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光谱学与光谱分析 2023年第5期43卷 1524-1531页

作者：樊意广冯海宽刘杨龙慧灵杨贵军钱建国农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京市农林科学院信息技术研究中心北京100097 南京农业大学国家信息农业工程技术中心江苏南京210095 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000

植株氮含量(PNC)是评价作物长势和氮营养状况的重要指标,因此,准确高效地获取PNC信息,对动态监测马铃薯长势及精准施控氮肥具有重要意义。首先于马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期获取无人机高光谱影像,并基于... 详细信息

植株氮含量(PNC)是评价作物长势和氮营养状况的重要指标,因此,准确高效地获取PNC信息,对动态监测马铃薯长势及精准施控氮肥具有重要意义。首先于马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期获取无人机高光谱影像,并基于预处理的影像提取5个生育期冠层的原始光谱和一阶微分光谱;其次将提取的冠层光谱与马铃薯PNC进行相关性分析,筛选出PNC的敏感波长;然后分别利用灰度共生矩阵和1~3阶颜色矩,提取冠层原始光谱特征波长处高光谱图像的纹理和颜色2种图像特征,并将提取的特征与马铃薯PNC进行相关性分析,筛选出相关性较高的前5个图像特征;最后分别基于光谱特征、图像特征和图谱融合特征利用弹性网络回归(ENR)、贝叶斯线性回归(BLR)和极限学习机(ELM)3种方法建立马铃薯PNC估算模型。结果表明:(1)马铃薯5个生育期的冠层光谱特征波长存在差异,但多数位于可见光区域。(2)冠层原始光谱特征波长图像的纹理和颜色特征与PNC的相关性较高,且现蕾期到淀粉积累期的相关性明显高于成熟期。(3)基于单一光谱特征和单一图像特征构建的马铃薯PNC估算模型在现蕾期到淀粉积累期效果较好,成熟期效果较差。(4)现蕾期到淀粉积累期,基于图谱融合特征的马铃薯PNC估算效果明显优于单一光谱特征和单一图像特征。(5)马铃薯各生育期,基于同种变量利用ENR构建的PNC估算模型效果较好,BLR次之,ELM较差。其中,以图谱融合特征为模型变量,利用ENR构建的PNC估算模型精度和稳定性最好,5个生育期的建模R^(2)分别为0.91、0.75、0.82、0.77和0.69,RMSE分别为0.24%、0.31%、0.26%、0.22%和0.29%,NRMSE分别为6.59%、9.79%、9.58%、7.87%和11.03%。该研究可为马铃薯的氮营养监测提供一种快捷高效的技术手段。

关键词：无人机马铃薯高光谱图像特征植株氮含量

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利用光谱空间特征估算马铃薯植株氮含量

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光谱学与光谱分析 2023年第5期43卷 1532-1540页

作者：樊意广冯海宽刘杨边明博赵钰杨贵军钱建国农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京市农林科学院信息技术研究中心北京100097 南京农业大学国家信息农业工程技术中心江苏南京210095 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000

植株氮含量(PNC)是评价作物长势和营养状况的重要指标,快速准确获取作物的PNC信息可为农田管理策略的制定与实施提供重要依据。已有研究表明,仅采用影像的光谱信息估算作物的PNC存在饱和现象,该研究尝试采用植被指数(VIs)结合二维离散... 详细信息

植株氮含量(PNC)是评价作物长势和营养状况的重要指标,快速准确获取作物的PNC信息可为农田管理策略的制定与实施提供重要依据。已有研究表明,仅采用影像的光谱信息估算作物的PNC存在饱和现象,该研究尝试采用植被指数(VIs)结合二维离散小波分解技术(DWT)提取的多个尺度的高频信息(HFI)构建一种光谱空间特征(VIs+HFI),探究VIs、 HFI和VIs+HFI估算PNC的能力。首先,以无人机为遥感平台获取马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期5个氮营养关键生育期的数码影像并实测各生育期的PNC数据。其次,基于预处理的无人机影像,提取各生育期冠层的光谱信息构建VIs,并采用DWT提取各生育期1~5尺度的HFI。然后,将各生育期提取的VIs和HFI与马铃薯PNC进行相关性分析,分别筛选出相关系数绝对值较大的前7个VIs和前10个HFI。为降低共线性对实验结果的影响,根据KMO检验结果对筛选的HFI进行主成分分析(PCA)降维处理。最后,采用岭回归和极限学习机(ELM) 2种方法分别以VIs、 HFI主成分和VIs+HFI主成分为模型变量构建马铃薯各生育期的PNC估算模型,并进行评估。结果表明:(1)马铃薯各生育期,1~5尺度的HFI对估算PNC均有贡献。(2)以VIs+HFI为模型变量构建的马铃薯PNC估算模型的精度和稳定性高于单一VIs和HFI。(3)马铃薯各生育期,以岭回归方法构建的PNC估算模型优于ELM方法。其中,以VIs+HFI为模型变量构建的PNC估算模型效果最优,5个生育期的建模R^(2)分别为0.833、 0.764、 0.791、 0.664和0.435, RMSE分别为0.332%、 0.297%、 0.275%、 0.286%和0.396%;NRMSE分别为9.113%、 9.425%、 10.336%、 9.547%和15.166%,该研究可为马铃薯氮营养状况的实时高效监测提供一种新的技术支撑。

关键词：无人机马铃薯植株氮含量植被指数高频信息

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基于深度学习的玉米拔节期冠层识别

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农业工程学报 2021年第21期37卷 53-61页

作者：孙红乔金博李松李民赞宋迪乔浪中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业部农业信息获取技术重点实验室北京100083

为了满足田间玉米植株快速识别与检测的需求,针对玉米拔节期提出了基于深度学习的冠层识别方法,比较并选取了适于玉米植株精准识别和定位的网络模型,并研制了玉米植株快速识别和定位检测装置。首先拍摄玉米苗期和拔节期图像共计3000张... 详细信息

为了满足田间玉米植株快速识别与检测的需求,针对玉米拔节期提出了基于深度学习的冠层识别方法,比较并选取了适于玉米植株精准识别和定位的网络模型,并研制了玉米植株快速识别和定位检测装置。首先拍摄玉米苗期和拔节期图像共计3000张用于训练深度学习模型,针对拔节期玉米叶片交叉严重的问题,提出了以玉米株心取代玉米整株对象的标记策略。其次在Google Colab云平台训练SSDLite-MobileDet网络模型。为了实现田间快速检测,开发了基于树莓派4B+Coral USB的玉米冠层快速检测装置。结果表明,田间玉米冠层识别模型精度达到91%,检测视频的帧率达到89帧/s以上。研究成果可为田间玉米高精度诊断和精细化作业管理奠定基础。

关键词：深度学习目标检测识别拔节期玉米冠层

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基于水杨醛荧光探针的营养液镁离子检测方法

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农业机械学报 2021年第S01期52卷 344-350页

作者：阳清亮李浩榛刘刚张淼中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部信息获取技术重点实验室北京100083

镁离子(Mg^(2+))是植物光合、呼吸及遗传物质合成等重要生理过程的必需营养元素,准确检测无土栽培营养液中Mg^(2+)含量对作物生产调控具有重要意义。Mg^(2+)荧光探针材料合成复杂且易受钙离子(Ca^(2+))、锌离子(Zn^(2+))干扰。本研究采... 详细信息

镁离子(Mg^(2+))是植物光合、呼吸及遗传物质合成等重要生理过程的必需营养元素,准确检测无土栽培营养液中Mg^(2+)含量对作物生产调控具有重要意义。Mg^(2+)荧光探针材料合成复杂且易受钙离子(Ca^(2+))、锌离子(Zn^(2+))干扰。本研究采用水杨醛荧光探针开展了营养液Mg^(2+)检测,系统测定了该分子探针的灵敏性、选择性、抗干扰性,并通过加标回收率结果证明了水杨醛荧光探针测定的重复性。试验结果表明:在Mg^(2+)浓度0~800μmol/L范围内,水杨醛探针荧光响应强度线性良好,决定系数达到0.999,响应时间约为2 min,可实现对溶液中Mg^(2+)的快速测定;探针对Mg^(2+)的选择性良好,等浓度Ca^(2+)、Zn^(2+)荧光响应强度同比增长系数仅为Mg^(2+)强度的2.5%、9.1%。同时,探针具有较好的抗干扰性,Ca^(2+)、Zn^(2+)与Mg^(2+)等量共存,较单一Mg^(2+)溶液水杨醛荧光探针测定荧光强度同比增长系数在-0.004~0.009之间,上下波动小于0.01。Ba^(2+)、Cu^(2+)、Mn^(2+)、Fe ^(2+ )、Fe ^(3+)对水杨醛探针存在荧光猝灭影响;实际样本的加标回收率为99%~104.9%,较离子色谱法测定结果的相对误差不大于1.33%,RMSE为5.78 mol/L。本研究初步验证了水杨醛荧光探针用于营养液Mg^(2+)检测的可行性。

关键词：无土栽培营养液水杨醛荧光探针镁离子回收率

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基于无人机LiDAR的农田平整地势测量方法

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农业机械学报 2021年第S01期52卷 51-57,117页

作者：金志坤景云鹏刘刚中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

为了提高农田平整作业中地势测量速度与精度,本文提出一种基于无人机LiDAR的农田平整地势测量方法。通过无人机搭载LiDAR测量系统,获取高精度农田地势点云数据。对采集的点云数据进行预处理,通过直通滤波方法去除z轴方向上的大量噪点。... 详细信息

为了提高农田平整作业中地势测量速度与精度,本文提出一种基于无人机LiDAR的农田平整地势测量方法。通过无人机搭载LiDAR测量系统,获取高精度农田地势点云数据。对采集的点云数据进行预处理,通过直通滤波方法去除z轴方向上的大量噪点。使用渐进式形态学滤波算法,分割农田地面点与非地面点。在保留主要农田地势信息特征的基础上,使用基于VoxelGrid滤波器的农田地势点云精简方法对农田地势点云数据进行精简。在4块不同面积的农田中,分别使用无人机LiDAR测量方式与全球导航卫星系统(GNSS)测量方式进行地势测量试验,试验结果表明,与GNSS测量真值的平整度相比,其准确度分别为94.681%、91.364%、90.588%和90.287%,与GNSS测量真值的最大高程差相比,其准确度分别为99.391%、98.167%、97.025%和98.776%,与GNSS测量真值的高差分布列相比,其准确度分别为99.307%、97.914%、98.673%和95.110%。本文提出的基于无人机LiDAR的农田地势测量方法可快速精准测量农田地势信息,可为下一步农田平整作业提供数据支持。

关键词：农田平整无人机LiDAR 点云地势测量

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基于机器视觉的玉米定位施肥控制系统设计与试验

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农业机械学报 2021年第S01期52卷 66-73页

作者：宗泽刘刚中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

为了实现农田环境下的苗期玉米定位定量施肥作业,提高肥料利用率,本文设计了基于机器视觉的苗期玉米定位施肥控制系统,控制自驱动履带式田间玉米定位施肥机,使用切片式排肥器结构实现间歇式施肥。采集苗期玉米冠层图像后,利用颜色特征... 详细信息

为了实现农田环境下的苗期玉米定位定量施肥作业,提高肥料利用率,本文设计了基于机器视觉的苗期玉米定位施肥控制系统,控制自驱动履带式田间玉米定位施肥机,使用切片式排肥器结构实现间歇式施肥。采集苗期玉米冠层图像后,利用颜色特征区分连续拍摄过程中的大量背景图像和识别错误的株心,改进了株心识别定位方法;建立施肥滞后误差补偿模型,实时计算施肥相对距离,准确计算排肥器的落肥时刻,实现了按株间歇式自动定位施肥。经过试验与验证分析,改进的株心定位识别方法明显缩减了图像处理时间,提高了算法鲁棒性;3个挡位施肥量(7.25、14.5、21.75 g)的施肥稳定性变异系数分别为1.93%、1.87%、1.93%,施肥量控制精度大于95%,施肥位置准确性平均误差为3.2 cm,可以实现精准定位施肥。本文设计的施肥控制系统可以实现苗期玉米按株定位定量施肥,达到了减施提质、科学施肥的目的。

关键词：施肥控制系统机器视觉苗期玉米按株间歇式施肥株心识别定位

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基于地基激光雷达的玉米株高与茎粗自动测量研究

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农业机械学报 2021年第S01期52卷 43-50页

作者：苗艳龙彭程高阳仇瑞承李寒张漫中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

株高和茎粗是玉米株型中重要的表型参数,可以反映玉米的生长状况和活力,地基激光雷达可实现表型参数的快速自动测量。首先,使用地基激光雷达获取田间2个玉米品种在4个生长期的三维点云数据;其次,使用点云处理软件对采集的玉米点云数据... 详细信息

株高和茎粗是玉米株型中重要的表型参数,可以反映玉米的生长状况和活力,地基激光雷达可实现表型参数的快速自动测量。首先,使用地基激光雷达获取田间2个玉米品种在4个生长期的三维点云数据;其次,使用点云处理软件对采集的玉米点云数据进行匹配、分割,人工点云测量玉米表型;之后,对玉米点云进行下采样、直通滤波、基于随机采样一致性平面分割、统计滤波和圆柱分割等处理,分割单株玉米、去除地面点云、滤除离群点、植株点云分层和提取待测量茎秆点云;运用最高点提取和地面点分割,测量玉米株高,椭圆拟合测量茎横截面长轴和短轴长度。结果表明,与田间测量值相比,京农科728人工点云测量株高、茎横截面长轴和短轴长度的均方根误差分别为21.5、1.24、1.86 mm,农大84分别为23.6、1.56、1.23 mm。与人工点云测量值相比,京农科728自动点云测量值的均方根误差分别为10.2、6.65、3.45 mm,农大84分别为7.1、4.95、3.26 mm。研究表明,地基激光雷达点云数据测量株高、茎粗的方法,适用于不同生长期、不同品种的玉米,与人工田间测量方法具有高度的一致性,可以替代人工测量。

关键词：玉米株高茎粗地基激光雷达点云

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基于SOM-K-means算法的番茄果实识别与定位方法

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农业机械学报 2021年第1期52卷 23-29页

作者：李寒陶涵虓崔立昊刘大为孙建桐张漫中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

为解决多个番茄重叠黏连时难以识别与定位的问题,提出一种基于RGBD图像和K-means优化的自组织映射(Self-organizing map,SOM)神经网络相结合的番茄果实识别与定位方法。首先,利用RGBD相机拍摄番茄图像,对图像进行预处理,获取果实的轮廓... 详细信息

为解决多个番茄重叠黏连时难以识别与定位的问题,提出一种基于RGBD图像和K-means优化的自组织映射(Self-organizing map,SOM)神经网络相结合的番茄果实识别与定位方法。首先,利用RGBD相机拍摄番茄图像,对图像进行预处理,获取果实的轮廓信息;其次,提取果实轮廓点的平面和深度信息,筛选后进行处理;再次,将处理后的数据输入到采用K-means算法优化的SOM神经网络中,得到点云聚类结果;最后,根据聚类点,通过坐标转换得到世界坐标信息,拟合得到各个番茄的位置和轮廓形状。以果实识别的正确率和定位结果的均方根误差(RMSE)为指标对该算法进行验证和分析,采集80幅图像共366个番茄样本,正确识别率为87.2%,定位结果均方根误差(RMSE)为1.66 mm。与在二维图像上利用Hough变换进行果实识别的试验进行对比分析,进一步验证了本文方法具有较高的准确性和较强的鲁棒性。

关键词：番茄果实深度点云图像分割神经网络识别与定位 SOM-K-means算法

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纳米银柔性农用温度传感芯片设计与试验

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农业工程学报 2021年第10期37卷 198-205页

作者：路逍李浩榛刘刚张淼中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

柔性传感技术可拓展生态无人农场“机-物”感知与信息交互的应用场景。该研究利用喷墨打印技术制备了基于导电纳米银材料的柔性温度传感芯片,解析了聚二甲基硅烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)保护层对传感芯片灵敏度、重复性、稳定性及... 详细信息

柔性传感技术可拓展生态无人农场“机-物”感知与信息交互的应用场景。该研究利用喷墨打印技术制备了基于导电纳米银材料的柔性温度传感芯片,解析了聚二甲基硅烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)保护层对传感芯片灵敏度、重复性、稳定性及寿命的改进作用,并通过动植物体表、根际及极端温度动态监测验证了该传感器农用测温可行性。结果表明:PDMS保护层实现了对纳米银温敏层的防水保护,提升了传感器环境适应性及寿命;在零下18~100℃范围内的自制柔性温度传感芯片的测温灵敏度为0.330℃-1,测定误差小于0.6℃,稳定性达到0.02℃/min;典型农用测温场景下,柔性温敏芯片与高精度铂电阻测温结果的一致性较好,测温误差明显小于商用红外测温仪,均方根误差仅为0.108℃。纳米银柔性温度传感芯片可快速准确地获取待测对象的温度变化,具有良好的农业应用前景。

关键词：温度传感器纳米银柔性传感芯片农业环境监测

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变量施肥滞后时间检测与位置修正方法研究

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农业机械学报 2021年第S01期52卷 74-80页

作者：刘刚胡号黄家运张季琴中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

针对变量施肥位置滞后问题,在已有研究的基础上,以提高变量施肥机作业精度为目标,利用压力传感器、ArduinoUNO等设备搭建了滞后时间检测系统,并建立了落肥时间及其影响因素之间的关系模型,以该模型为数据基础提出了基于滞后距离的施肥... 详细信息

针对变量施肥位置滞后问题,在已有研究的基础上,以提高变量施肥机作业精度为目标,利用压力传感器、ArduinoUNO等设备搭建了滞后时间检测系统,并建立了落肥时间及其影响因素之间的关系模型,以该模型为数据基础提出了基于滞后距离的施肥位置修正方法。该方法利用滞后时间和作业速度计算滞后距离,当机具与网格边界距离与滞后距离相等时改变施肥状态,实现施肥位置的修正。田间试验结果表明:本文提出的滞后时间检测方法的检测精度为84.1%;建立的转速-滞后时间模型能够准确计算滞后时间,基于滞后距离的施肥位置修正方法能够有效提高施肥位置精度,施肥位置滞后距离减小了61.8%。

关键词：变量施肥滞后时间位置滞后滞后修正

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