕的增产效应均不显著。2010年之后,免耕的增产效应显著提高（平均6.1%）,且变幅较小（2.5%-9.7%）。随着免耕持续年限的延长,玉米增产率呈先增加后降低的趋势,当持续3-5 a时,免耕的增产效应显著且达到峰值（平均3.8%,置信区间1.6%-6.0%）。【结论】在年降水量较少或年均气温较低的区域,轮作或秸秆还田条件下,有利于发挥免耕的增产效应;东北地区较华北和西北地区更适宜免耕;3-5 a为较合理的免耕持续年限。     

基于无人机激光雷达的天然林林隙识别

  目的  自然干扰引起的森林冠层林隙是天然林更新动态的主要驱动力,林隙的分布、形状和范围可以影响光照和土壤水分等生态因子。林隙的识别和特征描述对于理解森林的动态变化有着重要的意义。  方法  以云南省普洱太阳河保护区无人机飞行区域为研究区,根据无人机激光雷达点云数据提取冠层高度模型;然后使用固定阈值法、相对高度阈值法和面向对象分类法对冠层高度模型数据进行林隙识别,通过图像目视解释获得独立验证样本进行精度评估;最后精度选取最优方法提取的林隙描述其空间特征。  结果  固定阈值法的总体精度为92.00%,高于相对高度阈值法（66.00%）和面向对象分类法（88.00%）。研究区内林隙主要以中小林隙为主,干扰事件较少;研究区林隙的形状指数均值为1.97,多为形状指数较小、边缘效应不太明显的林隙,并且林隙的空间分布为聚集分布。  结论  利用无人机激光雷达数据和固定阈值法可以准确绘制出小范围亚热带天然林的林隙空间分布特征。      

基于无人机影像匹配点云数据的喀斯特峡谷区火龙果单株提取研究

针对无人机可见光影像对背景与目标地物混淆时提取识别难的问题,利用四旋翼无人机采集喀斯特峡谷区的火龙果影像匹配点云数据,对原始点云数据进行去噪、滤波和归一化等处理,通过建立高精度的数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM),进而建立高精度的冠层高度模型(CHM),并以目视解译的火龙果株数为参照,对火龙果株数进行识别提取验证。结果表明,运用无人机影像匹配点云数据,通过冠层高度模型在一定程度上可以消除植株下方杂草的影响;当样地内的基础设施或存在地物高度与火龙果冠层接近,导致误提,错提率最高为8.55%,漏提率最高为12.28%;在各样区中,运用种子点进行火龙果株数提取的精度均在92.38%以上;运用植被冠层进行火龙果株数提取的精度均在90.68%以上。由此表明,运用无人机影像匹配点云数据提取火龙果具有快速、简单有效、成本低、精度可靠的特点,适用于喀斯特山区作物株数的快速提取,可以与基于颜色指数的提取方法互为补充。     

基于无人机可见光和LiDAR数据的单木树种识别

以亚热带林业实验中心年珠实验林场为研究区,以无人机可见光和LiDAR数据为数据源进行树种识别。基于CHM和可见光数据进行单木分割,对可见光数据和LiDAR数据进行特征提取,构建多特征集合;基于单木对象选择随机森林和支持向量机2种分类器进行分类识别,并利用混淆矩阵对不同数据源不同特征组合的12种方案进行精度评价,比较不同特征组合和分类器对树种分类精度的影响。结果表明：将基于CHM分割和多尺度分割结合的单木分割效果较好,满足单木树种识别需求。支持向量机的精度高于随机森林分类器,经过随机森林特征筛选之后精度优于未进行特征筛选的结果,总体平均精度提高1.45%,可见光和LiDAR数据结合较仅使用单一数据源平均精度提高了6.01%。特征筛选能减少维度灾难,有效难避免过多特征造成的冗余现象,进一步提高分类器的性能和效率。相对于随机森林分类器,支持向量机在对于多维的样本集以及训练样本有限的情况下,能够表现出更好的性能。多源数据结合能将不同数据源优势有效结合,提高分类精度。     

品种和氮素供应对玉米根系特征及氮素吸收利用的影响

【目的】研究玉米根系特性与氮素吸收利用及其与地上部生物量和产量形成的关系,探明根系形态特征与氮素吸收能力对玉米高产性能的影响,为玉米高产高效生产提供理论依据。【方法】试验于2014—2015年在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心(36°18′N,117°12′E)和作物生物学国家重点实验室进行,以京科968(JK968)、郑单958(ZD958)和先玉335(XY335)为试验材料,采用土柱栽培,设置两个氮素水平,施氮量分别为1.5 g/plant(LN)和4.5 g/plant(HN),在抽雄期(VT)和完熟期(R6)进行根系及植株取样,测定根系相关指标(根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积),干物质及氮素积累与分配规律,探究品种和氮素供应对玉米根系特征及氮素吸收利用的影响。【结果】两个氮素水平下JK968单株籽粒产量、生物量、根系各指标和植株氮素积累量、氮转运率、氮素收获指数、氮素利用效率均显著高于XY335和ZD958(P0.05)。JK968单株生物量、籽粒产量、植株氮素积累量较XY335和ZD958在低氮水平下分别增加15.2%、17.7%、9.0%和31.6%、44.1%、31.4%,在高氮水平下分别增加5.4%、12.9%、8.9%和13.5%、26.8%、23.5%;高氮水平下JK968、XY335、ZD958的单株生物量、单株籽粒产量和植株氮素积累量较低氮水平下分别增加15.7%、10.2%、33.9%,26.5%、14.8%、34.0%和34.3%、25.1%、42.5%。抽雄期JK968根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积较XY335和ZD958在低氮水平下分别增加41.8%、9.0%、47.1%、24.0%和63.2%、41.6%、60.4%、105.1%,在高氮水平下分别增加24.3%、6.0%、35.2%、19.7%和40.3%、30.0%、49.3%、78.7%;高氮水平下JK968、XY335、ZD958的根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积较低氮水平下分别增加48.3%、37.3%、36.4%、12.7%,69.1%、41.3%、48.4%、16.7%和72.5%、49.7%、46.5%、29.3%。相关分析表明,吸氮量与根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积呈显著线性正相关,但品种的响应程度不同。在抽雄前,JK968植株吸氮量对根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积增长的响应度要高于XY335和ZD958;而抽雄后的响应度则低于XY335和ZD958。【结论】JK968整个生育期的根系各项指标均显著高于XY335和ZD958,且氮素吸收能力强,生物量大,低氮条件下优势更加明显。JK968较发达的根系,保证了植株对氮素的吸收,具有较高的氮素转运效率、贡献率和氮素利用效率,有利于进行物质生产,因而获得更高的籽粒产量。     

融合气象与遥感数据的农作物台风灾情快速评估方法研究

[目的]通过多尺度数据融合技术结合两种方法的优点,提出一种空间覆盖完整同时分辨率较高的大范围农田台风灾情快速评估方法.[方法]文章基于2010-2019年对中国沿海地区农作物损害较大的25个台风样本的省级受灾面积与气象再分析数据(ECMWF Re-analysis v5,ERA5),对农作物的脆弱性模型进行中国区域的参...     

基于ICESat-GLAS全波形数据的坡地森林冠层高度估测

地形坡度对星载LiDAR的回波波形会产生很大的影响,并会进一步影响森林结构参数的正确估测.比较两类参数量化地形坡度的能力：辅助地形DEM数据的地形指数和波形自身参数后缘长度,以在反演坡地森林冠层高度时仅从回波波形本身出发,而不需要借助于其他辅助数据.采用估测坡地森林冠层高度的两组对比模型来比较：第1组对比模型是Xing模型和基于未改进的后缘长度的线性模型;第2组对比模型是Xing模型和基于改进的后缘长度的线性模型.结果表明,在两组对比模型中,基于波形自身特征参数的模型结果均优于基于辅助地形DEM数据的地形指数的Xing模型,说明在量化地形坡度时,波形的自身特征参数的量化能力要高于辅助地形DEM数据的量化能力.     

基于改进权重湿润指数的东北地区春玉米涝渍灾害评估方法

【目的】研究东北地区春玉米涝渍灾害评估方法,为气候变化背景下东北地区春玉米合理生产和管理提供科学依据。【方法】以权重湿润指数为基础,采用作物需水量代替参考作物蒸散量,构建改进权重湿润指数;运用1986—2015年东北地区春玉米生育期内涝渍灾害事件与改进权重湿润指数耦合方法、基于K-S检验的正态分布显著性检验方法和t-分布区间估计方法等,确定基于改进权重湿润指数的东北地区春玉米不同生育阶段涝渍强度分级阈值;从农田土壤相对湿度与改进权重湿润指数相关性和拟合关系检验,改进权重湿润指数、权重湿润指数评估结果与历史灾情结果一致性检验,以及典型年份涝渍灾变过程动态评估准确性检验3个方面,对改进权重湿润指数评估春玉米涝渍灾害的精度进行验证;分析东北地区春玉米不同生育阶段涝渍强度空间格局,揭示其规律特征。【结果】(1)改进权重湿润指数与不同深度的土壤相对湿度均达到极显著相关(P<0.001),除玉米快速发育期外,其他生育期内二者相关系数最大值均出现在20 cm深度土壤相对湿度;将不同生育阶段改进权重湿润指数与20 cm深度土壤相对湿度间进行Slogistic曲线拟合,决定系数(R2)最大值出现在...     

植保无人机施药对核桃黑斑蚜和黄刺蛾的田间防效评价

【目的】评价植保无人机施药对核桃黑斑蚜Chromaphis juglandicola (Kaltenbach)和黄刺蛾Cnidocampa flavescens(Walker)的防治效果,为植保无人机防控核桃害虫提供理论依据和技术支撑。【方法】采用植保无人机田间喷雾、调查虫口减退率、计算防治效果、方差分析。【结果】在添加喷雾助剂量为0.5%时,植保无人机在核桃园施药后的农药地面流失率均在10%以内;药后14 d 70%吡虫啉(用量为150 mL/ hm²)对外围核桃黑斑蚜的防治效果最高,为96.05%,平均为80.37%,与22%噻虫·高氯氟(用量为375 mL/ hm²)和25%环氧虫啶(用量为300 mL/ hm²)处理有显著性差异;药后10 d 22%噻虫·高氯氟(用量为525 mL/ hm²)、1.2%烟碱·苦参碱(用量为1 050 mL/ hm²)、3.2%阿维菌素(用量为525 mL/ hm²)对黄刺蛾的防治效果最高,分别为98.17%、90.39%和95.46%,3个处理之间无显著性差异。【结论】在添加喷雾助剂时,植保无人机喷洒70%吡虫啉对核桃黑斑蚜的防治效果在80%以上,22%噻虫·高氯氟、1.2%烟碱·苦参碱和3.2%阿维菌素对黄刺蛾的防治效果在90%以上,在生产中可以利用植保无人机喷洒上述药剂防控核桃黑斑蚜和黄刺蛾。     

某无人机撞网回收系统动力学仿真

以某无人机撞网回收系统为例,基于LS-DYNA软件,提出了柔性带、阻尼器等关键部件的建模方法,建立了系统有限元仿真模型,进行了不同入网位置的动力学仿真计算,并用试验验证了仿真模型的准确性.仿真和试验结果表明：本文建立的无人机撞网回收系统模型具有较好的工程适用性,提出的动力学建模仿真方法具有一定的通用性.     

利用无人机高分辨率影像进行树木高度提取

无人机遥感技术在树木参数获取中具有重要作用。为探讨利用无人机高分辨率影像提取树高的可行性,本文选择邱集煤矿矿区森林公园为研究区,采用Pix4D软件对无人机采集的高分辨率影像进行处理,生成研究区正射影像和三维点云;利用最大类间方差法将三维点云分割为树木点云及树下地面点云两部分,由此提取树木顶端高度和地面平均高度,并将地面平均高度视为树木根部的高度,得到树木高度。研究表明:最大类间方差法能够准确分割树木点云和地面点云;利用无人机高分辨率影像进行树高提取是可行的,树木高度测量绝对误差小于80cm、相对误差绝对值最大为16.2%、标准误差为36.3cm;同时,树冠的形状会对树高测量造成影响,阔卵形树冠的法国梧桐和圆锥形树冠的圆柏高度标准误差分别为29.2和50.9cm,两者树高测量值与真实值决定系数分别为0.9920和0.8894,阔卵形树冠的法国梧桐测高精度明显高于圆锥形树冠的圆柏测高精度。      

基于FLUENT的森林防火小型无人机的机身仿真优化研究

为优化设计森林防火小型无人机的机身,降低机身质量,减少空气阻力,以双尾撑固定翼无人机为基础,利用SolidWorks建立机身模型进行结构设计,并利用ANSYS-FLUENT对机身进行数值模拟。采用ANSYS ICEM CFD 网格生成器生成PRISM网格结构进行网格划分,对机身进行气动分析。通过FLUENT仿真对设计进行改进,分析改进前后的流体场、阻力和质量差异。结果表明:可以采用ANSYS-FLUENT软件对森林防火小型无人机机身进行气动外形优化。机身的气动外形优化对减少阻力有明显的影响,改进后机身所受空气阻力减少了45.9%,机身质量减轻了27.8%。      

基于太阳能的植保无人机续航提升方案

在农业领域对无人机的任务需求中,续航问题无疑是目前植保无人机所面临的重要问题之一。由于电池生产技术的瓶颈,目前植保无人机的有效作业时间大都被限制在12 min左右难以突破。太阳作为一个取之不尽用之不竭的“无源”动力得到了特别的关注,因此设计了一种基于太阳能的植保无人机续航提升方案。在六旋翼无人机平台上对方案的可行性进行实验,结果表明,安装了太阳能续航模块后的无人机相比安装前,飞行续航时间平均提升了70 s。该方案基于多轴无人机飞行平台,在无人机工作时将太阳能转化为电能为锂电池续电,从而减少锂电池在飞行时的电量消耗,增加植保无人机的有效作业时间,在一定程度上缓解了当前植保无人机的续航问题,并能够向其他基于无人机平台的应用延伸。     

植保无人机播前喷施封闭除草剂防治直播稻田杂草效果比较

为探究植保无人机喷施除草剂对直播稻田杂草防治效果。采用丁草胺、噁草酮、异噁草松、丙草胺四种封闭除草剂,在飞行高度2m和3m,用水量22.5L/hm2^和45L/hm2^{条件下设置不同处理},考察播前施药结合水层管理及播后干封对水稻安全性及对直播田不同种类杂草防除效果。结果表明,噁草酮二个处理的成苗率和苗高显著低于其余处理,播后30d各处理水稻分蘖数均显著高于空白对照,5株苗茎基宽各处理与空白对照无差异。药后15d,三种播前除草剂供试浓度下高用水量处理对稗草、千金子、多花水苋、异型莎草等四种杂草的防效均优于低用水量,其中三种药剂对千金子、异噁草松对异型莎草的防效差异显著;播前水封与播后干封效果整体上差异不大。药后40d,整体上防效均有所降低,噁草酮和异噁草松在高用水量时对稗草的株数防效显著优于低用水量,三种药剂在高用水量时对千金子的株数防效均显著优于低用水量,鲜重防效与株数防效趋势基本一致,高用水量处理防效显著优于播后干封处理。三种播前药剂间不同飞防参数下对异型莎草和多花水苋的防效有差异,整体上在80%左右或以下,效果较差。由此可见,同一药剂在45L/hm2^用水量和3m飞行高度处理时对不同杂草的防效优于22.5L/ha用水量和2m飞行高度,不同播前封闭除草剂对不同种类杂草的防效存在差异,高用水量播前施药结合水层管理对不同杂草的防效均优于播后干封处理,后期应适时进行茎叶处理以提升田间杂草的治理效果。     

植保无人机旋翼对雾滴分布的影响试验研究

[目的]探究植保无人机旋翼对雾滴分布的影响。[方法]将植保无人机机体分别固定在4种不同高度下,比较旋翼工作与旋翼不工作2种状态下的雾滴分布情况。[结果]旋翼降低了雾滴沉积量,但雾滴分布更加宽泛,小型旋翼无人机作业高度在2.0 m处,雾滴沉积效果最佳。[结论]该研究可为制定植保无人机操作规范提供参考。