CN109661979A - 一种基于精准控制作物位置的信息化种植方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其包括如下步骤：S100，制定播种位置排布结构，预定每粒种子的预定播种位置；S200，按照预定播种位置进行播种，且播种时定位测量每粒种子的实际播种位置；S300，采集农作物不同生长时期的农田图像，根据实际播种位置以及农田图像确定作物茎叶位置及杂草位置。采用本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，基于精准位置规划的定位播种可优化种植小区内作物个体分布，提高单植株对环境资源的利用效率，进而提高总体产量。另，靶向施肥可提高肥料利用效率，基于准确杂草、虫情、病害位置信息的精准施药可减少农药施用量。本发明的基于作物位置信息的精准作业是提高种植业资源利用率与作业效率的有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及精准种植智能控制技术领域，具体地说，是涉及一种基于精准作物位置信息的增产、减肥和减药的种植作业方法。
背景技术
传统农业种植中，广泛喷洒杀虫剂、大面积施肥等粗放的作业方式，未考虑小区域和作物个体的个性特征，浪费农业资源、污染环境、种植生产效率低。上世纪90年代国际上提出的“精准农业”思想主要是借助于土壤养分分布的差异，通过变量施肥来提高农业资源的利用率。种植的效益包括经济效益和社会效益两个方面，增加产量可提升种植经济效益，减肥、减药等环境友好的种植方法可显著提高种植的社会环境效益。目前，发达国家已基本实现种植全程机械化，我国2015年耕种收综合机械化水平已达63％，在高度机械化的背景下，如何提升种植效益成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种借助于精确获取并控制作物在田间地理位置的信息来指导定位播种、对靶施肥、智能机械除草等作业模式的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，以达到增产、减少肥料施用和减少化肥施用的目的。
为了实现上述目的，本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法包括如下步骤：
S100，制定播种位置排布结构，预定每粒种子的预定播种位置；
S200，按照预定播种位置进行播种，且播种时定位测量每粒种子的实际播种位置；
S300，采集农作物不同生长时期的农田图像，根据实际播种位置以及农田图像确定作物茎叶位置及杂草位置。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S200还包括如下步骤：根据每粒种子的实际播种位置对作物进行对靶施肥。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述对靶施肥的步骤包括：根据所采集的每粒种子的实际播种位置对每粒种子进行分层施肥，每一粒种子的各施肥层的施肥点位置的连线形成一斜线，依据作物不同生长期养分需求确定各施肥位置所构成斜线的斜率，依据施用肥料的缓释速度和作物根系情况确定种子与斜线在田中地理位置的相互距离。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S300还包括如下步骤：根据作物茎叶位置进行病害施药以及叶面追肥。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S300还包括如下步骤：根据作物茎叶位置以及杂草位置对作物进行行机械除草以及株距间激光除草。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S100还包括如下步骤：通过设定菱形的播种排布结构以为每株作物提供均匀的生长空间。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S200的按照预定播种位置进行播种的步骤包括：
S210，测量行走设备的地理位置，确定行走设备相对于给定的导航线的偏差距离和前进方向上的地理位置参数，实时控制行走设备的偏航距离和行走速度；
S220，测量播种机具的地理位置，确定播种机具相对于给定的导航线的偏航距离参数，通过实时调节行走设备与播种机具的间隙距离，在行走设备自动导航控制的基础上，进一步控制调节播种行位置。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S200的按照预定播种位置进行播种的步骤还包括：
S230，测量播种机具上播种盘的转速，结合播种机具的行走速度，确定播种株距间隔距离参数，根据行走设备的行走速度的变化实时调节播种盘转速，精准控制播种株距。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S300还包括如下步骤：根据农田图像确定适收果实位置，以进行选择性收获。
上述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的一实施方式中，所述S300包括：通过一云平台对实际播种位置以及农田图像进行分析，从而确定作物茎叶位置及杂草位置。
本发明的有益功效在于，采用本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，基于精准位置规划的定位播种可优化种植小区内作物个体分布，提高单植株对环境资源的利用效率，进而提高总体产量。
另，基于准确作物位置信息的靶向施肥可提高肥料利用效率，减少化肥施用量；基于准确杂草、虫情、病害位置信息的精准施药可减少农药施用量。这些基于作物位置信息的精准作业均是提高种植业资源利用率与作业效率的有效手段，对在高度机械化种植作业水平下提高种植效益有重要的意义。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法的步骤图；
图2为本发明的种植全过程位置信息图；
图3为本发明的位置信息管理平台工作示意框图；
图4为本发明的菱形播种排布结构及精准定位播种示意图；
图5为本发明的点-斜线模式分层施肥俯视示意图；
图6为本发明的点-斜线模式分层施肥正视示意图；
图7为本发明的定位分层施肥装置的结构示意图；
图8为本发明的基于云识别的自动除草系统的工作流程概图。
其中，附图标记
G 播种排布结构
SE 种子
SP 生长空间
T 拖拉机
SI 播种农具
ST 排种盘
PS1 定位系统
PS2 定位系统
FB 肥箱
OC 油缸
DS 开沟铲
FT 多通道输肥管
FP 施肥盘
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明在于利用多手段的农业感知，结合大数据、互联网、云计算辅助科学决策，开展基于高水平测控技术的单植株水平的实时动态精准作业，进而高效配置农业资源，提高种植效益。
田间作物位置信息是种植作业的重要信息，贯穿于种植生产全过程，本发明提出了一种基于精准作物位置信息的增产、减肥和减药的作业方法，为种植业生产全过程精准作业提供了有效手段。
如图1所示，本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法包括如下步骤：
S100，制定播种位置排布结构，预设每粒种子的预定播种位置；
S200，按照预定播种位置进行播种，且播种时定位测量每粒种子的实际播种位置；
S300，采集农作物不同生长时期的农田图像，根据实际播种位置以及农田图像确定作物茎叶位置及杂草位置。
本发明中，由于作物位置信息数据量大，为了提高位置信息管理效率，使用互联网云平台实现收集存储数据、综合分析数据、作业位置决策等功能。如图2所示，种植全过程作物位置信息主要包括预定播种位置、实际播种位置、作物茎叶位置、杂草位置、适收果实位置等。农业机械田间作业利用作物空间地理位置及分布信息来精确控制，如对靶施药，机械除草和选择性收获等作业。
如图3所示，位置信息管理平台由云端大数据服务器及云服务系统组成，收集并储存位置和图像数据，进行互联网大数据分析，提供三维精细地图制作、云端作物/杂草自动识别、云端远程自动作业位置及路径规划、云端三维空间远程遥控自动导航、云端数据分析与故障预警等作业方案，综合管理种植全过程。
首先，本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法能够增加作物产量。其中，步骤S100具体是指，在播种前先在地图上进行播种位置自动规划，根据种植地经纬度、光照、统计风向、作物种类、土壤水分、土壤肥力等大数据信息进行综合分析决策，制定每粒种子的播种位置排布结构计划，预设每粒种子的预定播种位置。
如图4所示，可通过设定菱形的播种排布结构G，以为每株作物种子SE提供均匀的植株生长空间SP，优化通风和光合作用、实现了增产的目标。具体地，可根据当地的纬度、光照、统计风向等信息设定菱形播种排布结构G的形状，根据作物种类、土壤水分和土壤肥力等信息确定菱形播种排布结构G的大小。
步骤S200具体是指在播种时，由带有GNSS系统的精密播种装置自动按设定的位置进行播种，结合三测加三控方法，实现按预设播种排布结构，例如按照预设的菱形的播种排布结构G进行精准定位播种。
其中，“三测加三控”方法中的三测是指：测量行走设备(以下以拖拉机T为例进行说明)地理位置、农具地理位置、播种间隔距离3个参数。三控是指：控制拖拉机T自动导航行走定位精度、由拖拉机T带动行走的播种农具SI相对于拖拉机T的偏移量、播种农具SI上的排种盘ST随行走速度而变化的转动速度，实现按预设菱形播种排布结构G的精准定位播种。通过基于作物位置信息的精准定位播种，可优化通风和光合效益，达到增产的目的。
“三测加三控”的方法，具体来说：①通过定位系统PS1测量拖拉机T的地理位置，确定拖拉机T相对于给定导航线的偏差距离和前进方向上的地理位置参数，实时控制拖拉机T偏航距离和行走速度；②通过定位系统PS2测量播种机具SI的地理位置，确定播种机具SI相对于给定航线的偏航距离参数，通过实时调节拖拉机T与播种机具SI间隙距离，在拖拉机T自动导航控制的基础上，进一步控制调节播种行位置；③测量播种盘ST转速，结合播种机具SI行走速度，确定播种株距间隔距离参数，根据拖拉机T行走速度的变化实时调节播种盘ST转速，精准控制播种株距。
作物地理空间位置的获取主要来源播种时的定位控制。于步骤S200中，基于行走设备及播种机具上的定位系统PS1、PS2，精准定位测量每粒种子SE的实际播种位置。
本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法通过大数据制定适宜的播种位置计划，利用“三测加三控”技术实现按预设位置的精准定位播种，获取精准的实际播种三维地理位置信息，辅助当季后续作物生产作业。本方法改变传统粗放播种模式，按播种分布特征设定计划超精准播种，有助于均匀出苗空间、增强生长光合作用、提高通风透气性、协调植株个体关系、最小化群体内竞争、提升群体产量，最终实现了增产增收。
其次，本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法能够靶向施肥优化肥料施用量。步骤S200中，根据获取的每粒种子的实际播种位置对作物进行对靶施肥。具体地，根据获取的播种时的每粒种子在田中实际的三维地理位置信息，结合作物种类、不同生长期养分需求、化肥缓释速度等因素，制定如图5和图6所示的点-斜线模式分层施肥计划预设施肥位置信息。已知的播种时种子SE在田中三维地理位置信息定义为“点”；各施肥层的施肥点位置(肥1、肥2、…、肥N-1、肥N)的连线定义为“斜线”，依据作物不同生长期养分需求确定各施肥位置所构成斜线的斜率，依据施用肥料的缓释速度和作物根系情况确定“点”与“斜线”在田中地理位置的相互距离，进而确定斜线。
为将不同缓释能力的肥料精准放置在不同施肥层。首先，精准测控施肥点三维位置信息，依据拖拉机定位信息、排肥器定位信息、排肥盘转速，精准测控排肥点经纬位置；采用信号处理方法减小地面扰动信号，通过自适应信息融合处理机械仿形和超声波传感的实时数据。通过预测控制模型自动调节深度，精准测控施肥深度。然后，在特定的位置精准定位分层施肥。
如图7所示，本发明的定位分层施肥装置用于精准定位分层施用种肥，依据种子三维位置信息，当开沟铲DS达到不同深度时，通过机械结构确定在种子侧位各给定距离采用气力输送方式将肥料精确对靶投入，在不同施肥层出料口对应指定深度位置瞬间释放，以此实现不同深度层肥料厘米级高精度间歇投放。
具体地，结合图3，在播种的过程中，传感检测播种深度、经纬位置等状态，位置信息管理平台基于大数据实时做出施肥方案决策，包括施肥的品种、质量、深度、经纬位置等。定位分层施肥装置主要由肥箱FB、油缸OC、开沟铲DS、多通道输肥管FT等部件组成。肥箱FB为多个独立箱体，分别装载着不同缓释性能的肥料，肥箱FB的每个箱体分别通过多通道输肥管FT的不同通道把肥箱FB里的肥料输送到开沟铲DS，开沟铲DS由油缸OC控制高度，可以使肥料释放在不同的深度；农机行进位置控制着开沟铲DS的经纬位置，进而实现肥料在特定三维位置的精准释放。开沟铲DS内为施肥盘FP形式，控制肥料施用量。
本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法利用种子实际播种位置信息可实现不同时期(包括中耕施肥)对靶施肥。结合肥料缓释能力，通过比例施肥机构和种、肥智能控制系统实现精确定位、定向土壤纵向高效全层比例深施肥，满足农作物生长各阶段对肥料的需求，达到减少化肥施量，提高肥料利用效率，最终实现节本增效、减肥、环保的目的。
再次，本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法能够减少农药的施用。步骤S300中，等待作物出苗以后，利用播种时的位置信息和田间影像信息来自动获取作物所在田间的位置信息。在作物生长期，利用固定观测点、田内监测农机、超低空无人机、卫星遥感等技术采集不同时期农田图像，通过作物及杂草位置综合分析，识别确定精准施肥、除草作业位置信息。根据作物茎叶位置以及杂草位置对作物进行机械除草以及株距间激光除草，根据作物茎叶位置进行病害施药以及叶面追肥，并根据农田图像确定适收果实位置，以进行选择性收获。
具体地，本发明利用云平台分析计划作业位置信息。如图8所示，当作物出苗时，采集田间图像，并利用高速通讯技术将图像实时传回到云平台。依据播种时种子在田间的三维地理位置信息，借助云平台的高速图像处理能力和深度学习方法，实时智能自动识别作物苗及杂草的地理位置，分别制定除草作业区域和作物保护区域位置计划。云平台将作业位置信息实时传回作业机器，作业机器按位置指令精准定位作业，进行作物行间机械除草、株距间激光除草。例如，在常规除草的情况下，根据除草作业区域对靶除草。在杂草生长旺盛覆盖作物的情况下，将除草装置作用在保护区域以外，进行机械除草。依据精准的作业位置信息，基于远程云平台实时智能识别方法，可开展行间机械除草、株距间激光除草，实现不施用农药除草目标。
本发明的基于精准控制作物位置的信息化种植方法利用播种时期记录的田间种子地理位置信息，从而在苗期可以较容易的确定苗的地理位置，为物理除草的方法实现奠定好的基础。机械行间除草、激光株间除草减少农药施用的方法改变了传统的施药模式，可大大减少农药的施用，保护农业生产环境，实现绿色种植生产。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100，制定播种位置排布结构，预定每粒种子的预定播种位置；
S200，按照预定播种位置进行播种，且播种时定位测量每粒种子的实际播种位置；
S300，采集农作物不同生长时期的农田图像，根据实际播种位置以及农田图像确定作物茎叶位置及杂草位置。
2.根据权利要求1所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S200还包括如下步骤：根据每粒种子的实际播种位置对作物进行对靶施肥。
3.根据权利要求2所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述对靶施肥的步骤包括：根据所采集的每粒种子的实际播种位置对每粒种子进行分层施肥，每一粒种子的各施肥层的施肥点位置的连线形成一斜线，依据作物不同生长期养分需求确定各施肥位置所构成斜线的斜率，依据施用肥料的缓释速度和作物根系情况确定种子与斜线在田中地理位置的相互距离。
4.根据权利要求1所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S300还包括如下步骤：根据作物茎叶位置进行病害施药以及叶面追肥。
5.根据权利要求1所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S300还包括如下步骤：根据作物茎叶位置以及杂草位置对作物进行行机械除草以及株距间激光除草。
6.根据权利要求1所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S100还包括如下步骤：通过设定菱形的播种排布结构以为每株作物提供均匀的生长空间。
7.根据权利要求1所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S200的按照预定播种位置进行播种的步骤包括：
S210，测量行走设备的地理位置，确定行走设备相对于给定的导航线的偏差距离和前进方向上的地理位置参数，实时控制行走设备的偏航距离和行走速度；
S220，测量播种机具的地理位置，确定播种机具相对于给定的导航线的偏航距离参数，通过实时调节行走设备与播种机具的间隙距离，在行走设备自动导航控制的基础上，进一步控制调节播种行位置。
8.根据权利要求7所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S200的按照预定播种位置进行播种的步骤还包括：
S230，测量播种机具上播种盘的转速，结合播种机具的行走速度，确定播种株距间隔距离参数，根据行走设备的行走速度的变化实时调节播种盘转速，精准控制播种株距。
9.根据权利要求1所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S300还包括如下步骤：根据农田图像确定适收果实位置，以进行选择性收获。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于精准控制作物位置的信息化种植方法，其特征在于，所述S300包括：通过一云平台对实际播种位置以及农田图像进行分析，从而确定作物茎叶位置及杂草位置。
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