科研产出
基于卷积神经网络的生菜多光谱图像分割与配准
《农业机械学报 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对多光谱图像中由于多镜头多光谱相机各通道之间存在的偏差以及传统分割方法的不适用,图像分析处理过程往往会出现无法自动化分割或分割精度较低的问题,提出采用基于相位相关算法和基于UNet的语义分割模型对田间生菜多光谱图像进行各个通道的精确配准并实现前景分割。使用Canny算法对多光谱各通道图像进行边缘提取,进而使用相位相关算法对多光谱各通道图像进行配准,单幅图像平均处理时间0.92 s,配准精度达到99%,满足后续图像分割所需精度;以VGG16作为主干特征提取网络,直接采用两倍上采样,使最终输出图像和输入图像高宽相等,构建优化的UNet模型。实验结果表明:本文所提出的图像配准和图像分割网络,分割像素准确率达到99.19%,平均Io U可以达到94.98%,能够很好地对生菜多光谱图像进行前景分割,可以为后续研究作物精准表型的光谱分析提供参考。
关键词： 生菜 多光谱图像 图像配准 图像分割 卷积神经网络
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无人机多光谱影像的马铃薯地上生物量估算
《光谱学与光谱分析 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：地上生物量(AGB)是评估作物生长发育和指导田间农业生产管理的重要指标.因此,高效精准地获取作物AGB信息,可以及时准确地估算产量,对于保障粮食供应和贸易提供有力依据.传统获取AGB的方法是采用破坏性取样法,这使得大面积、长期的测量变为困难.然而,随着精准农业的快速发展,无人机遥感技术被认为是估算大面积作物AGB最有效的技术方式.通过无人机平台搭载多光谱传感器获取马铃薯块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期的多光谱影像,地面实测株高和AGB以及地面控制点(GCP)的空间位置信息.首先,基于SFM(structure from motion,SFM)技术利用无人机影像数据结合GCP的三维坐标生成试验田的DSM(digital surface model,DSM),通过DSM提取出马铃薯各生育期的株高(Hdsm);然后,选取原始4个单波段植被指数、9个多波段组合的植被指数、红边波段的高频信息(HFI)和提取的Hdsm分别与AGB作相关性分析;最后基于单波段植被指数(x1)、多波段组合的植被指数(x2)、植被指数结合Hdsm(x3)、植被指数结合HFI(x4)以及植被指数融合HFI和Hdsm(x5)为模型输入参数,采用偏最小二乘回归(PLSR)和岭回归(RR)估算各生育期的AGB.结果表明:(1)提取的Hdsm和实测株高拟合的R2为0.87,NRMSE为14.34%;(2)各模型参数都与AGB达到极显著水平,相关性均从块茎形成期到淀粉积累期先升高后降低;(3)各生育期以5种变量使用同种方法估算马铃薯AGB的效果,均从块茎形成期到淀粉积累期先好后变差,其估算精度由高到低依次为x5>x4>x3>x2>x1;(4)各生育期使用PLSR以不同变量估算AGB的效果要优于RR方法,其中在块茎增长期基于x5变量估算马铃薯AGB效果最佳,R2为0.73,NRMSE为15.22%.因此,选取多光谱植被指数结合红边波段的高频信息和Hdsm并使用PLSR方法可以明显提高AGB的估算精度,这为大面积马铃薯作物AGB的监测提供了新的技术支撑.
关键词： 马铃薯;多光谱;株高;植被指数;高频信息;地上生物量
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堆肥厂不同工作区空气真菌的多样性与群落结构
《环境科学 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：动物粪便堆肥厂是空气中真菌的重要来源。目前对其不同工作区逸散真菌的种类和丰度差异尚无相关报道，无法全面评估堆肥厂空气真菌的生态健康风险。针对这一问题，对动物粪便堆肥厂的堆肥区、包装区、办公区和下风向区空气样本进行采集，利用高通量测序技术对4个区域空气中真菌的生物多样性和群落结构进行分析，并进一步对办公区及下风向区空气真菌的来源进行研究。结果表明，所调查堆肥厂的包装区和堆肥区空气中真菌的丰富度和多样性均为最高。4个工作区相对丰度最高的2个真菌菌门相同，均为Ascomycota和Basidiomycota。整体上，厂内外不同区域空气中优势真菌菌属分布规律有所差异，Trichocomaceae 和Davidiella为厂内3个工作区的优势菌属。在所检测到的136个真菌菌属中，堆肥区和包装区空气中特有菌属数量最多，其中52.94%的菌属为4个区域共有。在真菌属水平上，堆肥厂内3个区域空气中群落结构更为相似。不同工作区关键菌属的分析结果表明，下风向区与包装区和堆肥区之间的差异性菌属数量最多，而包装区与堆肥区空气中未检测到具有统计学差异的菌属。溯源分析结果显示，包装区和堆肥区对办公区和下风向区空气中真菌菌属的贡献率在9.52%～15.85%之间。结果将为评估堆肥厂不同工作区空气真菌暴露与人类健康的关系，以及其对周围空气环境的生态影响提供基础数据。
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面向遥感分类精度评价的空间分层模式与分异性评估
《农业机械学报 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：为实现遥感分类抽样精度评估,以京津冀不同空间分辨率遥感数据产品为例,首先基于土地利用类型对遥感图像进行内部与边界对象划分,并构建不同的空间分层模式;其次,分别采用直接利用土地利用类型、图像8邻域算法、多尺度空间分异性方法、图像8邻域和多尺度空间分异性耦合方法进行空间分层;最后,设置与K-means聚类对比实验,并利用地理探测器定量评估不同空间分层模式的分异性。结果表明:不考虑内部与边界对象（6层）、考虑边界对象（12层）、考虑内部对象（18层）、考虑内部与边界对象（24层）和K-means（12、18、24层）空间分层模式相应的5组样本点集的q均值±标准偏差分别为0.252±0.022 66、0.259±0.022 45、0.321±0.019 01、0.318±0.018 06、0.269±0.006 98、0.304±0.010 56、0.317±0.011 25;内部对象对空间分层分异性起主导作用,边界对象可以稍微提高空间分层分异性,分层数目也影响空间分层的分异性。本研究可更好地认识和理解内部和边界对象对提高空间分层分异性的贡献作用,对提出分异性更高的空间分层方法具有一定的研究价值和指导意义。
关键词： 遥感分类 精度评价 空间分层 地理探测器 抽样 空间分异性
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基于相关功率修正的地基GNSS-R土壤湿度反演
《北京航空航天大学学报 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：利用全球导航卫星系统反射信号测量技术(GNSS-R)进行土壤湿度反演过程中,实际接收天线方向性会造成GNSS直反信号相关功率测量偏差。针对地基观测场景下天线方向性造成的相关功率的类余弦振荡问题,提出了基于多项式拟合的信号相关功率修正方法。为了验证所提方法的有效性,开展了地基GNSS-R土壤湿度观测实验,结果表明:基于多项式拟合的相关功率修正可以消除信号相关功率的类余弦振荡,提升GNSS-R土壤湿度反演中的观测数据有效性和反演结果准确性。
关键词： 全球导航卫星系统反射信号测量技术(GNSS-R) 相关功率 振荡偏差 多项式拟合 土壤湿度
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支持转速现场标定的玉米精密排种器电驱控制系统研究
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对现有玉米精密电驱排种控制系统无法快速适应多类型排种器排种控制的问题,在玉米CAN总线电动排种的基础上,设计了一种对玉米排种器排种驱动进行现场标定的电驱控制系统。系统在排种驱动电动机控制信号与排种盘转速之间的对应关系中,采用分段线性插值的方法现场获取排种器驱动曲线,实现排种盘转速标定与控制。以国产气吸式玉米精密排种器和指夹式玉米精密排种器为试验对象,在模拟车速下,对系统排种盘转速现场标定的控制准确性进行试验。电驱气吸式排种器排种盘转速控制性能试验中,株距设定为25 cm,车速设定为3～12 km/h(间隔3 km/h),结果表明,系统调节时间最长为0. 80 s,稳态误差最大为0. 81 r/min,控制精度最低为97. 42%。电驱指夹式排种器排种盘转速控制性能试验中,株距分别设定为20、25、32 cm,车速设定为4～9 km/h(间隔1 km/h),结果表明,总体排种盘转速平均调节时间为1. 09 s,标准差为0. 26 s;总体平均稳态误差为0. 38 r/min,标准差为0. 23 r/min;总体平均控制精度为98. 30%,标准差为1. 01%。与分段PID排种转速控制系统控制性能进行对比得出,支持转速现场标定的系统具有更好的适应性,平均调节时间减少0. 51 s,平均稳态误差增大0. 16 r/min,平均控制精度降低0. 63个百分点。选用指夹式排种器,进行了播种均匀性田间试验,株距为20 cm,车速范围为4～7 km/h(间隔1 km/h),结果表明,播种合格指数大于等于84. 26%,变异系数小于等于18. 29%,说明系统能够完成对玉米精密排种器排种转速控制曲线的高控制精度现场标定,能够精准控制电驱排种转速。
关键词： 玉米 精密排种器 现场标定 播种均匀性 CAN总线
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对比主成分分析的近红外光谱测量及其在水果农药残留识别中的应用
《光谱学与光谱分析 》 2020 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：近红外光谱(NIR)分析具有测试方便、不破坏样本、响应快速等优势,但是,由于在谱带分布和结构分析中存在着许多复杂因素,使得在提取特征光谱信息时存在许多困难。现阶段,虽然已经有多种光谱数据降维方式被广泛使用,但是这些传统的数据降维方式都有一个局限性,就是数据的降维仅仅针对于一个数据集,当数据集中有多个关键因素形成干扰时,数据降维和分类的结果往往不是很理想,得不到想要分析的信息。这一问题造成了在分析近红外光谱时建立的数据降维模型极差,无法正确的对样品进行预测分类。对比主成分分析(contrastive principle component analysis, cPCA)是一种基于主成分分析(PCA)的改进算法,起源于对比学习,并应用于基因组信息解析。cPCA算法的优势就是能够将一个数据集中的降维推广到两个相关联数据集之间的降维,从而能够得到数据集中的关键信息。将cPCA算法应用于近红外光谱处理中,建立了准确的近红外光谱数据降维模型。在实验验证中,使用cPCA算法对不同类型水果(苹果和梨)表面农药残留进行分析。结果表明,在对不同类型的水果进行农药残留分析时,使用PCA算法进行数据降维只能区分出不同的水果类型,而水果表面是否喷洒农药这一关键的特征信息并不能分析出来;而使用cPCA算法进行数据降维分析时,由于对背景光谱的约束作用,能够清晰的将有无喷洒农药的样本分类。这说明了, cPCA在近红外光谱数据降维中有着明显的优势,解决了近红外光谱数据降维模型中数据集受限和特征信息的提取问题,进而建立准确的近红外光谱数据降维模型。
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北京蔬菜地土壤中抗生素抗性基因与可移动元件的分布特征
《环境科学 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为揭示北京地区蔬菜土壤中抗生素抗性基因与可移动元件的分布特征应用高通量荧光定量PCR方法(HT-qPCR),选取北京3个区5个蔬菜基地进行调查研究.在蔬菜基地土壤中共检测到92～121种抗生素抗性基因,4～6种可移动元件,抗生素抗性基因及可移动元件按区分开.各蔬菜基地中共有且丰度较高的抗生素抗性基因型为:多重耐药类oprD、acrA-04和acrA-05,大环内酯类-林肯酰胺类-链阳性菌素B类抗生素抗性基因(MLSB)酰胺酶类fox5,万古霉素类vanC-03;共有可移动元件为intI1.蔬菜基地土壤中共检测到7种抗生素,含量较高的抗生素种类为恩诺沙星(ENR)、诺氟沙星(NOR)、土霉素(OTC)、磺胺甲噁唑(SMX).顺义区S1与S2蔬菜基地土壤中抗生素的种类与丰度均最高,依次是通州区T蔬菜基地、昌平区C2与C1蔬菜基地.相关性分析表明,蔬菜基地土壤中抗生素抗性基因丰度与抗生素丰度存在显著正相关(P <0.05).研究结果可为后续控制抗生素抗性基因的传播提供基础理论数据.
关键词： 蔬菜土壤 抗生素 抗生素抗性基因(ARGs) 可移动性元件(MGEs) 高通量定量PCR
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蓄冷保温箱真空隔热蓄冷控温传热模型与验证
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为掌握不同参数对蓄冷控温特性的影响,建立了真空隔热蓄冷控温试验平台,以脐橙为试验对象,根据热平衡理论,建立蓄冷控温传热数学模型,并进行试验验证,进一步分析了不同参数对蓄冷控温特性的影响。数学模型计算结果表明,随着真空隔热板厚度的增加,在0～8℃温度的控温时间越长;当外界恒温30℃、真空隔热板厚度为25 mm时,0～8℃温区控温时长为106.14h。试验结果表明,模型计算结果与试验结果吻合,控温时长平均误差为2.60%;当外界平均温度为33.5℃、真空隔热板厚度为20 mm、有太阳辐射时,在30 min内试验平台内温度由29.5℃降至7.2℃,降温速度较快。应用数学模型分析不同参数影响,结果表明:不同车速对传热速率的影响不显著;传热速率随着真空绝热板厚度的增加而下降,下降趋势呈指数变化;相同控温时长时,所需蓄冷剂质量与真空绝热板厚度呈指数变化;真空绝热板越厚,温度下降速率越快;太阳辐射会使控温时长缩短13.79%。该研究结果为蓄冷控温型运输装备的结构优化设计及蓄冷剂的选型、用量提供一定的参考价值。
关键词： 传热 温度 真空绝热板 相变蓄冷剂 传热速率 数学模型 控温特性
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基于无人机高光谱长势指标的冬小麦长势监测
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为快速准确监测作物长势,以冬小麦为研究对象,获取了不同生育期的无人机高光谱影像。利用无人机高光谱数据构建光谱指数,并分析4个生育期的指数与生物量、叶面积指数以及由生物量和叶面积2个生理参数构建的长势监测指标(Growth monitoring indicator,GMI)的相关性;建立与GMI相关性较强的4个光谱指数的单指数回归模型,利用多元线性回归、偏最小二乘和随机森林3种机器学习方法分别建立冬小麦各生育期的GMI反演模型;将最佳模型应用于无人机高光谱影像,得到冬小麦长势监测图。结果表明:各生育期光谱指数与冬小麦GMI相关性较高,大部分指数都达到了显著水平,其中NDVI、SR、MSR和NDVI×SR与GMI的相关性高于生物量、叶面积指数与GMI的相关性;拔节期、挑旗期、开花期、灌浆期、全生育期,表现最好的回归模型对应光谱指数分别是NDVI×SR、NDVI、SR、NDVI和NDVI×SR;对比3种方法构建的GMI反演模型,开花期模型MLR-GMI效果最佳,此时期的模型建模R~2、RMSE和NRMSE分别是0. 716 4、0. 096 3、15. 90%。
关键词： 冬小麦长势监测 无人机遥感 高光谱 多元线性回归 偏最小二乘 随机森林
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