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。

基于WebGIS的农业科技成果价值评估系统研究

为了促进农业科技成果交易,加快农业科技成果转化,将WebGIS技术与综合模糊评价模型相结合,设计并开发了基于WebGIS的农业科技成果价值评估系统。系统实现了农业科技成果时空数据的存储与管理、农业科技成果价值评估、价值评估结果时空特征分析以及结果的可视化,为农业科技成果管理部门提供了一个集数据管理与时空分析为一体的工具。研究构建了价值评估三级指标体系,综合考虑技术、效益和市场三方面因素对农业科技成果进行综合价值评估,能够为农业科技成果的转化交易提供参考。

农业信息成像感知与深度学习应用研究进展

农业信息感知与准确的数据分析是智慧农业定量决策与管理服务的基础。现代农业中彩色、可见光近红外光谱、3D与热红外等多源和多维度的成像感知手段提供了丰富的数据源,传统研究中围绕颜色、形态、纹理、反射光谱等特征展开分析,由于样本量和特征抽象层级的局限性,对复杂背景变化及未知样本检测时,还存在噪声抑制鲁棒性不足、识别与检测模型精度不高等问题。深度学习(Deep learning,DL)是机器学习的分支之一,结合神经网络通过组合底层特征形成抽象的高层表示属性类别或特征,以发现数据的分布式特征与属性,在图像目标识别与检测中其模型检测精度与泛化能力比传统方法均有所提升。因而,DL技术在农业信息检测中的应用日益增多。为了深入分析应用DL技术驱动智慧农业继续发展的潜力和方向,本文从农业信息成像感知的数据源与DL技术应用相结合的角度出发,分别以植物识别与检测、病虫害诊断与识别、遥感区域分类与监测、果实在体检测与产品分级、动物识别与姿态检测5个研究方向总结概括DL在农业信息检测中最新的应用研究成果,展望需要加强的方面,以提升对应用DL开展农业信息检测过程的理解,促进农业信息感知技术的发展。

基于改进粒子群优化模糊控制的农业车辆导航系统

以采用机器视觉导航的农业车辆为研究对象,提出了一种基于改进粒子群优化自适应模糊控制的农机导航控制方法。建立了车辆2自由度转向模型和视觉预瞄模型,对车辆横向控制进行状态描述。对粒子群算法进行了改进,提高了粒子群算法的收敛速度,降低了算法计算时间。构建了自适应模糊控制器,在模糊控制器中引入加权因子,以横向偏差和航向偏差时间误差绝对值积分(ITAE)之和作为系统目标函数,通过粒子群算法计算得到最优加权因子,进而调整控制规则实现导航车辆的自适应控制。仿真和导航试验结果表明,提出的控制方法可以迅速消除横向误差,具有超调量小、响应速度快等特点,既保留了模糊控制算法的优点,又提高了系统控制品质。在相同参数条件下,与常规模糊控制相比,改进模糊控制算法导航精度显著提高。当车速为0.8/s时,直线路径跟踪最大横向偏差不超过4.2 cm,曲线路径跟踪最大横向偏差不超过5.9 cm,能够较好地满足农业车辆导航作业要求。

基于CAN总线的农业车辆自动导航控制系统

以ISO 11783协议作为系统数据通信的标准,开发了基于CAN总线的农业车辆自动导航控制系统,该系统包括控制终端、GPS节点、电子罗盘节点、角度传感器节点及转向控制节点,其中控制节点采用比例参数可调节的自适应PID控制算法实现车辆的转向控制。通信测试结果表明,该系统能够实时可靠地采集多个传感器信息和传输控制指令。车辆导航实验结果表明,转向控制方法能够以较快的速度跟踪目标值,具有良好的控制效果。

农业机械导航系统综合评价方法

提出了农业机械导航系统多指标评价模型,将导航成本、精度、适应能力、稳定性和计算复杂性作为评价指标,采用层次分析法和信息熵相结合的方法确定各指标权值,具有兼顾主观和客观赋权的优点。建立了神经网络并训练模型形成评价系统。通过数据分析表明,该综合评价方法克服了人为因素的影响,评价系统使用简单方便。

基于电化学和虚拟仪器的土壤重金属检测系统研究

采用超声波辅助提取法对土壤样本进行快速前处理,以铋膜修饰丝网印刷电极作为传感器,结合差分脉冲阳极溶出伏安法对土壤浸提液中的铅和镉进行精确测量。检测仪器以Lab View平台软件为工作核心,结合MSP430单片机、恒电位电路、I/V转换电路、电磁阀和蠕动泵等硬件设备实现了对土壤浸提液的自动进样、电化学分析以及排液清洗等铅和镉的操作。针对实际土壤样本测量时可能产生的误差,分别采用了概率统计算法以及多次标准添加法加以消除。系统检测限分别达到2.6μg/L和1.8μg/L。对不同地区采集到的多个土壤样本进行分析,结果表明该系统具有检测精度高、重现性好、速度快、功耗低等优点,适合对农田土壤重金属进行快速检测和评估。

基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验

农田土地精细平整是中国现代地面精细灌溉的重要基础,能提高农田灌溉均匀度,改良土壤水盐分布,控制杂草,达到节水增产的效果。应用GNSS(global navigation satellite system,全球导航卫星系统)技术进行土地精细平整具有不受天气影响、测量速度快、工作效率高等优点,具有广泛应用前景。该文结合中国土地平整的实际情况和前期的研究成果,开发了适合国内应用的GNSS控制平地系统,降低了研发的设备成本,优化完善了平地系统的功能。为减少分立设备数量,提高系统集成度,设计了集成控制终端,集成GNSS接收模块、差分电台模块、核心处理平台和阀控制模块,并设计了集成控制终端的外壳,通过可旋转调整支架固定在拖拉机驾驶室内,具有良好的防尘、降温和牢固等优点;为完善地形测量功能,增加了测量轨迹的实时显示,以及农田面积等地势信息的计算,便于指导后续平整作业;优化了基准设计,建立了坡面平整的数学模型,实现了任意坡度坡面平整。优化后的系统主要由集成控制终端、自主差分GNSS接收设备、液压系统以及平地铲运设备几部分构成;以Visual Studio2008为系统软件开发环境,GNSS精细平整集成软件能够实现农田地势测量、基准设计及平整作业等功能。该智能平地系统在中国农业大学上庄试验站进行了长时间平整实验,平面平整后最大高程差从20.9降到10.5 cm,高程标准差从10.6降到5.5 cm,平地误差小于5 cm的测点累积百分比从77%上升到90%左右,平整效果良好。坡面平整的坡度从0.239%降到0.120%,符合设计要求。结果表明,系统工作稳定可靠,作业精度满足土地精细平整要求,适用于在中国推广应用。

基于机器视觉的农业植保技术研究进展

综述国内外机器视觉技术在农业植保领域的应用进展,分析机器视觉技术在农作物病虫害自动识别与诊断的应用前景,指出目前尚需解决的难点和研究方向。

日光温室光照强度测量系统研究

光照是影响作物生长与蒸腾的重要因素之一,实时监测并根据光照强度来指导灌溉不仅能促进作物生长还能起到节水节能的作用。设计了一种低成本、简单、实用的光照监测系统,使用硅光电池作为光敏测量元件,PIC16F876A单片机作为中央处理器,采用最小二乘法建立硅光电池输出电压和光照强度之间的模型,并通过试验进行系统性能验证。试验结果表明,系统在晴天、雨天、阴天和天气变化时的相对误差分别为:1.19%、7.19%、1.57%和6.15%,平均相对误差均低于10%。系统准确度随光照强度的增大而增大,在光照强度高于15 000 lx时系统测量值更准确,平均相对误差仅为1.41%,测量分辨率为0.1 lx。系统重复性误差小于0.63%,具有较好稳定性。

基于.NET的农业生产环境信息监测系统

针对农业生产环境信息化管理的需求,在Microsoft.NET平台上结合C#语言和ASP.NET技术,构建了基于.NET的农业生产环境信息监测系统。采用B/S体系结构模型,设计了系统功能与数据库,着重解析了诸如.NET组件设计、ADO.NET数据访问、Ajax动态更新页面、多媒体嵌入以及系统安全等几个关键技术。该系统通过试验分析与示范验证,具有较好的实用性、安全性和可维护性,有效实现了农业生产过程中多元环境信息的实时监测和远程共享,为农业生产管理提供了及时准确的科学依据。

农业机械导航技术研究进展

农业机械自动导航技术是实施精细农业的基础,可有效减轻农机操作人员的劳动强度,提高作业精度与作业效率。经典的农机自动导航关键技术包括定位测姿、路径规划和运动控制,针对这3项关键技术,分别阐述了基于全球导航卫星系统、惯性导航系统、机器视觉导航系统及多传感器信息融合的农机定位测姿方法,总结归纳了农机自动导航系统中的全局路径与局部路径规划算法,以及农机的运动学模型、导航决策控制方法、转向制动控制系统。随着信息技术的发展,农机智能导航技术受到越来越多的关注,保证作业安全与提高作业效率成为农机智能导航不同于传统自动导航的关键技术。以激光雷达和RGB相机为例综述了农机自主避障技术,并从协同导航模式、通信技术、协同控制、远程监控平台等角度阐明了多农机协同作业的关键技术。最后,结合无人农场和智慧农业对农机智能导航技术未来的发展方向进行了展望。

基于智能手机的农业专家咨询系统设计

针对现有农业专家系统搭载平台多为PC机,便携性差、现场处理能力弱,无法充分利用现有网络实现远程服务,不利于在农业基层的普及等问题,提出了基于智能手机的农业专家咨询系统的设计方法。系统将移动通信技术、智能手机技术和专家系统技术相结合应用于农业生产管理过程中,可以在农业生产现场进行作物生长状态及病虫害情况的判断及推理。系统的结构采取模块化方式处理,只需更换相应的知识及数据库文件即可实现不同作物的分类处理,针对当前无法解决的问题,可以通过GSM网络传输给后台专家系统,并能及时接受反馈信息。结果表明,该系统可以促进农业专家决策系统的应用普及,加快知识向产业的转化。

鱼病诊断专家系统中知识表示的研究

根据建造鱼病诊断专家系统的要求,论文提出了系统的鱼病知识表示策略:首先将鱼病诊断知识抽象为概念化、形式化模型,然后将概念化、形式化模型转化为基于关系数据库的鱼病知识表示模型,该策略对构造鱼病诊断专家系统具有重要的理论与实践指导意义。

基于树莓派的农田表土层土壤容重检测系统研究

设计了一种基于树莓派的表层土壤容重检测系统,利用易于获取的土壤表面图像特征对表层土壤容重进行预测。提取图像的Tamura纹理特征以及图像的分形维数特征。经过验证,Tamura纹理特征中的粗糙度、对比度、方向度以及图像分形维数特征与土壤容重的相关性较高,相关系数分别为-0.754、-0.799、-0.806、-0.849,因而选用这4个参数作为预测模型输入。分别采用SVM回归模型和GRNN回归模型以及基于SVM、GRNN的Bagging集成模型对土壤容重进行预测。基于SVM、GRNN的Bagging集成模型预测结果同环刀法得到的结果进行相关性分析,决定系数R^(2)达到0.8641,预测结果的平均绝对误差(MAE)达到了0.0316 g/cm^(3),相对单一SVM回归模型和单一GRNN回归模型具有更好的预测结果。基于树莓派的农田表土层土壤容重检测系统的田间实时测量结果显示测量的平均绝对误差(MAE)为0.0412 g/cm^(3),满足了田间精准、快速检测的要求。

基于数字示波器的车载式土壤电导率检测系统研究

在电流电压四端法原理基础上,采用信号发生器替代恒流源作为激励源来提供振幅更大、稳定性更高的正弦信号,以数字示波器替代电压源进行反馈信号检测从而解决电压有效值转换和AD转换频率较慢的问题,改进设计开发了一款基于数字示波器的土壤电导率检测系统。农田现场车载式测量实验分为稳定性检测和定点测量两部分。稳定性实验测试下该检测系统能够稳定读取相关数据。农田定点测量实验结合土壤样本采集和实验室实验,得出每个定点测量点土壤电导率测量值和土壤电导率实验室真值(R2=0.7531)。根据实验中拖拉机牵引犁盘抖动导致电极与待测土壤之间形成的两种测量接触面的情况,分析并消除了实验中拖拉机抖动现象对数据结果的影响后,土壤电导率实测数据与实验数据之间的决定系数R2提高到0.8552~0.9066,表明设备能够在排除测量方式等外界因素影响下,测量精度达到较高水平。实验数据对比结果显示,基于数字示波器的车载式土壤电导率仪能够在农田现场进行稳定测量,并且具有较好的性能和准确度。

蚁群神经网络在鱼病专家系统中的应用研究

BP算法在神经网络中应用较为广泛,但有收敛速度慢、易于陷入局部极小的缺点;而蚁群算法是一种新型的模拟进化算法,有正反馈、分布式计算、全局收敛、启发式学习等特点。将蚁群算法和神经网络结合起来,应用于鱼病专家系统的知识获取和诊断推理中,可以提高运算效率,具有很好的应用前景。

基于模糊补偿的离散全局滑模控制自动导航系统研究

阐述了一种基于模糊补偿的离散全局滑模导航控制方法。为了提高农用车辆自动导航的精度和稳定性,引入滑模变结构控制方法,并对其进行了改进。为了降低系统的抖振,采用模糊规则,对补偿控制量进行有效的估计,以消除不确定项的影响。仿真实验表明:该方法优于传统的离散的滑模控制,在理论上是可行的。

基于智能手机的分布协同式农业专家咨询决策系统设计

农业专家咨询决策系统是发展精确农业、现代农业的一项重要技术,当前我国农业专家决策系统多为静态知识库,无法动态更新;系统普适性偏低,一个决策系统只针对一种作物;便携性较差,很难应用于农村基层。针对这些问题,采用智能手机作为搭载平台,与后台计算机一起构建分布式、协同式农业专家决策系统,实现了专家决策系统的便携性、普适性、动态更新,使农业专家决策系统能够真正应用到农业生产一线,具有较高的使用价值。