RTK-GPS系统设计及VRS差分方式分析比较

为了满足精细农业中对高精度定位数据的需求,该文使用低成本的RTK-GPS OEM板和无线通讯模块,设计开发了一套可采用VRS差分的GPS接收系统,并对北京市VRS系统的RTCM/CMR两种差分数据源格式、GPRS/CDMA两种差分数据无线传输方式的稳定性进行了分析比较。实验结果表明,设计开发的系统性能稳定;VRS差分数据源稳定可靠,可满足不同精度要求的GPS定位需求;CDMA无线传输方式引起的数据延迟小于GPRS方式,但通信成本较高,用户可综合考虑成本和精度两方面因素进行通讯方式的选择。     

基于激光感知的农业机器人定位系统

为解决基于全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）的农业机器人和自动驾驶农机在机库、大棚等卫星信号弱或无环境下定位精度低甚至无法定位的问题,该研究提出了基于激光感知的农业机器人定位方法。采用二维激光雷达和激光接收器设计了基于激光感知的机器人定位系统,通过二维激光雷达发射扫描激光获取机器人上激光接收器的点云,同时激光接收器感应扫描激光,融合感应扫描激光时间差和激光接收器点云特征,得到移动激光接收器（即农业机器人）的定位。以全站仪测量为参照在大棚内开展验证试验,结果表明,在激光雷达扫描范围内,机器人行驶速度为0.8 m/s时,直线行驶时最大偏差绝对平均值为4.1 cm,最大均方根误差为1.5 cm;曲线行驶时最大偏差绝对平均值为6.2 cm,最大均方根误差为2.6 cm,满足农业机器人在农机库等环境中自动导航所需定位精度要求。     

智能农机GNSS/INS组合导航系统设计

为提高自动导航农机的定位精度和可靠性,该研究设计了基于全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatellite System, GNSS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)的智能农机组合导航系统,该系统根据来自INS的三轴姿态角速度、加速度信息以及高精度定位板卡的三轴位置、速度信息,采用松耦合模式,通过卡尔曼滤波对INS误差实时校正,解算出农机的精准位置、速度和姿态信息。为实现该组合导航系统,设计和制作了智能农机控制板,集成GNSS高精度解析板卡和惯性测量模块,并在控制板上实现组合导航算法。搭建了东风DF1004-2智能农机试验平台,并在试验田中分别进行静止和直线行驶状态下的试验和单独GNSS导航与组合导航效果的对比。试验结果表明,在农机静止状态,两者性能接近,定位误差均在1 cm以内,姿态角误差均在0.1°以内;在农机以2 m/s的速度按照预设直线行驶时,单独GNSS导航位置误差在6 cm以内,姿态角误差在1°以内,GNSS/INS组合导航位置误差在3 cm以内,姿态角误差在0.5°以内,GNSS/INS组合导航精度明显的提升,可为高精度农机自动导航控制提供技术支持。     

实时动态多功能双目立体摄影测树仪设计

为了实现林木精准实时定位,满足森林资源调查中多因子精准计测的需求,研发了一种集单木像对解算和林分点云测量于一体的多功能、高精度、实时定位的实时动态(real-time kinematic, RTK)双目立体摄影测树仪。该仪器以摄影测量和全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)空间定位技术为基础,利用三角函数原理、双目摄影测量解算原理和基于运动结构(structure from motion, SfM)视觉算法,通过内嵌操作软件,实现了林木位置实时定位及林分样木还原、胸径测量、树高测量、株树密度测量、林分空间结构参数测量等功能。通过试验验证,在单木测量模式下,能快速实现林木定位,其胸径测量精度为97.11%,树高测量精度为94.72%;在林分测量模式下,依"仿航线法"观测,能快速建立林分点云模型,并实现了林分调查因子和林分空间结构参数的高效提取,其中林分胸径提取精度达到97.18%。该仪器测量精度符合林业调查的精度要求,可在森林资源调查及精准林业工作中推广使用。     

改进AOA模式的大田农机无人驾驶导航参数检测系统设计

卫星导航、视觉导航和雷达导航的成本昂贵、系统构成复杂和适用作业场景有限,在生产特征呈现区域化、适度小规模和分布零散的国内南方水田难以实现便捷跨区域作业和无法适用多农业场景。针对上述问题,该研究以大田环境下无人驾驶农机的牛耕式往复作业路径模式为背景,提出了改进AOA(信号到达角度,Angle-of-Arrival)模式的农业机械无人驾驶导航参数检测系统。该系统采用UWB(超宽带通信,Ultra Wide Band)基站-标签作为检测传感器,设计了TBZ(田边双基站-车身纵向双标签)和TBH(田边双基站-车身横向双标签)2种传感器布置方式,实现农业机械无人驾驶过程中导航参数的快速精准检测。静态试验结果表明:对于2种传感器布置方式,在固定的基站间距和标签间距下,随着标签间距或基站间距的增大导航参数检测精度均有所提高,横向偏差检测误差≤8 cm,航向偏差趋近于0,但不大于1°,并通过正交组合试验方差分析明确了2种传感器布置方式的关键参数对横向偏差和航向偏差检测精度影响的显著性,确定了主次因素和较优参数组合。动态试验结果表明:随着车速增大,横向偏差和航向偏差的检测精度有所降低,横向偏差误差均不超过10 cm,航向偏差的检测误差均小于3°,变异系数均小于10%,说明动态环境下自主导航参数检测系统仍具有较高的检测精度,可满足农机大田自主导航作业需求。研究结果可为研制低成本、高精度和便捷的无人驾驶系统提供参考。     

田间作业车辆外部加速度辨识与姿态测量系统研制

复杂田间作业环境与精细作业效果要求农机装备具备实时精准感知农机具姿态的能力,田间作业时普遍存在的车辆外部加速度对此带来挑战。为进一步提高农机装备作业质量,该文以6轴微惯性传感器为硬件传感器,以方向余弦矩阵法进行姿态解算,基于一阶外部加速度模型设计卡尔曼滤波融合算法,实现动态情况下田间作业车辆外部加速度辨识与姿态精准估计。分别采用Innova 2100型摇床与装配有MTi300航向姿态参考模块的高地隙喷雾机对系统进行试验验证。摇床试验结果表明:在外部加速度小于10g情况下,系统对外部加速度辨识误差小于0.214 m/s2;田间作业高地隙喷雾机试验结果表明,相比于MTi300,横滚角最大误差为0.23?,俯仰角最大误差为0.39?。说明该文研制姿态测量系统可准确辨识外部加速度与测量姿态,研究结果可为满足精细农业作业要求的姿态测量系统研发提供依据。     

基于掌上电脑的农田信息快速采集与处理系统的研究

为了解决精细农业中空间信息及属性信息的快速获取与分析处理问题，提出并实现了基于掌上电脑的农田信息快速采集与实时处理系统。分析了具体实现系统功能的若干关键技术，如地理信息系统(GIS)、空间索引、Windows CE数据库技术、采样控制等因硬件环境的不同而产生的问题及相应的解决方案，又针对农场环境下的特殊性，提出并实现了一个面向对象的农场模型，以便于更好的描述农场环境及更方便的确定采样方案。作为一种实时系统，该系统可结合全球定位系统(GPS)和各种传感器，快速地测量和分析农田信息。应用该系统对两种GPS(Ag132与MAP330)进行了精度比较试验，快速而方便地证实了Ag132有更好的精确性与稳定性，更适于农业生产要求。试验的过程与结果也间接表明了该系统具有较好的实用性，为精细农业田间信息快速采集和处理设备的研制与开发奠定了基础。     

精细育种田间局部定位系统的研制

为实现田间精细化育种,提出田间精细育种的概念并研发一种适合田间精细化育种中具有GPS定位功能的田间局部定位系统。该系统主要由全方位视觉传感器、人工标识、PC和PC软件构成;人工标识采用1个主标识和3个从标识。主要通过阈值提取人工标识的特征像素,根据2个相邻像素的欧几里得几何距离进行像素分块和求出像素分块的重心作为标识在图像中的位置求出方位角度,依据圆周角定理和几何关系推导出定位公式来计算传感器相对标识的几何位置。在室外为30?m×30?m的水平草坪上进行试验,试验结果显示估算点和选取点间距离的均方根误差约15?cm。该定位系统对于精细育种田间位置取点、精准施肥、喷药以及制作产量图是可行的。     

水培营养液作为贮热介质的热传导规律分析

为掌握水培营养液的热传导变化规律,探讨叶菜生产系统营养液作为贮热介质的蓄热保温性能,在山西农业大学设施农业工程研究所叶菜生产系统中使用SH-16路温度巡检仪,测定多孔定植板条件下系统内不同深度(0 cm、5 cm、10 cm、15 cm)营养液的温度变化。试验结果表明:不同深度营养液温度变化显著不同,表层变幅最大,越往深层变幅越小;秋季营养液各深度最高温分别出现在14:00、16:00、17:40、20:00,并随着营养液深度的增加而快速降低。根据各深度日较差的变化幅度,将营养液划分为热交换层(3℃)、热缓冲层(1～3℃)和热稳定层(0～1℃),分别位于液面表层0～5 cm、5～10 cm和10～15 cm。叶菜生产系统营养液深度为21.5 cm时,不同层次日较差变化符合对数关系:y=-2.619lnx+4.215 2,即液面以下20 cm处日较差为0℃。上述结果表明能量在营养液中是逐层进行传导的。     

现代精细农业系统集成网站平台设计与构建

为满足精细农业系统集成实验室的信息化管理需求、最大限度地实现资源共享以及高效地利用学术资源优势进行学术交流,构建并开发了现代精细农业系统集成实验室网站平台。平台基于面向对象方法,采用B/S架构,应用Struts2框架以及JSP编程技术实现。系统由实验室概况、规章制度、开放式基金管理等13个模块构成,同时预留了农业生产模型云服务等接口。系统应用MySQL技术构建了现代精细农业系统集成数据库,并采用持久化框架Hibernate创建了对象与关系映射,实现了面向对象的数据存取管理。网站平台搭建了一个良好的学术交流平台,最大化地实现了管理信息化和资源共享。测试和试运行表明,网站运行稳定,具有良好的可扩展性、可维护性、可移植性以及鲁棒性。     

揉碎玉米秸秆螺旋输送性能试验分析

针对螺旋输送装置输送农业纤维物料功耗大、生产率低、效率低等问题,该文分析了螺旋输送装置的输送性能指标和螺旋叶片受力,找出了影响叶片受力的主要因素。利用自行研制的压力测试系统和功耗测试系统对螺旋叶片受到的压力和输送装置的功耗进行了测试。针对螺旋叶片所受压力、输送功耗、生产率和输送效率等输送性能指标,研究了螺距、螺旋轴转速和喂入量对输送性能的影响。结果表明,在喂入量70 kg/min、螺旋轴转速58 r/min、螺距160～300 mm的范围内,当螺距250 mm时平均输送功耗最低,为294.63 W;螺距为300 mm时输送效率和生产率最高,分别为90%和58 kg/min。在螺距250 mm、喂入量70 kg/min、转速58～148 r/min的范围内,当转速117 r/min时生产率最高,为65 kg/min。在螺距250 mm、螺旋轴转速117 r/min、喂入量10～70 kg/min的范围内,当喂入量70 kg/min时生产率最高,为42 kg/min。该研究为研制适合输送农业纤维物料的螺旋输送装置提供了参考。     

不同微量元素叶面肥对草莓育苗生长的影响

将硼、钼和铁等微量元素复配成单一或复合叶面微肥,应用于草莓育苗,通过分析草莓生长情况,以确定硼、钼和铁肥的最佳施用量。结果表明:单施硼、钼、铁肥及配施叶面肥均能不同程度促进草莓繁苗数、母株的株高、净光合速率以及母株和子苗的叶面积、SPAD值和地上部和地下部的生物量。其中硼、钼对繁苗数、叶面积的促进效果较为明显,铁对叶绿素和光合作用的促进效果最为明显;总体来看,随着铁浓度的增加,其对母株叶面积、SPAD值、母株地上部和地下部生物量以及子苗的叶面积的促进作用更加明显,但高浓度的硼、钼促进作用则减弱,甚至对繁苗数产生抑制作用;不同微量元素的配施处理中,以硼和钼配施微肥效果最好,显著提高了草莓母株和子苗的地上部和地下部生物量。由此,本试验中0.2%硼肥、0.2%钼肥及各浓度的铁肥以及硼、钼配施为草莓育苗微肥的最佳施用方式。     

环模制粒粉体旋转挤压成型扭矩模型构建及试验

环模制粒成型技术以其高效率、高成型率、低污染等优点广泛应用于饲料机械、生物质能源机械、化工、制药等领域,而环模制粒过程扭矩模型的缺失已成为制约制粒技术发展的瓶颈之一。该文旨在通过理论分析、数值模拟与试验研究,建立粉体旋转挤压制粒成型过程精确扭矩模型,为粉体旋转挤压制粒成型装备的节能降耗及优化设计奠定理论基础。针对各向同性粉体物料,基于微单元受力分析及广义胡克定律,建立了旋转挤压制粒成型过程中模孔不同深度位置挤压压强的计算公式;基于DPC模型及实际辊轧工艺,建立了旋转挤压成型过程有限元分析模型,进行了压紧区应力分析;基于有限元模拟分析结果,设定变形压紧区的压强分布为二次曲线,建立了变形压紧区、挤压区的压强分布模型;最后建立了粉体旋转挤压制粒成型扭矩模型。以无线扭矩测试系统及环模制粒机为试验平台进行了鸡饲料的环模挤压制粒试验,求解得到了所有模型常量。设计了9组扭矩测试试验进行模型验证,测试结果与理论计算对比表明,试验值与计算值差距较小,最大计算误差仅为2.6%,这反映出建立的模型正确有效,对指导环模制粒机结构优化与节能降耗具有重要的意义。     

考虑射流破碎和液滴形状的喷灌水运动轨迹改进模型构建及验证

喷洒液滴分布特征是模拟喷头水量和能量分布的基础。为解决现有弹道轨迹模型过度简化运动液滴的破碎过程及形状变化导致模型精度不足的问题,该研究改进了弹道轨迹模型的液滴破碎过程、运动液滴形状参数和运动液滴阻力系数,提出了基于能量加权的等效液滴指标,建立了考虑射流破碎和液滴形状的喷洒水运动轨迹改进模型;采用HY50型蜗轮蜗杆式喷枪验证了模型精度,对比了不同模型的差异。结果表明：喷嘴直径20mm和工作压力0.35MPa时,改进模型的平均绝对误差MAE分别比Fukui模型和Li模型的降低了43.3%和75.1%（落地速度）、51.8%和27.1%（落地位置）和61.4%和76.1%（落地角度）;以4个验证工况中落地速度为例,改进模型、Fukui模型和Li模型的均方根误差RMSE平均值分别为0.53、0.93和2.21 m/s;归一化均方根误差NRMSE平均值分别为0.10、0.17和0.40。研究可为应用弹道轨迹模拟喷洒液滴分布特征提供新思路。     

大豆茎秆、叶片及豆荚生长的动态模拟

以疆莫豆1号、蒙豆30、北豆5号为试材,在系统观测的基础上,构建了大豆茎秆、叶片和豆荚等器官的形态建成模型。模型以生理发育时间为时间步长,以生理发育日来衡量茎秆、叶片和豆荚的生长进程与生长次序,以品种遗传参数为基础来确定其他的模型参数,引入了最小含氮量、最大含氮量和临界含氮量来订正氮素的影响。不同品种不同播期的检验结果表明,节间长度的模拟误差在0.08～0.59 cm,RMSE在0.25～0.28 cm;节间粗度的模拟误差在0～0.10 cm,RMSE在0.04～0.05 cm;叶片长度的模拟误差在0.28～0.58 cm,RMSE为0.47 cm;叶片宽度的模拟误差在0.31～0.39 cm,RMSE在0.35～0.36 cm;豆荚长度的模拟误差在0.14～0.39 cm,RMSE在0.24～0.39 cm;豆荚宽度的模拟误差在0.09～0.21 cm,RMSE在0.14～0.17 cm;豆荚厚度的模拟误差在0.04～0.09 cm,RMSE在0.06～0.07 cm。模型表现出较好的预测性和可靠性。该研究可为大豆器官形态的虚拟显示提供参考。     

基于SMOTE和多粒度级联森林的泥石流易发性评价

准确的泥石流易发性评价结果对山区泥石流灾害防治具有重要意义。该研究将合成少数类过采样技术（Synthetic Minority Oversampling Technique,SMOTE）和多粒度级联森林（multi-Grained Cascade Forest,gcForest）运用于泥石流易发性评价,以提高泥石流易发性评价精度。以泥石流多发地东川区为例,在解译泥石流点的基础上,以流域单元为评价单元,基于地质、地形和降水等多源数据,初步选取了15个泥石流孕灾因子,并对初选因子进行贡献率分析和多重共线性检验,筛选出共13个因子构建孕灾因子体系;然后采用SMOTE技术对泥石流与非泥石流样本比例不平衡问题进行处理,构建训练数据集;最后构建gcForest模型对研究区泥石流易发性进行定量分析,计算出各个流域单元的泥石流易发性指数,使用自然断点法将其划分为极低易发区、低易发区、中易发区、高易发区和极高易发区5个等级,并与BP神经网络（Back Propagation neural network,BPNN）和随机森林（Random Forest,RF）模型的预测性能进行对比。结果表明,泥石流极低和低易发区主要集中于研究区东部和西部,极高和高易发区主要集中分布于研究区小江河谷两岸和金沙江南岸,该地区地质环境脆弱,危险性较高;结合流域单元建立的山区泥石流易发性评价模型具有很好的准确性和稳定性,其中多粒度级联森林（gcForest）的受试者工作特征曲线（Receiver-Operating Characteristic,ROC）下面积AUC（Area Under Curve）值和准确度（Accuracy,ACC）分别达到91.76%和81.25%,均高于BP神经网络和RF模型的AUC值和ACC值,表明该模型是一种高性能的泥石流易发性评价方法。利用该方法能更精准地对泥石流进行易发性评价,可为山区泥石流防灾减灾提供科学依据。     

添加木炭改善猪粪稻壳好氧堆肥工艺及质量

为促进农业废弃物的资源化利用,试验以猪粪和稻壳为原料,用化学分析和仪器分析相结合的方法,研究了添加不同质量分数（0、2.5%、5.0%、7.5% 和10.0%）的木炭对60 d猪粪好氧堆肥过程的影响。结果表明：在堆肥有机质的降解过程中,含-OH、-CH3和-CH2基团的化合物的质量分数逐渐减少,含-C=O、C-O-C、-COO基团和含芳香环类物质的质量分数逐渐增加。添加木炭能促使堆肥物料的降解,随着木炭添加量的增加,在60 d的堆肥过程中,各处理有机碳的质量分数分别降低了12.23%、13.77%、14.88%、15.36%和15.86%,碳氮比分别下降了47.80%、54.98%、56.97%、60.03%和65.73%。与对照相比,添加木炭可延长堆肥高温期的停留时间3～ 5 d,增加堆肥物料的持水能力并降低堆肥产品的电导率;同时,添加木炭还能减少堆肥初期氨气的挥发,提高铵态氮的质量分数,促使堆肥后期硝态氮的转化。堆肥结束时,添加木炭可使硝态氮的质量分数提高55.86%～89.32%,总氮的质量分数提高20.55%～53.07%,雪里蕻种子发芽率提高17.6%～41.2%,萌发指数达1.02～1.44。研究表明,添加木炭能促进堆肥有机物料的降解,加快堆肥腐熟脱毒,增加堆肥产品总氮的质量分数,提高产品质量。木炭作为一种潜在的猪粪堆肥添加剂,在促进农业废弃物资源化利用方面具有广阔的应用前景。     

牛粪厌氧发酵过程中的分层流变特性

厌氧发酵过程中,物料分层及各层料液黏度、密度等参数是搅拌装置设计的重要依据。该文采用接力试验研究了牛粪中温厌氧发酵过程中各层料液基础物性的变化情况。结果表明:牛粪厌氧发酵过程中,反应器中料液密度自上而下逐渐变大,且各层密度随总固体含量增加而升高,反应过程中各层密度均在发酵第4天达到最大值,料液总固体质量分数为4%、6%、8%时对应的上中下层溶液的密度最大值分别为1.02、1和1.02,1.02、1.03和1.07,1.03、1.03和1.07 g/cm3。受料液分层的影响,反应器中上层和中层料液黏度呈先增大后减小并逐步趋于稳定,下层料液黏度以初始黏度为最大,且不同初始料液总固体含量对黏度变化过程具有显著影响,TS=4%时,上、中层料液黏度分别在第7天、第4天达到最大值11.5和14.7 m Pa·s,下层初始最大黏度为107 m Pa·s;TS=6%、8%时,上、中层料液黏度均在第4天达到最大值,上层料液黏度最大值分别为25.5和63.5 m Pa·s,中层料液黏度最大值分别为15.5和95.5 m Pa·s,下层初始最大黏度分别为135.5和185.5 m Pa·s。随着初始物料总固体含量的增加日产气量也相应增高,产气高峰出现时间相应提前;TS=8%时的累积产气量分别比6%和4%提高了21.4%和8.71%,但产气中甲烷含量增加速率基本相同,并在第10天左右基本趋于稳定。该结果可为厌氧发酵反应器的搅拌装置设计提供参考。     

GEE联合多源数据的西安市土地利用时空格局及驱动力分析

近十年来,西安市经济快速发展,人地矛盾日益突出,开展西安市土地利用时空演变及驱动因素研究,对促进土地资源优化配置及生态环境可持续发展具有重要意义。该研究利用谷歌云计算平台（Google Earth Engine,GEE）在长时序分析中所具有的运算处理效率高、多源数据融合便捷、可有效降低云影响等独特优势,联合Landsat TM/OLI光学影像和PALSAR雷达影像,构建基于光谱、地形、纹理和后向散射特征的分类特征集,采用随机森林（Random Forest,RF）算法实现2010、2015和2019年西安市土地利用快速分类,分析土地利用格局时空变化规律,并利用地理探测器从自然和社会两方面探讨土地利用格局变化的驱动机制。结果表明：1）2010、2015和2019年西安市土地利用RF分类效果良好,精度较高,总体精度分别为92.30%、86.66%和90.78%,对应Kappa系数分别为0.89、0.81和0.88。2）西安市主要土地利用类型为林草地和耕地。近十年来,耕地面积大幅减少,以主城区外围最为显著;建设用地剧烈扩张,以中北部地区最为典型,大量耕地为建设用地所取代;林草地先减后增,在中南部及东部地区变化明显;水域和未利用地呈现逐年渐减的特征。3）地形、温度和降雨等自然因素是土地利用格局变化的基本控制因素,工业生产活动对西安市土地利用变化具有重要影响,且解释力不断增大,人口解释力先增后减,地形、人口和经济等因素的交互作用影响土地利用总体格局。基于GEE联合多源遥感数据,采用RF分类和地理探测器分析能够有效反映土地利用时空变化格局及其驱动机制,可为城市土地资源规划管理提供科学依据。     

废气自循环利用生物质炭化装备设计与性能研究

为有效解决现阶段生物质炭化设备存在的炭产率低、炭品质差、余气不能循环利用而污染环境、副产物不能有效分离等问题,设计并研制了一套废气自循环生物质炭化装备,对其炭化炉主体、加热系统、焦油回收装置、余气循环装置、温度压力监控系统分别进行了详细设计和参数确定,并以炭化炉主体和焦油回收装置为加热和冷却对象,采用有限元方法对其进行传热性能研究,最后对其进行了炭化试验研究。结果表明:生物质炭化装备能够满足制炭、副产物回收、废气循环利用、工艺参数精确控制等要求;炉体门框上部温度分布不均,其余炉体内部温度分布均匀,温度梯度平缓,可对生物质进行均匀加热;焦油回收装置在三级冷却水进口流速分别为0.045、0.03、0.015 m/s时,冷却温降分别为:271、111、61℃,烟气温度从500℃降温到50℃,冷却效果显著,并可对挥发分中的焦油和木醋液进行分离;影响炭产率、热值、能源得率的因素顺序为:炭化终温保温时间升温速率。炭产率与能源得率呈正相关,而两者又与热值成负相关。炭化条件在升温速率3℃/min、炭化终温450℃、保温时间3 h工况下较好,在此条件下的炭得率为54.2%,热值为25 767 k J/kg,能源得率为84.8%。