基于改进蚁群算法的农业机器人多田块路径规划方法与试验

[目的]针对丘陵地区因田块碎片化和障碍物影响农业机器人作业的情况,提出一种基于改进蚁群算法和A算法相结合的多田块路径规划方法。[方法]通过无人机构建农田遥感影像,利用栅格法对农田进行环境建模,再进行子区的划分与合并,在蚁群算法中引入区域启发函数,对不同区域内的移动代价作区分,通过人工增加最优路径中的信息素浓度并建立自适应信息素挥发系数,对信息素更新方法进行改进,以此求解作业子区间的最优遍历顺序,利用具有启发式搜索功能的A算法进行子区连接路径规划,最终实现多田块路径规划。[结果]MATLAB仿真试验结果表明,在子区数量为40时,采用改进蚁群算法进行规划的平均路径长度比传统的蚁群算法减少了3.19%,平均迭代收敛次数减少了79.5%;在路径遍历仿真试验中,农业机器人遍历路径覆盖率能达到100%,路径重复率为6.48%。利用农田无人机遥感影像和田间作业参数进行自然环境的仿真试验,进一步验证了该方法的有效性。[结论]本研究提出的方法能有效解决丘陵地区农业机器人多田块路径规划问题,可为丘陵地区农业机器人大面积作业提供路径参考与技术支持。

基于多尺度及DESTIN约束的高分遥感影像田块语义分割方法研究

[目的]本研究旨在改善基于深度学习的遥感影像田块语义分割中出现的区域不封闭、边缘不贴合、噪点问题,并进一步修正语义分割的识别错误。[方法]以安徽省阜南县、江苏省淮安市为研究地点,自建了农田田块数据集,引入考虑影像多尺度特征的尺度分割思想与基于物候学的DESTIN(delineation by fusing spatial and temporal information)分割算法,提出了基于多尺度及DESTIN约束的高分遥感影像农田田块语义分割方法。[结果]多尺度与DESTIN约束下基于深度模型的田块语义分割有效改善模型出现的区域不封闭、边缘不贴合、噪点和块状模糊等问题,一定程度修正了深度模型语义分割的错误识别,IoU指标在2个测试集上分别达到94.08%和90.79%,相较深度模型的遥感影像田块语义分割分别提高1.65%和2.32%,对研究区域的田块提取区域更完整、精度更高。[结论]多尺度及DESTIN约束进一步改善了田块语义分割问题,有助于提高高分遥感影像的田块识别精度。

水稻全田块无人收获作业自动打点系统设计与试验

谷物收获机械无人化作业可有效解决收获季用工短缺问题,全田块自动导航作业是无人收获机智能化的核心。为解决水稻无人收获作业自动打点问题,基于边界线跟踪与地头区域检测实现水稻田块最外圈导航与剩余作业区域自动打点,并提出一种目标区域先验形态辅助的动态感兴趣区域设定方法,改善作物边界线提取可靠性。采用自控小车对所提方法进行验证,试验结果表明,当车辆作业速度为0.8m/s时,水稻未收获区域直线边界跟踪平均误差小于5cm,单帧图像检测时间小于50ms。水稻边界自动打点试验结果表明,所设计自动打点系统打点平均误差为3.5cm,满足直角梯形水稻田块自动打点需求。

基于精细化分区的农地整理田块规划设计研究

研究目的:探讨农地整理田块规划设计的新方向,减少对农田生态系统的干扰,更好的促进农地整理为精确农业发展服务。研究方法:田间调查法,实验分析法,工程设计方法。研究结果:(1)农地整理精细化分区及其田块规划设计,一般应该采用大于1:2000的比例尺作为工作底图;(2)田块精细化分区的要素选择主要有土壤类型、微地貌和田面相对高差、耕作层厚度、有效土层厚度、土壤养分、自然界线和权属界线;(3)不同分区宜采用不同的田块规划方法和平整工程设计模式。研究结论:与传统的田块规划设计模式相比,基于精细化分区的田块规划设计,能够节省挖土方量20%以上,降低对农田生态系统的扰动,提高田块规划设计的适用性,更好的为精确农业发展服务。

毕节市高标准农田建设田块整治效益分析及路径探索

本文对毕节市高标准农田建设田块整治现状和成效进行了分析,对田块整治产生的新增耕地、旱改水等指标效益进行测算,因地制宜、分区分类探索形成了毕节市高标准农田建设田块整治的工作路径,明确了各区域整治重点和标准。

山地丘陵区耕作田块修筑工程设计参数及田块特征——以重庆为例

【目的】在山地丘陵区,耕作田块修筑工程的参数设计对该区域农业机械化、规模化及产业化发展起着决定性作用。但过去的研究主要集中在工程前后田块特征及土壤特性上,缺乏对其最基本工程设计参数的研究。因此,明确山地丘陵区耕作田块修筑工程参数设计的技术要点对该区域耕地资源的可持续发展有着非常重要的实践指导意义。【方法】以重庆山地丘陵区2010—2015年间实施的28个耕作田块修筑工程区为研究对象,通过开展实地调研,对山地丘陵区耕作田块修筑工程设计参数及其对耕作田块特征的影响进行了研究。【结果】(1)选址方法:地形坡度在25°以上的区域为禁止建设区,地形坡度在25°以下的区域为有条件建设区,其中,15°以下的区域为重点建设区。在地形坡度<6°且集中连片面积在3.33 hm^2(50 mu)以上的区域(类型区A)重点布设条田与缓坡地;在扣除类型区A的基础上,地形坡度<15°且集中连片面积在3.33 hm^2(50 mu)以上的过渡区域(类型区B),条田、梯田、梯地及缓坡地均可布设;在扣除类型区A和B的基础上,地形坡度<25°且集中连片面积在3.33 hm^2(50 mu)以上的区域(类型区C)主要布设梯田与梯地。(2)工程设计参数:条田、梯田、梯地及缓坡地的田块长度宜分别设置为50—200、50—200、30—200及50—300 m;田块宽度宜分别设置为30—100、10—30、5—20及50—100 m;条田与梯田的田面坡度均为0°,梯地与缓坡地的田面坡度宜分别小于10°与6°;条田及缓坡地的田坎一般均可采用夯砌土坎,但如果其土壤特性不能够满足工程施工要求时,亦可采用条石或块石为主材进行修筑。而梯田与梯地则可分别采用浆砌条石与干砌条石,但如果区域内条石匮乏,其运输成本较高的情况下,以满足工程稳定性为前提,亦可采用浆砌块石或夯砌土坎。(3)对田块特征的影响:耕作田块修筑工程打破了原有田坎,将原本分散、细小及不规整的田块进行合并与再规划,最终组合形成面积较大的、形状规整的、分布相对集中的耕作田块。耕作田块修筑工程实施后,田块平均规模从0.23 hm^2提升为0.63 hm^2,提升了1.79倍;田块形状指数从18.02降低为10.22,降低了7.80;田块密度从7.09个/hm^2降低为3.35个/hm^2,降低了3.74个/hm^2;田块面积的Moran’s I指数从0.1937提升到0.3501,提升了0.1564。【结论】依据地形坡度与最小耕作田块修筑单元,可将山地丘陵区耕作田块修筑工程建设为条田、梯田、梯地及缓坡地4种类型,能够显著地改善山地丘陵区耕地破碎化现状,有效地促进该区域农业机械化、规模化及产业化发展,其工程设计除依据考虑地形、水文及土壤特性外,更应注重就地取材,降低建造成本。

北京郊区田块尺度土壤质量评价

该研究以北京郊区3个典型田块为研究对象,T1与一山地接壤,T2紧邻京承高速公路,T3位于人为活动密集的村落附近。为了评价该区土壤质量以及初步探讨周边环境对其影响,选取土壤肥力因子pH值、有机质、有效磷、速效钾和硝态氮作为土壤肥力质量的评价指标,采用模糊隶属度函数模型分别对研究区T1、T2和T3进行定量评价;选取重金属Cu,Zn,Cr,Pb,Cd,As,Hg作为土壤环境质量评价指标,采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数相结合的方法进行评价。结果表明,T1、T2和T3土壤肥力质量综合指数分别为:0.494、0.624和0.630,土壤养分含量相对均一。T1、T2和T3土壤环境质量内梅罗指数分别为0.876、0.972和0.903,均处于土壤环境质量第Ⅱ级;各田块尤其是T2田块存在重金属污染的潜在风险。综合两方面的评价结果认为,研究区肥力质量良好,土壤环境质量尚清洁,适合作为设施农产品生产基地。T1田块受山地影响,肥力质量较差;T2田块环境质量最差;人为活动密集的村落对T3土壤质量尚未见影响。

土地整理中田块设计和“3S”技术应用研究

以平阳县土地整理桃源项目区为例 ,运用整数规划原理建立了田块优化设计的数学模型 ,定量分析了田块的规模 ;并设计了基于“3S”

利用MapBasic划分精确农业田块网格方法的研究

精确农业要求对田块进行网格划分和命名 ,以便因地制宜地收集田间状态信息和实施变量投入。使用地理信息系统 (GIS)软件 Map Info Professional 6 .0及其二次开发语言 Map Basic 6 .0 ,以学校的运动场为例 ,对全球定位系统 (GPS)获取的原始卫星数据进行编程处理 ,探索了一种划分并命名田块网格的方法。应用结果表明 ,该方法可使全球定位系统和地理信息系统有机地衔接起来 。

土地整治区田块空间形态变化遥感监测与评价

为了客观监测和评价土地整治项目建设成效,基于高空间分辨率遥感影像,以耕地图斑数据为约束,利用面向对象分类方法识别田块,并构建田块级和区域级田块空间形态评价指标体系,选取田块面积、规整度、紧致性和连片性等4个指标为田块层级评价指标,选取田块密度、平均田块面积、最大田块指数、景观形状指数和周长面积分维数等5个指标为区域层级评价指标,并分别对两个层级指标进行去量纲处理,构建综合指标。分别以广西丘陵区和海南平原区的土地整治区作为试验区,试验结果表明:广西研究区整治前田块层级耕地空间形态综合指标分布在50~70,整治后提升到70~90,海南研究区整治前在70~90,整治后提升到90~100;广西研究区整治前区域层级田块空间形态综合指标值为41,整治后提升到83;海南研究区整治前为63,整治后提升到92。表征经过土地整治,两个研究区的田块形态均得到了较大提升。研究提出的土地整治项目建设成效遥感监测和评价方法,可以为我国土地整治和高标准农田建设的监测和评价提供技术支撑。

小田块变量施肥系统优化设计与应用

针对苏南地区推广变量施肥存在的施肥策略过于精细化导致高密度土壤信息不易获取和普通的施肥机械难以达到播量精度等主要技术障碍,该文建立了一种简单实用的变量施肥方案,在现有机械式播种施肥机基础上进行了自动化改造,构建了一套基于简易电子处方图系统的变量施肥系统;变量施肥作业时,以单个自然田块为处理单元,依托所建立的简单实用的电子处方图系统,实现多种肥料按需配比、同一田块均匀施肥、不同田块变量施肥的功能。为提高播量精度和播量稳定性,对普通精度GPS模块的数据进行了差分和卡尔曼滤波处理,对外槽轮施肥播种器结构进行了优化设计。田间试验结果表明:电子处方图运行结果准确,施肥播种机工作稳定,种子和肥料的最大和平均播量误差分别为3.91%和2.09%,最大和平均动态误差分别为4.52%和1.48%。该研究可为苏南小田块地区推广变量施肥提供技术参考。

田块尺度下农田重金属污染特征及其源汇关系响应解析

农田土壤作为保证粮食安全及人类发展的重要资源,近年来其受到的重金属污染备受关注。文章选取长三角发达地区某田块作为研究对象来分析同源情形下重金属的污染特征及主要影响因素。结果表明:该田块Cd平均质量分数为3.74 mg/kg,超出二级标准值达12.5倍,高值区主要分布在入水口及出水口附近。其余重金属元素(Pb,Cr,As,Co,Cu,Ni,Zn)均未超标。运用地累积指数、Hakanson潜在风险指数、内梅罗综合污染指数等多种污染评价方法均发现,Cd的严重超标导致该田块已达到重金属污染的最高等级。采用相关分析及通径分析方法,揭示了Cd污染的主要影响因素,Cd与土壤理化性质在0.01水平上均不存在显著相关,表明与持续的Cd外源输入相比,土壤对Cd的吸附能力极其有限。距入水口出水口的距离是影响Cd空间差异的最直接因素和决定性因素。减少外源Cd的持续输入及改良灌溉排水设施是解决田块Cd重污染的有效途径。

田块尺度下土壤磷素的空间变异性

采用经典统计学与地统计学相结合的方法,对中国科学院沈阳生态实验站30 m×42 m样地进行网格法分层(0～10和10～20 cm)取样,研究了田块尺度下土壤全P和Olsen-P的空间变异特征.结果表明,49对样本土壤Olsen-P的变异系数(46.56%～56.42%)远高于全P(11.68%～13.33%);全P和Olsen-P具有较好的空间结构且具有较相近的空间相关距离.最佳理论模型的参数显示各变量空间变异主要受结构性因素的影响,各变量半方差变异函数的C/(C0+C)均高于66%.全P和Olsen-P之间及在2个土层之间均具有较相似的空间分布格局.变异系数结合空间格局分析可以大大降低试验取样的数量.

田块尺度下的苏北滩涂新垦农田土壤盐分空间变异性分析

为了消减盐碱障碍和提升地力,研究了苏北典型滩涂新垦农田土壤盐分的空间变异性。结果表明,农田土壤盐分东低西高,整体上属轻度盐渍化(含盐量1.27～1.98g/kg),但存在着盐斑(含盐量大于2g/kg)。表层及次表层土壤含盐量空间自相关程度强烈,其结构方差比分别为88.88%、80.75%;而其余土层含盐量间自相关程度为中等。垂直方向上,土壤盐分主要集中在犁底层(20～40cm)。

基于田块尺度的高标准农田建设空间形态判别研究

鉴于高标准农田工程布局、结构具有自身特殊性以及相较于一般农田具有空间形态上的显著差异,本研究基于农田田块尺度,以《高标准农田建设通则》为评价出发点,从田块规模、田块形态、农田道路、灌排设施和农田防护等方面构建了一套高标准农田建设合规性评价指标体系,利用布尔型赋值方式和短板原理综合评价高标准田块建设的质量和状况,并以吉林省松原市土地整治项目区为例进行试验实证。研究表明:从农田建设规范的内涵出发,构建的评价体系能有效测度不同维度和不同方面的高标准农田建设效果;提出的方法体系可进一步挖掘高标准农田建设工程的短板,为下一步改进工程措施和提高建设的合理性提供依据;试验区契合与不契合高标准农田建设标准的田块分别占总面积的78.2%和11.8%。

变量施肥机在不规则田块的定位方法

在规则田块网格识别算法的基础上,阐述了不规则田块的自动网格识别算法。控制器读取传感器的脉冲信号,计算作业机具的行走距离,由不规则田块自动网格识别算法实现机具的自动网格识别。试验结果表明,随着机具的行走,应用该算法可以实现机具在不规则田块不同网格的自动识别,验证了该算法的可行性。

基于田块尺度的丹江上游坡改梯土壤养分空间变异性研究

通过对丹江上游流域的梯田和坡耕地样地进行网格法分层（0～10和10—20cm）取样，采用经典统计学与地统计学相结合的方法，研究了田块尺度上坡改梯土壤养分的空间变异性特征。结果表明，梯田土壤的养分含量变异系数整体小于坡耕地；全氮、全磷在梯田土壤中均具有强烈的空间相关性，空间变异程度微弱，且主要受结构因素影响。土壤有机碳空间相关性在梯田和坡耕地中均较强，更多受到成土过程影响。Kriging插值绘制的养分含量空间分布图显示出，梯田全氮、有机碳养分受梯田坎梗影响而呈阶梯状分布。梯田全磷养分分布较为连续，显示出相对较好的空间同质性特征。坡耕地田块的养分分布多呈层状和块状分布，养分含量不连续、不稳定，表现出一定的空间异质性特征。

确定田块尺度土壤水力参数不同方法的比较研究

结合不同类型的大田试验数据,分别利用瞬时剖面法、HYDRUS反演方法、直接方法反求土壤水力参数。将所得参数代入HYDRUS正演程序,分别预测试验后期剖面含水率,并与实测值对比。结果表明,瞬时剖面法与HYDRUS反演方法预测结果相近且优于直接方法。在实测范围内,前2种方法所得参数虽略有差异,但预测结果和表征的水力性质基本一致。直接方法由于试验尺度小、对土壤扰动大,结果并不理想。对比求参工作量,2种反演方法小于直接方法。2种反演方法计算成本对比,瞬时剖面法比HYDRUS反演方法更有优势。

田块尺度上的农田土壤Cd污染分布不均匀性

长江三角洲地区存在田块尺度上农田土壤Cd污染分布不均匀的现象。相关土壤环境地球化学调查结果显示,当土壤Cd>1.0 mg.kg^-1时,其田块中土壤Cd分布存在显著空间差异性。在一块面积不足0.13 hm^2的田块内土壤Cd含量最大可相差几十倍,且同时存在轻度、中度、重度污染。长条状田块土壤中Cd污染分布有近似的指数衰减趋势,距离源头最近地段土壤Cd污染最严重。旱地较水田土壤中Cd污染分布更不均匀。Cd污染分布不均匀主要表现在田块的水平方向上,在田块土壤垂直方向上Cd污染主要聚集在表层20 cm以上土层。与Cd相反,Cu、Pb、Zn、As、Cr等重金属在田块土壤中则以相对均匀分布为主。微地貌的差异、人工干扰不均衡等是导致田块土壤Cd污染分布不均匀的主要原因。

基于电磁感应的南疆典型田块土壤盐分空间异质性研究

为研究南疆典型田块土壤盐分空间异质性,基于电磁感应调查获取表观电导率并解译土壤盐分信息,分别以5m和15m间隔进行网格布点调查研究田块土壤盐分空间变异的尺度效应。研究表明,土壤表层盐分含量与表观电导率之间具有显著线性相关性(r2=0.870),基于电磁感应解译土壤盐分含量具有较高的精度;块金效应、分维数以及Moran’sI指数均表明,田块小尺度土壤盐分空间变异受随机因素影响较大,过大尺度往往忽略小尺度空间变异特征,套合结构半方差函数兼顾小尺度效应,能更好地反映空间变异详细情况,田块两侧的灌排渠使盐分分布呈现明显的趋势效应;详细准确地了解土壤盐分空间分布对于指导农业生产,促进精准农业的发展具有重要意义。