典型輪式小麥機(jī)糧食產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)與測(cè)試

梅國(guó)濤，馮 潔

(1.濰柴雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 260000； 2.山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261053)

0 引言

農(nóng)業(yè)智能革命的核心要素是信息、裝備和智能，其表現(xiàn)形態(tài)就是智慧農(nóng)業(yè)[1]。產(chǎn)量監(jiān)測(cè)是智慧農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)功能，基于產(chǎn)量監(jiān)測(cè)，推進(jìn)精量播種、變量施肥和變量施藥等技術(shù)發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效，對(duì)于可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義[2-3]。國(guó)外谷物收獲機(jī)械產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟并大范圍應(yīng)用。國(guó)內(nèi)劉成良等[4]介紹了基于計(jì)算機(jī)視覺的谷物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)。劉仁杰等[5]介紹了基于光電傳感器的測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)量圖方面有一些研究，但現(xiàn)有測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)水平與國(guó)外相比仍有巨大差距，精度、可靠性和算法模型等與實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離[4，6]。

1 基本原理

通過在籽粒升運(yùn)器上安裝光電傳感器，記錄每個(gè)籽粒升運(yùn)器刮板遮擋激光的時(shí)間，從而計(jì)算每塊刮板的谷粒流體積。根據(jù)容重和谷物體積模型計(jì)算出谷物質(zhì)量，并進(jìn)行累計(jì)，再與作業(yè)時(shí)GNSS位置數(shù)據(jù)結(jié)合，形成田塊中每個(gè)位置的產(chǎn)量數(shù)據(jù)(濕產(chǎn)量)，可實(shí)現(xiàn)最小以3 m×3 m為單元方格的產(chǎn)量地圖，從而直觀發(fā)現(xiàn)低產(chǎn)、高產(chǎn)區(qū)域，并形成基于GIS的數(shù)據(jù)記錄和在線產(chǎn)量監(jiān)測(cè)，為下一年播種、施肥等農(nóng)業(yè)決策提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持[7-10]。糧食的濕產(chǎn)量和干產(chǎn)量計(jì)算如式(1)～(2)所示。

YW=v×wv

(1)

(2)

式中YW——濕產(chǎn)量

v——體積

wv——容重

YD——干產(chǎn)量

ma——實(shí)際測(cè)得水分

ms——糧食儲(chǔ)存所要求的水分

2 標(biāo)定與調(diào)試

2.1 基本組成

系統(tǒng)基本組成包括激光傳感器、濕度傳感器、割臺(tái)高度傳感器、控制盒、顯示器、GNSS接收機(jī)和線束。

2.2 標(biāo)定

2.2.1啟動(dòng)作業(yè)狀態(tài)判斷

通過GNSS接收機(jī)計(jì)算車速、割臺(tái)高度傳感器判斷割臺(tái)狀態(tài)、激光傳感器判斷升運(yùn)器狀態(tài)，從而綜合判斷輪式小麥機(jī)是否處于作業(yè)狀態(tài)。如果車速>0 km/h、割臺(tái)處在收割狀態(tài)且升運(yùn)器運(yùn)轉(zhuǎn)，則確定小麥機(jī)處于作業(yè)狀態(tài)，啟動(dòng)產(chǎn)量記錄，記錄作業(yè)面積和糧食產(chǎn)量；如果判斷并未作業(yè)，則不啟動(dòng)產(chǎn)量記錄。

2.2.2確定體積與產(chǎn)量對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過在實(shí)驗(yàn)室開展標(biāo)定工作，完成校準(zhǔn)點(diǎn)(PC點(diǎn))標(biāo)定。共有6個(gè)PC點(diǎn)，PC點(diǎn)的準(zhǔn)確性將影響測(cè)產(chǎn)的準(zhǔn)確性。PC點(diǎn)是指在提升機(jī)中從谷物的零吞吐量(PC Tare)到最大吞吐量(PC 5)的測(cè)量體積數(shù)據(jù)與實(shí)際產(chǎn)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定Fig.1 Calibration point

2.3 確定作物容重，標(biāo)定水分

通過在試驗(yàn)田開展實(shí)地標(biāo)定工作，完成容重測(cè)量和水分標(biāo)定。經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)田小麥容重720 kg/m3，含水率12.9%。

2.4 綜合標(biāo)定產(chǎn)量、水分和容重

標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差調(diào)整處理如表1所示。其中田塊3和4基本滿足精度97%以上要求，不做誤差修正調(diào)整。

3 測(cè)試結(jié)果

正式測(cè)試時(shí)調(diào)整小麥容重720 kg/m3(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)容重量杯測(cè)得)。測(cè)試地塊面積5.16 hm2，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得產(chǎn)量20 852 kg，平均產(chǎn)量4 041 kg/hm2。實(shí)際稱得糧食21 568 kg，平均產(chǎn)量4 180 kg/hm2，測(cè)量誤差為-3.3%。由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的小麥濕產(chǎn)量最小值0，最大值6 993 kg/hm2，平均值4 041 kg/hm2；干產(chǎn)量最小值0，最大值7 279 kg/hm2，平均值4 068 kg/hm2。地圖原點(diǎn)坐標(biāo)為36°33′51.09″N、119°9′20.29″E。

濕產(chǎn)量地圖與干產(chǎn)量地圖如圖2～3所示。

圖2 濕產(chǎn)量地圖Fig.2 Wet yield map

圖3 干產(chǎn)量地圖Fig.3 Dry yield map

糧食濕度最小值10%，最大值21%，平均值13%。糧食濕度地圖如圖4所示。

圖4 糧食濕度地圖Fig.4 Grain moisture map

4 應(yīng)用前景

4.1 產(chǎn)量記錄

通過產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)掌握糧食產(chǎn)量和水分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)的精細(xì)化管理。

4.2 變量作業(yè)數(shù)據(jù)支持

通過基于位置數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化產(chǎn)量數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量圖繪制，并結(jié)合其他數(shù)據(jù)生成處方圖，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量作業(yè)，對(duì)我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)甚至智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)施及農(nóng)業(yè)“一控兩減”具有重要價(jià)值，同時(shí)對(duì)糧食產(chǎn)量提升特別是糧食品質(zhì)提升也有重要意義[11]。

5 結(jié)束語

隨著國(guó)家政策調(diào)整，未來可能將帶有產(chǎn)量監(jiān)測(cè)的智能化輪式小麥?zhǔn)斋@機(jī)械列入農(nóng)業(yè)機(jī)械補(bǔ)貼政策支持范圍，這將大大促進(jìn)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)及智能農(nóng)機(jī)的推廣應(yīng)用，對(duì)我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。