保護性耕作農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的必要性及策略探析

張秋偉

保護性耕作活動，能夠保持田間生產(chǎn)的生態(tài)性，激活其經(jīng)濟運作能力，有效協(xié)調(diào)社會各項工作，更是當前保護土地資源的低成本、高效性措施。在多年研究實踐中，此種保護性耕作方法，逐步推廣到各個地區(qū)，側(cè)重發(fā)展秸稈覆蓋生產(chǎn)、自動播種生產(chǎn)等先進技術(shù)。在新型技術(shù)推廣融合期間，有效融合監(jiān)督考評、先進技術(shù)等有效措施，提供更精確、更完整的監(jiān)管資料，以此保證田間生產(chǎn)監(jiān)測質(zhì)量，積極展現(xiàn)監(jiān)管服務(wù)作用。

一、保護型田間生產(chǎn)的監(jiān)測設(shè)施

1、實踐應(yīng)用

保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施主要是利用機器視覺識別技術(shù)以及與之配套的算法體系，在預先輸入的專業(yè)知識的引導與規(guī)范下，實現(xiàn)對耕作地塊秸稈覆蓋率的高精度識別與計算。不僅如此，保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備還結(jié)合GIS技術(shù)與AI算法，提升對作業(yè)數(shù)據(jù)的收集效率以及分析計算的準確性，并對集群架構(gòu)作出優(yōu)化與升級，采用分布式結(jié)構(gòu)，提升架構(gòu)的整體彈性，保障其對多元化業(yè)務(wù)的適應(yīng)性，為業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運行與創(chuàng)新打好基礎(chǔ)?？偟膩碚f，保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施在作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測方面具備突出優(yōu)勢，能夠精確計算播種面積，以此避免漏播、重播等問題的出現(xiàn)。保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施在實踐應(yīng)用中還可以獲取農(nóng)機的運行信息與具體位置，以便對農(nóng)機作出科學合理的規(guī)劃。

例如，某單位建立了智能播種監(jiān)控平臺，投用在多個地區(qū)，能夠有效反饋田間作業(yè)生產(chǎn)情況，及時發(fā)現(xiàn)播種遺漏、重復播種等各類問題。在傳感器反饋的數(shù)據(jù)中，動態(tài)反饋農(nóng)機生產(chǎn)的具體方位，準確掌握農(nóng)機生產(chǎn)情況，有效排查設(shè)備故障問題，平臺監(jiān)測效果較好。在2022年實際監(jiān)測中，成功發(fā)現(xiàn)22次漏播、12次重播問題，為精確農(nóng)耕生產(chǎn)提供了有效數(shù)據(jù)。

2、技術(shù)問題

正如上文所說，盡管保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施在技術(shù)層面具備諸多優(yōu)勢，在推廣應(yīng)用過程中有著突出的表現(xiàn)與良好的口碑，但基于技術(shù)人員的現(xiàn)場記錄與用戶的實際反饋，可以發(fā)現(xiàn)保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施還存在以下需要改進的問題。第一，是缺乏統(tǒng)一標準，不同地區(qū)由于其作物的種植情況與地理條件不同，選擇的秸稈還田的方式也會有所不同，整稈覆蓋、粉碎覆蓋、留根茬覆蓋等不僅標準不同，需要關(guān)注的要點也不同。這也導致不同保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施的系統(tǒng)之間的兼容性較差，阻礙保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測的順利進行，提升其工作難度。第二，是秸稈本身就具備流動性的特點，本身質(zhì)量與密度就相對較輕，容易受到環(huán)境因素的負面影響。比如風沙就有可能導致秸稈被吹走或覆蓋，導致秸稈覆蓋度的計算出現(xiàn)誤差。第三，保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施在夜間監(jiān)測方面還存在較為明顯的性能差距，由于夜間缺乏自然采光，因此生成的作業(yè)圖像常常出現(xiàn)分辨率不足，色彩細節(jié)丟失嚴重的問題，導致秸稈覆蓋率的識別出現(xiàn)問題。

3、改善對策

首先，為改善保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施中存在的諸多問題，相關(guān)技術(shù)人員需要持續(xù)將精力投入到高性能、低成本作業(yè)監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)之中。影響到先進技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中推廣的重要原因之一就是環(huán)境差異，實驗室中構(gòu)建的是相對理想化的運行環(huán)境，設(shè)備的性能自然能夠得到充分發(fā)揮，而在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，高溫、高濕度、多塵土等問題都會對保護性耕作農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測技術(shù)的穩(wěn)定運行造成影響，導致誤判等問題的出現(xiàn)。因此相關(guān)技術(shù)人員需要強化傳感器的性能，提升其穿透力與抗干擾能力，并通過構(gòu)建產(chǎn)品試驗檢測平臺的方式降低設(shè)備的研發(fā)成本。其次，相關(guān)技術(shù)人員還需要提升保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施的兼容性。目前保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施的種類繁多，針對性較強，在表現(xiàn)突出的同時也導致其適用范圍狹小，難以匹配多類型的作業(yè)任務(wù)。因此相關(guān)技術(shù)人員需要推動保護型田間生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)施向著多元參數(shù)、實時計算的方向發(fā)展，提升其通用化水平。

二、各類保護型田間生產(chǎn)的監(jiān)測分析

1、秸稈覆蓋率

①人工監(jiān)測法。參照農(nóng)業(yè)相關(guān)單位給出的監(jiān)測要求，在測定田間地表秸稈覆蓋程度時，選擇測量的繩子長度大于50m且不超過100m。繩子長度間隔20m的位置，畫出一個記號。測量中，以每個田間地塊對角位置為目標，逐一放置測量繩，記錄秸稈個數(shù)x，用x除以標記總數(shù)y，得出x與y的比值，作為秸稈覆蓋率。測定驗收時，以各組地塊為測量單位，隨機選擇5個方向，重新測量，獲取5組測量結(jié)果的平均數(shù)，用作驗收數(shù)據(jù)。測量方法，如圖1所示。

②線上監(jiān)測法。上述是人工測量秸稈占比的方法，以下是自動測量方法。農(nóng)機參與田間生產(chǎn)期間，匯總的秸稈圖像面臨部分干擾因素，間接降低了處理算法的精確性。干擾因素具體包括：圖像采集期間，光照亮度不均，部分地段的土壤、秸稈具有顏色相似性，增加了秸稈目標與土壤背景的甄別難度。當秸稈粗細程度有差異、秸稈部分稀疏性不同時，在土壤顏色相似、土壤反光等情況下，會出現(xiàn)識別偏差問題。應(yīng)對自動測量形成的技術(shù)問題，嘗試采取彩色分量測量技術(shù)，有效劃分識別主體與土壤。采取灰度化處理方法，有效區(qū)分秸稈與土壤的顏色，再用最新的Bernsen算法，給予賦值處理。新算法中，有效融合了高斯算子，以此提高了圖像對部分噪聲信號的對抗性，有效排除光照不均形成的不利作用。

如表1所示，是灰度處理效果。

結(jié)合像素對比發(fā)現(xiàn)：新算法具有較強的圖像處理能力，能夠有效排除噪聲干擾性。在秸稈檢測算法中，能夠有效提高圖像像素，清晰區(qū)分秸稈與土壤。在新的算法中，使用h（x，y）表示高斯處理得到的結(jié)果。利用線上平臺，獲取h（x，y）各組像素值的最大、最小兩個取值方案，計算兩組數(shù)據(jù)的平均值，將此結(jié)果標記為T。線上平臺測量秸稈覆蓋率的算法，具體如式a：

a式中，J表示線上平臺測得的秸稈覆蓋程度，%；n表示當灰度取值為1的像素數(shù)量，個；N表示采集田間生產(chǎn)圖像的數(shù)量總和，個。使用新算法與人工測量法，分別測定某塊田地的秸稈覆蓋程度，新算法的測得結(jié)果為46.78%，人工法測得結(jié)果為48.12%，新算法測得結(jié)果與人工測定法的偏差量為1.34%，測量精確性較高。

③監(jiān)測分析。從20%至90%各類秸稈覆蓋程度的圖片中，隨機抽選100張圖，每間隔10%取10張圖，進行秸稈率監(jiān)測分析。監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

結(jié)合實踐監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：新算法用于秸稈程度監(jiān)測中，相比人工法的誤差小。在20%至90%的秸稈程度范圍內(nèi)，新算法監(jiān)測結(jié)果與實際的偏差量不超過1%，監(jiān)測結(jié)果具有較高的可信性。在50%至80%范圍內(nèi)，新算法測得的秸稈程度，相比實際情況的偏差能夠控制在0.5%左右，相比其他范圍的監(jiān)測精確程度更高，表現(xiàn)出較強的技術(shù)先進性，可用于秸稈程度的監(jiān)測工作，以此全面監(jiān)測保護性田間生產(chǎn)農(nóng)機的運行情況。

2、免耕精量播種

①免耕播種監(jiān)測技術(shù)的類型。測定免耕精量播種數(shù)量的技術(shù)方法，具體有機械監(jiān)測、機電監(jiān)測、電監(jiān)測三種類型。其中，機械監(jiān)測技術(shù)是使用各類機械元件，綜合判斷播種設(shè)備的性能，排查其可能存在的故障問題，采取光電形式反饋故障結(jié)果，給予相應(yīng)的故障警報。此種監(jiān)測方法，無法直觀反饋播種過程，不能判定故障類型。在傳感設(shè)備的廣泛推廣視域下，機械式、機電式兩種監(jiān)測方法，逐漸退出監(jiān)測平臺。電子監(jiān)測方法逐漸成為主要應(yīng)用，有效融合傳感設(shè)備，開發(fā)極具智能性的播種監(jiān)測平臺。當前，電子監(jiān)測平臺共有多種技術(shù)形式，具體包括：光電式、視覺表達式等。

②光電感應(yīng)。此種播種監(jiān)測技術(shù)，是借助光感應(yīng)元件有效采集遮光區(qū)的播種情況，有效改變光信號，以電信號形式輸出監(jiān)測結(jié)果。第一，溫度光電監(jiān)測技術(shù)：是利用黑體輻射思想，借助其多種測溫方式，完成溫度監(jiān)測。此種檢測技術(shù)的使用優(yōu)勢：當被測區(qū)域物體遮光范圍較大時，測溫結(jié)果不會受到干擾；在環(huán)境較差的情況下，此監(jiān)測技術(shù)表現(xiàn)出較強的技術(shù)適用性；成本不高、可用時間較長、監(jiān)測成本不大。第二，光照強度監(jiān)測技術(shù)：是借助光電效應(yīng)的理論內(nèi)容，無須分析測量物體，有效改變光照強度參數(shù)，輸出結(jié)果為電壓數(shù)據(jù)格式。再進行單位轉(zhuǎn)化，最終以0-2V、4-20mA的數(shù)據(jù)形式，傳送至數(shù)據(jù)分析平臺，開展計算分析。此監(jiān)測設(shè)施的技術(shù)指標為：測量范圍是0至200000lx的光照強度，支持測量的可見光范圍為400至700mm，測量偏差率<5%。如圖2所示，是光電監(jiān)測技術(shù)用于測定大棚種植情況的技術(shù)方案。

在此技術(shù)方案中，添加速度傳感設(shè)備、控制設(shè)備，可有效監(jiān)測自動生產(chǎn)農(nóng)機在田間、大棚各場景的播種情況，嘗試從播種速度、播種量、農(nóng)機行進速度、播種密度等方面，給出精確的監(jiān)測結(jié)果。

③視覺表達監(jiān)測技術(shù)。此種監(jiān)測技術(shù)，能夠快速獲取播種過程的影像，利用圖像處理方式，有效處理相鄰種子影像的像素，將其轉(zhuǎn)變成實際種子間距。采取監(jiān)測數(shù)據(jù)與標準粒距的對比方式，綜合判斷粒距間存在的播種遺漏、重復播種等問題。此技術(shù)初期用于監(jiān)測田間作物的疾病情況，改進其技術(shù)方案，可用于測定免耕播種情況，間接增強農(nóng)機自主播種的精確性。采取人工法、視覺表達監(jiān)測法兩種技術(shù)，對比農(nóng)機播種的監(jiān)測結(jié)果。人工法，是采取田間實地檢查的形式，對比農(nóng)機實際消耗的播種量，單位田塊內(nèi)的播種完成度，以此綜合判定農(nóng)機播種精確性。假設(shè)單位田塊內(nèi)預計使用f0kg種子，實際消耗的種子量為f1，g=f1與f0的比值為播種完成度。如表3所示，是人工法與視覺表達法的播種監(jiān)測結(jié)果。

對比發(fā)現(xiàn)：視覺表達監(jiān)測法的用時更短，監(jiān)測結(jié)果與實際情況的偏差率僅有0.07%，監(jiān)測結(jié)果具有較高的參考性。

④電容感應(yīng)式。此種監(jiān)測技術(shù)，主要在播種路徑的兩側(cè)，添加兩個電容傳感裝置，分析籽粒質(zhì)量、電容數(shù)值的相互關(guān)系。借助轉(zhuǎn)換電路形式，嘗試以高低電平信號形式，有效傳輸電容變動值，反饋結(jié)果會回傳給控制程序。此技術(shù)在實踐中，會干擾播種，并未推廣使用。

3、機具作業(yè)面積

監(jiān)測農(nóng)機生產(chǎn)范圍，主要利用轉(zhuǎn)速傳感設(shè)備、定位技術(shù)，以多普勒頻移原理為理論支持，準確獲取機具生產(chǎn)方位，防止出現(xiàn)重復生產(chǎn)、遺漏生產(chǎn)的問題，有效增強農(nóng)耕作業(yè)的精細性。轉(zhuǎn)速傳感設(shè)備、定位技術(shù)用于監(jiān)測農(nóng)具生產(chǎn)范圍時，均能夠精確反饋監(jiān)測結(jié)果。在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)速傳感設(shè)備出現(xiàn)運行不暢時，無法保證監(jiān)測結(jié)果的準確性。而定位技術(shù)用于監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，所需成本較高。為此，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速傳感設(shè)備，低成本獲取農(nóng)機生產(chǎn)范圍。配合有效的設(shè)備運維機制，積極防范設(shè)備運行問題。

4、深松作業(yè)監(jiān)測

①監(jiān)測思路。參照農(nóng)機深松的運行走線情況，將農(nóng)機深松路線進行分類，可劃分出規(guī)范深松、偏差深松、車輛行駛?cè)N情況。三種深松類型，在深松程度、作業(yè)效果等方面，綜合反映農(nóng)機深松效果。為此，在監(jiān)測數(shù)據(jù)生成軌跡路線之前，合理劃分路線類型，以此保證作業(yè)軌跡監(jiān)測的精確性。

②監(jiān)測系統(tǒng)的組成。在農(nóng)機設(shè)備后側(cè)，安裝上下拉桿，以此控制深松犁具。農(nóng)機深松生產(chǎn)期間，主要利用液壓控制平臺，調(diào)整犁具深松角度。液壓控制平臺含有控制程序、懸掛程序兩個部分。操控液壓程序的裝置，是控制犁具位置的關(guān)鍵裝備，其組成包括油泵、分配器等各類設(shè)施。懸掛裝置可用于操控犁具。監(jiān)測犁具的生產(chǎn)過程，主要利用姿態(tài)傳感設(shè)備，有效采集犁具生產(chǎn)的各個姿態(tài)信息，將采集圖像回傳給終端設(shè)備，進行數(shù)據(jù)分析與解算。然而，在實際生產(chǎn)中，農(nóng)機深松犁具的類型較多。在實際深松生產(chǎn)中，農(nóng)機操作員可結(jié)合深松需求、生產(chǎn)方案、土壤類型，綜合選擇犁具。在監(jiān)測平臺中，能夠從犁具深松角度、深度等方面，進行生產(chǎn)監(jiān)測。借助身份驗證單元，有效便捷各類犁具的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以此防止犁具識別數(shù)據(jù)發(fā)生混亂。

③犁具角度采集方法。深松監(jiān)測流程中，測定犁具作業(yè)角度，是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。嘗試從犁具下放、犁具抬起各個方面，采集犁具生產(chǎn)角度的各項信息。為了達到此種監(jiān)測目標，采取統(tǒng)一控制方式。采集角度的傳感設(shè)備型號為“MPU6050”，此種傳感設(shè)備，內(nèi)含陀螺儀、軸加速度測定設(shè)備，能夠精確獲取角度數(shù)據(jù)。

④犁具圖像監(jiān)測。在實踐監(jiān)測中，共有兩種監(jiān)測形式：一是在生產(chǎn)管理中，調(diào)取往期的監(jiān)測資料；二是農(nóng)業(yè)深松中，自動回傳深松監(jiān)測影像。參照圖像監(jiān)測的具體需求，選擇PTC01-30型號的采集單元，全面獲取犁具深松的各角度資料。此模塊內(nèi)嵌入一個芯片，具有較強的數(shù)字信號處理能力，能夠自主補光，保證采集圖像的清晰性，支持夜間監(jiān)測深松生產(chǎn)情況。采集獲得的圖像資料，以JPEG格式傳輸至設(shè)備終端。

⑤犁具深松監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸與通信。在監(jiān)測犁具深松期間，監(jiān)測平臺共設(shè)計了四個單元模塊：犁具身份驗證、角度采集（農(nóng)機上）、角度采集（犁具上）、影像采集。四個單元模塊并未信息交互性，需在車載設(shè)備給出監(jiān)測指令后，各模塊相互傳遞監(jiān)測結(jié)果。采取RS485通信設(shè)計方法，進行多點通信連接，最多可建立32個點的交互通信網(wǎng)絡(luò)，支持數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钸h長度為1200m，能夠保持100kb/s高速傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信狀態(tài)。在犁具監(jiān)測技術(shù)的通信規(guī)劃中，僅需連接四個模塊，通信距離不超過農(nóng)機整長，農(nóng)機長度遠小于1200m，使用RS485通信技術(shù)，完成能夠達到犁具監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信需求。

綜上所述，將自動播種、秸稈管理、深松作業(yè)等田間生產(chǎn)技術(shù)，看作較為關(guān)鍵的保護性耕作技術(shù)，用以增強保護性田間生產(chǎn)配套設(shè)施的新穎性，有效引入新型技術(shù)。以國產(chǎn)化生產(chǎn)、較低成本、智能技術(shù)為方向，持續(xù)完善田間生產(chǎn)機制，展現(xiàn)保護性生產(chǎn)技術(shù)的積極作用，獲取較高的田間生產(chǎn)量，增加村民實際收入。

（作者單位：112500 遼寧省昌圖縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心）