基于无人机遥感的冬小麦叶绿素含量多光谱反演

以杨凌地区冬小麦为研究对象,使用六旋翼无人机搭载RedEdge多光谱相机进行叶绿素监测试验。共选取65个样本,每个样本为1 m×1 m的样地,在样地内选取小麦冠层的7片叶片,测量相对叶绿素含量SPAD值,取平均值作为实测值,GPS记录位置信息。地面数据测量与无人机飞行测量同步进行。用Pix4D mapper软件对无人机多光谱影像进行拼接处理,得到4个波段下小麦冠层叶片反射率光谱图像,并利用ENVI 5.1软件提取光谱反射率数据。选取8种常用光谱参数,其中与小麦SPAD相关性较高的有SAVI、EVI2、DVI、RVI、NDVI、EVI和ARVI共7种,相关系数均在0.67以上。用7种光谱参数和小麦SPAD实测值,使用一元线性回归法和多元线性回归法构建反演模型并进行精度分析,结果表明:一元线性回归法构建的SPAD-SAVI模型精度最佳,决定系数(R^2)为0.866,均方根误差RMSE为0.245,可作为无人机遥感快速、无损监测冬小麦叶绿素的技术手段。     

倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制

针对一种倾转三旋翼垂直起降(VTOL)飞行器在悬停状态下的姿态控制问题,设计了一种基于STM32系列微控制器的飞行控制系统。采用十轴组合惯性导航模块实时采集载机平台姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法进行姿态信息解算。针对无人机姿态控制实时性和精度要求高的特点,采用串级PID控制算法对载机进行悬停状态下的姿态控制。实验结果表明:串级PID控制算法在悬停状态下能够对倾转三旋翼垂直起降飞行器进行快速、稳定、准确的姿态控制,并具有一定的鲁棒性。在横滚角的内环采用PD控制(Kp为8.371,Kd为3.015),外环采用PD控制(Kp为5.1,Kd为1.15);俯仰角的内环采用PD控制(Kp为3.137,Kd为1.6),外环采用PID控制(Kp为3.43,Ki为0.003,Kd为3.97);偏航角采用PI控制(Kp为9.30,Ki为0.11)时,其悬停状态下具有最优姿态控制效果。研究结果对倾转三旋翼垂直起降飞行器飞行控制的后续研究具有指导作用。     

冬季桃树生理生态指标变化规律研究

在分析空气温度、土壤水势以及土壤温度生态因子变化的基础上,研究了桃树茎干日变化规律以及冬季桃树的茎干变化。得出冬季土壤水势随时间逐渐减小,并受土壤温度变化影响。分析了冬季桃树地5、15和30 cm深度的土壤温度变化规律,并对曲线进行拟合,发现冬季土壤温度以二次函数规律变化,并且相关系数都在0.9以上。桃树茎干有明显的日变化规律,日最大收缩量受土壤水分状况影响较大,土壤水势高的处理,桃树茎干日最大收缩量大,相反水势较低的最大日收缩量变化较小。在2006年11月~2007年1月桃树茎干随时间不断收缩,但是收缩幅度与土壤水势有关,土壤水势高的收缩幅度较小,水势低的,收缩幅度较大。     

基于无人机遥感与植被指数的冬小麦覆盖度提取方法

基于开源飞控Pixhawk开发了一套集成稳定云台、位置与姿态系统(Position and orientation system,POS)数据采集模块的无人机多光谱遥感图像采集系统,同步采集520~920 nm范围内的红、绿和近红外波段信息。以冬小麦为例,分别在越冬期、拔节期、挑旗期和抽穗期进行飞行实验,飞行高度55 m,多光谱影像地面分辨率2.2 cm。采用监督分类与植被指数统计直方图相结合的方式,提出了一种田间尺度小麦覆盖度快速提取的方法,给出归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)、土壤调节植被指数(Soil-adjusted vegetation index,SAVI)及修正土壤调节植被指数(Modified soil-adjusted vegetation index,MSAVI)对应的植被像元与土壤像元的分类阈值,分别为0.475 6、0.705 6和0.635 0。同时利用基于同步采集的地面分辨率可达0.8 cm的高清可见光遥感图像提取了相应时期的冬小麦覆盖度参考值。结果表明,基于无人机多光谱遥感技术及植被指数法可以较好地提取冬小麦越冬期、拔节期、挑旗期和抽穗期的植被覆盖度信息。与SAVI、MSAVI相比,基于NDVI分类阈值的提取效果最好,绝对误差最小。     

大田玉米水分胁迫指数CWSI基线建立方法试验研究

作物水分胁迫指数(Crop water stress index,CWSI)经验模型的建立与气候和种植条件密切相关。本文以内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗大田玉米为对象,研究CWSI的最优经验模型。玉米在营养生长阶段(Vegetative stage,V期)、生殖期(Reproductive stage,R期)和成熟期(Maturation stage,M期)分别进行不同灌溉水平的处理,采用红外测温传感器采集玉米冠层温度。分别结合田间和实验地旁标准气象站空气温湿度数据建立了CWSI经验模型的无水分胁迫基线。基于2种无水分胁迫基线,分别利用饱和水汽压梯度获取的无蒸腾作用基线和5℃无蒸腾作用基线建立了4种CWSI经验模型,得出反映大田玉米水分胁迫状况的关系曲线,并进行对比。结果表明,基于实验地旁标准气象站空气温湿度数据建立的CWSI经验模型具有很大的波动性,并不能很好反映玉米的水分胁迫状况,其值常常超出正常范围0～1。而基于田间空气温湿度数据建立的CWSI经验模型则可以很好地监测内蒙古自治区大田玉米水分胁迫状况,M期3种不同水分处理100%、52%和28%具有较好的CWSI数值梯度,分别为0.04、0.14和0.32。相比于基于饱和水汽压梯度获取的无蒸腾作用基线,以5℃作为无蒸腾作用基线时得到的CWSI数值较小,可以较好地反映水分胁迫状况,对应上述M期3种不同水分处理CWSI值分别为0.02、0.10和0.22,具有较为合理的梯度。经过初步检验和分析,认为基于田间空气温湿度数据建立的CWSI经验模型较为合理,可以有效监测大田玉米水分胁迫状况。     

摇臂式喷头内流道流场数值模拟

用Pro/E软件建立喷头内流道的三维实体模型,选择RNGk-ε模型在CFD软件Fluent中模拟了雨鸟30PSH型摇臂式喷头在10种入口压力和4种主喷嘴直径组合下的内流道流场,分析了喷头主副喷嘴的流量、人口压力与出口平均速度等参数的关系.研究结果表明:主喷嘴直径增大时,副喷嘴流量几乎不变;主、副喷嘴的流量分配比例由主喷嘴直径决定,与入口压力无关.入口压力增大,主喷嘴出口平均速度增大,但副喷嘴出口平均速度不变.喷头主、副喷嘴的平均湍动能随人口压力增大而增大,不受主喷嘴直径变化的影响.主喷嘴出口静压力、湍动能和速度的标准差、副喷嘴出口静压力标准差与入口压力近似成正比;而副喷嘴出口湍动能和速度的标准差随主喷嘴直径或入口压力增大产生较大的无规律变化.喷头内流道流场的可视化结果显示喷头副喷嘴与弯管连接处静压力较大,接近喷头入口静压力.     

作物数字图像远程实时获取方法研究

作物图像获取方法是应用计算机视觉技术监测作物长势的首要问题。为此,对作物数字图像远程实时获取方法进行了研究。研究的作物数字图像远程实时获取系统由图像获取设备、下位机、数据传输系统、Web服务器和客户端等部分组成,包括用户管理与系统维护、数据库管理、图像获取与设备控制和数据处理与发布4个功能模块。系统利用带无线传输功能的数码相机和高清晰网络工业相机作为作物数字图像获取设备,并给出了图像获取设备的5种安装形式:移动车载、固定形式、滑动导轨、云台和综合形式;系统在图像获取设备到下位机之间采用有线或微波无线的传输方式,从下位机到Web服务器再到客户端采用Internet网络连接,通过增加带宽可以显著提高图像信息的传输速率;系统利用直接存取法建立作物图像数据库,并利用Web信息系统实现了作物图像信息的实时发布。     

基于Web的农业环境信息实时发布系统研究

农业环境信息的远程动态管理对制定科学合理的生产措施具有重要意义。为此,应用VB6.0实现了实时读取农业环境传感器系统的DAT数据文件,并将数据存储在网络数据库表中。同时,应用ASP动态网页技术实现了信息发布。经验证,系统可以实现农业环境信息的实时发布、历史数据查询以及分析等功能。系统充分利用数据库技术和Web技术的优势,为农业生产的远程实时管理提供了可能。     

无人机遥感技术在精量灌溉中应用的研究进展

以提高农业用水效率为目标的精量灌溉是未来农业灌溉的主要模式,精量灌溉的前提条件是对作物缺水的精准诊断和科学的灌溉决策。用于作物缺水诊断和灌溉决策定量指标的信息获取技术主要基于田间定点监测、地面车载移动监测及卫星遥感。无人机从根本上解决了卫星遥感由于时空分辨率低而导致的瞬时拓延、空间尺度转换、遥感参数与模型参数定量对应等技术难题,也克服了地面监测效率低、成本高、影响田间作业等问题。近几年的研究结果表明,无人机遥感系统可以高通量地获取多个地块的高时空分辨率图像,使精准分析农业气象条件、土壤条件、作物表型等参数的空间变异性及其相互关系成为可能,为大面积农田范围内快速感知作物缺水空间变异性提供了新手段,在精量灌溉技术应用中具有明显的优势和广阔的前景。无人机遥感系统已经应用在作物覆盖度、株高、倒伏面积、生物量、叶面积指数、冠层温度等农情信息的监测方面,但在作物缺水诊断和灌溉决策定量指标监测方面的研究才刚刚起步,目前主要集中在作物水分胁迫指数(CWSI)、作物系数、冠层结构相关指数、土壤含水率、叶黄素相关指数(PRI)等参数估算的研究,有些指标已经成功应用于监测多种作物的水分胁迫状况,但对于大多数作物和指标,模型的普适性还有待进一步研究。给出了无人机遥感在精准灌溉技术中应用的技术体系,并指出,为满足不同尺度的高效率监测和实现农业用水精准动态管理的需求,今后无人机遥感需要结合卫星遥感和地面监测系统,其中天空地一体化农业水信息监测网络优化布局方法与智能组网技术、多源信息时空融合与同化技术、作物缺水多指标综合诊断模型、农业灌溉大数据等将是未来重点研究内容。     

人工模拟降雨系统喷头喷洒雨滴特性测试

利用2D视频雨滴谱仪,对喷头喷洒的雨滴形状、尺寸分布、平均直径和垂直降落速度等进行准确测量,分析了喷嘴直径、工作压力对雨滴平均直径变化趋势的影响,建立了雨滴平均直径与垂直降落速度间的关系模型。结果表明:人工模拟降雨系统下喷头喷洒雨滴的直径范围在0~3 mm;在相同喷嘴直径下,随着工作压力的增大,雨滴平均直径呈下降趋势;在工作压力不变的条件下,随着喷嘴直径的增大,雨滴平均直径会随之增大;通过雨滴平均直径与垂直下落速度间的关系模型,能够较好地预测雨滴的降落速度。