激光控制平地方法的经济可行性分析

根据激光控制土地精平试验结果和不同田面平整精度处理下的田间畦灌对比试验数据,对激光控制平地成本费用和节水增产效果进行分析,完成激光控制平地方法的经济可行性分析。土地精平成本费用随田面平整绝对改善度的增加呈线性增长,节水增产效益随田面平整精度的提高明显增加。在激光精平效果3年持续期内,考虑激光控制平地设备折旧下的静态效益费用比值为1.8,动态下的相应比值为1.6。农田生产力提高带来的节水增产效益超过土地精平成本的事实表明,在我国现状条件下采用激光控制平地方法可以获得较好的收益回报。     

农田土地激光平整技术应用及初步评价

平整土地是一项改进田间地面灌水质量的重要措施,作为世界上最先进的土地平整方式——激光平地技术已在欧美发达国家广泛应用。该文介绍了激光平地设备的构成和工作原理,在初步应用基础上,对激光平地效果、作业效率、平地成本等进行了分析评价。结果表明激光平地方法可以使田块平整精度指标达到小于２ｃｍ的水平,在目前华北平原井灌区内现有农田地面平整状况下,土地平整精度每改善１ｃｍ所需投入的直接平地费用约为８３ＲＭＢ元／ｈｍ^２。     

田面平整精度对畦灌系统性能影响的模拟分析

利用不同田面平整精度处理下获得的田间畦灌试验资料完成对地面灌溉模型SRFR的验证，在此基础上，针对不同的灌水时间条件设置，模拟3种典型地面平整状况下的水流推进与消退过程和畦田水分入渗分布状况，分析讨论田面平整精度对畦灌系统性能的影响。模拟结果表明，随着田面平整精度的改善，畦灌系统性能评价指标显著提高。与田面粗平状况相比，激光控制精细平地条件下的灌溉效率可提高34%，灌水均匀度可提高28%。     

自动平地机的激光平面系统研究与试验

为了保证农业高产、稳产，提高农业的效益而研制了自动平地机的激光平面系统。主要研究了半导体可见光激光器经过聚焦、准直后的光强和能量分布特性，根据太阳光和扫描激光信号的差异，设计并制作了激光发射器、激光接收器和控制器，并作了自动平地试验。试验结果表明：该系统的技术性能与国外同类产品技术性能基本一致。工作半径２００ｍ，平地精度±１ｃｍ。在该系统控制下可平平面、平坡面和开沟。该系统不仅适用于农业，也可用于水利工程、机场、铁路、高速公路和建筑工地的场地平整。     

自动平地机的激光平面系统研究与试验

为了保证农业高产、稳产，提高农业的效益而研制了自动平地机的激光平面系统。主要研究了半导体可见光激光器经过聚焦、准直后的光强和能量分布特性，根据太阳光和扫描激光信号的差异，设计并制作了激光发射器、激光接收器和控制器，并作了自动平地试验。试验结果表明：该系统的技术性能与国外同类产品技术性能基本一致。工作半径２００ｍ，平地精度±１ｃｍ。在该系统控制下可平平面、平坡面和开沟。该系统不仅适用于农业，也可用于水利工程、机场、铁路、高速公路和建筑工地的场地平整。     

1PJY-3.0型综合激光平地机的研制

由于受土地平整机具自身缺陷和人工操作平整精度有限的制约，土地平整精度在达到一定程度后就无法继续提高。为此，设计了1PJY-3.0型综合激光平地机。该文介绍了该机的总体结构、工作原理、关键部件的设计以及试验效果。试验结果表明：该机作业后，方田面积达到0.5 hm²以上，平地精度≤±(1.5～2) cm，灌溉节水30%～45%，平整后的田块在灌水沉淀后即可进行机械插秧作业。     

基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验

农田土地精细平整是中国现代地面精细灌溉的重要基础,能提高农田灌溉均匀度,改良土壤水盐分布,控制杂草,达到节水增产的效果。应用GNSS(global navigation satellite system,全球导航卫星系统)技术进行土地精细平整具有不受天气影响、测量速度快、工作效率高等优点,具有广泛应用前景。该文结合中国土地平整的实际情况和前期的研究成果,开发了适合国内应用的GNSS控制平地系统,降低了研发的设备成本,优化完善了平地系统的功能。为减少分立设备数量,提高系统集成度,设计了集成控制终端,集成GNSS接收模块、差分电台模块、核心处理平台和阀控制模块,并设计了集成控制终端的外壳,通过可旋转调整支架固定在拖拉机驾驶室内,具有良好的防尘、降温和牢固等优点;为完善地形测量功能,增加了测量轨迹的实时显示,以及农田面积等地势信息的计算,便于指导后续平整作业;优化了基准设计,建立了坡面平整的数学模型,实现了任意坡度坡面平整。优化后的系统主要由集成控制终端、自主差分GNSS接收设备、液压系统以及平地铲运设备几部分构成;以Visual Studio2008为系统软件开发环境,GNSS精细平整集成软件能够实现农田地势测量、基准设计及平整作业等功能。该智能平地系统在中国农业大学上庄试验站进行了长时间平整实验,平面平整后最大高程差从20.9降到10.5 cm,高程标准差从10.6降到5.5 cm,平地误差小于5 cm的测点累积百分比从77%上升到90%左右,平整效果良好。坡面平整的坡度从0.239%降到0.120%,符合设计要求。结果表明,系统工作稳定可靠,作业精度满足土地精细平整要求,适用于在中国推广应用。     

农田土地精细平整施工测量网格间距的适宜性分析

基于不同测量网格间距得到的典型田块地面相对高程试验资料,利用统计学方法对数据进行分析处理,通过测量人力投入、田块微地形表述程度和平地土方量估算精度的对比,探讨小田块土地精平作业中适宜采用的施工测量网格间距。结果表明：平地土方量估算精度和测量作业人力投入对确定适宜的施工测量网格间距至为关键,在适当保持土方量相对估值精度并有效减少测量人力投入前提下,建议在小田块土地精细平整作业中,使用10～15 m施工测量网格间距上得到的田面相对高程数据,设计土地精细平整工程方案,从而达到低投入高产出的预期平地效果。     

激光平地乳芽直播节水效果的研究

我国水资源严重短缺，农业生态环境急剧恶化。农业是我国的用水大户，约占全国总用水量的72％；水稻生产又是农业生产中的用水大户，在东北地区平均每公顷用水7 500～9 000 m³。故此，研究水稻生产中的节约用水，保护生态环境和节本增效等问题，具有重要的经济和社会效益。该文利用自动控制理论，研究了激光平地机组的结构和工作原理；通过在辽阳市太子河区景尔屯村进行的20 hm²激光平地乳芽直播田间试验，对激光平地的作业效果和泡田过程中的节水、节地效果进行了试验研究，在测试泡田用水量的过程中，利用秒表、乒乓球等设备实时地测试了田块的进水口流量，实践证明此方法成本低，操作简单，测试结果准确可靠。结果表明，激光平地可节约泡田用水21.578％ ，节约土地 0.92％；乳芽直播可节约泡田用水25.888%。     

采用倾角传感器的水田激光平地机设计

研制的采用倾角传感器的激光平地系统用于南方水田土壤的平整。平地机具通过三点式悬挂机构与拖拉机相连接,用左右两个油缸实现升降,由普通三位四通电磁换向阀控制油缸,分别采用激光与倾斜传感器实现平地机具左右侧升降控制。试验结果表明,采用倾角传感器的水田激光平地机在水田的平整精度能基本满足农艺要求。     

激光控制平地系统控制技术的研究与试验

该文基于模糊控制理论,研制开发了一套与中国常用中等功率拖拉机匹配、面向旱田土地精细平整作业、具有自主知识产权、价格低廉、性能优良的激光平地机的控制系统。试验结果表明：研制的液压控制装置具有良好的静动态特性,泵的卸荷压力为0.4 MPa,平地铲提升时的滞后时间为80 ms,下降时的滞后时间为44 ms,并且无静沉降;激光控制平地系统的平整精度可达到2.5 cm,作业效率0.81 hm²/h。     

基于空间聚类的平原旱作农区土地平整单元区划分方法

平整工程是土地整治项目的重要组成部分,其工程量和投资都占整个项目的很大比例,平整过程中通过合理规划土地平整单元区可以有效降低工程投资,并最大限度地满足农业生产需求。该文提出通过空间聚类划分平整单元区的方法,并基于工程量、平整度和单元区斑块规则度构建了用于确定最佳分区数及其平整单元区分布的目标函数。采用该方法对研究区进行平整单元区划分并计算相应评价参数,结果表明:随着分区数的增加工程量逐渐降低、分区间高程差升高,平整度下降、分区形状指数减小规则度升高,目标函数值随分区数增加呈现先降低后升高的趋势,根据目标函数的低谷可确定最优分区数目;相对于经验法,空间聚类法的工程量下降24%,高程极差下降11%,对于平整后项目区的平整工程量和平整度有较大地改善,但分区斑块形状指数增大11%,分区规则性降低,因此在实践中可将空间聚类法划分结果作为基础,再依靠专家经验对方案进行调整,以充分发挥2种方法各自的优势。     

农机具自动调平控制系统设计与试验

为了使农机具在田间作业时保持水平,该文设计了一种农机具自动调平控制系统。采用拖拉机横向倾角卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺仪2个传感器数据获得拖拉机实时倾斜角度,直线位移传感器测量调平液压油缸伸长量并建立农机具和拖拉机的相对倾斜角度转换函数,通过控制电磁换向阀实现农机具水平控制。在三轴多功能转台上对拖拉机倾角实时测量算法进行了测试,并在田间对农机具自动调平系统进行了试验,结果表明,拖拉机横滚角传感系统能在动态条件下准确地测量拖拉机实时倾角,在转台上测量角度平均绝对误差≤0.15°,均方根误差≤0.18°,在水田激光平地机作业时测量角度平均绝对误差0.40°;自动调平控制系统能较好地实现平地铲调平控制,平地铲倾斜角度平均绝对误差0.52°,均方根误差0.24°,最大误差1.15°,相对于原水田激光平地机水平控制系统控制精度提高了0.5°。该研究为农机具水平自动调平提供了方法,能够提升农机具作业质量。     

Evaluation of precision land leveling and double zero-till systems in the rice–wheat rotation: Water use, productivity, profitability and soil physical properties

In recent years conventional production technologies in the rice–wheat (RW) system have been leading to deterioration of soil health and declining farm profitability due to high inputs of water and labour. Conservation agriculture (CA)-based resource-conserving technologies (RCTs) vis-à-vis zero-till (ZT), raised-bed planting and direct-seeded rice (DSR) have shown promise as alternatives to conventional production technologies to overcome these problems. The integration of CA-based RCTs with precision agriculture (PA)-based technologies in a systems perspective could provide a better option for sustainable RW production systems. In this study we attempted to evaluate conservation and precision agriculture (CPA)-based RCTs as a double-ZT system integrated with laser-assisted precision land leveling (PLL) in the RW system. A field experiment was conducted in the western IGP for 2 years to evaluate various tillage and crop establishment methods under PLL and traditional land leveling (TLL) practices to improve water productivity, economic profitability and soil physical quality. Irrespective of tillage and crop establishment methods (TCE), PLL improved RW system productivity by 7.4% in year 2 as compared to traditional land leveling. Total irrigation water savings under PLL versus TLL were 12–14% in rice and 10–13% in wheat. PLL improved RW system profitability by US$113 ha⁻¹ (year 1) to $175 ha⁻¹ (year 2). Yields were higher in conventionally transplanted rice followed by direct-drill-seeded rice after ZT. In wheat, yields were higher in ZT when followed by DSR than in the conventional-till (CT) system. RW system productivity under double ZT was equivalent to that of the conventional method. Among different TCE, conventional puddled-transplanted rice-CT wheat required 12–33% more water than other TCE techniques. Compared with CT systems, double ZT consumed 12–20% less water with almost equal system productivity and demonstrated higher water productivity. The CT system had higher bulk density and penetration resistance in 10–15 and 15–20 cm soil layers due to compaction caused by the repeated wet tillage in rice. The steady-state infiltration rate and soil aggregation (>0.25 mm) were higher under permanent beds and double ZT and lower in the CT system. Under CT, soil aggregation was static across seasons, whereas it improved under double no-till and permanent beds. Similarly, mean weight diameter of aggregates was higher under double ZT and permanent beds and increased over time. The study reveals that to sustain the RW system, CPA-based RCTs could be more viable options: however, the long-term effects of these alternative technologies need to be studied under varying agro-ecologies.     

面向土地精细平整的车载三维地形测量系统设计与实现

设计开发了一种基于全地形车（ATV）的农田三维地形快速采集系统,系统由ATV车辆、RTK-GPS、田间作业辅助导航装置、车载计算机和数据采集软件等部分组成。采用高精度RTK-GPS自动测量三维地形数据,车载计算机能实时记录三维地形数据,辅助平行作业导航装置能指引数据采集车辆在测区进行全区域覆盖测量,以提高农田三维地形数据采集质量和效率。田间实测试验表明,基于ATV的三维地形数据自动采集系统测量的三维地形与人工RTK-GPS测量的三维地形与具有很好的空间一致性,最大平均偏差3.54 cm,最大标准偏差2.48 cm,能够满足农田土地精细平整三维地形数据采集工作的需要。     

西藏农田土地平整工程规划

为指导西藏农田土地平整工程建设的规范开展,根据西藏地形地貌、气候水文、土壤类型、农业耕作制度、土地利用限制因素等特性,采用典型案例分析法和实地调研法对西藏已规划实施的土地开发整理项目进行分析和归纳,并对有关西藏耕地的文献资料进行整理、消化和吸收,进而提出适合西藏土地平整工程建设的耕作田块修筑标准、土壤改良措施和工程量测算方法。该研究对西藏土地开发整理项目的成本控制和规范开展具有实际意义。