为了对玉米种植株数进行无损的自动化识别, 利用FARO focus s70地面激光扫描仪、采用四站式扫描方法, 采集不同视角下的玉米田块点云数据。设计了一种基于标靶球自动提取的配准算法, 对各站获取的点云数据进行精确配准, 取得了完整的玉米田块点云数据, 并以标靶球拟合误差和标准偏差分析配准精度。对于配准好的3维点云数据, 利用采样一致性算法基于圆柱体特征从完整的玉米田块点云中精确分离出茎秆点云, 统计玉米种植株数。结果表明, 标靶球拟合标准偏差在0.1mm~0.7mm之间, 满足仪器测量精度要求;拟合误差总体在2mm~5mm之间, 能满足大场景测量配准误差5mm的要求;对玉米种植株数的识别率达到86.1％~92.1％。这一结果对于农田环境下玉米种植株数识别的实际应用方面是有帮助的, 为作物的估产提供了数据基础, 为智慧农业研究提供了理论方法。

二维相关光谱(2D-COS)是将动态光谱扩展到两个维度, 包含同谱与异谱, 具有扩展分离重叠峰、 判断不同组分变化顺序等特征。 2D-COS异谱将两种不同类型的光谱整合成为一种光谱, 研究不同波段之间的相关性, 辨析组分变化的两种光谱的互补关系。 应用同步荧光(SFS)、 傅里叶变换红外(FTIR)与2D-COS方法, 研究乌梁素海水体中DOM组成结构特征, 分析DOM组分及官能团之间的协变性, 揭示其空间分异规律。 水体中DOM由CO, C—H, N—H, C—O等官能团构成, 主要包含类蛋白质 (PLF)、 微生物类腐殖质(MHLF)、 类富里酸(FLF)和类胡敏酸(HLF)等组分, 其中MHLF为主要组分。 水体中荧光物质、 PLF以及MHLF的相对丰度由大到小顺序均为北部>南部>中部。 FLF相对丰度由大到小的顺序是南部>北部>中部, 而HLF相对丰度较稳定。 SFS的2D-COS分析表明: 北部水体中PLF变动较大, 变动顺序为PLF→MHLF； 中部水体中MHLF变动较大, 其与PLF变动趋势相反, 变动顺序为PLF→MHLF； 南部水体中FLF变化较大, 变动顺序为PLF→FLF→MHLF。 FTIR的2D-COS分析表明: 北部水体中C—O变动较大, 与C—H, CO变动趋势相同, 变化顺序为C—O→C—H→CO； 中部水体中C—O变动较大, 与N—H, CO变动趋势相同, 变动顺序为C—O→N—H→C—H→CO； 南部水体中C—O变动较大, 与N—H, CO变动趋势相同, 变动顺序为C—O→C—H→CO。 SFS与FTIR的2D-COS异谱相关分析表明: 北部水体中PLF与C—O的变化趋势相同, 中部水体中C—O, N—H, CO与MHLF变化趋势相同, 而与PLF的变化趋势相反, 南部水体中C—O, C—H, N—H, CO与FLF变化趋势相同。

涡度相关法作为国际上公认的碳通量测定的标准方法, 在农田生态系统碳通量研究领域具有广阔的空间。本研究旨在总结涡度相关法的农田生态系统碳通量最新研究成果, 为涡度相关法与农田生态系统碳通量研究提供参考。文章综述了国内外基于涡度相关技术的农田生态系统碳通量研究现状, 重点总结了其在时间变化、驱动因子、生产力模型、数据处理等方面的最新研究成果。经了解发现涡度相关技术对农田生态系统碳通量的时间变化特征研究较多, 且众多研究结果表明在单一种植模式下农田碳通量的日变化和季节变化呈显著单峰“U”型趋势, 在多熟种植模式下季变化呈“W”型, 但对种植模式的碳通量研究缺乏区域代表性; 同时驱动因子研究集中在温度、光照、水分等环境因素对农田碳通量的影响方面, 对环境因子与农艺措施之间的关系研究较少; 且对于通量夜间数据的处理和无效、缺失数据的剔除与插补缺乏统一的标准。因此本文认为区域典型种植模式的长期定位监测、多因子协同分析、数据质量监控等方面具有较大研究空间。

随着精准农业这一理念的提出, 快速精确获取农业信息成为人们关注的重点。 偏振遥感因其结合了多角度遥感的特点, 高光谱遥感和微波遥感的特点, 从而能在不破坏地物的基础上提高探测和识别地物的准确度。 以往的研究主要以单一土壤肥力指标为主。 该实验通过实测吉林省典型地区农田土壤在不同状态下的光谱曲线, 探讨了在确定最佳观测条件下的土壤肥力综合指标IFI与土壤光谱曲线的关系。 结果表明光线探测天顶角、 探测方位角、 偏振状态均会在一定条件下影响土壤光谱曲线, 但对光谱的形状和走向影响不大。 在保证设备可达条件下, 设计出遥感中监测土壤肥力的最佳方式。 通过对光谱数据进行一阶微分和倒数的对数运算, 在选定的特征波段上建立相应的肥力模型。 结果表明土壤肥力与光谱反射比呈现明显的负相关关系, 和光谱吸光度呈现明显的正相关关系, 与光谱反射比的一阶微分相关关系不确定。 在利用光谱反射比、 光谱一阶反射比和吸光度特征参数进行土壤肥力估算时, 发现光谱反射比与土壤肥力的二次函数拟合优度最佳, 在560和860 nm处决定系数分别达到0.876和0.867。

在农田尺度下, 土壤表层因理化性状、 粗糙度、 作物根系和秸秆残茬等引起的空间异质性较为明显, 样点间含水量差别相对较小, 这对基于近红外漫反射光谱技术的表层土壤含水量原位测定带来极大的挑战。 本研究分别利用基于单一波长(1 200, 1 400, 1 450, 1 820, 1 940, 2 000和2 250 nm)反射率构建的指数衰减模型、 基于归一化土壤湿度指数(NSMI)和相对吸收深度(RAD)构建的线性模型、 基于土壤含水量高斯模型(SMGM)所得的拐点宽度(σ)、 函数中心振幅(Rd)和高斯曲线面积(A)三个参数构建的线性或二次模型, 以及基于波长区间反射率构建的偏最小二乘模型(PLS), 对土壤体积含水量(VMC)进行定量分析。 结果表明: (1)在单一波长反射率构建的所有指数衰减模型中, 2 000 nm波长显示出最佳验证效果, RMSEp最低(2.463), RPD最大(1.06); (2)与RAD相比, NSMI的验证精度更令人满意, R2(0.312)和RPD(1.224)更高, RMSEp(2.133)更低; (3)在SMGM模型参数以及PLS模型拟合VMC的验证结果中, Rd具有最佳拟合精度, 其R2(0.253)和RPD(1.175)最高, RMSEp(2.222)最低; (4)总的来看, NSMI指标构建的线性模型是所有方法中精度最高的, 而且计算过程简单, 易于操作, 可作为表层土壤含水量原位测定的首选方法。

利用浙江省36个县市的643个农田耕层土样的可见-近红外反射率数据以及重金属与有机质含量数据,分析了Ni、Cu、As、Hg、Zn、Cr、Cd、Pb含量与有机质含量的相关性,对比了不同重金属元素与有机质敏感波段的位置,并建立了各重金属元素含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型.研究结果表明,Ni、Cr与有机质的相关性最优,As最差,相关系数分别为0.54、0.59、0.20,各重金属元素与有机质的相关系数与它在前三个主成份载荷图中与有机质的距离成反比；不同的重金属元素与有机质高光谱敏感波段的重叠度、回归系数的正负一致性具有明显差异,与有机质相关性越高的元素,其重叠度也越高、正负一致性也越好；在所有8种重金属元素的PLSR预测模型中,Ni、Cr的建模与预测效果较好,RPD值分别为1.94、1.80,模型具有一般的定量预测能力,其余6种重金属元素预测模型的RPD值均在1.00和1.40之间,模型只具备区别高值和低值的预测能力.该研究结果为大尺度区域土壤重金属污染的高光谱遥感监测提供了一定的理论依据与参考.

针对农机具视觉导航线提取算法受外界环境影响较大，适用性、稳定性较差等问题，提出了一种基于暗原色的农机具视觉导航线提取算法。基于暗原色原理提出了一种新的农田图像灰度化方法，实现了农田图像中的农作物和土壤更好地区分。再利用形态学方法和最大类间方差法对灰度图进行二值化和滤波，并结合垂直投影的方法提取导航感兴趣区域，进而确定感兴趣区域的导航定位点，并通过最小二乘法将定位点拟合得到导航线。实验结果表明，该算法适用于不同颜色情况下的农田场景及农田道路导航线提取，与传统算法相比，在精度上满足导航线的要求且速度也有较大的提高，具有更广的适用性。

土壤光谱分析技术具有分析速度快、成本低、无危险、无破坏、可同时反演多种成分等特点, 基于高光谱成像技术可以快速获取土壤性质及其空间分布特征。本文针对农田土壤监测的需求, 设计了一种无人机载高光谱成像仪, 选择Offner凸光栅光谱成像系统实现了无谱线弯曲和无色畸变的设计结果。400～1 000 nm波长范围内的衍射效率为15%～30%, 对地成像效果清晰, 在3 km飞行高度可以获得覆盖宽度为0.6 km、地面分辨率为0.6 m的地物目标高光谱图像, 可提供0.4～1.0 μm波长范围内120个谱段的高光谱图像, 光谱数据准确、稳定。结果表明, 该高光谱成像仪满足设计要求且可以快速获得高精度成像光谱信息, 适合用于对农田土壤的监测。

农田土壤中钾元素的实时测量具有重要的意义。 利用由1 064 nm激光器、 高分辨率光谱仪组成的激光诱导击穿光谱系统, 研究了土壤总钾含量的LIBS测量方法。 文章对钾元素含量在8.74～34.56 g·kg-1之间的农田土壤样品进行分析, 比较了404.40, 404.72, 766.49和769.90 nm的钾原子特征谱线, 并选取766.49 nm为本研究的分析谱线。 分析了激光器稳定性、 随机噪声造成的谱线强度误差, 并以农田土壤中含量相对稳定的硅元素为参照元素, 建立K和Si光谱强度比值与土壤中K元素含量关系的内定标模型。 定标曲线拟合相关系数为0.935, 定标模型对预测集样品的预测标准偏差为9.26%。