科研产出
面向小麦区块链追溯系统的分级监管模型设计与实现
《农业机械学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对现有的农产品溯源系统中数据监管存在的监管单一、权限集中，以及监管过程中隐私泄露等问题，通过研究小麦制粉行业全业务流程特性，设计并构建了面向小麦区块链追溯系统的分级监管模型。该模型以联盟链Hyperledger Fabric为基础构建多链架构，提出了基于密文策略属性加密（CP-ABE）技术的加密隐私密钥传输方法，通过一对多的加密属性设计多个数据监管部门，并在密文中嵌入访问结构实现权限管控。通过理论分析，所提出的分级监管模型能够在满足消费者追溯需求的基础上，实现企业隐私保护、分级授权管控、全流程穿透式实时监管的功能。在安全方面，该模型在控制策略保持不变的情况下，改变需加密密钥的任意一位，生成密文平均变化率为95.5%;在保持密钥不变的前提下，通过改变企业授权访问策略，引起解密私钥平均变化率为75.5%,具有较高的混淆性和安全性。在效率方面，所设计的分级监管模型公开溯源数据平均查询时延为6.67 ms,隐私数据平均解密查询时延为34.45 ms,数据监管平均查询时延为37.78 ms。
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番茄果实次生代谢物对各生育期弱光处理敏感性分析
《农业工程学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：温室弱光制约着番茄生产,选择对弱光敏感性较强的生育期进行阶段性补光是经济可行的干预方式之一.为了探究番茄不同生育期的弱光敏感性,该研究在全人工光型植物工厂中种植番茄"丰收74-560RZ F1",以全生育期1 000 μmol/(m2·s)的光照强度为对照,分别于番茄花期、膨大期、转色期和采收期中的某一时期进行弱光处理(弱光处理的光照强度为160 μmol/(m2·s),同处理其他生育期光照强度均保持1 000 μmol/(m2·s)),通过对番茄风味及品质相关次生代谢物积累的分析阐明番茄品质形成对不同生育期弱光的敏感性.结果表明:1)各生育期弱光处理均降低了番茄果实总黄酮、多酚和番茄红素的含量,其中,花期弱光处理下番茄总黄酮及多酚含量均为处理间最低,分别较对照显著降低了 35%、29%(P<0.05);花期和转色期弱光处理下番茄红素含量均低于其他处理,分别较对照显著降低了 45%和60%(P<0.05);所有处理下番茄果实中番茄红素与总黄酮、多酚含量均呈显著正相关.2)各生育期弱光处理均显著降低了番茄果实中醛类、酮类、酯类、烃类及醇类等挥发性次生代谢物的总数量和总含量(P<0.05),所有处理均为醛类含量最高,醇类含量最低.膨大期弱光处理检测出的挥发性物质总数量最少(为40种,较对照减少9%),花期弱光处理下番茄挥发性物质总含量最低(较对照降低了 28%);其中,花期处理下醛类、酯类及其他类挥发性物质含量均为处理间最低,分别较对照显著降低了 31.7%、64.1%、56.8%;花期和膨大期弱光处理下番茄果实中醇类物质含量均低于其他处理,分别较对照显著降低了 25.3%和28.2%(P<0.05);此外,酯类物质在所有处理之间差异均达到显著水平(P<0.05),说明该类挥发性物质的弱光敏感性较强.研究表明花期弱光胁迫对番茄果实品质和风味相关次生代谢物积累的不良影响最大,较其他生育期而言,番茄花期弱光敏感期更需要采用人工光源进行及时合理的补光以降低损失,而对于花期补光强度及适宜光质需根据补光效果预期及补光成本预算等开展进一步的研究.
关键词： 温室 光照 番茄 番茄红素 弱光 挥发性物质 次生代谢物
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基于彩色空间距离优化的秸秆覆盖率检测算法研究
《农业机械学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：秸秆覆盖率是保护性耕作重要的评价指标之一.针对田间秸秆形态各异、细碎秸秆难以识别的难题,基于机器视觉技术,提出了一种基于K-means和彩色空间距离灰度化方法相结合的田间秸秆覆盖率检测算法.采用彩色空间距离方法对秸秆图像进行预处理,基于K-means算法实现秸秆和土壤背景的分类识别,使用数学形态学腐蚀和膨胀方法对识别后的图像进行处理,降低细碎秸秆对覆盖率的影响,最后计算秸秆图像的覆盖率.2022年10月,通过田间试验对北京小汤山国家精准农业研究示范基地采集的220幅玉米秸秆图像进行了算法验证.试验结果表明,对低秸秆覆盖率(0~30%)图像,识别准确率达到90%;对中等秸秆覆盖率(30%~60%)图像,识别准确 率达到88%;对高秸秆覆盖率(60%以上)图像,识别准确率达到86%;整体秸秆覆盖率分等定级准确度达到98.18%.本研究设计的基于K-means和彩色空间距离灰度化方法相结合的田间秸秆覆盖率检测算法为保护性耕作评价提供了快速检测方法和手段.
关键词： 保护性耕作 秸秆覆盖率 K-means算法 彩色空间距离灰度化
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北京地区大气重金属沉降污染特征与风险评价
《中国环境科学 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了解疫情期间北京大气重金属沉降通量的时空特征以及健康风险水平,于2020～2021年共收集大气降尘样品52组,采用实验室仪器测定样品中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd等6种重金属元素的含量,并计算其沉降通量.结果表明,北京降尘中重金属Cd的平均含量不足10mg/kg,Cr、Ni、Cu、As的平均含量10～100mg/kg,而Zn的平均含量超过了100mg/kg;Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd的含量均超过北京土壤背景值,其超标率分别为93.9%、51.0%、98.0%、100.0%、89.8%和100.0%;北京各重金属元素沉降通量值与全国农业农村加权均值结果相近,显著高于国外发达地区,城区各元素沉降通量低于郊区;地累积指数研究结果表明,各元素的污染水平排序为Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞As＞Ni,其中Cd、Zn元素都在中度和偏中度污染以上,其余元素在轻度污染水平;4个季度13个监测点中Cd元素存在中度危害和很强生态危害,23.1%～76.9%的样品处于中度生态危害;健康风险评价结果表明,降尘中Cr和As对成年人和儿童存在非致癌风险.
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病害胁迫下玉米LAI遥感反演研究
《农业机械学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了在病害发生条件下进行玉米LAI的遥感估算，针对41个不同抗性的玉米自交系品种，通过人工接种方法，获得了不同病害严重程度（1～9级）的LAI数据，同时采集了地面高光谱和无人机多光谱数据，构建了K近邻算法、支持向量机、梯度提升分类树和决策分类树分类模型对病害进行分类，对玉米种质资源抗病性进行了划分。基于不同玉米病害胁迫程度分类结果，采用随机森林回归、梯度提升回归树、极端梯度增强算法、轻量梯度提升机4种机器学习模型对玉米LAI进行反演，讨论了不同模型在病害胁迫下的鲁棒性。研究结果表明，对不同生育期玉米病害程度进行划分，基于地面高光谱识别精度分别为84.72%（梯度提升分类树）、47.67%（支持向量机）、55.05%（K近邻算法）、83.02%（决策分类树）。基于病害分类结果，本文利用无人机多光谱数据估算了不同病情等级胁迫下的玉米LAI。构建了4种集成学习模型对不同病情等级的LAI进行估算，4个LAI反演模型的总体反演精度（rRMSE）分别为：19.11%（梯度提升回归树）、15.94%（轻量梯度提升机）、14.51%（随机森林回归）和15.45%（极端梯度增强算法）。其中极端梯度增强算法对病害胁迫的普适性最好，不同病害等级下的反演精度rRMSE为15.19%（轻微）、17.46%（中等）、9.12%（严重）和9.63%（不抗病）。LAI反演模型普遍在病害早期和中期（病情等级1～7）对玉米LAI估算精度相差不大。但是对病情极其严重的玉米样本，其玉米LAI估算结果精度差异较大，田间不同病情等级胁迫会影响玉米LAI的准确估算。
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不同老化方法对生物炭表面特征及镉吸附能力的影响
《农业工程学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：为明确不同自然环境过程(氧化还原、降雨、光照)对生物炭的老化作用及其对重金属吸附能力的影响,该研究以不同温度(200、500℃)和气氛(O2、N2)下热解的小麦秸秆生物炭为研究对象,采用化学氧化、干湿交替、紫外光照氧化 3种人工老化方法模拟生物炭在自然环境中的老化过程,并分析老化作用对生物炭理化性质及镉(Cd)吸附能力的影响.结果表明:与初始生物炭相比,老化作用使生物炭表面破碎,孔隙结构增多,提高了生物炭比表面积.干湿交替老化使低温生物炭的比表面积增大0.85倍,而经过化学氧化后的低温生物炭、高温生物炭比表面积分别增大8.81、0.37倍.老化过程使生物炭的官能团种类减少,且含氧官能团数量发生不同程度的变化,其中化学氧化使羧基、内酯基等含氧官能团增多,而干湿交替及紫外光照老化主要引起含氧官能团数量的减少.此外,热重分析结果表明化学氧化使低温生物炭热稳定性降低,经过不同方式老化后的高温生物炭热稳定性均增强.化学氧化、紫外光照、干湿交替 3种老化处理均可提高低温类和高温类生物炭的吸附能力,Cd2+吸附量分别提高 498.95%~799.36%、436.10%~768.43%、35.53%~128.10%.因此,生物炭实际应用时需综合考虑其环境过程、特性变化以及目标污染物种类,以促进生物炭环境应用的长远发展.
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毛白杨人工林物候特征和生长对施肥的可塑性响应
《林业科学 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：[目的]明确速生树种物候特征和生长可塑性对施肥的响应机制,为速生丰产林高效养分管理策略的制定提供理论依据.[方法]以我国北方重要速生丰产林树种毛白杨人工林为研究对象,设置了包含 3个施氮量处理(115、230和 345 kg?hm?2a?1)和 1个对照处理(CK;0 kg?hm?2a?1)的施肥试验.试验期间,对不同处理林分的叶面积指数(LAI)、胸径生长速率和生物量进行连续测定,并对不同器官生物量的异速增长关系进行分析.[结果]1)所有施肥处理的叶面积变化规律和胸径生长物候特征均与CK处理相似:毛白杨展叶期为 4月中旬,落叶期为 8月底,5月中旬至 8月林地LAI在 1.60~1.77 m2·m?2 之间,叶面积较稳定.胸径生长起始期为 4月中旬,8月下旬进入枝条封顶期,9月初胸径停止生长,胸径生长节律有明显的"快-慢-快"双峰型生长模式.各施肥处理的胸径生长速率和LAI均大于CK,尤其在生长季后期(8月),胸径生长速率平均比CK处理显著高 71.6%(2011年)和 85.1%(2012年)(P<0.05).2)生物量分配异速分析结果显示:所有处理茎干和胸径的异速方程斜率为 2.4,表明茎干生物量与胸径的生长关系为异速增长,茎干生物量分配比例主要受个体发育的控制而发生改变.施肥能提高茎干生物量分配比例,加速林木个体的发育速度,从而引起了茎干生物量分配的表观变化.CK和施肥处理的叶和地下根系的方程斜率分别为 1.2和 1.0,这表明叶和根系生物量的分配为等速增长.对比发现,施肥处理叶和根系异速方程的常数比CK显著高出 0.4~0.6(P<0.05),这表明当拥有相同根系生物量时,施肥比CK有着更多的叶生物量,使得生物量分配从根向叶转移,即施肥引起了毛白杨叶生物量分配的变化.[结论]在施氮肥条件下,毛白杨的生长表型不仅会发生可塑性变化,而且也会受到个体发育改变的影响,该发现可为"基于植物可塑性响应策略"的速生丰产林高效养分管理技术的制定提供理论依据.
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基于水质-声音-视觉融合的循环水养殖鱼类摄食强度识别
《农业工程学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：在工厂化循环水养殖中,准确识别鱼类摄食强度是实现精准投喂的前提和关键.水质、视觉、声音等单模态数据均可用于评估摄食强度,但单一模态往往具有片面性,难以完全反映全局特征,存在识别精度低、可移植性差等问题.多模态方法通过融合不同模态的特征,可为摄食强度量化提供新的手段.基于此,为融合鱼类摄食中的"水质-声音-视觉"信息,实现高精度的鱼类摄食强度量化,该研究在多模态Transformer(multimodal transformer,MulT)的基础上,提出一种多模态融合的鱼类摄食强度识别算法Fish-MulT.首先,从输入的水质、声音和视觉数据中提取特征向量;其次,利用多模态转移模块(multimodal transfer module,MMTM)对输入的特征向量进行融合,得到3种融合向量;然后对融合向量添加自适应权重并相加,得到融合模态;最后,利用融合模态将MulT算法中各模态分支的跨模态Transformer(cross-modal transformer)从2个优化为1个.试验结果表明,与MulT算法相比,该研究算法的鱼类摄食强度识别准确率由93.30%提高到95.36%,参数量减少38%.与水质、声音和视觉单模态相比,准确率分别提高68.56、21.65和3.61个百分点.可用于制定精准投喂策略,并为开发智能投喂系统提供技术支持.
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在线式玉米单粒种子检测分选装置设计与试验
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对农业生产中种子精选的需求，设计了在线式单粒种子检测分选装置，实现流水线式种子上料、检测和分选。该装置由上料装置、检测单元、分选单元和控制系统组成。上料装置通过两级振动实现籽粒的平铺，配合传输带完成籽粒的单粒化。检测单元由高速工业相机实时获取种子图像，并传送至上位机检测分析。控制系统根据检测结果和种子在图像中的位置，控制分选单元完成分选。利用搭建的装置采集了1 200粒正常种子、1 200粒霉变种子和1 200粒破损种子的图像，使用HALCON软件提取了单粒种子的18个颜色和12个形态特征，通过偏最小二乘判别分析法进行判别分析，分别构建了种子霉变和破损的检测模型，并利用搭建的装置和模型进行了验证试验。试验结果表明：在线式单粒种子检测分选装置分选速率大于300粒/min;其中霉变种子的分选准确率高于95%,破损种子分选的准确率高于89%。
关键词： 玉米种子 种子霉变检测 种子破损检测 种子分选 机器视觉
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基于区块链的农产品质量安全可信溯源系统研究
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：为解决现有农产品质量溯源系统存在的数据中心化存储、数据易篡改和数据信任等问题，以及保障农产品质量安全、维护消费者权益和提高生产企业品牌竞争力，在分析农产品产业链业务流程和区块链关键技术的基础上，设计了农产品可信溯源区块结构，确保农产品溯源数据不可伪造和安全可信；提出了“On-Chain+Off-Chain”农产品质量安全溯源信息协同管理存储策略，解决农产品溯源区块链网络中各节点数据存储压力大、查询效率低和数据爆炸等问题；采用Kafka共识机制实现多主体参与的共识操作，提供实时数据高吞吐量和低延时的处理能力；制定了农产品溯源智能合约规则集和合约触发条件，确保农产品数据的可靠性和溯源平台的公信力；基于Hyperledger Fabric区块链平台研制了农产品质量安全可信溯源系统，并对红茶产品质量安全溯源进行验证分析。结果表明，本文研制的农产品质量安全可信溯源系统，解决了农产品产业链生产、加工和流通多节点之间数据安全和溯源信息真实可信等问题，取得了较好的应用效果。
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