科研产出
TLBO-ELM模型的番茄灰霉病高光谱潜育期诊断
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：番茄叶片在感染病害后首先发生的是内在生理反应,肉眼无法观察到.叶片从被感染到出现肉眼可见病斑期间,称为叶片病害潜育期.为了实现番茄叶片表面未见明显病斑的灰霉病潜育期诊断,对接种样本进行叶片编码、跟踪、采集所有编码叶片样本1~8d连续高光谱图像数据,建立番茄叶片样本时序高光谱数据集.采用跟踪的叶片样本出现肉眼可见病斑前几天同一位置区域的高光谱数据作为潜育期感兴趣区域进行检测分析.为了建立番茄叶片灰霉病潜育期诊断和不同病斑等级分类模型,采用基于教学优化算法(TLBO)优化极限学习机(ELM)的分类模型进行建模.通过TLBO算法优化ELM的输入权值和隐藏层的偏差,提高模型分类性能.利用高光谱成像系统在近红外高光谱波段388~1006 nm波段获取五个等级的感兴趣区域进行数据建模,共采样213个高光谱数据,其中,健康类(56个)、潜育期类(42个)、小病斑类(43个)、大病斑类(39个)和严重类(33个).通过对比不同的光谱预处理方法,采用效果最好的小波滤波变换(DWT)对样本数据中每类数据分别滤波.DWT滤波后,在610~840 nm波段间五个等级光谱曲线能区分明显,共包含91个波长,波长数量较多.因此,采用竞争性自适应重加权抽样法(CARS)对采用DWT预处理后的光谱数据在610~840 nm波段重复3次优选特征波长,合并去除重复项后得到9个特征波段:694,696,765,767,769,772,778,838和840 nm.最后分别选取全波段FC、610~840 nm波段、C A RS提取的9个特征波段建立3个分类模型FC-TLBO-ELM,DWT-TLBO-ELM,DWT-CARS-TLBO-ELM进行对比,其中DWT-CARS-TLBO-ELM检测精确度最高达100%,潜育期召回率100%,利用时间最短为0.0689 s,表明该模型可以实现番茄灰霉病潜育期高精度诊断和灰霉病病害程度高精度分类,为番茄灰霉病早期防治、精准施药提供理论依据.
关键词： 时序高光谱数据 灰霉病程度分类 潜育期诊断 极限学习机 教学优化算法
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基于Mask R-CNN的番茄植株整枝操作点定位方法
《农业工程学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对工厂化番茄智能化整枝打叶作业需要,研究了基于Mask R-CNN模型的整枝操作点识别定位方法,以期为整枝机器人的精准操作提供依据.鉴于丛生植株中主茎和侧枝茎秆目标随机生长、形态各异,结合植株在不同生长阶段、远近视场尺度和观测视角等条件下的成像特征,构建了温室番茄植株图像样本数据集.采用学习率微调训练方法,对Mask R-CNN预训练模型进行迁移训练,建立了主茎和侧枝像素区域的识别分割模型.在对视场内同株相邻主茎和侧枝目标进行判别基础上,提出基于图像矩特征的茎秆中心线拟合方法.以中心线交点为参考,沿侧枝进行定向偏移,实现对整枝操作点图像坐标的定位.最后,通过测试试验评估该方法对目标识别和定位的效果.试验结果表明,模型对番茄主茎和侧枝目标识别的错误率、精确率和召回率分别为0.12、0.93和0.94,对整枝操作点平均定位偏差与对应主茎像素宽度的比值为0.34,模型对于近景仰视图像中目标的识别和定位效果优于其他视场的图像.该研究可为整枝机器人视觉系统的研发提供技术依据.
关键词： 农业;机器人;番茄整枝;植株茎秆;Mask R-CNN
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生态安全格局视角下村庄用地减量地块识别与分区
《农业工程学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：村庄用地减量地块的科学识别和类型分区是编制村庄规划和建设用地减量规划的基础.该研究以北京市密云区为例,基于土地利用、兴趣点和社会经济统计等多源数据,在构建区域生态安全格局的基础上,从生态安全性、空间稳定性、发展适宜性3个维度,构建村庄用地减量地块识别评价指标体系并对其进行评价,根据评价结果确定减量地块,借助三维魔方图解法对减量地块进行类型划分与分区,并提出减量策略.结果表明:1)密云区生境质量的分布具有明显的区域性聚集分布特征,筛选出生态源地781.65 km2和15条生态廊道,综合构建密云区生态安全格局;2)密云区村庄用地减量地块识别评价分值内部差异较大,空间上呈现出东北高、西南低的特点.通过综合评价法确定密云区减量地块面积789.84 hm2;3)采用三维魔方图解法将村庄用地减量地块划分为近期减量区(生态-空间减量型、生态-发展减量型、空间-发展减量型)、中期减量区(生态安全减量型、空间稳定减量型、发展适宜减量型)、远期减量区(综合减量型)共3区7类减量类型,并对不同类型减量地块提出对应的减量措施.研究结果可以为生态涵养区村庄用地减量地块的识别提供科学依据,并为生态涵养区减量、生态保护和区域可持续发展服务.
关键词： 土地利用 村庄用地 减量 生态安全格局 三维魔方图解法 密云区
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二系杂交小麦混播制种技术研究与利用
《科学通报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：二系杂交小麦技术体系是我国原创的利用不育系实现杂交小麦产业化应用的重要成果,其高效制种技术是杂交小麦产业化发展的核心关键技术,选育高配合力和异交性状优良的不育系与恢复系能够有效提高制种异交结实率和产量.本研究通过2016~2020年间二系杂交小麦相关制种试验,对制种过程中的影响因素和效果进行研究,发现恢复系花粉传播距离、花药大小、花药外露率、花粉量和不育系的开颖角度、柱头外露率等异交生物学性状与异交结实性能有显著相关性;父本花期比母本晚2~3 d能够实现时空协同和生理协同的有效配制.按照父本比例5%对父母本进行混播制种比行比制种产量显著提高28.2%.2019-2021年度,在南阳地区进行规模化混播制种生产效果突出,BS1453/JS1规模化制种产量达到5273.4 kg/hm2,为二系杂交小麦推广应用和产业化提供了理论与技术支撑.
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解冻损失约束下罗非鱼冻结效率控制参数优化研究
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：速冻方式不同对鱼肉温降速率、均匀性以及解冻后品质的影响不同，最佳速冻方式选取已成为行业内提升鱼类速冻效率与维持鱼肉品质的主要方式之一。以罗非鱼为例，结合3D扫描逆向建模与计算流体力学数值模拟等技术直观获取冷风式速冻、氯化钠和氯化钙浸渍速冻方式下罗非鱼温度时空分布规律，并通过与实验值比较验证模拟结果的准确性与可靠性，综合对比分析不同速冻方式对罗非鱼冻结速率、均匀性以及水分流失的影响规律，确定最佳速冻方式并提出优化设计方案。研究结果表明，温度模拟值与实测值最大偏差为1.81℃,最大均方根误差与平均绝对百分比误差分别为1.017℃、18.9%,且冻结过程罗非鱼温度降至-15℃时，3种速冻方式所需冻结时间模拟值与实测值最大相对偏差仅为6.89%。其次，氯化钠和氯化钙两种浸渍速冻方式下罗非鱼冻结速率基本相同，相比冷风式速冻冻结时间约降低73%,冻结均匀性提升10～40倍。两种浸渍速冻方式下罗非鱼解冻后水分流失率仅为3.89%和3.92%,分别比冷风式速冻方式降低10.37%和9.68%左右。最后，提出了一种氯化钠液流化速冻方式优化方案，通过综合考虑冻结速率、均匀性及能耗确定最佳流速为2.5 m/s,且相比鱼体头朝入口水平放置与竖直放置，鱼体背朝入口水平摆放方式的冻结效率最优。
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基于XGBoost与可见-近红外光谱的煤矸识别方法
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：煤矸智能识别是实现综放开采智能化亟待研发的新技术;可见-近红外光谱技术具有环保、实时等优势,满足煤矸智能分选的要求.为解决基于可见-近红外光谱的煤矸识别问题,引入在数据科学竞赛中表现出色的极端梯度提升树(XGBoost)算法.搭建可见-近红外光谱实验平台采集来自山西西铭、陕西神木、内蒙古巴隆图煤矿的块状煤与矸石样品在370~1049 nm波段的反射光谱;利用黑白校正、始末波段去除、SG卷积平滑和标准正态变量变换(SNV)对采集的原始光谱进行预处理,以减少光照不均、噪声以及光程差的影响.依据三个煤矿煤与矸石样品反射光谱的差异划分实验组和测试组,实验组差异微小,用于对比不同模型的性能,挑选最佳算法;测试组差异较明显,用于测试最佳算法在其他煤矿下的表现,检验算法对不同煤矿的适用性.在实验组的实验中,首先基于XGBoost算法建立煤与矸石分类模型,并引入常用的机器学习分类算法k近邻法(KNN)、随机森林(RF)、支持向量机(SVM)做对比,结果表明XGBoost的表现最佳,十折交叉验证的平均准确度(ACC10)、分类准确度(ACC)与AUC值分别达到0.9572,0.9705与0.9716,体现出较强的稳定性与分类能力.其次为降低数据维度减少模型运算量,使用递归特征选择(RFE)、连续投影算法(SPA)与竞争性自适应重加权算法(CARS)分别进行特征波长的选择并与上述四种分类算法结合构建简化分类模型,经测试RFE与XGBoost组合的简化模型表现最佳,ACC10,ACC与AUC值分别为0.9657,0.9803与0.9803且数据维度降至9,在降低数据维度的同时提高了模型的稳定性与分类能力.在测试组的实验中,基于优选出的XGBoost与RFE-XGB算法建立的模型,同样可以实现对其他矿区煤与矸石稳定精确地识别,且简化模型表现更好,与实验组结果一致.
关键词： XGBoost 可见-近红外光谱 煤矸石分选 黑色背景 无损检测
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基于3D视觉的番茄授粉花朵定位方法
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了给设施番茄授粉机器人授粉提供可靠的定位技术，提出了一种基于3D视觉的番茄花朵定位方法。采用RGB-D结构光相机快速获取温室内番茄植株的彩色图和深度图信息，通过YOLO v4 （You only look once）神经网络对植株上番茄花束进行目标检测，并提取出授粉花束在图像中的二维区域；使用主动对齐方式结合PCL进行彩色图像和深度图像的粗对齐，利用区域内色系单视角线性遍历方法对提取的花束区域进行精配准，获得番茄花束的空间高精度点云信息；再使用统计滤波法剔除点云信息离群点后，结合双向均值法计算花束3D box的授粉质心坐标。定位试验结果表明，该方法在温室环境中能成功对花束进行识别定位，神经网络平均检测精度达97.67%,完成单幅图像花束提取时间为14.95 ms,算法获取授粉质心坐标的平均时间约为300 ms。后期在温室内验证，在花束被遮挡小于80%时，算法能够对番茄花朵进行精准定位，并成功执行授粉动作，为番茄授粉机器人提供了一种新的授粉点定位方法。
关键词： 番茄 花束识别 质心定位 授粉机器人 YOLO v4 RGB-D结构光相机
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化学氮肥有机替代条件下黑土DOC荧光光谱特征
《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：有机无机肥配施是实现土壤培肥、减少无机肥施用的有效措施.为探讨黑土区有机肥替代无机肥(氮肥)对土壤溶解性有机碳(DOC)含量及结构的影响,本研究采用有机肥不同比例替代化学氮肥,分析土壤DOC的含量及荧光光谱特征.结果表明,M(100% 有机替代化学氮肥)处理土壤DOC显著高于其他处理,其含量为325.97 mg·kg-1.与CK(不施肥)处理相比,各施肥处理荧光峰各波长均有不同程度蓝移,各处理土壤DOC的荧光指数(FI)分布在1.54~1.59范围内,腐殖化指数(HIX)均小于0.85,表明DOC来源受自生源和陆生源共同作用的影响,土壤腐质化程度均较低.平行因子分析法分析识别出3个荧光组分,分别为2个腐殖质类组分(富里酸类物质和腐殖酸类物质)及1个类蛋白组分(类酪氨酸蛋白质物质).各施肥处理3个组分荧光强度均高于CK处理,其中M和M2 N2(25% 有机替代化学氮肥)处理下土壤DOC总荧光强度较高,C3组分荧光强度以M2 N2处理最高,土壤DOC中3个有机组分的相对比重以荧光组分C1最高,接近50%,表明该地区土壤中小分子物质占有较大比例,施肥能够提高土壤腐质化程度,有利于土壤DOC固定,合理的有机肥配施化学氮肥能增加DOC的有效性,提升土壤供肥能力.
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农业文本语义理解技术综述
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：随着互联网和人工智能技术的发展，农业知识智能化服务逐渐承担起为农业生产管理提供有效技术指导的作用。本文对农业文本语义理解中的关键技术及应用进行综述。首先按照自然语言处理中基于规则、机器学习和深度学习的语义处理方法介绍其在农业领域应用的进展；然后阐述了针对农业知识特性的语义分析方法，涵盖农业文本分析主要过程的储存、表达、计算，包括农业知识图谱的知识抽取、融合、表示、推理，TF-IDF、Word2Vec、BERT等农业文本表示模型与CNN、RNN、Attention等分类模型；阐述了可用于分词、向量化表达等的通用语料库和农业领域常用语料库；从农业智能问答、农业语义检索、农业智能管理决策方面阐述语义理解在农业领域中的应用；最后从农业语料库标准化构建、语义理解模型复杂度、多模态语义处理、多区域多语言语义理解等方面对农业文本的语义理解研究趋势进行了展望。
关键词： 农业知识智能化服务 深度学习 自然语言处理 农业文本 语义理解
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不同预冷方式对甜玉米储藏品质的影响
《食品科学 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：为探究不同预冷方式对甜玉米储藏品质的影响,本研究采用3种预冷方式(冷库预冷、压差预冷和流态冰预冷)处理甜玉米,测定其预冷过程中的温度变化,预冷后将甜玉米储藏于0℃冷库,测定其储藏期间感官品质、色泽、呼吸速率、乙烯产生速率、可溶性固形物(total soluble solid,TSS)质量分数以及可溶性淀粉、可溶性糖、葡萄糖、果糖、蔗糖含量的变化.结果表明,流态冰预冷在储藏期间保鲜效果最佳,其次是压差预冷.流态冰预冷可快速降低甜玉米内部温度,延缓苞叶黄化,保持籽粒色泽,维持其感官品质,抑制甜玉米呼吸和乙烯释放速率;此外,流态冰预冷可以较好地维持甜玉米籽粒TSS质量分数及可溶性淀粉、可溶性糖、葡萄糖、果糖和蔗糖的含量.在储藏第28天时,流态冰预冷组TSS质量分数为13.8%,压差预冷组为13.4%,冷库预冷组为13.1%,流态冰预冷组显著高于其他组(P<0.05),而压差预冷组和冷库预冷组差异不显著(P>0.05);同时,流态冰预冷组的蔗糖含量为120.4mg/g,压差预冷组为118.0 mg/g,而冷库预冷组仅为92.3 mg/g,流态冰预冷处理甜玉米蔗糖含量高于其他两种处理,压差预冷次之,冷库预冷处理蔗糖含量在储藏末期较低,由此可见,流态冰预冷处理可以明显延缓甜玉米储藏品质劣变.综上,本研究为甜玉米预冷方式的选择提供了理论依据.
关键词： 甜玉米 流态冰预冷 压差预冷 冷库预冷 感官品质 营养品质
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