农林植物生物特性参数和生长环境信息感知与获取是实现精细农业的重要环节,也是实现变量施肥和精准灌溉的重要依据。本研究利用无线传感器网络技术与先进传感器技术研制了作物叶片表面微环境参数检测系统,并分析了玉米叶片表面微环境参数在单株种植和群体种植下的时空分布规律；运用多光谱技术和先进传感器技术研制了作物冠层光谱反射率检测系统,并分析了不同生育期冬小麦冠层光谱反射率与分蘖数、干物质累积量之间的相关关系并建立了预测模型。此外还分析了,冬小麦在不同生育期不同氮素水平下,冬小麦分蘖数与干物质累积量的变化规律；笔者利用在美国访学的机会,深入调查研究了当前果园收获机械化存在的问题,设计制造了针对苹果机械化收获的振动收获平台,并利用该平台研究了造成苹果碰撞损伤的影响因素。主要研究内容如下：[1]作物叶片表面微环境参数检测系统开发与试验研发了一套作物叶片表面微环境参数检测系统,包括接触式叶表面温度测量节点、叶表面湿度测量节点、非接触式叶表面温度测量节点、PDA手持客户端。所有测量节点与PDA手持客户端之间采用ZigBee无线通讯方式,实现了大田作物叶表面微环境参数的分布式在线测量。系统硬件设计部分主要包括,通讯模块及控制电路设计、接触式测温方案设计与相应传感器选型、非接触式测温方案设计与相应传感器选型、湿度传感器选型、光照传感器选型、传感器混合信号调理电路设计、电源及多级电源转换电路设计、PDA手持终端电路改造。软件部分设计包括,通讯组网流程设计、数据采集及串口操作流程设计、通讯数据包格式规定、传感器输出数据平滑算法设计,最后给出相关软件界面。整套系统还进行了标定试验和通讯可靠性试验等其它性能试验,并给出了各测量节点的线性度、精确度、精密度以及稳定性指标。通过在陕西、山东等地试验,检测系统工作可靠。[2]玉米叶片表面微环境参数时空分布规律研究本部分主要应用自主研发的作物叶片表面微环境检测系统和红外热成像仪对单株种植和群体种植下玉米叶片表面微环境参数的时空分布规律进行研究。单株种植情况下,玉米叶片温度跟随环境温度变化,呈现出先升高后降低的“单峰”曲线,单枚叶片叶脉处温度较叶片温度低0.5℃左右。空间上,单株玉米温度呈现垂直分层现象,即顶层叶片温度小于中层叶片温度小于底层叶片温度。单株玉米叶片表面湿度在供水充足时呈现“减小-增大-减小-增大”的波浪形,而在水胁迫时呈现“盆地“形,这与作物本身生理调节有关。各层叶片叶气温差与叶气湿差变化趋势几乎一致,均随时间变化呈现“波浪形”。群体环境下玉米叶表面温度、湿度、叶气温差、叶气湿差在垂直方向仍呈现分层现象,分布规律与单株玉米类似,但在部分时间节点(如正午)呈现出拐点。在大田空间尺度上,玉米叶片温度呈现出由外及内逐渐升高的趋势,玉米叶片湿度在上午时段呈现由外及内逐渐升高,在下午时段呈现由外及内逐渐降低的趋势,这与叶片蒸腾等生理作用影响有关。本节最后研究了作物叶片电导率与微环境参数及叶片相对含水率的相关关系,证明微环境参数指标可以指示作物是否受水胁迫。[3]基于作物反射光谱特征的冬小麦茎蘖数与干物质累积量研究本部分主要研究了不同施氮水平下冬小麦分蘖数与干物质累积量的变化规律,得出过高或过低施氮均会造成分蘖数下降和干物质累积量下降；研究了冬小麦不同生育期分蘖数变化差异以及分蘖数与9种植被指数之间的相关关系,其中OSAVI(650,850)对返青期分蘖数最为敏感,EVI2(650,850)对起身期分蘖数最为敏感。建立了相关分蘖数预测模型,返青期分蘖数标定模型决定系数RC2为0.85,模型验证决定系数RV2为0.79；起身期分蘖数标定模型决定系数RC2为0.84,模型验证决定系数RV2为0.75；研究了冬小麦不同生育期干物质累积量的变化速率,得出干物质累积量在生育前期累积较慢,起身期至开花期累积速度最大,开花期至成熟期累积速度下降。研究了冬小麦不同生育期干物质累积量与9种植被指数之间的相关关系,其中OSAVI(650,850)对返青期干物质累积量最为敏感,EVI2(650,850)对起身期干物质累积量最为敏感。建立了干物质累积量预测模型,返青期干物质累积量标定模型决定系数RC2为0.6117,模型验证决定系数RV2为0.5885;起身期干物质累积量标定模型决定系数RC2为0.84,模型验证决定系数RV2为0.75。[4]作物冠层光谱反射率检测系统开发与试验介绍了被动式作物冠层光谱反射率检测系统的总体架构、光学通道设计、传感器选型设计、软件设计及在系统应用中存在的问题,然后引出主动式作物冠层光谱反射率检测系统的开发与设计。详细介绍了基于激光光源的主动式作物冠层光谱反射率检测系统的设计思路,系统构架、激光LD选型、一级放大电路、脉冲和展宽电路、中央控制器电路、系统供电电路,并给出软件设计流程图。最后给出检测系统性能试验,通过对比岛津光谱仪、ASD地物光谱仪、SPAD叶绿素计等多种仪器得出检测系统在日光下稳定性较好。[5]苹果振动收获平台与苹果碰伤影响因素研究根据美国华盛顿州苹果机械化收获实际,设计了一种苹果振动收获平台,提出了“减速+分离”是设计思想,通过组合减速棒和海绵挡帘初步实现了降低苹果损伤率的目标；研究了不同平台倾角下苹果损伤率与损伤面积百分比的变化情况,接收平台在0-40°范围内,苹果损伤率呈现先降低后升高的“波谷”趋势,25°为较优解,该角度下苹果各项损伤指标均最低。通过对Gala、 Honeycrisp、GrannySmith三种苹果的田间收获试验证明,平台具有较高的接收效率,通过控制平台倾角+不同组合的减速棒和海绵挡帘可以显著降低苹果的损伤率和损伤面积百分比。同时不同种类苹果在收获平台下的损伤表现有显著差异,这可能与苹果本身的理化性质有关。