(成都大學(xué) 四川 成都 610106)

一、棉花生產(chǎn)概況

棉花的整個(gè)生長發(fā)育周期中，易受到環(huán)境因素，病蟲害因素和人為因素等的影響，是棉花產(chǎn)量和棉花質(zhì)量的主要影響因素[1]。在中國絕大多數(shù)的棉花的生長環(huán)境的監(jiān)測和調(diào)節(jié)是依靠農(nóng)業(yè)從事者的經(jīng)驗(yàn)和判斷，具有極大的誤差性和偶然性，所以就不能及時(shí)的調(diào)節(jié)和改變農(nóng)作物的生長環(huán)境。造成棉花養(yǎng)分不足或養(yǎng)分過剩，這不僅對棉花的生長造成不良影響，而且會(huì)造成土壤破壞和環(huán)境污染。

二、監(jiān)測系統(tǒng)的建立

傳統(tǒng)的棉花農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲取相關(guān)信息的主要渠道是通過農(nóng)業(yè)從事者的直接觀測，具有耗時(shí)周期長、檢測誤差大、覆蓋面小等缺點(diǎn)。本系統(tǒng)將傳感檢測、數(shù)字圖像、專家決策系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)通信等多種信息技術(shù)與棉花栽培管理過程科學(xué)結(jié)合，快速診斷棉花營養(yǎng)狀況與跟蹤決策棉花管理方式，對于科學(xué)施肥、灌溉、除蟲等提供了精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的實(shí)施方案。對于提高棉花品質(zhì)、保護(hù)環(huán)境有著積極的推動(dòng)作用。對于制定地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和農(nóng)場種植者生產(chǎn)管理實(shí)施都具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

(一)總體方案

整體構(gòu)成及工作流程依據(jù)系統(tǒng)可拓展性和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)原則，考慮到與棉花生長密切相關(guān)的信息具有動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)庫，棉花生長模型庫，中央處理計(jì)算機(jī)以及執(zhí)行無人機(jī)組成。

圖1 技術(shù)路線圖

本系統(tǒng)通過濕度傳感器對土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采用土壤肥力傳感器對土壤氮磷鉀元素進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過無線通信實(shí)時(shí)傳送給終端計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)接收到信號后，對接收的信號進(jìn)行處理優(yōu)化，計(jì)算機(jī)優(yōu)化處理后得出土壤肥力優(yōu)劣和土壤水分情況。再根據(jù)得出的結(jié)果和大氣預(yù)測進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域的灌溉和施肥。

定期通過無人機(jī)進(jìn)行田間作物圖像采集，并通過無線通信傳輸?shù)接脩粲?jì)算機(jī)，利用圖像處理技術(shù)分辨及提取關(guān)鍵信息，并和模型庫的棉花生長模型進(jìn)行對比，判別植物生長狀況，判別是否有病蟲害和雜草，以及病蟲害和雜草的程度，最后得出相應(yīng)處理方式和方法。該系統(tǒng)平臺為棉花為蟲害監(jiān)測，土壤肥力檢測，信息服務(wù)一體化的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持，主要針對大中型棉花種植地，用戶既可以查看蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，又可以通過平臺處理信息瀏覽有關(guān)的地圖服務(wù)和蟲害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)。

無人機(jī)圖像監(jiān)測系統(tǒng)能夠同時(shí)對植物生理參數(shù)和生長環(huán)境進(jìn)行定時(shí)在線監(jiān)測，診斷它們的生長狀態(tài)，分析其營養(yǎng)信息，研究其病變、老化、枯死、生長變異等生理生態(tài)規(guī)律。這對于進(jìn)行植物栽培的有效管理、生長障礙的防治、分析環(huán)境的影響、防治環(huán)境污染、促進(jìn)作物生產(chǎn)按需管理、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能具有重要意義。

(二)傳感器

濕度傳感器:

本研究采用的是電阻式濕度傳感器，傳感原理是采用電阻式濕敏電阻，濕敏電阻的工作原理是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)土壤中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，感濕膜的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，濕度傳感器輸出的電壓也隨之發(fā)生改變，利用這一特性即可測量土壤濕度。

本研究采用的土壤濕度傳感器表面是進(jìn)過鍍鎳處理，提高了導(dǎo)電性和感應(yīng)范圍，且解決了傳感器接觸土壤易生銹的問題，使用壽命長。因土壤濕度變化范圍較大，數(shù)據(jù)量較多，本設(shè)計(jì)將檢測的數(shù)據(jù)分為干旱、較干旱、適宜、較濕潤和濕潤五個(gè)階段。根據(jù)不同的檢測結(jié)果，系統(tǒng)分別得出相應(yīng)的處理方案。

土壤肥力傳感器:

土壤肥力是在植物生活期間，土壤供應(yīng)和調(diào)節(jié)植物生長所需要的水分、養(yǎng)分、熱量、空氣和其它生活條件的能力。土壤肥力影響著整個(gè)棉花的生命周期，氮、磷在棉花幼苗時(shí)期有明顯的促進(jìn)作用，鉀在棉花現(xiàn)蕾以后有明顯促進(jìn)作用且增加棉花的逆抗性。土壤肥力傳感器測量土壤中氮磷鉀的含量，將探頭插入土里，根據(jù)測量結(jié)果可以得出實(shí)地土壤養(yǎng)分含量，并和土壤濕度傳感器合為一個(gè)檢測單元，分布在種植地中。

由于土地面積廣，土地地形差異和間距不同的土地的水分含量以及養(yǎng)分存在一定的差異，且植物在生長過程中對土地中的養(yǎng)分利用率有所差異，以及土地地形差異地表水流徑流不同，造成棉花生長周期內(nèi)，土地出現(xiàn)水分及養(yǎng)分均的情況。

根據(jù)上述問題，結(jié)合傳感器檢測范圍和土壤水分和養(yǎng)分?jǐn)U散情況，在橫向和縱向皆間隔50m放置一個(gè)檢測單元。既增大了檢測范圍又不影響檢測效果，并能極大的提高經(jīng)濟(jì)效益。

(三)無人機(jī)

無人機(jī)安裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備。對其進(jìn)行跟蹤、定位、自動(dòng)飛行、檢測和數(shù)字傳輸。本研究中的植保無人機(jī)主要完成兩大功能，第一對作為檢測設(shè)備，對棉花生長進(jìn)行定期圖像采集，第二作為執(zhí)行設(shè)備，對計(jì)算機(jī)得出的植保方案進(jìn)行相應(yīng)的植保措施。

植保無人機(jī)體型小而且功能強(qiáng)大，可負(fù)載8-10公斤農(nóng)藥，可在低空噴灑農(nóng)藥，每2分鐘可完成一畝棉花地的作業(yè)。其噴灑效率是傳統(tǒng)人工的20倍。該飛機(jī)采用智能操控，操作通過終端電腦及GPS定位對其實(shí)施自動(dòng)控制，其旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果好，同時(shí)無人操控施藥大大提高了農(nóng)藥噴灑的安全性。通過分析和處理棉花生長發(fā)育過程中的形態(tài)變化，和觀測植株的葉面積，葉色，葉傾角，株高和莖粗登形態(tài)特征進(jìn)行分析?？梢栽u估棉花生長狀況、作物品質(zhì)、病蟲害程度、產(chǎn)量。可以提前對植株病蟲害做出預(yù)防及及時(shí)的治療，調(diào)節(jié)植株生長長勢，極大的減少管理和運(yùn)營成本，增大作物產(chǎn)量。

三、結(jié)論

本研究綜合了土壤檢測、圖像處理技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、棉花生長模型及數(shù)據(jù)庫，提出并完成了基于傳感器和無人機(jī)技術(shù)的棉花檢測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取量大、速度快、精度高、優(yōu)勢顯著，解決了目前傳統(tǒng)人工目測和手工測量帶來的誤差或錯(cuò)誤，可進(jìn)行準(zhǔn)確的進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)估，病蟲害防治，植株生長長勢調(diào)節(jié)，減少了主觀人為因素，節(jié)約勞動(dòng)力資源，是潛力較大的近地面監(jiān)測方法，對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著極其重大的意義。