保護性耕作農機作業監測技術現狀

王立新， 胡顯威

（新疆職業大學機械電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

保護性耕作可促進生態、經濟和社會各項事業協調發展，也是目前保護黑土地最經濟有效與現實可行的舉措。經過多年的研究開發，現已大面積推廣應用于世界各地，重點推廣秸稈覆蓋還田和免（少）耕播種。在組織實施上，特別提出要加強監督考評，鼓勵各地積極應用信息化手段，有效提升監管服務，提高監管精準度。

采用信息化手段監管農機作業能夠實現作業計劃、質量、面積的管理、統計和分析，確保作業質量要求落實到位、作業補助資金使用安全，大幅降低作業監管成本。監測播種前秸稈是否有效覆蓋，實現生態效益，是保護性耕作的必須條件，否則易導致黑土地流失；監測免耕播種作業質量是保護性耕作實現經濟效益的關鍵方法，如果發生漏播、斷種等情況則無法確保穩產豐產效果。監測作業合格面積是國家政策精準實施的必須手段，僅靠人工開展作業核查成本高、效果差、風險大。

為解決免耕播種機播種質量監測難、作業面積統計精度差等問題，很多學者開展了作業監測技術研究，主要集中在秸稈還田、免（少）耕播種機播種參數監測及機具作業面積監測[1]。本文對保護性耕作中采用的主要監測技術進行歸納和總結。

1 秸稈覆蓋率監測

1.1 人工監測

采用人工“拉繩方法”。測量時，沿田間地塊對角線鋪設繩索，統計標記點上有秸稈的點數，將標記點總數除以統計數據，計算出秸稈覆蓋率[2]。該種測定方法隨機性大、效率低，達不到保護性耕作的農機作業技術要求。

1.2 圖像監測

圖像法利用人工拍攝、無人機航拍或衛星遙感圖像等手段獲取田間圖像，經過圖像處理算法對秸稈進行識別，再按照秸稈面積與總面積的比值，對秸稈覆蓋率進行測算。該方法作業效率高，成為了秸稈覆蓋率監測重點研究方向。DAUGHTRY C S T 等[3]通過光譜反射率區分秸稈和土地。王昌昆[4]利用室內光譜和衛星遙感技術，探明9 種應用廣泛光譜指數對秸稈覆蓋率計算性能的影響關系。蘇艷波等[5]通過工業相機獲取圖像，利用最大類間方差法來自動選擇閾值大小。

為了進一步提高秸稈覆蓋率監測速度和滿足商業化秸稈識別要求，李佳等[6]創新提出了一種融合快速傅里葉變換與支持向量機（fast Fourier transform + support vector machine，FFT+SVM）的秸稈覆蓋度自動識別方法，在播種機正常作業中，該算法利用攝像頭每2 min采集一次圖像，在一塊規則的地塊采集至少10 幅圖像，以這10 個以上測試點的平均秸稈覆蓋率作為此塊地的秸稈覆蓋率測量值，其原圖與標注圖如圖1 所示，秸稈識別效果如圖2 所示。

圖1 秸稈識別對比Fig.1 Comparison of straw identification

圖2 秸稈識別效果Fig.2 Effect of straw identification

通過速度和精度兩個方向對比文獻[2]提出的人工拉繩法、文獻[7]提出的人工神經網絡法、文獻[8]提出的自動閾值法、文獻[6]提出的基于FFT+SVM 的算法等計算方法的效果，如表1 所示。人工拉繩法采用行列式均勻拉繩5 次，以秸稈覆蓋的交叉點數與總交點總數的百分比作為秸稈覆蓋率；人工神經網絡法通過結合神經網絡與紋理特征來提取秸稈求出秸稈覆蓋率；圖像智能分割算法通過最大類間方差確定分割閾值，提取秸稈的像素點和整個圖像的像素點求出秸稈覆蓋率。

表1 秸稈覆蓋計算方法性能比較Tab.1 Performance comparison of straw mulching calculation methods

2 免耕精量播種參數監測

免耕精量播種參數監測主要分為機械式、機電信號及電信號3 種。其中機械式運用簡單的機械元件來完成監測播種機的故障狀況；機電信號監測利用機械裝置監測播種機，顯示和報警均采用光電形式[9]。前兩種是播種機異常情況下提示預警，但無法直接準確了解排種的工作過程，更不能分清故障發生的類型、正由于傳感器技術不斷應用到在農機裝備領域，機械式與機電信號式監測技術已被淘汰，電子儀器式成為研究重點，投種過程中的監測技術是用傳感器、高速攝像機等手段代替人監測種子流的狀態[10]。目前電子監測系統主要有4 種方式：光電感應式、機器視覺式、電容感應式和壓電感應式。

2.1 光電感應式

光電感應式通常利用光感應元件采集種粒對光線的遮擋信息，實現光信號向電信號轉變，結構組成如圖3所示[11-13]。

圖3 光電監測系統方案Fig.3 Scheme of photoelectric monitoring system

2.2 機器視覺式

機器視覺式利用視覺相機對下落種粒進行高速攝像，通過圖像處理將相鄰種粒的像素間距轉化為實際粒距參數，并通過與標準粒距進行對比，判定當前粒距是否屬于漏播或重播范圍，方案如圖4 所示[14]。

圖4 機器視覺式監測系統Fig.4 Machine vision monitoring system

2.3 電容感應式

電容感應法通常在籽粒下落軌跡的兩側放置兩塊電容傳感板，以建立籽粒質量與電容變化之間的線性關系，通過轉換電路將電容變化量以高低電平信號即數字信號形式傳輸給單片機等控制單元，電容傳感器結構如圖5 所示[15]。

圖5 電容傳感器結構Fig.5 Structure of capacitive sensor

2.4 壓電感應式

壓電感應法采用壓電薄膜等壓力傳感器感應種粒下落沖擊力，實現壓力值向電壓脈沖信號轉變，其監測系統硬件部分分為監測器和報警器，結構框圖如圖6 所示，監測器由PVDF 壓電傳感器、信號采集電路、霍爾測速傳感器、無線發射裝置與中央處理器構成[16-17]。

圖6 系統結構Fig.6 System structure

綜合對比以上4 種常用電子式排種監測方法，其優缺點對比如表2 所示。

表2 常用電子式排種監測方法對比Tab.2 Comparison of commonly used electronic seed metering monitoring methods

3 機具作業面積監測

現有機具作業面積監測手段主要包括轉速傳感器與衛星導航系統，其中轉速傳感器通過安裝在機具地輪上的轉速傳感器測轉速，結合地輪直徑計算作業速度，目前應用較多的是霍爾式轉速傳感器和增量式編碼器[18-21]。衛星導航系統利用多普勒頻移原理，獲取機具作業位置，避免出現重復作業或未作業地塊，可提高作業精度和作業效率[22-23]。

綜合對比以上2 種常用機具作業面積監測方法，其優缺點對比如表3 所示，根據實際應用效果可以發現，基于轉速傳感器的監測技術廣泛使用，然而衛星導航系統測速的同時兼有定位功能，適用于監管需要。

表3 常用機具作業面積監測方法對比Tab.3 Comparison of commonly used methods for monitoring working area of machine tools

4 典型保護性耕作監測設備

中國農業機械化科學研究院集團有限公司的保護性耕作監測設備如圖7 所示，主要應用在吉林省，采用機器視覺識別技術與算法，結合專家知識，實現耕作田塊秸稈覆蓋率的識別；基于GIS 的多種作業統計AI 算法，作業數據計算分析的精確性、魯棒性得到了提高；采用可彈性伸縮的分布式集群架構，設計了多種業務流策略保障平臺高效可用，提升業務的敏捷和創新能力，保證平臺實時數據接收與穩定性。

圖7 中國農業機械化科學研究院集團有限公司的保護性耕作監測設備Fig.7 Conservation tillage monitoring equipment of Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co., Ltd.

北京德邦大為科技股份有限公司研發的智能播種云監控系統如圖8 所示，主要應用在黑龍江地區，具有作業數據監測功能，如漏播、重播和播種面積等。

圖8 北京德邦大為科技股份有限公司的播種監測器Fig.8 Seeding monitor of Beijing Debon Dawei Technology Co., Ltd.

黑龍江惠達科技發展有限公司研制的HDGPCS600型播種監測器主要應用在黑龍江地區，可準確獲取作業機具實時位置，區分機組行駛及作業狀態，獲知機具當前工作狀態，如圖9 所示。

圖9 黑龍江惠達科技有限公司的播種監測器Fig.9 Sowing monitor of Heilongjiang Huida Technology Co., Ltd.

5 存在的問題

在推廣應用過程中，保護性耕作電子監測系統應用機器視覺識別技術與基于GIS 的多種作業統計AI 算法，結合專家知識，實現耕作田塊秸稈覆蓋率的識別；基于可彈性伸縮的分布式集群架構，創新設計了多種業務流策略保障平臺，提升業務的敏捷和創新能力，保證平臺實時接入量與穩定性。該產品在用戶口碑中獲得了一致好評，但從具體實際應用情況發現，許多技術問題有待解決和改進。

（1）缺乏統一標準。各地區秸稈覆蓋還田地表的方式不同，如粉碎覆蓋、高留根茬秸稈覆蓋、秸稈整稈覆蓋還田等，標準不統一，系統兼容性差，致使電子監測系統識別各種作業方式難度較大。

（2）秸稈具有流動性。有些秸稈在播種前進行了歸行處理，并且秸稈密度輕受風沙影響較大，存在被吹走或風沙覆蓋的現象，致使其識別誤差較大。

（3）夜間圖像監測難度大。由于田間夜間光線較差，作業圖像存在模糊和顏色灰白的問題，影響秸稈覆蓋率的識別。

（4）播種作業窗口短，作業比較集中。當地移動網絡數據的傳輸壓力存在較大問題，導致作業數據不能及時上傳。

6 展望與建議

6.1 展望

6.1.1 提高秸稈覆蓋和播種作業監測準確性

目前保護性耕作農機作業裝備已經應用于作業實踐，在試驗條件下有較高精度，在一般條件下數據也比較準確，可以作為農機作業管理和補貼核查依據。但由于秸稈與裸露地表顏色接近、田間環境復雜多變、在用機具電器化程度不一、機手操作水平差別大等原因，導致地表秸稈監測準確性下降甚至出現較大偏差。建議進一步研究田間秸稈覆蓋率的快速實時、準確、普適的監測算法與設備，如智能手機+智能算法。

免（少）耕播種機播種參數監測技術由于相鄰種粒重疊面積大、種子種類和形狀等難以識別判定、工況條件復雜、干擾因素多發等原因，致使出現重播監測精度低、不規則小粒種子監測難度大、環境適應性差等問題。建議多傳感器融合，優化系統構成和整體性能。

6.1.2 研發高可靠、低成本作業監測裝備

現有監測系統在實驗室條件下試驗效果良好，并且性能指標遠高于現有市場產品。但在農田非結構化環境下，強光、高溫、潮濕、高塵、振動等外界不良因素均會對監測系統穩定性產生影響，尤其在大田作業工況下，時常發生誤判、漏判、信號中斷等問題，增加系統制造與人力成本。建議提高傳感器性能，配置防護裝置，優化探頭性能，選用穿透力、抗干擾能力更強的傳感器；需建立完善的產品試驗檢測平臺，降低企業的研發費用、試制費用和田間測試費用，從而有效降低產品成本和提高作業監測裝備質量。

6.1.3 發展多機兼容的作業監測裝備體系

目前單機保護性耕作作業監測裝備種類眾多，應用比較廣泛，但主要針對某一特定的保護性耕作農機作業機械和作業任務而開發的，而適用于可實現多類型作業任務和不同類型作業機械的監測系統并不多。未來農機監測專用儀器從單參數向多參數、實時、便攜式方向發展；農機監測儀器設備的結構將由專用型向多用型發展；即插即用，按需配置，不斷提高其通用化水平。

6.2 建議

6.2.1 開展作業監測

要加強組織領導，突出政府牽頭，提供資金和人員保障。根據國家農機購置補貼政策，引導農戶購買保護性耕作機具，增強機械作業的保障能力。希望政策支持具有長期連續性，在相關法律制定修改過程中，納入保護性耕作內容，爭取從法律層面保障其農機作業監測技術的精準實施[24]。

6.2.2 發展智能裝備

政府大力支持共建保護性耕作科研平臺，高性能保護性耕作核心監測元器件研發攻關，提高農業生產效率。如在國內地輪驅動仍然是主要甚至唯一的排種器驅動方式，建議在未來的研究中，加強對電驅和液壓馬達驅動排種技術的研究和應用，從排種器驅動方式上看，今后將向多種驅動方式并存的方向發展。

6.2.3 統籌建設農機作業大數據平臺

現在國內各地區的農機作業信息管理系統復雜多樣，無法實現數據共享與多地的聯合統一調度，因此需對各地區信息管理平臺與智能農機裝備的接口進行標準化統一，統籌規劃建立全國統一的農業機械化作業管理系統。

7 結束語

以免（少）耕播種、秸稈殘茬管理等為核心的保護性耕作技術，提升保護性耕作配套機具的原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。保護性耕作農機作業監測系統國產化、低成本、智能化是未來的發展趨勢，信息化將是推動農業機械效益增長的重要手段，提高農業產量、農民收入。