智慧农业(中英文)

植保无人机施药数值建模关键技术与验证方法研究进展 | Open Access

唐青, 张瑞瑞, 陈立平, 李龙龙, 徐刚

2021, 3(3): 1-21. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202107-SA004

摘要 ( 820 )

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随着植保无人机在精细农业上的应用日益增长，目前在植保无人机下洗风场演化及其作用下的雾滴沉积飘移过程的数值模拟方法取得了快速多样化发展，但对各方法的优势、缺陷、适用范围及验证手段仍缺乏系统的梳理。本文针对无粘模型、计算流体力学模型及格子玻尔兹曼模型分别开展论述。基于涡元法的无粘尾涡模型优势在于计算过程简单，但由于缺乏粘性和湍流模型，其雾滴沉积飘移模拟精度较低。计算流体力学模型又分为有限体积法与有限差分法。其中，有限体积法鲁棒性高，可适用于各种复杂环境的模拟，但格式精度有限，其模拟的翼尖涡耗散速度远快于实际情况；有限差分法能够实现对翼尖涡演化的高时空精度模拟，但其存在网格结构化要求高，算力要求过大等问题。格子玻尔兹曼方法在计算具有复杂边界条件和非平稳运动物体的三维流场问题中具备优势，但其在功能多样性和完备性上还存在不足。上述数值模型精度还需综合运用田间实验及室内实验，如高速粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）或相位多普勒测速（Phase Doppler Interferometry，PDI）方法进行验证和优化。最后，本文提出了未来植保无人机施药模拟及验证方法发展方向。

无人机农林业应用全球研究态势分析 | Open Access

陈梅香, 张瑞瑞, 陈立平, 唐青, 夏浪

2021, 3(3): 22-37. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202107-SA006

摘要 ( 877 )

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无人机具有作业效率高、地形适应性好等独特优势，近年在农林业中应用范围不断扩大，相关研究成果数量呈快速上升式发展。为掌握无人机农林应用全球研究态势，本研究采集2011—2020年期间Web of Science 核心合集数据库中无人机农林应用全球研究相关文献数据，利用VOSviewer等统计软件对文献进行科学计量分析。分析结果表明，自2017年开始，无人机农林业应用研究发文数量快速增加，全球已有94个国家/地区、1778个机构开展了研究；发文量排名前三位的国家依次是美国、中国和澳大利亚，表明这三个国家从事无人机农林业应用的科研实力强，学术影响力大；共有398种期刊发表了有关无人机农林业应用研究文章，约占全部收录期刊的1.90%，说明更多的期刊开始关注无人机农林业应用研究；发文最多的期刊是由MDPI主办的Remote Sensing；被引次数最多的文章内容主要是关注无人机系统在摄影测量和遥感上的传感、导航、定位和通用数据处理等的研究现状。此外，对无人机农林业应用研究热点进行分析发现，无人机施药、无人机病虫害遥感、植物表型获取是无人机农林业应用的主要研究热点。本研究可为无人机在农林业上的创新研究、科研团队之间的合作提供参考。

冬小麦田植保无人飞机喷施除草剂雾滴粒径及沉积飘移分布特性评估 | Open Access

王国宾, 韩鑫, 宋灿灿, 伊丽丽, 鲁文霞, 兰玉彬

2021, 3(3): 38-51. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202107-SA005

摘要 ( 767 )

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随着植保无人飞机作业面积的增加，雾滴飘移风险也日益凸显，尤其以除草剂飘移风险危害最高。为明确除草剂溶液对雾滴粒径的影响及植保无人飞机喷施除草剂雾滴沉积飘移分布特性，本研究通过室内雾化室测定了植保无人飞机安装的离心转盘雾化喷头喷洒清水及常用的15种麦田除草剂溶液的雾滴粒径分布，并通过田间试验在药箱中添加荧光示踪剂（60 g/hm²）测定喷施作业区和飘移区的雾滴沉积量分布。室内测定结果表明，与清水相比，除草剂溶液对雾滴粒径影响显著。除唑草酮水分散粒剂外，其余溶液经离心转盘雾化喷头喷洒后，雾滴体积中径较清水均有所降低，且最大降低22.0%；小雾滴（V<150 μm）比例均有所增加，最大增加50.8%。田间飘移试验表明，植保无人飞机喷洒150 μm雾滴，在环境侧风风速为3.76 m/s时，作业区的雾滴沉积覆盖度和雾滴沉积密度仅为风速0.74 m/s时的41.3%和42.2%，且均匀性显著降低。在飘移区下风向12 m位置，雾滴沉积量为作业区的10%以下；下风向50 m处，雾滴沉积量低于检测限（0.0002 μL/cm²）。飘移比率随风速的增加而增加，当风速达到3.76 m/s时，雾滴飘移比率达到46.4%。不同侧风风速下，90%的累积飘移位置在4.8~22.4 m。对飘移区沉积量与飘移距离、侧风风速拟合，结果表明下风向沉积量与风速呈正比。本研究为植保无人飞机冬麦田不同风速作业下的雾滴飘移距离提供数据支持，为喷雾飘移缓冲带、飘移风险评估提供依据。

植保无人机飞防助剂与杀虫剂的混配方式对二化螟防治效果影响研究 | Open Access

资乐, 臧禹, 黄俊浩, 包瑞峰, 周志艳, 肖汉祥

2021, 3(3): 52-59. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202105-SA007

摘要 ( 589 )

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为探究飞防助剂类型与杀虫剂的混配方式对水稻二化螟防治效果的影响，本研究以杀虫剂（10%甲维?茚虫威SC、5%氯虫苯甲酰胺SC和0.8%鱼藤酮SC）、飞防助剂（有机硅助剂、矿物油助剂和卵磷脂助剂）、施药液量（21、24和27 L/hm²）为因素设计了3因素3水平的L₉（3⁴）正交试验，通过方差分析（ANOVA）方法对各因素的显著性水平进行了分析。结果表明，在本研究的试验条件下，施药后第14天，杀虫剂对水稻二化螟防治效果有显著性影响（P<0.05），飞防助剂对水稻二化螟防效有极显著影响（P<0.01）；在设定的施药液量范围内（21~27 L/hm²），施药液量对水稻二化螟防效无显著性影响。混配方式7（0.8%鱼藤酮SC、有机硅助剂和27 L/hm²施药液量）具有较好的速效性与持效性，施药后第14天的防效达81.45%；混配方式4（5%氯虫苯甲酰胺SC、有机硅助剂和24 L/hm²施药液量）持效性显著，施药后第14天的防效为79.30%。本研究成果可为防治水稻二化螟的药液混配方式提供参考。

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验 | Open Access

范道全, 张美娜, 潘健, 吕晓兰

2021, 3(3): 60-69. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202107-SA007

摘要 ( 558 )

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变量喷雾技术是提高农药利用率、节省农药用量的重要手段之一。为达到果园施药减量增效的效果，本研究开发了一种变量喷雾控制系统，提出了叶面积密度参数与执行机构脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比的计算方法。该系统上位机基于激光LiDAR传感器探测的点云密度表征叶面积密度作为施药参数，并根据喷药处方计算各喷头对应电磁阀的PWM占空比，通过RS485通讯实时发送施药处方到下位机的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），下位机PLC根据接收的PWM占空比控制对应电磁阀的开关频率实现喷头喷雾流量的调节。通过试验测量了施药单元网格尺寸、系统延时时间以及PWM占空比与喷头流量之间的模型参数三部分关键系统参数。结果表明在0.2、0.3和0.4 MPa压力下PWM占空比与喷头流量之间均为线性关系，线性拟合优度均在0.98以上。最后，通过喷雾试验验证变量喷雾样机的有效性，试验结果表明，采样点水敏纸上单位面积（cm²）最少雾滴个数为35滴，达到了有效喷雾效果；当靶标冠幅与总冠幅比为39.9%时，变量喷雾模式相比于连续恒定式喷雾省药71.96%，相比于对靶开关式喷雾省药29.72%，达到了减量效果。

果园风送喷雾机出风口风场CFD建模与试验 | Open Access

翟长远, 张燕妮, 窦汉杰, 王秀, 陈立平

2021, 3(3): 70-81. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202106-SA007

摘要 ( 613 )

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塔式果园风送喷雾机是目前普遍使用的果园喷雾机，塔式结构易产生旋转和不规则的垂直气流，导致喷雾机出风口两侧风场分布不对称，且分布规律不易预测。为探究适用塔式果园风送喷雾机出风口风场建模方法，本研究基于喷雾机出风口风场计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法，提出了用户定义函数（User-Defined Function，UDF）分段式三维风速入口边界条件设置方法，并研究了湍流模型和计算域尺寸对喷雾机CFD风场模拟结果的影响特性。采用Fluent软件，建立了三种CFD模型：模型一以11个区域的平均风速作为边界条件；模型二采用UDF分段式三维风速入口作为边界条件；为进一步研究计算域尺寸对风场模拟的影响，建立了小计算域尺寸的模型三。三种模型均采用基于雷诺时均控制（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程的 $k - ε$ 湍流模型和 $k - ω$ 湍流模型进行风场计算。为了验证模型的可靠性，设计了空间风场立体测量系统，实现了精确快速空间风速测量。验证结果表明，Standard $k - ε$ 、Realizable $k - ε$ 、BSL $k - ω$ 和SST $k - ω$ 湍流模型较适合风场CFD建模，其中Standard $? k - ε$ 湍流模型运算结果最优，模型决定系数R²为0.81。基于UDF分段式三维风速入口边界条件设置方法不仅提高了仿真结果的准确性（提高了5%），而且降低了计算的复杂性。在其他参数设置相同的情况下，大尺寸计算域模型的性能略优于小尺寸计算域。实际建模过程中建议根据计算机计算能力、仿真的实际要求设置合适的计算域尺寸。本研究结果可为喷雾机出风口风场CFD建模方法提供参考。

高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪模型预测控制 | Open Access

王子杰, 刘国海, 张多, 沈跃, 姚震, 张贺

2021, 3(3): 82-93. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202105-SA006

摘要 ( 552 )

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针对传统燃油驱动、前轮转向的高地隙喷雾机传动效率低、碳排放高、环境污染、智能化水平低、灵活性差等问题，本研究提出了一种适用于无人驾驶的高地隙四轮独立驱动（Four Wheel Independent Drive，4WID）喷雾机。其采用混合动力、前后双转向桥的4WID，转向半径小，前后轮的运行轨迹高度一致，能够减少田间植保作业时的压苗现象。考虑水田极端作业环境下驱动轮的滑移、陷坑等问题，基于喷雾机线性时变的运动学模型（LTV），构建了考虑驱动轮滑移的分层路径跟踪控制。上层模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）器根据预期路径、车辆当前位置，获得喷雾机的转向角和运动速度，实现路径跟踪。下层以模糊控制和积分分离PID控制构建驱动轮滑移控制器，从而实现路径跟踪、运动速度、驱动轮滑移的有效控制，提高了喷雾机在复杂作业环境中的稳定性和路径跟踪精度。采用Adams/Matlab的联合仿真结果表明，在复杂的工况条件下，喷雾机驱动轮的滑移率依然控制在±20%之内，防止驱动轮发生过度滑移对车速和转向角产生不良影响，有利于喷雾机稳定性的提升。本喷雾机能够快速准确地跟踪期望路径，与未考虑驱动轮滑移的控制相比，能够适应更加复杂的工作环境，跟踪精度有明显提升。

作物三维重构技术研究现状及前景展望 | Open Access

朱荣胜, 李帅, 孙永哲, 曹阳杨, 孙凯, 郭益鑫, 姜伯峰, 王雪莹, 李杨, 张战国, 辛大伟, 胡振帮, 陈庆山

2021, 3(3): 94-115. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202102-SA002

摘要 ( 1732 )

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近年来，随着无人机和各类传感器在作物育种和田间生产中被广泛使用，作物表型组学得到了极大的发展。兼具了高精度、高通量和高度自动化的作物表型组学及其相关技术的发展，加快了新品种的选育和优化了田间管理。作物三维重构技术是作物表型组学最基本的技术方法之一，是精准描述作物形态全息结构的重要工具，而作物的三维重构模型对于高通量作物表型获取、作物株型特征评价、植株结构和表型相关性分析等均具有重要意义。为深入总结作物表型中三维重构技术研究进展，本文从作物三维重构的基本方法与应用特点、研究现状和前景展望等三个方面展开综述。本文首先归纳整理了现有作物三维重构方法，并对各类方法的基本原理进行了综述，分析了各类方法的特点和优缺点，同时在归纳作物三维重构方法一般性流程的基础上，对各类方法的适用性进行剖析，归纳整理出了各类方法在实施时的具体流程和注意事项；其次，本文依据研究目标对象不同将作物三维重构的应用分为单株作物重构、田间群体重构和根系重构三部分，并从这三个视角对作物三维重构技术的应用情况进行了综述，依据精度、速度和成本三方面，探究了各个方法对于不同作物三维重构的研究现状，分析整理出不同重构对象背景下作物三维重构存在的问题与挑战；最后，从作物三维重构全程自动化、4D表型的构成、作物虚拟生长与模拟育种和智慧农业发展等方面对作物三维重构技术的前景进行了展望。

基于Penman-Monteith模型和路径排序算法相结合的草莓灌溉方法与验证 | Open Access

张宇, 赵春江, 林森, 郭文忠, 文朝武, 龙洁花

2021, 3(3): 116-128. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202104-SA001

摘要 ( 591 )

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灌溉是影响作物产量的重要因素。为更加有效、精确地控制设施作物的灌溉，本研究以“章姬”草莓为例，将作物实时生长特征引入灌溉决策模型中，将Penman-Monteith（P-M）模型和知识推理相结合对草莓的灌溉展开研究。首先明确影响草莓灌溉的因子和影响系数，然后建立“章姬”草莓灌溉知识结构和草莓灌溉知识图谱，接着应用路径排序算法（Path Ranking Algorithm，PRA）对P-M模型计算的灌溉值进行调整，实现草莓的精准灌溉。知识推理中每个专家的灌溉调整策略都不相同，本试验以草莓产量最大为目标，选择概率值最高的一组灌溉推理值对灌溉进行调整。试验结果表明，在规定时间采收的情况下，本研究提出的基于Penman-Monteith模型和路径排序算法相结合的方法比传统P-M模型方法的果实总产量、单株果实均产量和果实均重百分比分别提高2478.5g、20.65g和12.15%（单个果实均重提高1.65g），硬度提升了0.1 kg/cm²。表明该方法根据作物生长状态对作物灌溉进行调整合理，为精确灌溉提供了新的思路。

利用无人机影像监测不同生育阶段玉米群体株高的精度差异分析 | Open Access

杨进, 明博, 杨飞, 许红根, 李璐璐, 高尚, 刘朝巍, 王克如, 李少昆

2021, 3(3): 129-138. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202105-SA008

摘要 ( 793 )

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为明确利用无人机影像监测玉米群体株高的精度及其影响因素，本研究基于无人机搭载光学成像设备构建大田玉米群体数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），研究不同生育时期下玉米群体株高监测的精度差异。针对3个玉米品种、8个播期处理构建的株高差异化群体，用多旋翼无人机搭载高清RGB相机和多光谱成像设备，采集试验区高清RGB和多光谱影像，获取玉米群体数字高程信息DEM和各处理区植株高度，分析不同品种和播期处理下基于无人机和人工测量株高间的相关关系。试验结果表明，高清RGB相机和多光谱成像设备获取的DEM均能反映玉米群体的高度差异。高清RGB相机的株高监测精度优于多光谱成像设备，但株高监测精度不足，难以反映玉米群体的较小株高差异。不同生育阶段对玉米株高监测精度具有较大影响，生育前期冠层尚未全部覆盖地表或生育后期植株衰老叶片枯黄下垂时，受裸露地表影响，群体株高被严重低估。本研究分析了影响无人机搭载成像设备监测玉米株高精度的因素，可为该方法应用于大田生产提供借鉴意义。

时变多车型下的生鲜农产品配送路径优化模型 | Open Access

刘思远, 陈天恩, 陈栋, 张驰, 王聪

2021, 3(3): 139-151. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202108-SA004

摘要 ( 716 )

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针对农业供应链的运输环节中生鲜农产品配送模型存在的速度恒定、碳排放计算方法单一的问题，本研究结合路网时变特征和新的多车型碳排放计算方法，提出了考虑配送距离、多车型碳排放量、货物损耗和车辆固定成本等4个优化目标的生鲜农产品配送路径优化模型；并根据模型特点提出了一种改进的双策略种群协同蚁群算法（Double-Strategies Co-Evolutionary Ant Colony System，DC-ACS ）。利用改进蚁群算法对Solomon数据集的C105算例进行了求解，在4个优化目标上分别取得最优解为937.94 km、4961.48元、4081.78元和7500.87元，证明了本研究提出的模型的有效性。在模型有效的基础上，通过试验结果证明，改进蚁群算法比基本蚁群算法在4个优化目标上的配送总成本平均降低幅度超过14%，证明改进蚁群算法更具有优越性。使用改进蚁群算法对集中、随机和混合3种不同分布的大规模算例进行求解，3种分布上分别求得最优总成本为19,939.53、24,095.00和24,397.58元。综上所述，所提模型和算法可以为冷链物流企业的城市配送路径决策提供良好的参考依据，对完善智慧农业供应链的配送路径优化模型和优化方法提供了新的思路，为企业进一步扩大规模提供了参考。

带时间窗的多目标蔬菜运输配送路径优化算法 | Open Access

王芳, 滕桂法, 姚竟发

2021, 3(3): 152-161. doi:10.12133/j.smartag.2021.3.3.202109-SA010

摘要 ( 437 )

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为了解决蔬菜运输耗时长、成本高、保鲜时间短，导致送达到客户手上蔬菜质量降低等问题，在考虑了车辆载重和时间窗等约束条件下，本研究提出了一种带时间窗多目标蔬菜配送路径优化的遗传-模拟退火（Genetic Algorithm and Simulated Annealing，GA-SA）算法。在遗传算法（Genetic Algorithm，GA）操作过程中引入模拟退火（Simulated Annealing，SA）算法自适应（Metropolis）接受准则：首先将原始种群进行遗传算法的选择、交叉、变异等操作，形成新一代路径种群，此时通过引入Metropolis准则，对新一代路径种群分布情况进行修正、选择、交叉、变异，得到目标路径种群，达到全部车辆配送完返回到配送中心的耗时最少、成本最低、车辆使用最少的多目标，求得蔬菜运输的最优路径。设计以保定市为配送中心以及向保定市下辖的各个乡镇为配送点进行蔬菜运输路径优化的试验，结果证明，与传统的GA、SA相比，GA-SA能够有效增快其收敛速度，优化后的配送路线总成本分别降低了约23.7%和4%，总路程分别减少了22.6%和3%，耗时分别减少了26.2和2.6 h，车辆分别少使用2辆和1辆。本研究可为冷鲜食品以及其他运输路径优化研究提供参考价值。

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