科研产出
基于CT图像和RAUNet-3D的玉米籽粒三维结构测量
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：玉米籽粒构成和精细结构与玉米产量及品质直接相关。本文提出一种基于CT图像的玉米籽粒三维结构自动测量方法，快速提取、统计玉米籽粒成分和结构性状，评估不同玉米品种籽粒间性状差异。首先，利用Micro-CT获取批量玉米籽粒CT图像，通过Watershed算法准确分割出单颗籽粒；进而，设计基于注意力机制RAUNet-3D网络准确提取出籽粒胚；最后，建立自动化玉米籽粒表型管道，计算籽粒、胚、胚乳和空腔的共23项性状，用于玉米籽粒性状分析和品种鉴定。选取4个玉米品种籽粒（登海605、京科968、先正达408和农华5号）共120颗籽粒进行验证，结果表明籽粒CT扫描成像效率提高到1 min/粒，籽粒表型提取效率为10 s/粒，胚分割精度可达93.4%,粒长、粒宽和粒厚的R~2分别为0.902、0.926和0.904,籽粒品种分类精度达90.4%。本文方法实现了玉米籽粒及其胚、胚乳、空腔三维结构无损、快速测量，提取的性状能够表征不同玉米品种籽粒间表型差异，为开展大规模玉米籽粒三维表型鉴定奠定了基础。
关键词： 玉米籽粒 语义分割 三维表型 Micro-CT RAUNet-3D
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基于工程科技视角的乡村治理现代化战略研究
《农业工程学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：乡村治理是国家治理的基石，开展乡村治理现代化战略研究对于明晰中国乡村治理现代化中长期战略部署方向、助力国家治理体系与治理能力现代化具有重要意义。该文立足工程科技创新视角，剖析了乡村治理面临的主要困境及其对工程科技创新的战略需求，详细分析了工程科技赋能中国乡村治理现代化的中长期战略构想、战略路径与政策建议。结果表明，1)现阶段中国乡村治理面临着治理过程碎片化、治理主体不协同、治理方式不科学、治理成本较高昂、治理效率不均衡等问题。2)随着中国进入新的发展阶段，中国乡村治理工程科技取得积极进展，亟需积极发挥工程科技在夯实乡村治理物质基础、提升乡村治理综合效能、精准对接多元主体需求方面的作用，从工程科技战略层面谋划乡村治理现代化的新路子。3)面向2050年，在乡土中国向城镇中国、传统社会向信息社会、全面小康向共同富裕转变进程中，建议聚焦乡村公共服务、公共管理、公共安全、环境治理等乡村治理重要领域和关键环节，推动工程科技与乡村治理深度融合，积极构建起“政策环境支撑、现代科技支撑、工程项目支撑、高素质人才支撑”的乡村治理现代化支撑体系，助力实现党建引领下的乡村自治、德治、法治与智治相融合的现代化治理目标，支撑乡村振兴与共同富裕的实现。4)建议从顶层设计、科技立项、企业经营、农民参与、工程试点、人才支撑等方面推动乡村治理工程科技的落地转化。
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基于K-means聚类和RF算法的葡萄霜霉病检测分级方法
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对自然环境复杂背景下葡萄霜霉病检测分级困难的问题，提出了一种基于语义分割结合K-means聚类和随机森林算法的葡萄霜霉病检测分级方法，实现对葡萄霜霉病快速分级。构建了葡萄霜霉病数据集，采用HRNet v2+OCR网络建立葡萄叶片语义分割模型，提取复杂环境下葡萄叶片；采用K-means聚类算法将葡萄叶片分解为若干子区域图像，并标记少量数据集进行随机森林算法学习，实现葡萄叶片病斑分割与提取；同时在叶片提取和病斑提取过程中，设计一种像素尺寸变换方法，解决图像分辨率引起的精度低问题。基于HRNet v2+OCR网络的葡萄叶片分割模型的准确率为98.45%,平均交并比为97.23%;融合K-means聚类和随机森林(RF)算法的葡萄叶片正面、反面和正反面霜霉病病害分级准确率分别为52.59%、73.08%和63.32%,病害等级误差小于等于2级时的病害分级准确率分别为88.67%、96.97%和92.98%。研究结果表明，基于K-means聚类和随机森林算法的葡萄霜霉病检测分级方法能够准确地分割自然环境复杂背景下的葡萄叶片和葡萄霜霉病病斑，并实现葡萄霜霉病分级，为葡萄霜霉病精准防治提供了方法和模型支持。
关键词： 葡萄霜霉病 病害分级 K-means聚类 随机森林算法 HRNet v2 OCR
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光催化自清洁表面增强拉曼光谱基底用于食品污染物可循环检测的研究进展
《食品科学 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一种新兴的超灵敏分析技术,在食品安全、环境监测和临床诊断等多个领域都有应用前景.然而,传统SERS检测以金或银的贵金属纳米材料为活性基底,存在均一性和稳定较差、成本较高的问题.通过将SERS与光催化技术联用,以半导体-贵金属复合纳米材料为基底,可改善检测结果的稳定性和批次间差异性,有效降低成本.同时,利用材料的光催化降解功能可达到消除污染物和循环使用基底的目的.本文重点介绍近期光催化自清洁SERS基底用于食品污染物可循环检测的研究进展,包括无机/有机半导体-贵金属复合SERS基底的制备方法、优势和不足,及其在农药、非法添加剂和抗生素等食品中典型污染物检测和消除中的应用,最后总结了该领域现存的挑战和未来的发展趋势.
关键词： 表面增强拉曼光谱 光催化降解 食品污染物检测 半导体-贵金属杂化纳米材料
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2000~2018年我国大气重金属沉降通量时空变化特征
《环境科学 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：大气沉降物中的重金属对土壤环境的影响不容忽视.为研究我国大气重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)沉降通量现状及时空变化特征,基于中国知网和Web of Science数据库收集了 2001~2021年公开发表的大气重金属沉降通量文献99篇,各重金属元素监测点718~1 672个.采用Meta-analysis方法计算中国大气重金属沉降通量加权均值,运用亚组分析法研究了 2000~2018年不同时期大气沉降通量时空变化,对比分析了农业农村区、城市区和工业区等不同类型区的组间差异.结果表明,我国大气重金属年沉降通量[mg·(m2·a)-1]为:Zn(96.75)>Pb(23.37)>Cu(12.77)>Cr(11.04)>Ni(6.61)>As(2.97)>Cd(0.48)>Hg(0.05),2000~2018年沉降通量总体估计值高于1995~1998年英国乡村地区;工业区和城市区的沉降通量显著高于农业农村区,工业区大气重金属污染较为严重;长株潭地区As和Cd的沉降通量较高,东北地区、珠三角和华北平原大气重金属沉降通量较其它区域严重;近20年来Cd的年沉降通量均值在总体均值附近波动,无明显下降趋势;其中,城市区和农业农村区的Cd沉降通量呈增加趋势.本文建议结合区域产业结构特征建立分级分类分区的大气排放精准治理和风险管控措施,针对当前大气Cd沉降通量较大的问题实行更加严格的限制性措施.
关键词： 重金属 大气沉降 Meta-analysis方法 时空变化 沉降通量
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内蒙古草原植被覆盖度时空格局变化及驱动因素分析
《农业工程学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是定量反映植被生长状况的重要参数,对水土保持、防风固沙等生态系统功能具有重要影响,多被用于监测植被长时间序列变化特征.为系统分析近20年内蒙古草原及不同类型植被FVC时空格局变化及其驱动因素,该研究基于MOD13Q1产品,首先采用像元二分模型反演构建2001—2020年内蒙古草原逐年FVC数据集,随后利用Sen+Mann-Kendall趋势分析探究内蒙古草原植被时空分布与变化特征,最后通过相关性分析和地理探测器方法分析内蒙古草原FVC对气候因子和社会经济因子的响应机制.结果表明:内蒙古草原FVC呈"东高西低"地带性空间分布特征,多年均值为0.44;不同草原类型FVC之间存在明显差异,草甸草原FVC(0.70)最高,草甸FVC(0.64)略低于草甸草原,典型草原FVC(0.41)次之,荒漠草原FVC(0.13)最低;内蒙古草原植被状态近20年来整体向好,FVC呈增长趋势的草原面积占77.96%,其中15.21%的草原区域显著改善,毛乌素沙地和科尔沁沙地最具代表性;内蒙古草原FVC与年降水(Mean Annual Precipitation,MAP)呈显著正相关区域面积占比为55.85%,在5个因子中,MAP的q值最大,为0.66,降水是驱动内蒙古草原FVC变化的主要气候因子.该研究揭示了内蒙古草原及不同类型植被FVC时空格局变化及其对气候和社会经济因子的响应,能够为评估内蒙古草原生态环境状况,治理退化、沙化草原提供借鉴和参考,为制定草原生态修复策略和实现草原可持续发展提供科学依据.
关键词： 植被 模型 植被覆盖度 时空特征 驱动因素 内蒙古草原
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小波分析的茶鲜叶全氮含量高光谱监测
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：茶是世界上最受欢迎的饮料之一,而氮素(N)是影响茶叶品质的主要成分之一,因此快速准确地估算N素含量至关重要.由于测定N含量的化学方法繁琐耗时,利用高光谱对茶鲜叶中N含量进行预测,利用连续小波转换(CWT)提取的小波系数,探究CWT不同分解层数对于N素含量的估测能力,并讨论了不同波长选择算法所建模型的预测效果.首先,采集广东省英德市茶园的151个茶鲜叶样品高光谱数据,将获得的原始光谱通过卷积平滑(SG)、去趋势(Detrending)、一阶导数(1st)、多元散射校正(MSC)和标准正态变量变换(SNV)五种预处理方法进行预处理并作为参考.其次,采用连续小波对原始光谱进行初步处理生成多尺度小波系数,并进行相关性分析,分别利用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应加权采样法(CARS)和变量组合集群分析(VCPA)方法进一步优化CWT变换后光谱数据的变量空间,最后,以特征变量为输入使用PLSR建立了N素定量监测模型,并对比不同尺度不同方法估算N素的效果.结果表明,连续小波分析方法可有效提升茶鲜叶光谱对N素含量的估测能力,明显优于常规光谱处理方法.经连续小波分解后,对茶鲜叶N素的预测能力随分解尺度的增加整体呈逐步降低的趋势,其中在1~6尺度连续小波变换后的光谱与茶鲜叶N素存在良好的相关性,表明小尺度的连续小波分解可有效应用于茶鲜叶N含量的监测.基于CWT(1)-VCPA方法建立的模型精度最高,且变量数相比于全波段减少了99.34%,其建模与预测R2达到0.95和0.90,相比于传统光谱处理方法,精度提升了11%,证明CWT-VCPA可以有效降低光谱维度并大幅提升模型精度.实现了茶叶N素含量的高效量化预测,为评估茶叶的其他成分提供了可靠技术参考.
关键词： 茶鲜叶 氮素 连续小波变换 高光谱 变量组合集群分析
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基于高光谱与集成学习的单粒玉米种子水分检测模型
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：为建立单粒玉米种子水分含量的高精度检测模型，制备了80份不同水分含量的玉米种子样本。针对玉米种胚朝上和种胚朝下分别进行高光谱反射图像采集，每份样本取样100粒，波长范围为968.05～2 575.05 nm。采用PCA快速提取单粒种子光谱，经多元散射校正预处理后，分别采用随机森林(RF)和AdaBoost算法建立单粒种子水分检测模型，并集成两种算法特征提出基于加权策略的改进RF用于单粒种子水分含量建模。利用单粒玉米种子胚朝上的光谱信息建立的改进RF模型训练集相关系数R为0.969,训练集均方根误差(RMSEC)为0.094%,测试集R为0.881,测试集均方根误差(RMSEP)为0.404%;利用单粒玉米种子胚朝下的光谱信息建立的改进RF模型训练集R为0.966,RMSEC为0.100%,测试集R为0.793,RMSEP为0.544%。实验结果表明：改进RF的泛化能力和预测精度明显优于RF和AdaBoost算法；种胚朝上的单粒玉米种子水分含量检测模型优于种胚朝下的模型。高光谱检测技术结合集成学习算法建立的玉米种子水分检测模型预测精度高，稳健性好。
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基于多语义特征的农业短文本匹配技术
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：“中国农技推广APP”农业问答社区存在提问数据量大、规范性差、涉及面广、噪声多、特征稀疏等影响文本语义匹配的问题，为了改善农业提问数据相似性判断的性能，提出了融合多语义特征的文本匹配模型Co＿BiLSTM＿CNN,从深度语义、词语共现、最大匹配度3个层面提取短文本特征，并利用共享参数的孪生网络结构，分别运用双向长短期记忆网络、卷积神经网络和密集连接网络构建文本匹配模型。试验结果表明，该模型可以更全面提取文本特征，文本相似性判断的正确率达94.15%,与其他6种模型相比，文本匹配效果优势明显。
关键词： 农业短文本匹配 多语义特征 词语共现 双向长短期记忆网络 卷积神经网络
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基于改进YOLOV5s网络的奶牛多尺度行为识别方法
《农业工程学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：奶牛站立、喝水、行走、躺卧等日常行为与其生理健康密切相关,高效准确识别奶牛行为对及时掌握奶牛健康状况,提高养殖场经济效益具有重要意义.针对群体养殖环境下奶牛行为数据中,场景复杂、目标尺度变化大、奶牛行为多样等对行为识别造成的干扰,该研究提出一种改进YOLOV5s奶牛多尺度行为识别方法.该方法在骨干网络顶层引入基于通道的Transformer注意力机制使模型关注奶牛目标区域,同时增加路径聚合结构的支路与检测器获取奶牛行为图像的底层细节特征,并引入SE(Squeeze-and-Excitation Networks)注意力机制优化检测器,构建SEPH(SE Prediction Head)识别重要特征,提高奶牛多尺度行为识别能力.试验验证改进后的奶牛行为识别模型在无权重激增的同时,多尺度目标识别结果的平均精度均值较YOLOV5s提高1.2个百分点,尤其是对奶牛行走识别结果的平均精度4.9个百分点,研究结果为群体养殖环境下,全天实时监测奶牛行为提供参考.
关键词： 机器视觉 图像识别 奶牛行为识别 YOLOV5s Transformer 多尺度 注意力机制
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