科研产出
基于无人机高光谱遥感数据的冬小麦产量估算
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了准确和高效地预测作物产量,以冬小麦为研究对象,利用无人机遥感平台搭载高光谱相机,获取了冬小麦各生育期的无人机影像.根据高光谱具有较多的光谱信息且存在特有的红边区域的特点,选取了9种植被指数和5种红边参数.首先,分析植被指数和红边参数与产量的相关性,优选5种植被指数和2种红边参数用于构建产量估算模型;然后,构建了不同生育期的3种产量估算模型:单参数线性回归模型、基于植被指数并使用偏最小二乘回归方法模型、基于植被指数结合红边参数并使用偏最小二乘回归方法模型;最后利用3种模型分别估算冬小麦产量.结果表明:4个生育期内,大部分植被指数和红边参数与产量呈现极显著相关性;拔节期、挑旗期、开花期与灌浆期构建的单参数线性回归模型中表现最佳的参数分别为REP、Dr/Drmin、GNDVI与GNDVI;利用偏最小二乘回归方法提高了产量估算精度,以植被指数结合红边参数为因子构建的模型提高了产量估算效果(优于以植被指数为因子构建的产量模型).本研究可为无人机高光谱估算作物产量提供参考.
关键词： 冬小麦 产量 无人机高光谱 遥感 估算 偏最小二乘
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基于U-Net网络和无人机影像的松材线虫病变色木识别
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：松材线虫病是由松墨天牛等媒介昆虫快速传播的一种针对松树的毁灭性流行病。及时对染病变色木进行识别、定位,并砍伐清除是当前控制该病扩散蔓延的主要手段。该研究使用无人机航拍获取大区域染病松林可见光影像,结合深度学习分割网络U-Net开展染病松材变色木图像分割研究。使用制作的样本数据训练U-Net网络,得到训练精度和验证精度分别为98.74%和97.76%。使用混淆矩阵评估U-Net网络分割精度,表明变色木图像分割的用户精度和生产者精度分别达到93.51%和97.30%,误报率6.49%,漏报率2.70%。总体上,U-Net网络变色木识别精度95.17%,Kappa系数0.90,达到较高精度。U-Net分割网络运用于松材线虫病变色木图像识别较随机森林方法能更有效地降低误报,减少分割噪音。
关键词： 无人机 图像处理 病害 松材线虫 变色木 图像分割
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有机基质臭氧消毒设备设计与试验
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为实现有机基质的绿色、高效消毒,设计了有机基质臭氧消毒设备.基于离散元软件EDEM建立了有机基质颗粒模型,根据有机质物料输送及抛撒动力学特性与臭氧消毒工艺流程,利用Solid Works软件构建了有机基质臭氧消毒设备结构模型,并对两种模型进行接触参数标定.以有机基质倾尽角为评价指标,以抄板弯折角、转筒转速、填充率为试验因素,进行了三因素五水平正交旋转组合仿真试验.根据仿真结果,利用Design-Expert软件回归分析法建立倾尽角回归数学模型,对有机基质臭氧消毒设备模型中的抄板弯折角、转筒转速、填充率进行了参数优化与试验验证.结果表明,在各因素取值范围内,抄板弯折角对有机基质倾尽角影响极显著,转筒转速对倾尽角影响显著,填充率对倾尽角影响不显著;有机基质臭氧消毒装置最优作业参数组合为:抄板弯折角124.23°、转筒转速6.29 r/min,此时物料倾尽角仿真值为89.3°.臭氧消毒灭菌性能试验验证结果为:臭氧初始质量浓度64.2 mg/m~3,消毒60 min后,细菌灭菌率88.9%,真菌灭菌率97.9%,能够满足有机基质消毒生产要求.
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多尺度遥感产品在太行山绿化工程中的适用性分析
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了评估不同尺度遥感产品在重大林业工程中的适用性,该研究以北京市太行山绿化工程为例,基于2017年多尺度遥感产品MCD12Q1、NLCD-China和FROMGLC10,构建面积偏差系数和均方根误差评价森林面积估算差异性,定量评估不同遥感产品森林的分类精度、空间一致性并分析潜在原因,计算多尺度遥感产品在太行山绿化工程中的优先级指数。结果表明,1)太行山绿化工程整体来看,FROMGLC10遥感产品的适用性要优于NLCD-China和MCD12Q1;2)区县层面上3种不同尺度遥感产品适用性存在差异;3)森林分类的定义、数据源及时相选择、空间分辨率和分类方法是遥感产品适用性选择的制约因素。该研究为北京市太行山绿化工程实时监测、定量评估与资源核算工作的数据选择提供理论支持。
关键词： 林业 遥感 监测 面积偏差系数 精度评价 空间一致性 优先级指数
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基于高光谱技术建筑反射隔热涂料厚度检测技术的研究
《光谱学与光谱分析 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：作为一类新型建筑涂料,反射隔热涂料凭借其节能、环保等优势已广泛应用于建筑的施工建设;建筑反射隔热涂料性能的高、低直接影响建筑节能、环保性能的优劣,且对建筑室内环境具有较大影响.建筑反射隔热涂料主要通过对太阳辐射(可见光-近红外)与建筑辐射(热红外)的反射、吸收等作用实现其节能、环保作用.对于特定建筑反射隔热涂料,其与光的相互作用主要取决于涂料的施工参量,如涂料施工厚度.利用高光谱技术定量分析建筑反射隔热涂料的反射、吸收特性,研究涂料施工参量(厚度)对建筑反射隔热涂料性能的影响规律,为涂料施工检测提供科学技术支撑.研究借助高光谱技术,测定涂料不同施工厚度的光谱数据,分析涂料光谱特征随施工厚度增加的演变规律,研究可表征涂料施工厚度的涂料指数,并将涂料光谱数据及由其构建的涂料指数分别与涂料厚度进行相关性分析,提取并筛选对涂料施工厚度敏感的指标,构建涂料施工厚度检测模型,探寻适用于涂料施工厚度检测的方法.研究表明:(1)位于420~1 070 nm区间的光谱数据对0.1~2.5 mm的涂料厚度较为敏感且其与涂料施工厚度的相关系数r均较高且相对稳定,表明该光谱区间对涂料厚度的敏感性较好,可用于涂料厚度的检测;(2)与原始光谱相比,涂料指数可有效提升光谱对涂料厚度的敏感性,在5类涂料指数中由484和479 nm构建的RCI指数是表征涂料厚度的最佳参量;(3)在5类涂料指数中,基于RCI指数构建的涂料厚度检测模型的精度最高,为最优模型,其R~2=0.973, RMSE=0.185, RPD=4.018.
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基于Faster R-CNN的松材线虫病受害木识别与定位
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：松材线虫病是一种毁灭性松树传染病,其传播速度快、发病时间短、致病力强,及时发现、确定受害木的位置,并采取安全处理措施是目前控制松材线虫病蔓延的有效手段.本文通过小型无人机搭载可见光RGB数码相机获取超高空间分辨率影像,采用Faster R-CNN目标检测算法实现对染病变色松树的自动识别,与传统受害木识别方法不同,本文考虑了其他枯死树和红色阔叶树对受害木识别的影响.实验结果表明,根据受害木的冠幅大小修改区域生成网络中的锚框(anchor)尺寸,并考虑其他枯死树和红色阔叶树的影响,有利于提高受害木识别效果和检测精度.改进后受害木识别总体精度从75.64%提高到82.42%,提高了6.78个百分点,能够满足森林防护人员对受害木定位处理的需求.通过坐标转换的方式得到受害木的精确位置信息与空间分布情况,结合点位合并过程,最终正确定位出494棵受害木.本文通过无人机遥感结合目标检测算法能监测松材线虫病的发生和获取受害木的分布情况,可为松材线虫病的防控提供技术支持.
关键词： 松材线虫病 无人机影像 Faster R-CNN 目标识别 定位
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基于云原生技术的土壤墒情监测系统设计与应用
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：该研究针对全中国尺度的土壤墒情监测需求,构建基于自动监测站原位监测与多源专题数据的土壤墒情数据获取感知技术体系,提出数据质量控制清洗策略并建立数据校正插补模型.系统基于云原生技术设计,将模块以微服务形式灵活开发部署,通过容器技术打包运行独立实例,布设了墒情数据上报采集、可视化分析和数据挖掘应用等核心模块.依托空间分析和WebGL技术开发3D WebGIS数据分析功能模块,实现协同土壤墒情、土地利用、海拔高程等多源数据可视化分析与制图,深入挖掘数据价值,实现墒情估算和基于水量平衡的灌溉决策应用服务.系统已在中国21个省份得到应用,建立自动监测站970个,采集监测数据6000余万条,为用户掌握土壤墒情现状、指导农业节水灌溉、获取可靠科研数据等应用提供数据与技术服务.
关键词： 土壤墒情 监测 系统设计 数据感知 WebGIS 深度学习
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便携式茶鲜叶品质光谱检测装置研制
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：品质监测对茶鲜叶适时采摘和茶叶加工品控具有重要意义.该研究基于可见/近红外光谱技术,研发了便携式茶鲜叶品质无损检测装置.该装置分为主机和手柄2部分,主机大小约240 mm×250 mm×240 mm,包括光谱仪、光源、可充电锂电池、稳压板和散热风扇;手柄大小约130 mm×100 mm×30 mm,包括光纤探头、金属灯杯、白参考板和外触发按钮.基于该设备,采集了茶鲜叶500~900 nm范围内可见/近红外漫反射光谱,对比了归一化(Normalize,NOR)、一阶导数(First Derivative,FD)、标准正态变量变换(Standard Normal Variable Transformation,SNV)和概率商归一化(Probabilistic Quotient Normalization,PQNOR)等不同光谱预处理方法对茶叶光谱的处理结果,建立了茶鲜叶干物质含量、水浸出物含量、茶多酚含量的偏最小二乘定量预测模型.结果表明,PQNOR预处理后建立的偏最小二乘预测模型精度最好,干物质、水浸出物和茶多酚含量预测模型在验证集的相关系数分别为0.905、0.896和0.747,均方根误差分别为0.860%、0.559%和0.549%.在茶园对装置的精度进行了现场测试,单片茶鲜叶检测时间约为1 s,干物质、水浸出物和茶多酚含量预测值与测量值的均方根误差分别为0.903%、0.634%和0.551%.该装置可以实现茶鲜叶光谱原位采集和干物质含量、水浸出物、茶多酚的定量分析,对及时掌握茶树生长情况、辅助决策采茶方案和保障茶叶品质具有重要作用.
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基于稳定同位素与稀土元素指纹特征的大桃产地判别分析
《食品科学 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：研究建立大桃产地判别技术,为保护地理标志产品、追溯原产地来源提供理论依据。本研究采集河北省顺平县、乐亭县、永清县和北京市平谷区共4个产地的92份普通大桃样品,利用元素分析-稳定同位素质谱仪测定大桃中稳定性碳、氮、氢、氧同位素比值,利用电感耦合等离子体质谱仪测定16种稀土元素含量,结合多重比较分析和一般判别分析建立大桃的产地判别模型。多重比较分析结果表明,平谷大桃的氮同位素与其他产地差异显著(P<0.05),平谷、顺平丘陵山区与乐亭县大桃的碳同位素比值差异显著(P<0.05),稀土元素铈、铕、钆和铒含量的地域分布差异最为明显;根据多重比较分析结果,将4种稳定同位素(δ~(13)C、δ~(15)N、δ~2H和δ~(18)O)结合8种稀土元素作为变量(钇、铈、铕、钐、镨、钕、钆和铒)进行一般判别分析,确定3个具有显著相关性(P<0.05)的判别函数,以此建立的判别模型对不同产地的大桃原始样本回代检验和交叉检验的整体正确判别率分别为97.8%和95.7%。利用稳定同位素和稀土元素指纹特征结合化学计量学方法对小空间尺度下的大桃产地判别具有可行性。
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畜舍自然通风理论分析与通风量估算
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：自然通风畜舍通常为大开口建筑,由于开口处的风速和压力分布不均匀,受外界环境影响大,难以确定进风口和出风口的位置,因此,自然通风畜舍通风量的估算值存在很大的不确定度.该研究通过分析通风量关键影响因素、对比不同估算方法结果差异、归纳提高估算准确度的方法,对自然通风畜舍通风理论与通风量估算研究进展进行综述,提出了现有研究的不足和需要进一步完善的内容.自然通风量可以通过压差法、风速法和CFD数值模拟法等直接估算或通过热平衡法、水汽平衡法、CO2平衡法和示踪气体法间接估算.不同通风量测算方法之间的结果差异在10%~300%之间,估算准确度受开口流量系数、风压系数、动物产热量和产湿量、传感器布置位置等因素的影响,同时使用多种方法进行通风量测算有助于评估测算结果的准确度.CO2平衡法在实测中应用最为广泛,测算结果相对稳定,但需要规范测试布点和计算取值方法,提高舍内CO2产生量测算的准确度.水汽平衡法在实测中有一定的应用潜力,也需要提高畜舍水汽产生量的测算准确度,建立动态估算方法.自然通风量尚无准确又无争议的测算方法,现有通风量测算方法更适用于畜舍建筑通风设计,缺乏可以实时、动态调节畜舍通风量或通风口面积的测算方法,生产应用中还需要完善现有方法或建立新的测算方法用以直接、有效地指导自然通风量的调控.
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