油菜機(jī)械直播作業(yè)廂面地表粗糙度測(cè)量與分析

劉立超，張青松,2，肖文立,2，魏國(guó)粱，高麗萍，廖慶喜,2

油菜機(jī)械直播作業(yè)廂面地表粗糙度測(cè)量與分析

劉立超1，張青松1,2，肖文立1,2，魏國(guó)粱1，高麗萍1，廖慶喜1,2※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

油菜機(jī)械直播后種床整理質(zhì)量是影響油菜成苗率的關(guān)鍵要素。針對(duì)目前油菜機(jī)械直播種床廂面粗糙度測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法不能完全反映地表真實(shí)情況的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，該文提出一種基于激光雷達(dá)掃描技術(shù)的區(qū)域地表粗糙度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和量化方法，通過(guò)測(cè)量裝置可快速獲取油菜直播廂面幅寬內(nèi)的地表高程三維數(shù)據(jù)?；谟筒藱C(jī)械直播作業(yè)特性，對(duì)采集的作業(yè)廂面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾斜趨勢(shì)和去邊坡趨勢(shì)處理，降低了廂面傾斜和邊坡特征對(duì)粗糙度計(jì)算的影響。對(duì)不同空間采樣間隔和不同采樣角度截面數(shù)據(jù)的粗糙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：170 mm采樣間隔下的平均均方根高度和均方根高度平均誤差均高于5 mm采樣間隔下的計(jì)算結(jié)果；在垂直機(jī)組前進(jìn)方向0°、45°和90°三個(gè)方向上地表截面高程數(shù)據(jù)的均方根高度最大差值和相關(guān)長(zhǎng)度最大差值分別為7.69 mm和25.14 mm，且?guī)в蟹N溝等結(jié)構(gòu)化特征的油菜種床廂面存在明顯的各向異性。以不同大小區(qū)域的滑動(dòng)取樣窗口進(jìn)行局部粗糙度量化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：當(dāng)窗口寬度為廂面幅寬和0.5倍時(shí)，窗口長(zhǎng)度大小不低于1.2 m可使均方根高度的標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在0.27 mm以內(nèi)，而通過(guò)對(duì)每個(gè)取樣窗口進(jìn)行單獨(dú)去傾斜趨勢(shì)處理可消除地表局部?jī)A斜對(duì)粗糙度計(jì)算的影響。研究結(jié)果可為油菜機(jī)械直播作業(yè)廂面粗糙度測(cè)量和量化方法提供參考依據(jù)。

土壤；粗糙度；激光雷達(dá)；油菜機(jī)械直播；特征分析

0 引 言

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是中國(guó)主要的冬油菜種植區(qū)，近年來(lái)隨著油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，該地區(qū)油菜機(jī)械化播種作業(yè)水平逐年提升[1]。油菜機(jī)械直播可大幅提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。受長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤質(zhì)地和墑情條件影響，機(jī)械直播后種床廂面整理效果成為影響油菜播種成苗率的關(guān)鍵要素[2]。

油菜直播作業(yè)廂面質(zhì)量包括廂面平整效果、碎土率和種溝質(zhì)量等，這些因素均會(huì)對(duì)油菜出苗和后期生長(zhǎng)造成一定影響。廂面質(zhì)量可用廂面地表粗糙度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，目前對(duì)于油菜播種后種床廂面粗糙度的測(cè)量手段還較為傳統(tǒng)[3-4]，接觸式測(cè)量方法由于采樣樣本量不足導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確反映地表真實(shí)狀況。隨著地表觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，多種非接觸式地表高程測(cè)量方法在農(nóng)業(yè)耕作和微波遙感領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[5]。其中攝影測(cè)量和激光測(cè)量是非接觸式地表高程測(cè)量的主流應(yīng)用技術(shù)，攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)線采樣[6-7]和面采樣[8-9]的方式可獲取連續(xù)地表高程數(shù)據(jù)，其測(cè)量精度受光照強(qiáng)度和陰影環(huán)境影響，多適用于尺度變化較小的地表高程測(cè)量場(chǎng)合[10]；激光測(cè)量技術(shù)主要將單點(diǎn)激光傳感器[11-12]或線結(jié)構(gòu)光傳感器[13-14]安裝在單個(gè)或正交直線導(dǎo)軌上，通過(guò)控制傳感器沿導(dǎo)軌移動(dòng)完成單截面或平面區(qū)域地表高程數(shù)據(jù)采集，其測(cè)量精度與傳感器選型直接相關(guān)。受導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸限制，激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于平面區(qū)域采樣時(shí)單次覆蓋面積一般低于2 m2。其他非接觸式測(cè)量技術(shù)如多視角紅外光譜[15]、陰影分析[16-17]、聲波測(cè)量[18]、雷達(dá)圖像[19]等，相比于激光和攝影測(cè)量，在地表高程測(cè)量方面并沒(méi)有體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，因此未得到廣泛的應(yīng)用。

油菜機(jī)械直播種床廂面在土壤工作部件的作用下呈現(xiàn)種溝等結(jié)構(gòu)化特征，且粗糙度受種溝等特征影響表現(xiàn)為各向異性。因此，廂面粗糙度測(cè)量和處理方法的合理性均會(huì)影響粗糙度的客觀評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有研究成果表明測(cè)量范圍是影響粗糙度計(jì)算準(zhǔn)確性的重要因素，由于地表存在空間異質(zhì)性，采樣長(zhǎng)度[20-21]、采樣數(shù)量[7]和采樣區(qū)域大小[22]的選取均會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理也是影響粗糙度計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，去除數(shù)據(jù)傾斜趨勢(shì)對(duì)于較大斜坡地表粗糙度計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[23]，而通過(guò)去傾斜趨勢(shì)無(wú)法消除的地表結(jié)構(gòu)化彎曲特征同樣影響粗糙度計(jì)算的最終結(jié)果[24]。由此可見(jiàn)，相比油菜機(jī)械直播地表高程數(shù)據(jù)采集方法的重要性，測(cè)量數(shù)據(jù)的前處理方法同樣重要。

本文針對(duì)現(xiàn)有非接觸式地表粗糙度測(cè)量方法存在單次測(cè)量覆蓋面積較小的問(wèn)題，提出一種基于地面激光雷達(dá)的油菜直播作業(yè)廂面粗糙度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，借助測(cè)量系統(tǒng)快速獲取油菜種床廂面幅寬內(nèi)地表三維坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)油菜種床廂面的特征分析及合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理，使數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)油菜種床廂面粗糙度，以期為油菜機(jī)械直播后廂面作業(yè)質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測(cè)量對(duì)象

本文主要研究長(zhǎng)江中下游地區(qū)油菜機(jī)械直播后廂面粗糙度特征，因此選取該地區(qū)油菜機(jī)械直播后的作業(yè)廂面作為測(cè)量對(duì)象。目前適用于長(zhǎng)江中下游地區(qū)機(jī)械直播的油菜聯(lián)合播種機(jī)具分為2類(lèi)：一類(lèi)是具有旋耕部件的油菜聯(lián)合直播機(jī)[25]，另一類(lèi)是帶有主動(dòng)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝裝置的油菜免耕直播機(jī)[26-27]，受該地區(qū)地塊大小限制，2類(lèi)直播機(jī)作業(yè)幅寬均為2 m左右，去除用于排水的畦溝寬度，油菜種床廂面幅寬約為1.6 m。油菜聯(lián)合直播機(jī)采用耕播集成理念，一次作業(yè)完成旋耕、播種、施肥、覆土和開(kāi)溝等工序；而油菜免耕直播機(jī)利用主動(dòng)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝裝置，在分土板約束下將溝內(nèi)土壤均勻覆蓋到種床廂面，免去旋耕作業(yè)工序，屬于保護(hù)性耕作方式。

為獲取不同類(lèi)型油菜種床廂面粗糙度參數(shù)，本文選用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的2種不同結(jié)構(gòu)形式的油菜直播機(jī)[25,27]播種作業(yè)后的種床廂面為測(cè)量對(duì)象，如圖1所示。由于2種油菜直播機(jī)結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)原理的差異，其作業(yè)后種床廂面特征存在一定區(qū)別。油菜免耕播種作業(yè)對(duì)土壤擾動(dòng)小，主動(dòng)式開(kāi)溝裝置能夠使廂面與畦溝形成明顯分界，進(jìn)而使廂寬范圍內(nèi)保持原有地表平整狀態(tài)；而油菜聯(lián)合直播機(jī)作業(yè)時(shí)由于旋耕機(jī)和被動(dòng)式開(kāi)溝犁的交互作用，會(huì)在種床廂面與畦溝連接部位形成傾斜邊坡，使種床廂面與畦溝的邊界模糊，且種床廂面最外側(cè)2行油菜均播于邊坡上，若不考慮種床廂面邊坡的影響，則會(huì)對(duì)粗糙度的計(jì)算結(jié)果造成較大誤差。

圖1 兩種油菜直播機(jī)及其作業(yè)后地表形態(tài)

1.2 種床廂面粗糙度測(cè)量裝置

種床廂面粗糙度測(cè)量裝置主要包括激光雷達(dá)（SICK LMS511-10100 PRO，掃描角度190°，測(cè)距分辨率1 mm，采樣角度分辨率0.166 7～1°，采樣頻率25～100 Hz）、直線導(dǎo)軌（北京時(shí)代超群電器科技有限公司，節(jié)距3 mm，帶輪齒數(shù)24）、步進(jìn)電機(jī)（北京時(shí)代超群電器科技有限公司，步距角1.8°）、驅(qū)動(dòng)控制器、支架和便攜式計(jì)算機(jī)等，如圖 2所示。激光雷達(dá)安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上，在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌直線移動(dòng)，其有效移動(dòng)距離為2 m，驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)獲取編碼器信號(hào)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制及柔性啟停，便攜式計(jì)算機(jī)通過(guò)串口和以太網(wǎng)分別與驅(qū)動(dòng)控制器及激光雷達(dá)連接，并通過(guò)上位機(jī)測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、與驅(qū)動(dòng)控制器通訊及接收、存儲(chǔ)激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即可得到完整的地表三維高程數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)以線掃描方式對(duì)待測(cè)地表進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，測(cè)量過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)間歇運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光雷達(dá)沿導(dǎo)軌一端移動(dòng)到另一端，上位機(jī)測(cè)量軟件控制激光雷達(dá)在步進(jìn)電機(jī)各間歇停止位置開(kāi)啟數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)以極坐標(biāo)形式返回各測(cè)量點(diǎn)距激光雷達(dá)掃描中心的距離數(shù)據(jù)。測(cè)量裝置的空間采樣間隔與激光雷達(dá)掃描方向采樣分辨率及垂直掃描方向的采樣間距有關(guān)。如圖2所示，在1位置時(shí)激光雷達(dá)單幀采樣數(shù)據(jù)與地表截面形成的測(cè)量曲線用1表示，其相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫向間距d可表示為

式中l為激光雷達(dá)掃描中心距測(cè)量地表水平線0的垂直距離，mm；θ為點(diǎn)掃描位置的掃描角度，rad；為采樣角度分辨率，rad。

當(dāng)激光雷達(dá)從1位置沿箭頭方向移動(dòng)到2位置，其間歇移動(dòng)距離Δ與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

注：*表示經(jīng)過(guò)去邊坡處理后的粗糙度計(jì)算數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為均方根高度±標(biāo)準(zhǔn)差以及相關(guān)長(zhǎng)度±標(biāo)準(zhǔn)差。

Note: * represents the roughness calculation data with the slope trend processing. The data formats are root mean square height±standard deviation and correlation length±standard deviation.

對(duì)比油菜聯(lián)合直播機(jī)消除邊坡趨勢(shì)前后的粗糙度參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，邊坡趨勢(shì)對(duì)垂直作業(yè)方向的均方根高度影響最大，去除邊坡趨勢(shì)前后的均方根高度數(shù)值最大相差24.0%，而相關(guān)長(zhǎng)度在去邊坡趨勢(shì)處理后在3個(gè)方向上均有減小，去趨勢(shì)前后最大相差31.5%。去邊坡趨勢(shì)處理提高了粗糙度計(jì)算結(jié)果的正確性。

需要明確的是，雖然油菜免耕直播機(jī)相較于油菜聯(lián)合直播機(jī)作業(yè)廂面具有較小均方根高度數(shù)值，但是兩者具有不同的作業(yè)原理，其橫向比較的結(jié)果不能作為2種油菜直播機(jī)后續(xù)成苗率和生長(zhǎng)狀況的評(píng)價(jià)依據(jù)，同一種類(lèi)型油菜直播機(jī)的粗糙度對(duì)比才具有指導(dǎo)意義。

2.3 種床廂面各向異性分析

根據(jù)前述分析可知，2種油菜直播機(jī)作業(yè)廂面粗糙度參數(shù)在3個(gè)不同方向上存在明顯差異，為進(jìn)一步研究不同方向上的粗糙度分布特征，對(duì)測(cè)得的1組油菜免耕直播機(jī)作業(yè)地表高程數(shù)據(jù)進(jìn)行變角度插值處理，得到181組截面數(shù)據(jù)，每組截面數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地表長(zhǎng)度為1.4 m，角度間隔為1°，圖中直角坐標(biāo)系軸與機(jī)組作業(yè)方向垂直，軸與機(jī)組作業(yè)方向平行，原點(diǎn)在圓周中心，如圖 8a所示。

對(duì)插值后的圓形區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行粗糙度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8b、8c所示：在角度分布為垂直機(jī)組作業(yè)方向90°左右的區(qū)域，由于截面方向沿著種溝分布的方向，均方根高度數(shù)值明顯小于平均值14.03±2.66 mm，而其他角度分布區(qū)域的截面均跨越種溝，使得均方根高度數(shù)值較大。同樣，各截面的相關(guān)長(zhǎng)度也受到種溝特征的影響，存在明顯各向異性，相關(guān)長(zhǎng)度的均值為71.96±21.50 mm。相比于均方根高度的有序平緩變化，相關(guān)長(zhǎng)度的變化受種床廂面高程分布特征影響更為明顯，其標(biāo)準(zhǔn)差為均方根高度標(biāo)準(zhǔn)差的8倍，且在垂直機(jī)組作業(yè)方向90°左右的區(qū)域，相關(guān)長(zhǎng)度受地表局部凸起或坑洼影響產(chǎn)生部分無(wú)序的數(shù)值跳變，表明地表局部特征對(duì)相關(guān)長(zhǎng)度參數(shù)有較大影響。由此可見(jiàn)，油菜機(jī)械直播后種床廂面粗糙度在不同角度截面的分布具有一定規(guī)律性，存在均方根高度和相關(guān)長(zhǎng)度明顯大于或小于其平均值的扇區(qū)，這些扇區(qū)即是地表粗糙度各向異性的標(biāo)志。

圖8 地表粗糙度均方根高度和相關(guān)長(zhǎng)度的各向異性

2.4 不同區(qū)域面積大小粗糙度計(jì)算結(jié)果分析

由于粗糙度的計(jì)算結(jié)果與所選取的截面方向密切相關(guān)，且高度依賴(lài)于選取截面的尺度大小，為消除方向因素對(duì)均方根高度計(jì)算結(jié)果的影響，采用區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行粗糙度參數(shù)計(jì)算。為研究區(qū)域大小對(duì)粗糙度的影響規(guī)律，依據(jù)隨機(jī)抽樣方法，對(duì)廂面測(cè)量區(qū)域進(jìn)行不同窗口大小的數(shù)據(jù)區(qū)域劃分（圖9）。

以油菜聯(lián)合直播機(jī)作業(yè)廂面為研究對(duì)象，取窗口寬度的大小等級(jí)分別為種床廂面寬度的1、0.5和0.25倍，得到3組不同寬度窗口尺寸，每組寬度尺寸下的窗口長(zhǎng)度范圍為0.2～2 m，長(zhǎng)度間隔梯度為0.2 m，且每個(gè)尺寸窗口在測(cè)量區(qū)域內(nèi)隨機(jī)抽取50個(gè)樣本，局部均方根高度的計(jì)算結(jié)果為50個(gè)窗口區(qū)域的均方根高度均值，相關(guān)長(zhǎng)度為所有窗口長(zhǎng)度方向上地表輪廓數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的均值。

每組窗口寬度固定時(shí)，粗糙度隨窗口長(zhǎng)度變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，消除傾斜趨勢(shì)的均方根高度總比未消除趨勢(shì)的數(shù)值小，其最大差值為1.05 mm，可見(jiàn)在全尺寸廂面內(nèi)進(jìn)行的去趨勢(shì)處理并不能消除局部的傾斜特征，且窗口區(qū)域選取的尺寸越小，去趨勢(shì)前后的均方根高度數(shù)值差異越明顯。

注：L、W分別為窗口寬度和種床廂面寬度，mm。下同。

從3組不同窗口寬度的局部均方根高度統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)可以看出，3組均方根高度數(shù)值均隨著窗口長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)先增后緩慢減小的變化趨勢(shì)；當(dāng)窗口寬度為廂面幅寬和0.5倍廂面幅寬時(shí)，窗口長(zhǎng)度不低于1.2 m可使均方根高度計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在較小值，此時(shí)，廂面幅寬和0.5倍廂面幅寬對(duì)應(yīng)的均方根高度標(biāo)準(zhǔn)差大小分別不高于0.17 mm和0.27 mm，在窗口寬度為0.5倍廂面幅寬時(shí)均方根高度的標(biāo)準(zhǔn)差不高于0.27 mm，也表明油菜聯(lián)合直播機(jī)作業(yè)后均方根高度在廂面左右兩半?yún)^(qū)域具有較好的一致性；而在0.25倍的廂面幅寬時(shí)，窗口長(zhǎng)度需要達(dá)到1.6 m均方根高度的標(biāo)準(zhǔn)差才會(huì)減小到0.47 mm以內(nèi)。

相比于均方根高度計(jì)算結(jié)果在不同窗口長(zhǎng)度下的變化，相關(guān)長(zhǎng)度在2 m的廂面長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)并未趨于較小穩(wěn)定值，且在0.5倍廂面幅寬和0.25倍廂面幅寬時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)差受廂面長(zhǎng)度的影響較小，均保持在較高水平，只有窗口寬度與廂寬一致時(shí)，相關(guān)長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)差才會(huì)隨著窗口長(zhǎng)度的增加逐漸減小。從消除趨勢(shì)前后的3組相關(guān)長(zhǎng)度和標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)中可以看出，去趨勢(shì)處理后，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值均低于未去趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)差，且標(biāo)準(zhǔn)差的差值大小與去趨勢(shì)前后相關(guān)長(zhǎng)度差值大小的變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)。

圖10 均方根高度和相關(guān)長(zhǎng)度與取樣窗口大小的關(guān)系

在油菜直播作業(yè)的廂面粗糙度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，由于現(xiàn)有測(cè)量裝置在覆蓋面積上的局限，為減小測(cè)量區(qū)域選取對(duì)粗糙度量化誤差的影響，可考慮在廂面寬度方向選取半個(gè)幅寬作為區(qū)域測(cè)量的寬度，同時(shí)為使不同采樣區(qū)域的粗糙度計(jì)算誤差較小，應(yīng)在廂面長(zhǎng)度方向滿足1.2 m以上的測(cè)量距離。

3 結(jié) 論

1）該文基于激光雷達(dá)掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了油菜直播廂面全幅寬范圍內(nèi)不高于10 mm分辨率的區(qū)域地表高程數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)油菜機(jī)械直播種床廂面特征分析，確定了采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，減小了廂面傾斜和邊坡特征對(duì)粗糙度計(jì)算結(jié)果的影響。

2）對(duì)不同采樣間隔和不同角度截面數(shù)據(jù)的粗糙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：170 mm采樣間隔下的平均均方根高度和均方根高度平均誤差均高于5 mm采樣間隔下的計(jì)算結(jié)果；在垂直機(jī)組前進(jìn)方向0°、45°和90°三個(gè)方向上，地表截面高程數(shù)據(jù)的均方根高度最大差值和相關(guān)長(zhǎng)度最大差值分別為7.69 mm和25.14 mm，且?guī)в蟹N溝等結(jié)構(gòu)化特征的油菜種床廂面存在明顯的各向異性。

3）以不同大小區(qū)域的滑動(dòng)取樣窗口進(jìn)行局部粗糙度量化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：當(dāng)窗口寬度為廂面幅寬和0.5倍時(shí)，窗口長(zhǎng)度不低于1.2 m可使均方根高度的標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在0.27 mm以內(nèi)，而通過(guò)對(duì)每個(gè)取樣窗口進(jìn)行單獨(dú)去傾斜趨勢(shì)處理可消除地表局部?jī)A斜對(duì)粗糙度計(jì)算結(jié)果的影響。

由于篇幅限制，本文在對(duì)廂面地表各向異性分析和不同區(qū)域大小對(duì)粗糙度計(jì)算結(jié)果影響的分析中均只選取了1種油菜直播機(jī)的作業(yè)廂面作為分析對(duì)象，且由于測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)限制，在作業(yè)方向上單次只完成2 m的采樣距離，對(duì)局部粗糙度的計(jì)算形成一定約束，后續(xù)可考慮加長(zhǎng)測(cè)量范圍或進(jìn)行拼接測(cè)量以獲取更大區(qū)域的連續(xù)地表高程數(shù)據(jù)。

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Measurement and analysis of surface roughness of rapeseed mechanized direct seeding operation

Liu Lichao1, Zhang Qingsong1,2, Xiao Wenli1,2, Wei Guoliang1, Gao Liping1, Liao Qingxi1,2※

(1.,,430070,;2,,430070,)

The quality of seedbed after seeding such as soil surface leveling, soil-breaking rate and seed furrow preparing and so on, are the main factors affecting the seedling rate of rapeseed. A good seedbed is a necessary condition for uniform seedling emergence, increasing the rate of subsequent seedlings and promoting the homogeneity of plants after sowing. In view of the fact that the measurement and data processing methods of rapeseed seedbed surface roughness under mechanized direct seeding cannot fully reflect the real soil surface condition, a method of measuring and quantifying roughness surface area by using laser radar scanning technology is proposed in this paper. The main components of the measuring device are the lidar, linear guide, stepper motor, portable computer and other components. The device can quickly acquire soil surface data in three dimensions through the whole working width of direct seeding machine. The surface roughness data of rapeseed combined direct seeder and no-tillage direct seeder after operation were used to detect the effect of two kinds of seedbed operation on seedbed surface. The characteristics of rapeseed direct seeding process were analyzed, three-dimensional digital modeling and detrend processing of ground data after two kinds of direct seeders were carried out by using MATLAB. The least square method was utilized to eliminate the inclined tendency of seedbed surface, the fourth order polynomial was applied to remove the slope trend in the width direction of the soil surface of rapeseed combined direct seeder. The root mean square (RMS) height and the correlation length were involved as evaluating parameters to analyze the data. Statistical results of roughness parameters for different spatial sampling intervals and different angles cross-section data showed that the average RMS height and RMS height mean error of 170 mm sampling interval were all higher than that of 5 mm sampling interval, the average RMS height of the 170 mm sampling interval was 2.2 mm higher than that of the 5 mm sampling interval, the corresponding correlation length was around 1.8 times the latter; and the RMS height and the correlation length error of the 170 mm sampling interval were higher than that of the 5 mm sampling interval. The maximum difference of RMS height and correlation length of surface elevation data were 7.69 and 25.14 mm respectively in the three directions of 0, 45 and 90 degrees in the forward direction of vertical unit, and there was obvious anisotropy on the surface of seedbed with structural characteristics such as seed trench. Statistical results of local roughness quantification using sliding sampling windows in different size regions showed that when the window width is 0.5 times the compartment width, the standard deviation of RMS height can be stabilized within 0.27 mm if the length of the window is not less than 1.2 m, and the influence of local surface tilt on the roughness calculation can be eliminated by the trend treatment of the tilt of each sampling window. The results can provide reference for the measurement and quantitative analysis of surface roughness in rape direct seeding operation.

soils; roughness; laser radar; rapeseed mechanized direct seeding; characteristic analysis

2019-04-22

2019-06-04

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201503118-06）；國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)(CARS-12)；湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新行動(dòng)項(xiàng)目

劉立超，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控研究， Email：llchao2012@163.com

廖慶喜，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.005

S237

A

1002-6819(2019)-12-0038-10

劉立超，張青松，肖文立，魏國(guó)粱，高麗萍，廖慶喜. 油菜機(jī)械直播作業(yè)廂面地表粗糙度測(cè)量與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(12)：38－47. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.005 http://www.tcsae.org

Liu Lichao, Zhang Qingsong, Xiao Wenli, Wei Guoliang, Gao Liping, Liao Qingxi. Measurement and analysis of surface roughness of rapeseed mechanized direct seeding operation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 38－47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.005 http://www.tcsae.org