求得到最佳栽培模式。作物个体形状信息，如对紧凑型和平展型玉米通过计算机图象处理方法获得其株型的特征信息，可为育种中合理选择株型提供高效、精确的依据。（2）纹理特征信息的提取纹理特征是指图象中灰度和颜色的二维变化图案是图象中被研究对象所具有的重要特征之一。对于规则的纹理可以用结构的方法进行分析，而对于不规则的纹理则需要用统计的方法进行分析。农业生物大多具有纹理特征，提取生物的纹理特征信息对于鉴别生物种类意义十分重大，是动、植物和微生物分类学新的研究方向。如昆虫翅的纹理特征、真菌孢子表面的纹理特征、高等植物花粉粒外表纹理特征是鉴别昆虫、真菌和植物种类的依据。不同作物、不同栽培方式、不同密度下的农田具有不同的纹理特征，不同的间套作方式也具有不同的纹理特征，不同生育时期的作物冠丛表面也具有不同的纹理特征，提取这些纹理特征可以为研究作物栽培模式提供依据，是作物栽裁培学的一个重要的研究方向。（3）颜色特征信息的提取计算机图象处理技术也可以提取农田作物的颜色特征信息，其颜色特征反映在色度、饱和度和亮度的变化上，不同作物和同种作物的不同品种的颜色特征不同。在不同栽培条件下，栽培密度不同造成透光率不同，作物叶绿素形成造成颜色差异，不同生育阶段作物各个器官的各种色素含量也不相同，这些信息可在彩色图象中反映出来。作物遭受病虫害侵袭后，叶色变化、叶片与植株变形可以通过计算机图象处理方法观测到，从而可以快捷地对农田进行大面积的监测。第三节农田气候信息的采集与处理农田气候一般指距农田地面几米内的空间气候，是各种动物、植物和微生物赖以生存的空间气候。农田气候要素包括太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等，随时间、地点、空间发生变化，对农田作物生长、发育与产量形成影响巨大。采集与处理农田气候信息，以便对农业生态环境进行模拟、调节和控制。一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成农田气候信息采集处理系统以信息采集为主，同时完成相关的处理分析。系统主要在野外使用，要求携带方便，操作简单，在总体设计上多选用以单片机为中心的智能化系统。系统由数据传感器、采集器、单片机输入/输出接口、输入/输出设备等组成为了气候信息的实时采集还需提供年、月、日、星期、时、分、秒的日历硬时钟，同时系统多扩展有串行、并行通信接口，以便与系统机进行数据通信，如图2.3组成，时钟数据采集器接口单片机几1/0接口1/0外设传感器通信接口31
31 求得到最佳栽培模式。作物个体形状信息，如对紧凑型和平展型玉米通过计算机图象 处理方法获得其株型的特征信息，可为育种中合理选择株型提供高效、精确的依据。 （2）纹理特征信息的提取 纹理特征是指图象中灰度和颜色的二维变化图案， 是图象中被研究对象所具有的重要特征之一。对于规则的纹理可以用结构的方法进行 分析，而对于不规则的纹理则需要用统计的方法进行分析。农业生物大多具有纹理特 征，提取生物的纹理特征信息对于鉴别生物种类意义十分重大，是动、植物和微生物 分类学新的研究方向。如昆虫翅的纹理特征、真菌孢子表面的纹理特征、高等植物花 粉粒外表纹理特征是鉴别昆虫、真菌和植物种类的依据。不同作物、不同栽培方式、 不同密度下的农田具有不同的纹理特征，不同的间套作方式也具有不同的纹理特征， 不同生育时期的作物冠丛表面也具有不同的纹理特征，提取这些纹理特征可以为研究 作物栽培模式提供依据，是作物栽培学的一个重要的研究方向。 （3）颜色特征信息的提取 计算机图象处理技术也可以提取农田作物的颜色特 征信息，其颜色特征反映在色度、饱和度和亮度的变化上，不同作物和同种作物的不 同品种的颜色特征不同。在不同栽培条件下，栽培密度不同造成透光率不同，作物叶 绿素形成造成颜色差异，不同生育阶段作物各个器官的各种色素含量也不相同，这些 信息可在彩色图象中反映出来。作物遭受病虫害侵袭后，叶色变化、叶片与植株变形， 可以通过计算机图象处理方法观测到，从而可以快捷地对农田进行大面积的监测。 第三节 农田气候信息的采集与处理 农田气候一般指距农田地面几米内的空间气候，是各种动物、植物和微生物赖以 生存的空间气候。农田气候要素包括太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等，随时 间、地点、空间发生变化，对农田作物生长、发育与产量形成影响巨大。采集与处理 农田气候信息，以便对农业生态环境进行模拟、调节和控制。 一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成 农田气候信息采集处理系统以信息采集为主，同时完成相关的处理分析。系统主 要在野外使用，要求携带方便，操作简单，在总体设计上多选用以单片机为中心的智 能化系统。系统由数据传感器、采集器、单片机输入/输出接口、输入/输出设备等组成， 为了气候信息的实时采集还需提供年、月、日、星期、时、分、秒的日历硬时钟，同 时系统多扩展有串行、并行通信接口，以便与系统机进行数据通信，如图 2.3 组成
图2.3智能化采集处理系统的一般结构二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成农田气候信息采集处理系统是一个功能扩展的单片机应用系统，由气候信息采集输入通道、数据通信输出通道和单片机功能扩展系统3部分组成。（一）信息采集输入通道信息采集输入通道设有CH1～CH16共16个输入通道，由多路开关分时选通，完成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量等气候信息的采集。王壤热通量信息采集设置4个通道CH1CH4，通过CN一160型热流量传感器（以0～2000mV电压信号方式输出）测定土壤热流量（范围一0.2～1.2kw/m），以便了解近地面环境中能量的流动和气候的发展趋势。空气温度信息采集设置2个通道CH5和CH7，利用AD590集成温度传感器测定温度变化（范围一55℃～+150℃）。空气湿度信息采集设置2个通道CH6和CH8，采用干湿球查算法测量相对湿度，湿度查算表存储于计算机中，能自动连续进行采集计算。太阳辐射信息采集设置2个通道（CH6，CH8），辐射能的测量基于辐射的热效应，总辐射表通过热电元件测定温差电动势来计算辐射能。风速信息采集设置2个通道（CH9，CH10），采用三杯风速传感器，利用风速V与风杯线速度u的关系（V=a十bu十cur），测量风杯转轴的脉冲电信号频率确定风速。各种传感器测定的气候信息模拟量由模/数转换器（A/D）转换为数字量，以便与计算机相连接。A/D一般由模拟量输入、采样保持、A/D和总线接口4部分组成，其转换精度和转换时间影响系统的数据采集精度和采样时间。（二）数据通信输出通道采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道，通过RS一232一C串行通信总线（适宜于30m内）和20mA电流环（远距离），将数据送入系统主机，以便对数据作进一步的处理、分析。（三）系统功能扩展为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入输出口以及定时器计数器。（四）农田自动气象站实例图2.4和图2.5分别为澳大利亚MEA自动气象站和英国Delta一T自动气象站（WSO1型），可测量空气和土壤温度、风速及风向、相对湿度、降雨和太阳辐射等气象要素。32
32 图 2.3 智能化采集处理系统的一般结构 二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 农田气候信息采集处理系统是一个功能扩展的单片机应用系统，由气候信息采集 输入通道、数据通信输出通道和单片机功能扩展系统 3 部分组成。 （一）信息采集输入通道 信息采集输入通道设有 CH1～CH16 共 16 个输入通道，由多路开关分时选通，完 成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量等气候信息的采集。土壤 热通量信息采集设置 4 个通道 CH1～CH4，通过 CN－160 型热流量传感器（以 0～ 2000mV 电压信号方式输出）测定土壤热流量（范围－0.2～1.2kw/㎡），以便了解近地 面环境中能量的流动和气候的发展趋势。空气温度信息采集设置 2 个通道 CH5 和 CH7， 利用 AD590 集成温度传感器测定温度变化（范围－55℃～＋150℃）。空气湿度信息采 集设置 2 个通道 CH6 和 CH8，采用干湿球查算法测量相对湿度，湿度查算表存储于计 算机中，能自动连续进行采集计算。太阳辐射信息采集设置 2 个通道（CH6，CH8）， 辐射能的测量基于辐射的热效应，总辐射表通过热电元件测定温差电动势来计算辐射 能。风速信息采集设置 2 个通道（CH9，CH10），采用三杯风速传感器，利用风速 V 与风杯线速度 u 的关系（V=a＋bu＋cu 2），测量风杯转轴的脉冲电信号频率确定风速。 各种传感器测定的气候信息模拟量由模/数转换器（A/D）转换为数字量，以便与 计算机相连接。A/D 一般由模拟量输入、采样保持、A/D 和总线接口 4 部分组成，其 转换精度和转换时间影响系统的数据采集精度和采样时间。 （二）数据通信输出通道 采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道， 通过 RS－232－C 串行通信总线（适宜于 30m 内）和 20mA 电流环（远距离），将数据 送入系统主机，以便对数据作进一步的处理、分析。 （三）系统功能扩展 为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统 外扩展了程序存储器、数据存储器、输入/输出口以及定时器/计数器。 (四)农田自动气象站实例 图 2.4 和图 2.5 分别为澳大利亚 MEA 自动气象站和英国 Delta－T 自动气象站 （WS01 型），可测量空气和土壤温度、风速及风向、相对湿度、降雨和太阳辐射等气 象要素
90白图2.4澳大利亚MEA自动气象站图2.5英国Delta一T自动气象站（WS01）三、农田气候信息采集处理系统应用软件采集处理系统依靠运行程序软件实现信息的自动采集和自动处理，其应用软件系统框图如图2.6所示。程序软件的设计能够应用BASIC语言和汇编语言编程，可以有效的发挥和扩展系统硬件的功能，又可以完善抗干扰措施。应用软件管理程序采集处理程序数据通信程序电处理程序通信采集程序输入输出拨盘时源钟管理控管制电脉显生记电程序理程程示打录存字压冲性线流序性重野重处滤字印储采采采理处波集理华集图2.6应用软件系统框图农田气候采集与处理系统能自动采集和处理辐射量、空气温度、空气湿度、近地面风速以及土壤热通量等多种参数，精度高，操作方便，在小气候综合监测、农业气候预测预报和能量平衡研究方面得到应用。第四节士壤信息的采集与处理33
33 图 2.4 澳大利亚 MEA 自动气象站 图 2.5 英国 Delta－T 自动气象站（WS01） 三、农田气候信息采集处理系统应用软件 采集处理系统依靠运行程序软件实现信息的自动采集和自动处理，其应用软件系 统框图如图 2.6 所示。程序软件的设计能够应用 BASIC 语言和汇编语言编程，可以有 效的发挥和扩展系统硬件的功能，又可以完善抗干扰措施。 图 2.6 应用软件系统框图 农田气候采集与处理系统能自动采集和处理辐射量、空气温度、空气湿度、近地 面风速以及土壤热通量等多种参数，精度高，操作方便，在小气候综合监测、农业气 候预测预报和能量平衡研究方面得到应用。 第四节 土壤信息的采集与处理
土壤信息主要是表征土壤状况和性质的一系列参数，包括土壤质地、结构、有机质含量等，对某一特定土壤而言，这些都是基本固定不变的参数，一般不必多次测定。而诸如土壤含水量、含盐量以及土壤养分含量等，则随时间不断变化，这些信息的采集必须进行动态的多次测定。土壤信息的内容及其采集方法多种多样，下面举例说明。一、土壤水盐含量的电磁监测一一TDR法（一）TDR法的特点时域反射仪TDR（TimeDomainReflectometry）是20世纪80年代初发展起来的一种测定土壤电磁量的方法，首先用于土壤含水量的测定，后来又用于测定土壤含盐量。TDR系统类似一个短波雷达系统，可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况，测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关。（二）TDR系统的设计TDR系统基于电磁测量原理，其主要部件及工作原理如下（图2.7）：1：阶跃脉冲信号产生器：输出幅度稳定、频率可调（20MHz～1GHz）的系列阶跃脉冲信号，通过接收器、标准波导线、阻抗匹配器、平行线，进入波导样品容器，由于波导线终端开路，阶跃脉冲被反射，又返回到接收器。2.接收器：应用脉冲调制技术，将接收到的高频反射脉冲信号变换为低频脉冲信号，送往示波器显示、测量。3.示波器：为TDR系统的显示器并实现脉冲幅度和脉冲延迟时间的测量。4.时间控制电路：输出时标脉冲，控制阶跃脉冲产生器与接收器同步，以便在显示器上显示和测量。5，波导棒：将其理入含有水盐的士壤中，士壤作为电磁脉冲的导电介质。波导棒的尺寸应同电磁脉冲的频率相一致，有利于脉冲终端反射。图象显示示波器4水时间控制盐土?！柱波导线平行线阻抗脉冲接收器波导棒产生器变换②???图2.7TDR系统实验装置示意图（三）TDR监测土壤水盐的原理土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。将长度为L的波导棒插入土壤介质中，电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，由于波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。考察脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。如图2.8所示。34
34 土壤信息主要是表征土壤状况和性质的一系列参数，包括土壤质地、结构、有机 质含量等，对某一特定土壤而言，这些都是基本固定不变的参数，一般不必多次测定。 而诸如土壤含水量、含盐量以及土壤养分含量等，则随时间不断变化，这些信息的采 集必须进行动态的多次测定。土壤信息的内容及其采集方法多种多样，下面举例说明。 一、土壤水盐含量的电磁监测——TDR 法 （一）TDR 法的特点 时域反射仪 TDR（Time Domain Reflectometry）是 20 世纪 80 年代初发展起来的 一种测定土壤电磁量的方法，首先用于土壤含水量的测定，后来又用于测定土壤含盐 量。TDR 系统类似一个短波雷达系统，可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测 土壤水盐状况，测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关。 （二）TDR 系统的设计 TDR 系统基于电磁测量原理，其主要部件及工作原理如下（图 2.7）： 1．阶跃脉冲信号产生器：输出幅度稳定、频率可调（20MHz～1GHz）的系列阶 跃脉冲信号，通过接收器、标准波导线、阻抗匹配器、平行线，进入波导样品容器， 由于波导线终端开路，阶跃脉冲被反射，又返回到接收器。 2．接收器：应用脉冲调制技术，将接收到的高频反射脉冲信号变换为低频脉冲信 号，送往示波器显示、测量。 3．示波器：为 TDR 系统的显示器并实现脉冲幅度和脉冲延迟时间的测量。 4．时间控制电路：输出时标脉冲，控制阶跃脉冲产生器与接收器同步，以便在显 示器上显示和测量。 5．波导棒：将其埋入含有水盐的土壤中，土壤作为电磁脉冲的导电介质。波导棒 的尺寸应同电磁脉冲的频率相一致，有利于脉冲终端反射。 图 2.7 TDR 系统实验装置示意图 （三）TDR 监测土壤水盐的原理 土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。将长度为 L 的波导棒插入土壤介质 中，电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，由于波导棒终端处于开路状态，脉冲 信号受反射又沿波导棒返回到始端。考察脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉 冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。如图 2.8 所示
脉冲输入VT到反射的时间为-VR153815338338252月波导棒图2.8TDR测定原理示意图二、其它土壤湿度监测方法（一）负压计土壤湿度监测系统负压计，又称张力计，以测量王壤负压（张力）来显示王壤水分状况。负压计瓷头埋设于土壤中某一深度后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。负压计结构简单，易于制造，因此使用较为广泛。但负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差。此外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。负压计土壤湿度监测系统是土壤湿度监测系统中较常采用的一种。它以单片机或单板机为基础，以负压计为传感器，通过数/模转换电路、信号放大电路接受由负压传感器转换的土壤湿度信息，并对此进行加工、处理，输出土壤湿度。为了实现多点自动监测，该系统由多路调节器控制磁性耦合开关，使多个主壤湿度传感器巡回监测并输出信息（图2.9）。（二）中子土壤湿度仪中子土壤湿度仪以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来感知土壤水分状况。王壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预设的测量孔某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即可测定不同深度王层的主壤含水量。目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。（三）「透射仪T透射仪利用T射线投射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状况。此种装置在实验室内应用效果较好，可以进行土壤水分自动化和半自动化监测。（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统电阻/电容式土壤湿度监测系统分别采用电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器。前者通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度，测量结果易受王壤盐分影响，且有滞后性。后者根据王壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度，受土壤盐分的影响较小。35
35 图 2.8 TDR 测定原理示意图 二、其它土壤湿度监测方法 （一）负压计土壤湿度监测系统 负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况。负压计瓷 头埋设于土壤中某一深度后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交 换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土 壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。负压计结构简单，易 于制造，因此使用较为广泛。但负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差。此 外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显 著。 负压计土壤湿度监测系统是土壤湿度监测系统中较常采用的一种。它以单片机或 单板机为基础，以负压计为传感器，通过数/模转换电路、信号放大电路接受由负压传 感器转换的土壤湿度信息，并对此进行加工、处理，输出土壤湿度。为了实现多点自 动监测，该系统由多路调节器控制磁性耦合开关，使多个土壤湿度传感器巡回监测并 输出信息（图 2.9）。 （二）中子土壤湿度仪 中子土壤湿度仪以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来 感知土壤水分状况。土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以 将计数器的计数转换为土壤含水量值。中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预 设的测量孔某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即 可测定不同深度土层的土壤含水量。目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化 或半自动化监测仪。 （三）Γ透射仪 Γ透射仪利用Γ射线投射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状况。此种装置在实 验室内应用效果较好，可以进行土壤水分自动化和半自动化监测。 （四）电阻/电容式土壤湿度监测系统 电阻/电容式土壤湿度监测系统分别采用电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿 度传感器。前者通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而 间接求得土壤湿度，测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性。后者根据土壤介电常 数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度，受土壤盐分的影响较小