科研产出
基于无人机数码影像的冬小麦氮含量反演
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：准确、快速地获取关键生育期冬小麦氮素含量,对农业管理者进行田间氮素施肥有重要的决策作用.利用无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)搭载数码相机,可以短时间内获取冬小麦长势信息,实现对冬小麦氮素含量动态监测.该研究利用2015年北京市小汤山冬小麦无人机数码影像,采用3种阈值分割方法,将田间植株作物与土壤背景分离.对比影像分割方法的时效性与准确性,最终确定可见光波段差异植被指数VDVI(visible-band difference vegetation index)提取植被信息.按照试验方案要求,在不同的氮肥与水分胁迫管理下,将冬小麦3次重复试验分成48个试验小区,依据小区边界提取小区的红、绿和蓝通道的平均DN(digitalnumber)值,选取25个植被指数,同时与各个试验小区冬小麦不同器官氮含量进行相关性分析,筛选数码影像变量.由于植被指数之间耦合度较高,因此采用主成分分析对原始数据进行成分提取,提取特征向量参与建模,最后利用多元线性回归分析建立氮素反演模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和归一化的均方根误差(nRMSE)3个指标筛选出最佳模型,探究各器官氮素含量与数码变量的相关性.结果表明,实验室实测氮素含量与UAV数码影像氮素反演结果及基本一致.在反演模型构建精度方面,3种数据处理结果整体>部分>植被指数,反演效果叶氮>植株氮>茎氮.以冬小麦挑旗期为例,叶片氮含量整体信息提取验证模型的R2、RMSE和nRMSE分别为0.85、0.235和6.10%,比部分信息提取验证模型的R2高0.14,RMSE和nRMSE分别降低0.068和1.77个百分点;比植被指数信息提取验证模型的R2高0.43,RMSE和nRMSE分别降低0.141和3.67个百分点.研究表明,基于UAV数码影像利用多元线性回归构建冬小麦氮素含量反演模型,对试验小区整体提取作物信息的方式反演冬小麦叶氮含量效果最好,相比传统反演方法,模型稳定性更高,可为冬小麦田间水肥决策管理提供参考.
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S/B和DS算法校正土壤水分对土壤有机质近红外光谱预测的影响
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：土壤水分对近红外光谱表现出强烈的吸收和对土壤有机质含量的预测造成干扰.研究选择41个样本作为校正集和9个样本作为预测集,所有样本做不同含水率(5%,10%,15%和17%)的处理.采用S/B和DS算法分别对预测结果和全光谱进行校正,消除土壤水分的影响.结果得出预测结果偏差减小和模型预测性能得到改善,Rp高于0.89和RMSEP低于0.885%.研究表明S/B和DS算法能有效消除土壤水分的影响和提高土壤有机质预测的准确性.
关键词： S/B算法 DS算法 土壤水分 土壤有机质 近红外光谱
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SPXY算法的西瓜可溶性固形物近红外光谱检测
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：可溶性固形物(SSC)是一种综合参数,主要包括糖、酸、纤维素、矿物质等成分,对评价果实成熟度和品质具有重要意义,影响果实口感、风味及货架期。西瓜可溶性固形物含量的无损快速检测对西瓜成熟度的确定、贮藏及运输过程中西瓜内部品质监控具有十分重要的意义,有助于提高西瓜生产效益和市场竞争力。在西瓜可溶性固形物含量的快速无损近红外光谱检测中,近红外漫透射的方式所需光源的能量大,同时大功率透射会对水果的内部品质产生影响;采用近红外漫反射方式的研究较少,但漫反射采集所需的能量小,有助于实现仪器小型便携化,成本低,同时避免透射引起的水果品质变化。以小型西瓜为研究对象,利用JDSU便携式近红外光谱仪采集西瓜样品瓜梗、瓜脐、赤道部位的近红外反射光谱,在976, 1 186和1 453 nm附近有明显的吸收,利用偏最小二乘回归定量分析方法建立西瓜可溶性固形物的近红外光谱无损预测模型。首先,采用光谱-理化值共生距离(SPXY)算法对西瓜不同检测部位的样品集进行划分,以可溶性固形物含量为y变量,光谱为x变量,利用两种变量同时计算样品间距离,以保证最大程度表征样本分布,有效地覆盖多维向量空间,增加样本间的差异性和代表性,提高模型稳定性。将西瓜样品划分为51个校正集和15个预测集,校正集样本的SSC含量涵盖了预测集样本的SSC含量范围,且变异系数均小于9%,样品集划分合理,有助于建立稳健可靠的预测模型。其次,对比分析西瓜瓜梗、瓜脐、赤道检测部位的近红外反射光谱与可溶性固形物含量之间的定量模型的预测精度,结果得出西瓜赤道部位的反射光谱与可溶性固形物含量相关性较高,预测效果较好,预测集相关系数为0.629,预测集均方根误差为0.49%。对于不同检测部位获取的光谱信息所建立的近红外光谱SSC预测模型的精度问题,一方面与光谱的采集方式有关,另一方面与西瓜的产地、品种、成熟期等因素引起的其性状上的差异有关。在模型建立过程中根据实际情况确定西瓜的检测部位。最后,为提高西瓜赤道部位近红外反射光谱与可溶性固形物含量之间的预测模型精度,采用光谱预处理方法进行优化,结果得出经标准归一化预处理后,建立的偏最小二乘回归预测模型效果最佳,预测集相关系数为0.864,预测集均方根误差为0.33%,模型相关性较好,预测精度得到了很大提升。研究结果表明,近红外反射光谱检测小型西瓜赤道部位能很好预测其可溶性固形物含量,为实际生产中近红外光谱无损快速检测西瓜可溶性固形物含量及小型便携式仪器研发提供了技术储备。
关键词： 小型西瓜 近红外反射光谱 SPXY算法 检测部位 可溶性固形物
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风险矩阵和流程分析法挖掘小麦粉加工中质量安全追溯信息
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：小麦粉加工中原辅料来源多样、追溯信息复杂,已有追溯信息的确定或依靠经验判别或根据信息获取难易程度确定。该研究基于原国家食品药品监督管理总局公布的2014年1月1日-2018年3月31日的共15518批次小麦粉抽检数据,分析其不合格率状况,得到影响小麦粉质量安全的主要因素为脱氧雪腐镰刀菌烯醇、过氧化苯甲酰、铝、铅、镉、苯并芘、脱氢乙酸等7种物质;采用LD50值、致癌性等不同的危害程度指标,对7种风险进行了风险赋值;构建了以风险发生可能性和风险危害程度为核心的风险二维矩阵图,通过识别得到,脱氧雪腐镰刀菌烯醇风险最高,为四级;苯并芘风险为三级;过氧化苯甲酰、铝、铅、镉风险均为二级;脱氢乙酸风险最低,为一级。通过对小麦加工流程分析,对危害物质进行了定位,得到小麦粉追溯的关键节点是原料入库、原粮储藏、物质添加、检化验等4个动态环节以及设备状态、包装材料特性等2个静态特征;以此为基础,从批次编码关联和追溯关键点信息采集角度构建了小麦粉追溯系统;与已有系统相比,该研究在扩展追溯链、优化追溯信息采集内容方面具有优势;为追溯系统研究中质量安全信息的挖掘与分析提供了有益方法。
关键词： 农产品 风险评估 食品加工 追溯 小麦粉 风险矩阵 流程分析
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基于CFD的苹果隔板包装预冷温度场研究
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：温度调控失误和物理损伤是影响采后水果质量损失的关键因素。以单层隔板包装箱和单层普通包装箱为研究对象,采用计算流体力学(Computer fluent dynamic,CFD)非稳态剪切压力SST k-ω三维湍流模型,比较相同初始条件和边界条件下,隔板包装与普通包装内部的温度场分布、风速场分布、冷却时间、冷却速率和冷却均匀性。结果表明:隔板包装和普通包装的冷却时间和冷却速率基本一致,冷却温度差值不超过0. 67℃,冷却速率差值不超过0. 012℃/min,隔板包装温度变异系数略大于普通包装温度变异系数,两种包装具有相同预冷效果,满足冷链运输过程中的预冷需求。对比模拟结果与实验结果,两种结果的均方根误差为1. 13℃,平均相对误差为8. 2%,证明了模拟结果的合理性和准确性。
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纳米增强激光诱导击穿光谱的苹果表面农药残留检测
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：水果表面的农药残留严重危害身体健康,而常规检测方法需要采样处理,耗时、费力.激光诱导击穿光谱技术具有多元素分析和原位测量的能力,在水果表面农药残留检测方面潜力巨大.但是较差的检测灵敏度,限制了此技术在水果表面微量有害元素检测方面的应用.提高激光诱导击穿光谱系统的检测能力是目前的研究热点领域,研究了纳米粒子表面增强技术对苹果表面残留的毒死蜱农药的激光诱导击穿光谱信号的增强效果.通过在被测样品表面涂抹币族金属纳米粒子,然后利用激光诱导击穿光谱激发样品表面,对诱导出的原子发射光谱信号进行测量,实验结果表明,苹果表面涂抹金属纳米粒子后毒死蜱农药中磷元素的特征峰有4倍的增强.此方法的应用对提高果蔬表面微量有害元素的检测能力具有重要意义.然后我们对币族金属纳米粒子的增强效果进行了优化.研究了金纳米粒子和银纳米粒子的增强能力,同时对纳米粒子的粒径的增强效果进行了比较,通过对20 nm的金纳米粒子、20 nm的银纳米粒子和80 nm的银纳米粒子的增强效果比较,发现80 nm的银纳米粒子对苹果表面毒死蜱农药光谱的增强效果最好.研究了信号采集延时时间对光谱信噪比的影响,确定了0.2μs的延时时间可以获得较为理想的信噪比.在以上研究的基础上,采用最优的实验参数(80 nm银粒子增强、0.2μs的延时时间),以毒死蜱中磷元素在213.62,214.91,253.56和255.33 nm处的特征峰峰强作为依据,对苹果表面残留的毒死蜱农药进行了定量化分析.分别采集了毒死蜱残留浓度分别为30,20,15,12,10和6μg·cm-2的苹果表面的L IBS光谱,然后分别利用磷元素的四个特征峰峰强进行了定量化曲线拟合,结果发现LIBS对残留的毒死蜱具有很好的定量化预测能力,R2在0.89以上.根据定量化拟合曲线,探讨了纳米增强LIBS的检测限,计算得到,利用纳米增强LIBS技术测量苹果表面的毒死蜱农药最低可以做到1.61μg·cm-2的检测限.研究证明了金属纳米粒显著提高了LIBS对苹果表面农药残留的检测灵敏度.
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脉宽调制变量控制喷头雾化性能及风洞环境雾滴沉积特性
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：脉宽调制(pulse width modulation, PWM)技术是实现变量喷雾的重要手段,其工作参数与环境条件决定着施药的精准性。为探究PWM变量喷头雾化及风洞环境沉积特性,该文研制了脉宽调制变量喷雾系统,以农业施药常用空心圆锥雾化喷头喷雾的雾化、沉积特性为研究对象,在IEA-II型常规风速风洞内,通过点阵式放置电容式雾滴沉积传感器测定计算雾滴沉积与沉积评价指数(deposition evaluation index,DEIX),并利用Spraytec雾滴粒径仪测试其雾滴体积中径(volume median diameter,VMD)和雾滴相对分布跨度(relative span,RS)。试验结果表明:占空比在10%～40%间,随占空比增大,雾滴体积中径呈减小趋势,与占空比10%时相比,占空比40%时的雾滴体积中径下降了7.9%;PWM占空比60%时分布跨度最小,较占空比20%时雾滴分布跨度下降9.52%,雾滴谱最窄,获得的雾滴粒径分布最集中。雾滴沉积方面,风速1 m/s条件下,雾滴主要沉积在距喷头3.3 m内,此范围内沉积量占总沉积量的95.7%,当风速超过3 m/s时,在气流作用下,雾滴沉降距离增大,导致雾滴运动偏离施药靶标区域。PWM占空比增加,雾滴沉积评价指数DEIX值降低,雾滴的飘移率增大;相同工况下,风速及喷头高度越大,DEIX越小,施药雾滴越易飘移。该研究可为农业田间实际生产中脉宽调制变量施药技术应用及其工况参数的选择提供依据,为PWM变量调节装置的进一步优化提供研究基础。
关键词： 脉宽调制 喷雾 试验 体积中径 雾滴沉积评价指数 风洞
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基于CAN总线的播种深度监测评价系统研究
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对已有播种深度检测技术测量精度有待提高、缺乏有效实时播种深度评价系统且通信方式不易扩展等问题,设计了一种基于CAN总线的播种深度监测评价系统。系统主要由车载平板计算机、数据采集评价单元(ECU)和播深测量装置等组成,阐述了播种深度测量原理,设计了基于限深轮摆动角度的播深测量装置并建立相应测量模型,基于ISO 11783标准制订了智能化总线通信协议,开发了基于Lab VIEW的实时监测评价上位机界面。为研究播种深度变化特性,以耕作方式和作业速度为试验因素,开展了二因素裂区试验。对数据进行了频谱分析,结果表明,播种深度变化主频幅值随车速增加呈减小趋势,且免耕地变化大于旋耕地,而振荡频率受耕作方式和车速变化影响较小,主要集中在0. 4 Hz以下。田间监测评价试验结果表明,所得播种深度监测图可在一定程度上表征地块土壤信息,相比人工测量方式,系统监测的稳定一致性较好,在6～10 km/h车速下,其对平均播深、合格率、标准差和变异系数最大值分别为50. 01 mm、78. 95%、8. 95 mm和17. 90%,相对误差分别处于4. 20%～9. 74%、6. 11%～17. 92%、10. 93%～16. 32%和18. 83%～19. 79%之间,满足实际播种深度监测评价需求。
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基于物种敏感性分布(SSD)的耐盐与Pb低吸收小麦筛选研究及应用
《应用基础与工程科学学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：盐胁迫与重金属污染是导致污灌区土壤退化的主要因子,耐盐与重金属低吸收特征的小麦品种的筛选对污灌区农田安全利用具有重要意义.本文采集了河北某典型污灌区农田表层(0~20cm)土壤,通过外源添加0.4%NaCl盐化处理后进行盆栽试验,基于不同小麦耐盐指数(STi)与Pb富集系数(1/BCF)的物种敏感性分布(SSD)特征,对具有耐盐、Pb低吸收小麦品种进行筛选.结果表明:盐分胁迫对不同小麦的植株生长产生显著的抑制效应,基于地上部生物量的不同小麦耐盐指数范围为0.49~1.04,其中最小耐盐指数为中麦415,最大的为轮选987.不同小麦基于耐盐指数大小的SSD顺序为:轮选987>中优9507>中麦1062>中麦996>轮选1690>中麦816>中麦175>中麦14>中优206>中麦415.不同小麦茎叶与根对Pb的富集系数间存在显著(p<0.05)差异,其中,小麦茎叶对Pb富集系数从0.013(中麦1062)~0.073(中优206),最大相差5.80倍,小麦根对Pb富集系数从0.129(中优206)~0.223(中麦14),最大相差1.72倍.基于茎叶Pb富集系数(1/BCF)的SSD顺序为:中麦1062>轮选987>中麦996>中麦816>轮选1690>中麦415>中优9507>中麦14>中麦175>中优206;据此筛选出了具有耐盐与Pb低吸收的小麦品种为中麦1062与轮选987.基于SSD模型中保护95%物种安全的风险阈值(HC5)判断,中优206的1/BCF测定值为13.7,小于HC5值(14.4),为该污灌区土壤不宜种植的Pb敏感性品种.研究结果可为盐分胁迫下污灌区Pb污染农田的安全利用提供参考.
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主要抗生素的太赫兹光谱检测与分析研究进展
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：抗生素具有治疗各种细菌感染或致病微生物感染类疾病的作用,获得主要抗生素的吸收特性可对抗生素添加进行有效的定性定量监测和控制,在医药、畜牧和水产业等领域都有重要意义和使用价值。太赫兹光谱技术作为一种无损、高效、便捷的新型光谱探测技术,在国防安全、信息通信、材料、环境生物医学、农业和食品安全等领域有良好的应用前景。文章介绍了太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)检测系统的组成结构和工作原理,综述了现阶段太赫兹时域光谱技术在常用抗生素方面检测与分析的主要研究进展,重点归纳了β-内酞胺类、氨基糖苷类、四环素类、喹诺酮类、大环内脂类和磺胺类等主要抗生素的太赫兹定性识别与定量分析研究,给出了太赫兹时域光谱技术在主要抗生素检测方面的研究潜力和存在问题,为太赫兹技术未来用于主要抗生素定性定量快速检测仪器设备研发提供参考。
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