科研产出
基于高光谱遥感与SAFY模型的冬小麦地上生物量估算
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了探索准确、高效地估算冬小麦地上生物量(Dry aerial mass,DAM)的方法,获取了2013—2014年和2014—2015年2个生长季的冬小麦试验数据,采用植被指数反演叶面积指数(LAI),以遥感反演LAI作为遥感与SAFY(Simple algorithm for yield estimates)模型之间的耦合变量,利用主成分分析的复合型混合演化(Shuffled complex evolution with PCA,SP-UCI)算法优化出苗日期(D0)、有效光能利用率(ELUE)和衰老温度(STT) 3个敏感参数,对冬小麦全生育期进行动态生长模拟。结果表明,2014—2015年和2013—2014年冬小麦全生育期模型模拟地上生物量R~2、RMSE和NRMSE分别为0. 887、1. 001 t/hm~2、19. 41%和0. 856、1. 033 t/hm~2、19. 86%。研究表明,耦合高光谱遥感与SAFY作物生长模型能够准确地模拟冬小麦长势的动态变化,对冬小麦地上生物量估算精度较高,可为遥感监测冬小麦长势提供参考。
关键词： 冬小麦 地上生物量 高光谱 SAFY模型 叶面积指数
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植保无人机喷施雾滴沉积特性的荧光示踪分析
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：航空施药雾滴沉积特性的准确检测对施药参数选择和施药质量优化至关重要.该研究以3WQF-80-10型植保无人机为试验对象,选取典型飞行工况,通过水敏纸和基于荧光示踪的航空施药沉积检测系统同步获取展向雾滴沉积覆盖率,研究对比了该机型在典型飞行工况条件下的雾滴沉积离散性和连续性分布,评估基于荧光示踪的沉积检测系统对雾滴沉积检测效果与适用性.试验结果表明:荧光示踪法与水敏纸法所得雾滴沉积率分布曲线整体趋于一致,2种方法的检测结果相关性拟合优度(R2)为0.88~0.96;由于植保无人机旋翼下洗风场胁迫细小雾滴沉降至非水敏纸布样位置,致使荧光示踪法测得的平均雾滴覆盖率曲线出现更多峰值,覆盖率值高于水敏纸法测量结果.植保无人机飞行速度为2 m/s,飞行高度为3 m的作业条件下,与水敏纸离散布样方式相比,荧光示踪连续布样方式测得雾滴覆盖率提高16.92%,当飞行速度为4 m/s,飞行高度为9 m时,后者较前者提高97.77%.植保无人机作业工况对施药雾滴沉积覆盖率影响方面,飞行速度2 m/s,飞行高度3 m的工况下,雾滴沉积覆盖率最高,为8.34%和7.14%;随着植保无人机飞行高度和速度增加,雾滴沉积覆盖率降低.针对植保无人机下洗风场作用下施药雾滴沉积质量检测,与离散布样方式相比,连续性样品采集可获取更丰富的雾滴空间沉积分布细节.该研究可为无人机低空低量施药雾滴沉积检测和无人机下洗风场对雾滴沉积分布影响研究提供方法参考.
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基于无人机成像高光谱影像的冬小麦LAI估测
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：利用无人机Cubert UHD185 Firefly成像光谱仪和ASD光谱仪获取了冬小麦挑旗期、开花期和灌浆期的成像和非成像高光谱以及LAI数据。首先,对比ASD与UHD185光谱仪数据光谱反射率,评价两者精度;然后,选取7个光谱参数,分析其与冬小麦3个生育期LAI的相关性,并使用线性回归和指数回归挑选出最佳估测参数;最后利用多元线性回归、偏最小二乘、随机森林、人工神经网络和支持向量机构建了冬小麦3个不同生育期LAI的估测模型。结果表明:UHD185光谱仪光谱反射率在红边区域与ASD光谱仪趋势一致性很高,反射率在挑旗期、开花期、灌浆期的R~2分别为0. 995 9、0. 999 0和0. 996 8,UHD185光谱仪数据精度较高; 7种光谱参数在挑旗期、开花期、灌浆期与LAI相关性最高的参数分别是NDVI(r=0. 738)、SR(r=0. 819)、NDVI×SR(r=0. 835); LAI-MLR为冬小麦LAI的最佳估测模型,其中开花期拟合性最好,精度最高(建模R~2=0. 678 8、RMSE为0. 69、NRMSE为19. 79%,验证R~2=0. 846 2、RMSE为0. 47、NRMSE为16. 04%)。
关键词： 冬小麦 叶面积指数 无人机 成像光谱 估测 光谱参数
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基于双测速模式的玉米追肥机控制系统设计与试验
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对玉米追肥机北斗单点测速方式存在延时,造成测速准确性低的问题,提出了北斗单点测速与地轮测速相结合的双测速模式.搭建了玉米追肥机控制系统并开发配套控制界面,完成了双测速模式规则建立及控制器程序设计.重点对加减速过程判定与地轮稳定测速的速度范围进行了研究,试验确定了双测速模式切换条件,并验证了双测速模式的可行性.试验结果表明,地轮稳定测速的最大速度为6.0 km/h,地轮测速队列长度N的最佳值为5,模式切换速度变异系数临界值为4.2%; 3.5、5.5、6.0、8.0 km/h 4种不同目标速度测速性能对比试验结果表明,双测速模式与北斗单点测速在加速阶段相对响应时间均值为1.6 s,减速阶段均值为1.8 s,实际施肥延时距离平均减小0.55 m.田间施肥性能试验结果表明,双测速模式加速阶段速度切换造成的排肥转速差均值为1.5 r/min,减速阶段排肥转速差在8.0 km/h速度条件下最大,均值为7.1 r/min.减速阶段控制结果表明,系统平均响应时间为1.3 s,平均稳态误差均值为0.8 r/min,系统平均超调量为8.7%.双测速模式切换准确率为100%,满足精准施肥的需要.
关键词： 玉米追肥机 双测速模式 北斗测速 排肥控制 光谱信息
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基于视觉伺服的温室番茄植株主茎跟踪与测量方法
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：根据温室番茄智能管理作业视觉信息获取需求,研究了番茄植株主茎动态跟踪与立体测量方法,以提高对叶、果和花等目标的搜索效率.结合工厂化番茄种植特征,采用二自由度双目云台摄像机采集植株主茎图像;在对摄像机与旋转云台之间坐标关系进行标定的基础上,提出针对番茄植株主茎图像跟踪采集的云台伺服控制方法,对作业区域内植株进行自下而上多视角图像动态采集;对相邻视场主茎重叠区域的图像匹配方法进行研究,实现了植株离散图像的拼接和形态恢复;基于主茎跟踪参考点的空间坐标信息,研究了作业区域主茎长度、高度和生长倾角等立体形态参数的测量方法;最后,通过现场试验对主茎拼接与测量方法进行验证.结果 表明,在距地面高度600 ~1 500 mm作业区域内,视觉系统跟踪采集的主茎3个区域图像的平均拼接偏差为3.77°;以人工测量结果为对照,采用视觉系统测量主茎长度、高度和生长倾角的决定系数分别为0.993 3、0.842 6、0.979 3,平均测量偏差分别为46.20 mm、18.60 mm和4.33 °.本研究可为番茄智能化整枝、采摘和授粉等作业视觉信息获取提供技术支撑.
关键词： 番茄植株 主茎形态 农业机器人 视觉伺服 立体测量
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溶液阴极辉光放电结合标准加入法和背景去除法分析水溶液中的Ca和Mg
《光谱学与光谱分析 》 2020 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：溶液阴极辉光放电发射光谱法易受水体样品中的基体效应影响,而且对于实际水体样品组份相对复杂,含有多种元素,受基体效应干扰更加明显,导致金属元素浓度预测精度降低。为了减少溶液阴极辉光放电发射光谱法中水体样品基体效应的影响,常常利用定量分析方法对金属元素进行分析。这些定量分析方法中,标准加入法尤其适合于待测物质基体效应较为显著或者含有干扰物质等情况,然而标准加入法容易受到背景信号的干扰,使测量结果产生误差,因此在进行标准加入法之前需要消除光谱数据的背景干扰。最简单的谱线干扰消除法是离峰校正法,此法扣除线峰左右两侧的背景强度值,以达到消除背景干扰的目的;小波变换法同样也适用于消除背景干扰,并且具备普适性,利用此法对小波进行多尺度分层,而后对小波低频系数进行处理,获得校正后的数据。在独立开发的溶液阴极辉光放电发射光谱系统上,利用基于标准加入法的离峰校正法和小波变换法对水溶液样品中Ca和Mg含量进行预测。实验结果比较发现,基于传统的标准加入法,测得5, 10和20 mg·L~(-1)浓度的Ca样品的相对误差分别为157.0%, 105.1%和47.0%, Mg的相对误差分别为20.1%, 3.1%和2.8%。然而,结合标准加入法和离峰校正法后, Ca的相对误差分别降低至15.4%,-8.8%和3.3%, Mg的相对误差分别降低至14.5%, 0.1%和0.8%。采用小波变换算法消除背景干扰后的标准加入法, Ca元素的相对误差分别降至13.2%,-7.6%和-1.4%, Mg的相对误差分别降至13.4%,-0.4%和0.5%。结果表明,离峰校正法和小波变换法结合标准加入法测量Ca和Mg的准确度显着提高,两种方法能有效地消除背景干扰,降低基体效应,使预测精度升高。其中,小波变换法结合标准加入法可用于多种类型的背景校正场合,无需选择合适的背景校正点,而且预测精度更高,相比离峰校正法具有一定的优势。
关键词： 溶液阴极辉光发射光谱法 金属元素检测 标准加入法
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面向人工林经营的模型库和方法库服务平台
《林业科学 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：【目的】人工林经营模型众多,对统计学方法依赖性较强,传统人工林经营辅助决策支持系统与模型库、方法库耦合性较高,针对模型库通用性不高、方法代码与业务代码耦合度过高等问题,结合林业数学模型多样性等特点,构建人工林经营模型库和方法库服务平台,以实现人工林经营模型与方法的科学化管理和信息化服务。【方法】基于不同的模型表现形式和方法的调用机制,采用关系型数据库构建理论,设计模型库和方法库的关系模式;针对方程式表达模型,引入词法分析、语法分析和语义分析等方法,实现方程式模型解析计算;针对程序化模型,采用调用程序包方式实现模型解析计算;基于程序包的封装调用方法,实现方法库的调用和管理。利用数据耦合思想,将模型库、方法库与决策应用系统解耦,实现模型、方法的独立管理和标准化共享服务。【结果】模型库系统可实现数学公式型和程序块型模型的存储、管理与解析;方法库系统可实现对方法程序块的统一存储与管理,且通过构建模型与方法调用数据交互格式,可分别实现面向用户的模型和方法的计算服务与面向应用程序的API调用服务。【结论】设计通用性较好的模型、方法调用数据交互结构,构建面向人工林经营的模型库和方法库服务平台,实现基于Web的模型、方法的管理与解析,提供模型和方法的共享调用功能。
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蔬菜嫁接机器人柔性夹持搬运机构设计与试验
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对现有蔬菜嫁接机器人单手爪夹持搬运机构作业时需要在上苗、切削和对接工位往复旋转作业,限制了机器嫁接生产效率,存在夹持伤苗、操作人员上苗等待时间过长、易疲劳等问题,设计了一种四手爪柔性夹持搬运机构,能够实现上苗、切削和对接工位同步作业,以及秧苗柔性夹持与快速搬运,有助于提高机器嫁接效率。提出了基于缓冲材料的柔性夹持手爪和夹持力调节方法,分析了不同厚度EVA缓冲材料的压缩力学特性,得到缓冲垫完全闭合夹持条件下对不同秧苗的夹持力。利用ADAMS软件建立夹持搬运机构动力学仿真模型,分析了秧苗不同夹持力与旋转位移的变化规律,得出当夹持力小于0.4 N时秧苗脱离了夹持手的束缚,夹持力大于3.5 N时秧苗夹持与旋转作业稳定。机构性能试验结果表明:选取白籽南瓜苗和黄瓜苗为测试对象,柔性夹持手爪平均夹苗成功率为98.5%,比弧形夹持手提高4.5个百分点,伤苗率降低3.5个百分点,柔性夹苗效果显著;该机构嫁接平均速度为1 052株/h,是同类型单手爪嫁接机作业效率的1.72倍,嫁接成功率为96.67%,大幅提高了嫁接机器人生产效率,能够满足工厂化嫁接育苗生产需求。本文研究结果可为高速嫁接机器人的夹持搬运机构设计和优化提供技术参考。
关键词： 嫁接机器人 搬运机构 四手爪 柔性夹持 EVA缓冲材料
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基于水分利用率与光合速率的温室作物需水模型研究
《农业机械学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：提出一种融合水分利用率(Water use efficiency,WUE)和光合速率的温室作物需水模型构建方法.在获取不同温度、光量子通量密度、CO2浓度和土壤含水率嵌套条件下番茄净光合速率和WUE的基础上基于径向基神经网络(Radial basis function,RBF)构建光合速率和WUE预测模型;继而获取不同环境嵌套条件下的光合速率对土壤含水率的响应曲线利用U弦长曲率法获取光合速率约束下的土壤含水率调控适宜区间;在此区间内基于WUE预测模型,以水分利用率最大为目标,利用粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)获取土壤含水率调控目标值;最后,利用支持向量机回归算法(Support vector regression,SVR)建立作物需水模型.结果表明,需水模型的训练精度为0.996 9,测试精度为0.978 8,均方根误差为0.23%,拟合效果良好.与单一考虑光合效率最优的模型相比,本模型WUE平均提高15.22%,土壤含水率平均下降12.76%,光合速率平均下降4.05%.说明融合WUE-光合速率的需水模型能兼顾作物需求和经济效益,可为温室土壤含水率的精准调控提供理论依据.
关键词： 温室 作物需水模型 水分利用率 光合速率 土壤含水率
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砧木上苗定位机构吸附块仿真设计与性能试验
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：为解决嫁接机人工上苗过程中砧木子叶损伤和叶柄劈裂问题,采用正压气流压苗和负压吸附定位原理,设计一种辅助自动上苗作业的砧木上苗定位机构.通过建立机构有限元分析模型,在给定边界约束条件下利用CFD软件对吸附块内部气流场进行动力学仿真,获得气室内部流场分布情况及各因素对砧木子叶吸附力的影响.采用仿真正交试验对吸附块结构参数进行优化设计,确定吸附块各因素对吸孔平均吸力影响的主次顺序依次为出口负压、吸孔直径、吸孔深度;当吸附块出口负压3 kPa,吸孔直径1 mm和吸孔深度4 mm时,吸附块对子叶具有较好的吸附能力.上苗试验结果表明:该机构对白籽南瓜苗子叶吸附成功率为96.67%,压苗成功率为99.33%,综合上苗成功率为96.03%,伤苗率仅为0.67%,作业性能满足嫁接机自动上苗作业要求.子叶吸附失败原因是子叶方向和上苗高度控制不准确,以及子叶展角过小导致叶柄劈裂.吸附块作业面仿形和结构参数仿真试验对提高砧木柔性和安全上苗具有重要意义,大幅缩短了吸附块设计周期,研究结果为解决嫁接机自动上苗问题提供理论依据和设计参考.
关键词： 嫁接机 试验 砧木上苗 吸附块 仿真设计 柔性吸附
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