科研产出
利用无人机高光谱估算冬小麦叶绿素含量
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：叶绿素含量(SPAD)是作物长势评价的重要指标,可以监测农作物的生长状况,对农业管理至关重要,因此快速、准确地估算SPAD具有重要意义.以冬小麦为研究对象,利用无人机高光谱获取了拔节期、挑旗期和开花期的影像数据,获取植被指数和红边参数,研究植被指数与红边参数估算SPAD的能力.先将植被指数与红边参数分别与不同生育期的SPAD进行相关性分析,再基于植被指数、植被指数结合红边参数,通过偏最小二乘回归(PLSR)方法估算SPAD,最后制作SPAD分布图验证模型的有效性.结果表明,(1)大部分植被指数与红边参数在3个主要生育期与SPAD相关性均达到极显著水平(0.01显著);(2)单个植被指数构建的SPAD估算模型中,LCI表现最好(R2=0.56,RMSE=2.96,NRMSE=8.14%),红边参数中Dr/Drmin表现最好(R2=0.49,RMSE=3.18,NRMSE=8.76%);(3)基于植被指数结合红边参数构建的SPAD估算模型效果最佳,优于仅基于植被指数构建的SPAD估算模型,同时,随着生育期推移,两种模型均在开花期达到最高精度,R2分别为0.73和0.78,RMSE分别为2.49和2.22,NRMSE分别为5.57% 和4.95%.因此,基于植被指数结合红边参数,并使用PLSR方法可以更好地估算SPAD,可以为基于无人机遥感的SPAD监测提供一种新的方法,也可为农业管理提供参考.
关键词： 冬小麦 叶绿素含量 植被指数 红边参数 偏最小二乘回归
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交替光谱辐照对叶用莴苣营养元素水平的影响
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：在人工光型植物工厂中采用深液流水培法栽培叶用莴苣,依托光谱时空分布可精准调控的智能LED光源系统,应用电感耦合等离子体原子发射光谱技术(ICP-AES),研究了5 min,10 min,15 min,30 min,60 min,2 h,4 h和8 h等不同间隔的红、蓝光谱交替照射对叶用莴苣中K,P,Ca,M g,Fe,M n,Zn和Cu等8种营养元素吸收和累积的影响.结果表明:(1)与同时照射模式相比,所有的交替光谱处理均显著提高了叶用莴苣地上部生物量,其中鲜重提高幅度约为18.6% ~67.4%,干重提高幅度约为5.1% ~88.0%;所有的交替红蓝光谱照射下叶用莴苣体内Mg,Fe和Zn元素的植株累积量均得到显著(p<0.05)地提高;所有的红蓝交替光谱辐射处理均不同程度地降低了叶用莴苣植株中Ca元素含量.(2)间隔为5 min的红蓝交替光谱辐射下莴苣植株Fe元素含量显著高于其他任意处理,较其他处理增加了38.87% ~85.37%,高频次的红蓝光切换照射刺激了叶用莴苣植株对Fe元素的吸收.(3)红蓝交替光谱辐射有利于提高叶用莴苣的能量利用效率,与红蓝同时供光的RB处理相比,所有交替处理均显著提高了叶用莴苣的光、电能利用率,提高幅度分别约为34.3% ~87.5% 和34.6% ~87.9%;其中,间隔为4 h的红蓝交替光谱辐射下叶用莴苣植株的光、电能利用率均最大,分别为6.13% 和2.01%,除间隔为5和10 min的红蓝交替光谱辐射处理外的其他交替光谱处理下的植株光、电能利用率均与处理间最大值无显著性差异.(4)叶用莴苣对K和M g两种元素的吸收在红蓝光交替间隔为10 min,15 min,60 min及4 h等多个处理下呈现拮抗现象.(5)R/B(30 m)处理下叶用莴苣中P,Ca,Fe和Mn等四种元素的含量水平均呈现处理间最低水平,其中P和Ca元素含量水平显著低于对照.
关键词： 交替光谱 非连续光谱 ICP-AES技术 叶用莴苣 营养元素
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对比变分自编码器的近红外光谱测量及其在液态样品检测中的应用
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：近红外光谱是热门的食品检测方法之一,对于这种高维光谱数据的分析常常需采用数据降维算法提取其中的特征,然而绝大多数算法都只能针对单个数据集进行分析.虽然已有基于对比学习的对比主成分分析成功应用于不同水果表面农残的近红外光谱检测中,但是该方法只能以线性的方式组合原有特征,特征提取效果存在局限性,并且需要调节对比参数来控制背景集影响,需要消耗更大的时间成本.cV A E(contrastive variational autoencoder)是一种基于对比学习和变分自编码器的改进算法,被用于图像去噪和RNA序列分析中,它仍然具备分析多个数据集的特点,同时因为组合了神经网络的概率生成模型而具备了提取非线性隐含特征的能力.将cV A E算法应用于近红外光谱分析,建立了准确的近红外光谱数据降维模型.在实际验证中,使用cV A E算法对购买的不同品牌和批次纯牛奶中掺假三聚氰胺进行检测.结果表明,使用VAE算法只能区分出不同品牌和批次的纯牛奶,而其中是否掺假三聚氰胺这一重要信息无法表现出来;而使用cV A E算法进行数据分析时,由于添加了背景数据集分离了无关变量,能够清晰的将有无掺假三聚氰胺的样本分类.这说明了,cVAE不仅具备了cPCA(contrastive principle component analysis)在近红外光谱数据降维中的优势,而且具备提取非线性特征的能力,同时不需要调节可变参数,能够更方便地建立近红外光谱降维模型.
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夏季奶牛场生物气溶胶分布规律与环境影响因子研究
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：为探究典型季节下的奶牛场生物气溶胶的分布规律和多元环境因子对其影响程度,对天津市某规模化奶牛场生物气溶胶、环境参数进行连续采集,分析了夏季奶牛场生物气溶胶浓度和载体粒径的时空分布规律,同时筛选出对其浓度具有重要影响的环境因子.结果表明,在空间分布上,牛场近地面1 m高度处的生物气溶胶浓度显著高于近地面4 m高度处浓度(P<0.01).在粒径分布上,各采样点的分布规律无显著差异(P>0.05),不同粒径粒子所占比例接近且存在粒径越小所占比例越小的趋势,粒径大于2.1 μm的粒子约占总数的80%.运用随机森林模型得到了 10个影响因子对生物气溶胶浓度的影响程度,其中风向(WD)、温度(T)、紫外辐射强度(UV)、悬浮颗粒物浓度(PM100)等对浓度影响较大.为进一步探究影响因子之间的关系,通过层聚类的方法分析各影响因素之间的共线性关系,发现PM10、PM1与PM2.5之间以及UV与GHI之间具有强共线性关系,可以去除强共线性影响因子,保留组内一种环境因子为代表.以节约采集成本.本研究可为国内牛场空气环境污染排放测定提供参考.
关键词： 生物气溶胶 时空分布规律 浓度预测模型 环境因子影响程度
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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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