天空地一体化信息感知与融合技术发展现状与趋势

基于卫星遥感、无人机遥感、智能感知终端及物联组网的新型农情监测技术在各自领域内取得了重大进展,然而单一监测手段难以满足现代农业的全面感知需求,亟须发展多源、多尺度天空地协同监测与智能感知体系。本研究首先介绍了我国现代农业发展中的一些问题并指出了发展天空地信息融合技术的必要性;然后对天、空、地传统感知信息技术分别解析,对卫星遥感技术在各个领域的应用进行归纳,再对近地端无人机遥感技术在病虫害检测、表型分析、干旱胁迫检测等细分领域中的数据获取处理方式进行总结,最后概述了地面网络中智能感知终端和物联网络的关键技术与组网方式,并详细分析天、空、地传统感知信息技术的优缺点、关键技术、发展趋势。结合现有监测技术存在的不足,概述了国内外天、空、地感知技术在农情一体化监测中的最新研究成果与应用情况,在此基础上,指出了天空地一体化农业信息融合技术研究与应用中尚未解决的关键技术问题,提出了我国天空地信息感知与融合技术要朝着稳定性、精细化、系统化方向发展,为今后多源信息融合监测技术发展与应用提供新视角新思路。本研究为分析天、空、地信息感知热点动态,突破相关应用瓶颈,以及把握一体化感知与融合技术发展趋势提供了借鉴和参考,以期助力中国农情信息获取立体化、精准化和智能化发展。

耦合环辅助多模光纤受激布里渊散射阈值分析

为了降低模间串扰,提出了一种耦合环辅助多模光纤结构,通过仿真软件对其结构进行建模,并建立了其受激布里渊散射增益谱的数学模型;理论分析了耦合环辅助多模光纤的受激布里渊散射阈值以及光纤参量和模式对受激布里渊散射光谱阈值的影响,并通过了仿真实验验证。结果表明,耦合环辅助多模光纤增大关键模式有效折射率差值为原来的1.75倍,可有效抑制模间串扰;受激布里渊散射光谱阈值跟随光纤长度的增加,从急剧下降变至缓慢,最终在18 km处趋于定值30 dBm;在其它条件不变的情况下,阈值随着衰减系数、纤芯的有效截面积和光纤模式阶数的增加呈线性关系增加,随着纤芯半径的增加呈指数形式增长。该研究为提升光纤通信系统的传输距离和信道容量提供了理论参考。

农业物联网技术现状与发展趋势

农业物联网技术是推动现代农业智能化发展的新兴技术,已广泛应用于农业生产的各个环节。随着新型感知技术、信息传输技术、人工智能、区块链等信息技术的快速发展,我国农业物联网应用面临新的机遇。光谱及光谱成像、机器视觉等新型传感技术,为实现快速实时无损感知提供了新思路。以5G为代表的新型通信技术,结合多源信息融合、人工智能、区块链、边缘计算等信息处理技术,使信息的传输与处理更加快速和安全可靠。本文从农业物联网的感知、传输、处理和应用4个核心层面,对农业物联网技术展开了较深入的分析,并结合新型信息技术体系,探索农业物联网的未来发展趋势,以期为我国未来农业物联网技术的创新和产业发展提供一些启示。

植物叶面积无损测量方法及仪器开发

为了快速、无损、准确地测量植物叶面积,设计了一种利用多晶硅光电感应板与平板均匀发光光源照射系统构成的叶面积测量装置。通过试验,建立了植物叶片叶面积与光源光强、光源对叶片透射率、环境温度、光电感应板的光电感应电压值间的BP神经网络关系。结果表明:该仪器可测量不同形状、厚度、软硬程度、叶片大小的植物叶片面积,模型预测值与实际值决定系数R2为0.98,测量精度为94.8%,为叶片叶面积测量提供了一种新的测量方法和装置。

基于光谱技术的水稻叶片氮素测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的水稻叶片SPAD值和氮素测定仪。该测定仪主要包括光路部分、调理电路和控制与数据采集器等。光路部分包括光源、检测点以及光电传感器等元器件,主要作用是:控制光源的亮灭、收集透过叶片光线、将光信号转换为电信号;调理电路主要将所得微弱电信号进行电流电压转换以及放大到合适的幅度;控制与数据采集器包括AD转换电路,液晶显示电路和SD卡存储电路。对该测定仪的性能进行了测试,试验分为两步:先建立AD采样电压信号与SPAD值之间的模型,然后建立SPAD值与氮素之间的模型。经过大量的试验测得:传感器转换的电压信号与SPAD值之间存在很高的相关性(R2=0.956),SPAD值与氮含量建立的模型的决定系数为R2=0.802,结合以上两种模型得到该仪器的氮素模型的决定系数为R2=0.766。该仪器适合用于田间水稻叶片氮素含量的快速测量。

农业物联网技术及其应用推广

要发展智慧农业,实现高产、优质、安全地可持续发展,必须借助科学的手段,充分利用信息化与智能化管理技术建立农业生产、加工和流通的规范化管理体系。该文以农业物联网技术为基础,分别介绍了农业物联网在车载式监控系统、基于CFD冷链车厢温度监控现代物流、设施农业、果园种植业和水产养殖方面的相关应用推广。应用效果表明:物联网技术可有效降低农业生产资源的消耗,并能够有效降低和合理应用水、肥和药。农业物联网技术对精细农业和智慧农业的实现具有重要的指导意义、显著的生态效益与经济效益及很大的应用推广价值。

单星InSAR系统基线模型的误差传播与精度反演

基于由光学手段测得的单颗干涉合成孔径雷达卫星的支撑臂矢量,通过转换关系建立空间基线模型。综合考虑基线模型在安装、测量和卫星在轨飞行等各环节的误差源,包含卫星姿态误差、外部副天线姿态误差、安装位置地面标定残差、卫星与天线在轨变形量、测量系统轴向标定残差以及硬件设备的测量误差等。分析各自的误差特性,给出多种因素误差源对于空间基线的误差传播机理,推导传播过程中的误差演化特性;基于理论推演的结果给出测量设备合作目标的最优安装位置。从逆问题的角度给出基线长度精度反演策略的实例,该思路可用于辅助基线测量方案、安装方案与处理算法的设计等。

单航过单平台InSAR基线模型的敏感性分析

从单航过单平台InSAR系统对其自身基线的高精度需求出发,给出了光学测量方案下的基线模型,并针对模型中的各因素及其误差来源,进行了模型的敏感性分析,阐明了测量元素与位置修正矢量的基线矢量的误差传递关系,然后根据误差传递关系找出测量系统的优化安装部位。通过解析推导得出各类误差源在不同条件下对基线精度影响的理论结果,由仿真分析给出了不同安装部位的误差传递系数。通过敏感性分析可由测量环境的输入条件直接获得基线的误差量级,其结果可作为指导测量系统方案设计与精度分配的参考依据。

牛奶中三聚氰胺的可见/近红外光谱快速判别分析方法的研究

为探讨基于可见-近红外光谱技术快速检测牛奶中是否含有三聚氰胺的可行性。文章通过往液态奶中添加不同含量的三聚氰胺,共制备样本160个。利用Handheld Field Spec光谱仪获取样本光谱,其后采用不同的预处理方法对光谱数据进行预处理,然后分别建立数学模型,比较模型的好坏,得到采用移动平均平滑作为数据的预处理方法较好。从160个样本中随机的取出120个样本建模,剩下的40个样本作为独立的验证集。采用偏最小二乘回归法(PLS)和最小二乘支持向量机法(LS-SVM)方法分别建立判别分析模型,利用独立的验证集对判别模型进行了预测验证。预测结果的预测相关系数(R2)分别为0.9174(PLS)和0.9109(LS-SVM),预测标准误差(RMSEP)分别为0.0304(PLS)和0.0467(LS-SVM)。研究结果表明近红外反射光谱可以作为一种快速检测牛奶中三聚氰胺的方法。

农业物联网与传感仪器研究进展

农业物联网系统包括感知、传输和应用3个层次。传感仪器是感知层的核心,包括利用传感、遥感等先进技术手段获取作物、土壤、环境等农业多维信息;传输层包括Zigbee、GPRS、WIFI、蓝牙等无线传输方式和网络技术结合形成无线传输网络;应用层包括多维信息融合、智能决策、自动控制等农业智能化管理。对农业物联网的3个层次分别展开了系统分析,提出了农业物联网研究方向,展望了农业物联网系统在现代农业中的发展趋势。

植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一,优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分,因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势,具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件,主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类,良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性,提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合,提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段,包括雾滴收集方法,雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后,针对目前无人机施药缺乏专业的指导,农药喷施效果有待提升的现状,该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果,并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路,从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。

基于可见-近红外光谱技术的蜜源快速识别方法

蜂蜜蜜源决定了蜂蜜的药用价值。为了实现快速无损识别蜂蜜蜜源,提出了基于可见-近红外光谱技术结合机器学习的方法来实现蜂蜜蜜源的快速无损识别。该研究采集来自4个蜜源共232份蜂蜜样本光谱数据,随机选取其中212个样本用来构建分类器,剩余20个样本进行分类器泛化学习能力的检验评估。光谱数据预处理采用基线校正,数据标准化和平滑消除干扰和噪声。基于一对多分类规则,采用主成分分析结合贝叶斯线性判别构造线性多分类器,并就分类效果和泛化学习能力与前向神经网络器构成的非线性分类器进行比较。结果表明:基于主成分分析结合贝叶斯线性判别构造的多分类器分类正确率为91.95%,前向神经网络的分类正确率为100%。该研究也表明应用可见-近红外技术对蜂蜜蜜源进行快速分类是可行的。

切趾函数光纤布拉格光栅的光谱特性研究

均匀光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的反射谱存在旁瓣干扰,对波长解调过程会产生一定干扰,从而对传感测量结果造成一定误差。在FBG中引入切趾函数能够解决这一问题,有效抑制旁瓣。通过对切趾函数FBG耦合模理论的分析,获得了光栅参数变化对切趾FBG反射谱的作用情况。仿真实验结果表明,加入切趾函数会对FBG反射谱的旁瓣数量及大小起到明显抑制作用,反射率、中心波长、半高宽度及检测精度等反射谱特性的变化情况会受到光栅参数的影响。

性能非对称多核处理器上的自适应调度

现有的性能非对称多核调度算法要么不能充分利用其体系结构而吞吐量低,要么能充分利用其体系结构但扩展性差.有些算法即使考虑了扩展性,但也局限于CPU核数目,没有考虑到任务数方面的扩展性.为了解决这些问题,作者提出了一个自适应调度算法(称为AS4AMS).在任务的每一次调度中,AS4AMS首先通过分析任务运行时的平均停驻时间得出任务的计算需求,然后根据这些需求以及各CPU核的负载情况将任务分配到合适的CPU核上运行.另外,该算法任务结束前,会不断重复上述过程以适应任务需求的不断变化.实验结果表明:与现有方法相比,所提出的方法扩展性更好并且吞吐量也更大.

编队卫星InSAR空间基线修正的建模与精度分析

星载GPS接收机相对定位获得的编队星间基线,与用于星载InSAR测高的基线并不相同。给出了从GPS测量基线到InSAR测高基线的关联建模,包括天线相位中心与几何中心的偏差修正、GPS接收机到SAR天线的安装部位修正以及基线矢量的坐标系转换等环节。推导了基线的修正和转换公式,并进行了相应的精度分析。对于极限基线之内的宽编队,相位中心变化造成的基线差别在亚毫米量级,一些时刻达到与测高基线精度指标相当的厘米量级,必须加以修正;在编队中由于三轴稳定卫星之间的相对姿态数值通常较小,坐标系转换误差引起的基线修正误差在亚毫米量级。

基于三维线框模型的类球体农产品体积和表面积测量

为了快速无损测量不规则类球体形状农产品的体积和表面积,提出了基于三维线框模型的图像处理方法。即以Android系统为工作平台,利用Java结合OpenCV函数库,以三维线框模型为理论指导编写包括图像采集、图像分割、体积和表面积计算的应用软件。用3种不同直径的标准球体在6个拍摄距离下进行测量,所获测量值与理论值的误差小于0.3%,表明摄像头自身畸变小,在图像能完整呈现被测物的拍摄距离,被测物轮廓的大小对测量精度的影响在可接受的误差范围之内。用所提方法、排水法和扫描图像处理法对不规则形状的柑橘、苹果、梨各10组进行体积和表面积测量,结果显示3种测量方法的相关系数大于0.98,表明该方法可较精确测量类球体农产品的体积和表面积。

基于机器视觉技术的尖椒冠层SPAD值测定仪的开发

为了快速准确地测量尖椒的冠层植被指数值,该文在理论分析的基础之上,开发了一套基于机器视觉技术的用于测量尖椒冠层SPAD(soil and plant analyzer development,SPAD)值的仪器。该仪器利用步进电机控制载有绿波段和近红外波段两片滤光片的转台,实现滤光片在CCD相机镜头前的切换,从而得到冠层的绿色波段图像和近红外波段图像。制作了近红外反射率在尖椒冠层和土壤背景之间的参照板,并以其为阈值结合冠层的近红外图像来分离尖椒冠层和土壤背景。通过建立图像灰度值和反射率之间的动态模型,计算作物冠层在相应波段的反射率,得到冠层植被指数,将作物冠层的SPAD值作为对比进行分析。经过试验建立该仪器测得的冠层植被指数GNDVI(green normalized difference vegetation index,GNDVI)值和冠层实际SPAD值之间的模型,结果表明两者之间具有较高的相关性,决定系数R2=0.8768。表明该仪器适用于尖椒冠层SPAD值的测定。

卫星导航的相对精度衰减因子单调性分析

相对精度衰减因子(RDOP)是衡量全球卫星导航系统相对定位性能的几何强度指标。简要给出了两种类型RDOP的描述,并分别给出了单调性证明。相对于同一参考卫星或是不同参考卫星进行双差观测,均有其RDOP随着可见导航卫星数目增加而单调递减的性质。结合编队卫星的星间相对定位背景,仿真计算了全球卫星导航系统的RDOP,给出了某时刻每颗可见卫星对RDOP的贡献,证实了RDOP的单调性;而卫星数目增加到一定程度时,RDOP的降低已不明显,因此应综合考虑可见卫星的数目和相对定位的精度需求等方面因素进行选星。

我国战略性新兴产业的竞争力与经济贡献度——以光伏产业为例

以光伏产业为例,从全球价值链、市场结构、国民经济贡献度与地区分布四个方面,刻画了中国战略性新兴产业的竞争力与经济贡献度。分析表明:在全球能源匮乏的背景下,包括光伏产业在内的战略性新兴产业应抓住全球新一轮经济科技竞争的机遇,以掌握关键核心技术及相关知识产权为目标,挤入高附加值生产环节,从而实现快速发展。其中,产业政策的重心是加强顶层设计,同时积极构建以企业为主体的战略性新兴产业自主创新机制。

基于样条模型的高精度星间相对定位与定姿

针对分布式小卫星编队的星间相对定位与定姿的高精度要求,提出了基于样条模型的星间相对定位与定姿的新方法。新方法将一段连续时间内的卫星状态参数用样条参数模型表示,将直接估计状态参数转化为样条参数,减少了待估参数的个数,实现了多时刻状态联解,提高了姿态参数对距离变化的敏感性,结构更加稳定。仿真结果表明,相对定位精度由5mm提高到2mm,相对定姿精度由0.0004弧度提高到0.00003弧度,并解决了估计不稳定现象。