科研产出
倒伏胁迫下的玉米冠层结构特征变化与光谱响应解析
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：倒伏胁迫是玉米生产中的主要灾害之一,严重影响玉米的产量、品质和机械收获能力.解析不同倒伏胁迫强度下玉米冠层结构变化规律及其光谱响应机理,是玉米倒伏灾情大范围遥感监测的基础.分别在玉米抽雄期、灌浆中期设置茎倒、茎折、根倒3种强度的倒伏处理,基于田间多频次持续观测实验,分析生育期、倒伏类型对玉米冠层结构动态变化及其自我恢复能力的影响;采用传统光谱变换与连续小波变换方法对倒伏玉米冠层高光谱进行处理,选取叶面积密度(LAD)为玉米倒伏冠层结构特征指标,筛选叶面积密度最佳敏感波段和小波系数,基于随机森林法构建叶面积密度高光谱响应模型,利用未参与建模的实测样本验证模型精度,重点探讨小波分解尺度和光谱分辨率对LAD光谱响应能力的影响规律.研究结果表明:叶面积密度作为单位体积内叶面积总量的冠层结构表征指标,与倒伏胁迫强度具有较好的响应关系,灌浆期的倒伏玉米LAD普遍高于抽雄期,抽雄期LAD整体表现为茎折>根倒>茎倒>未倒伏,灌浆期LAD整体表现为根倒>茎折>茎倒>未倒伏;经连续小波变换后,玉米倒伏冠层光谱对玉米倒伏LAD的响应能力普遍优于传统光谱变换,随着小波分解尺度的增加, LAD与敏感波段的相关性越强,其中10尺度相关系数最高,达0.74;连续小波变换所构建的模型精度普遍优于传统光谱变换,其中由原始光谱小波变换后构建的LAD响应模型精度最高,检验样本的R~2为0.811, RMSE为1.763,表明连续小波变换技术可凸显和利用冠层光谱中的细微信息.因此,叶面积密度可有效定量表征不同倒伏胁迫程度的玉米冠层结构变化特征,连续小波变换能有效提升冠层光谱对倒伏玉米结构变化的响应能力,基于随机森林法构建的倒伏玉米叶面积密度诊断模型具有较高的精度和稳定性,可为区域尺度的夏玉米倒伏灾情遥感监测提供先验知识.
关键词： 玉米 倒伏 叶面积密度 高光谱 连续小波变换 随机森林
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太赫兹技术在农产品品质检测中的研究进展
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：农产品质量安全日益受到关注。由于传统检测方法存在耗时长、操作复杂、消耗大量溶剂、成本高等问题,因而迫切需要开发快速无损检测技术。在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的太赫兹波,因其所处波段的特殊性,使其具有了瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等一系列特性,太赫兹技术可以有效反映有机生物分子的结构和性质,作为物质"指纹"谱,该技术逐渐应用于有机生物分子的定性、定量分析,在近红外光谱、拉曼光谱、X射线等众多光谱类快速无损检测技术中成为一种极具竞争力的新兴检测技术。首先介绍了太赫兹波特点,太赫兹光谱及其成像技术原理;其次,在其基础上总结了太赫兹数据处理一般流程及其主要步骤中的常用分析方法,着重对定量、定性分析步骤中模型搭建方法、评估方法、评估指标进行了阐述;再次,讨论了近几年来太赫兹技术在农产品品质检测中的几个关键领域应用和研究进展,具体包括农药残留、抗生素、毒素等微量有害物质检测,掺假、转基因和外源异物的鉴别以及农产品内部营养成分含量预测等;最后,系统探讨了太赫兹技术在农产品品质检测领域尚需解决的问题,以此为导向总结需要进一步加强的研究方向,并对太赫兹技术在农产品品质领域未来发展作出展望。已有研究文献表明太赫兹技术在农产品品质检测领域的有效性。尤其,对非极性物质不敏感的特性,使其对已包装农产品的品质检测与评估具有得天独厚的优势。随着机器学习、强化学习等信息科学技术发展,一方面进一步加强太赫兹数据分析技术研究,通过数据自主学习,从数据角度揭示科学规律,构建精度更高、运算开销更小、实时性更强、泛化能力更好的分析模型;另一方面从分子振动理论出发,结合化学、物理学知识,研究太赫兹光谱特性的形成机理,并将获取的先验知识应用于分析模型的构建,通过数据与机理二者有机结合,提高太赫兹光谱分析软实力。未来硬件系统开发上以便携、低成本、灵敏度高为目标,最终实现太赫兹技术应用从实验室研究阶段逐渐走向商用工程化应用。
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基于物联网的病死猪无害化处理山区运输监控系统设计
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：目前,大多数无害化处置运输车辆使用全球定位系统(global positioning system,GPS)来确定病死猪的消毒站位置和运输路线。然而,当车辆在偏远山区运行时,定位信息传递不连续和不完整。为了解决这个问题,设计了一套病死猪无害化处理监控系统,系统结合北斗导航系统、全球定位系统、无线射频识别技术(radio frequency identification,RFID)、通用分组无线服务技术和地理信息系统等技术。利用北斗/GPS双模用户机双模定位和双向通信的功能,一方面,它可以解决单一定位时出现的定位信息不稳定的问题;另一方面,当BDS导航定位系统数据似乎显示出偏差,将WGS-84坐标系的GPS定位数据转换为BDS定位系统的CGCS2000坐标系,以提高运输车辆位置信息采集精度的目的。利用GAMIT软件计算观测点的三维坐标,并对组合导航和单导航的定位精度进行分析。采用Floyd算法对运输路线进行优化,寻找最短的运输距离。利用北斗卫星的信息通信功能代替全球移动通信系统(global system for mobile communications,GSM),短消息业务,实现无害化运输车辆与控制中心之间的信息远程传输。控制中心通过对接收到的数据进行分析,得到病死猪收运车的运输路线和定点消毒监测信息。系统试验表明:采集的数据能够准确及时地传输到控制中心,北斗/GPS双模接收机定位精度比北斗卫星定位精度高55.13%,比GPS卫星定位精度高52.71%。北斗通信的网络丢包率为0.26%,消毒点的车辆定点识别误差率0.97%,结果表明,满足病死猪无害化处理监控管理的要求,系统运行可靠、稳定。该系统的构建与应用,为其他病死动物无害化处理的综合管理与监控提供参考。
关键词： 监控 设计 物联网 无害化处理 北斗卫星 Floyd算法 运输线路图
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播种机气动式下压力控制系统设计与试验
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：为保证播种机适宜的压实力和稳定的播种深度,提高种子出苗品质,促进后期生长发育,针对现有下压力测量方式灵敏度低、且缺少快速有效精准控制模型的问题,提出一种基于气囊压力和仿形四连杆倾角的播种下压力控制方法。采用一阶低通滤波的轴销传感器下压力监测方式,设计了气动式下压力监控系统,包括气压驱动装置、倾角传感器、数据采集控制卡及上位机控制软件等,轴销传感器和倾角传感器分别实时测量限深轮对地下压力和仿形四连杆倾角,并反馈给上位机,经过模型计算后控制数据采集控制卡发送信号调节气压驱动装置,保证限深轮对地下压力在设定范围内。室内建模和响应测试结果表明,在不同气囊压力和四连杆倾角设置下,建立的播种下压力控制模型校正决定系数为0. 974 3,均方根误差为49. 41 N,试验验证模型预测均方根误差为39. 51 N,对播种下压力具有较好的控制准确性;在0. 1～0. 6 MPa压力设定下,气囊充气阶跃响应平均超调量3. 83%,平均稳态误差0. 005 2 MPa,平均调节时间0. 42 s,满足作业需求。田间播种深度控制性能试验结果表明,在6～10 km/h作业速度范围内,气动式下压力控制系统对播种深度具有稳定可靠的控制性能,系统播种深度合格率不小于98. 91%,特别是在10 km/h高速作业时,播种深度标准差为3. 46 mm,变异系数为6. 97%,显著优于被动弹簧式下压力调节方式。
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日光温室正压湿帘冷风降温性能及冷负荷计算模型
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：负压湿帘风机降温被广泛应用于温室生产中,但存在降温均匀性差、限制温室长度及对温室密闭性要求高等不足.为克服负压湿帘风机降温的局限性,提高日光温室降温能力,该研究设计了日光温室正压湿帘冷风降温系统,其气流组织方式为湿冷空气从南屋面底部进入日光温室,热空气由顶开窗排出室外.在北京地区无作物的日光温室对系统夏季降温增湿效果及性能进行试验,试验结果表明:在典型夏季高温白天,正压湿帘冷风降温系统配合遮阳网可将日光温室试验区内平均气温控制在30.7~33.4℃,比采用自然通风配合遮阳网的对照区低5.4~11.1℃,比室外低2.4~5.4℃,降温效果良好;夜间系统对温室降温幅度减小.该系统可有效缓解低湿胁迫,日光温室试验区空气平均相对湿度为49.8%~62.3%,比对照区及室外分别高13.6%~21.2%和13.6%~24.6%.室内风速0.35~1 m/s,气流分布差异性较小.试验条件下,正压湿帘冷风降温系统的平均降温效率为91%,比传统的负压湿帘风机高10个百分点以上;实际平均耗水量为0.035~0.079 g/(m~2·s),且耗水量与室外空气水蒸气饱和压差(VPD,vapor pressure deficit)呈正相关(P<0.01,r=0.64).同时,研究构建了日光温室冷负荷计算模型及湿帘冷风降温设备合理选型方法,其中冷负荷模型是降温设备选型的基础,普遍适用于各种日光温室降温方法的研究.计算得到日光温室夏季降温冷负荷为299.1W/m~2,应安装的正压湿帘冷风降温系统最大比通风量为0.067 m/s.该研究为日光温室正压湿帘冷风降温方法的工程应用提供了技术参考,为日光温室安全越夏生产环境控制提供了理论基础.
关键词： 温室 温度 模型 日光温室 正压通风 湿帘风机 降温 冷负荷
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水体COD激光诱导击穿光谱快速测量方法研究
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：水体化学需氧量(COD)是一个重要的水体质量指标,一般用来衡量有机物的污染程度.对COD的检测长期依赖采样后的实验室化学分析方法,目前应用最普遍的是重铬酸钾氧化法与酸性高锰酸钾氧化法.化学分析的方法操作复杂,耗时费力,且引入新的化学药剂,造成二次污染,因此,急需一种能够实现水体COD快速测量的检测技术.在前期研究基础上,对水体COD的激光诱导击穿光谱检测方法进行深入探索,重点是优化模型预测速度,目的是研究激光诱导击穿光谱技术用于对水体COD的快速测量方法.采集了不同COD浓度的99个水体样本,分为训练集和测试集两组,通过重铬酸钾氧化法测定各水样的COD值,作为真实值,利用实验室自建的激光诱导击穿光谱采集系统采集各水样波长在200~1000 nm的光谱信息,利用偏最小二乘算法建立训练集水样COD的定量化测量模型,然后对测试集光谱数据进行预测,将预测结果与实验室化学方法测定的真实值进行对比,评估预测效果.通过对原始光谱建立的预测模型进行分析,发现在建模过程中,大量的激光诱导击穿光谱数据与COD浓度相关性很差,而这些无用数据参与计算,浪费了计算资源,延长了检测时间,造成系统负载过大,不利于便携式检测设备的开发.重点研究贡献度最大的前几个主成分,通过对COD测量原理和PLS模型载荷分析,找到LIBS光谱中与水样COD浓度相关性最高的主要特征峰,经过分析发现,主要为来源于水中有机物中的C,H,O,N以及水中一些还原性离子元素的特征峰,这些特征峰对COD的模型预测能力贡献最大,而COD的定义正是衡量水体中这些元素的多少,这与该研究分析结论相吻合.为了实现检测速度的提升,提取这些特征峰,对光谱数据进行降维,剔除大量无关或相关性较低的数据,经过多次筛选和降维,最终将原来参与计算的每条光谱的13622个数据降到28个,大大降低系统的运算量,却依然能够保留不错的预测能力.筛选出的28个特征波长最能反映水体COD浓度,为水体COD便携式的多波段检测设备的研发,实现对COD的快速测量奠定了基础.
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田间作物NDVI测量仪可靠性分析及标定环境研究
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：传统对田间作物NDVI测量仪定标大多采用单通道定标方法,该方法存在定标后在室外测量过程中数据偏差较大的问题。针对此类问题,该文以Crop Sense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪为待定标传感器,以ASD FieldSpec 4地物光谱仪为参考传感器,在室外复杂光照环境下对比多种定标物待定标传感器和参考传感器的测量结果并分析误差,得到田间作物NDVI测量仪的最适宜使用条件及可靠性分析结果。试验结果表明,田间作物NDVI测量仪的适宜测量条件为光照强度大于5.2 klx的情况,在该情况下光照强度和太阳高度角对田间作物NDVI测量仪的影响不显著,在其他条件下可靠性下降。在适宜测量条件下,晴天Crop Sense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪获取的NDVI与ASD FieldSpec 4地物光谱仪获取的NDVI间的RMSE分别为0.074 5～0.104 9和0.026 8～0.054 3,阴天RMSE分别为0.094 2～0.117 9和0.029 9～0.070 3。经室外定标模型校正后,晴天Crop Sense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪获取的NDVI与ASDField Spec4地物光谱仪获取的NDVI间的RMSE分别降低了37.1%～41.4%和10.7%～31.5%,阴天CropSense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪的RMSE减少33.8%～48.3%和48.7%～62.6%。此研究成果为被动式NDVI测量类传感器的标定及应用提供了科学的参考依据。
关键词： 作物 光照测量 可靠性 NDVI 测量仪 交叉辐射定标 光照强度 太阳高度角
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功能纳米材料的"瘦肉精"传感检测技术研究进展
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要："瘦肉精"系一类具有相似结构的β-肾上腺素受体激动剂化合物,曾被滥用作为动物生长促进剂,以提高胴体瘦肉率.中国虽自2010年起禁止其应用于动物养殖环节,但当前,"瘦肉精"类物质非法添加现象仍时有发生,且其替代品多、隐蔽性不断增强对畜产品安全和人类健康仍构成极大威胁.功能纳米材料所具有的特殊结构及性质,极大地提升了现有传感检测技术的性能,使得现有传感检测技术不断朝着灵敏、高效、简便、低成本及抗干扰能力不断增强等方向发展.该文分别从金纳米材料、碳质纳米材料、量子点以及其他新型纳米材料角度出发,总结了以上纳米材料与传感检测技术相结合在"瘦肉精"检测方面的研究进展,分析了各种检测方法的优缺点,并提出了未来功能纳米材料与传感检测技术相结合需要提升的地方,为下一步开发更灵敏准确、简便易行、高通量及低成本的检测方法提供参考.
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二进制小波技术定量反演北方潮土土壤有机质含量
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：为从土壤光谱中提取土壤有机质的光谱响应信息,提升土壤有机质含量诊断精度与可靠性,以潮土有机质含量为研究对象,以北京市区域的96个耕层土壤参数与高光谱数据为数据源开展研究分析;先采用二进制小波技术将土壤光谱数据分离为5个尺度的高频数据与低频数据,再将低频数据、高频数据分别与土壤有机质实测数据进行相关性分析,提取最佳波段组合,构建有机质含量诊断模型.结果表明:(1)二进制小波技术可抑制噪声对高频信息的干扰,能有效提升光谱对土壤有机质含量的敏感性,进而提升有机质含量的诊断精度与可靠性;(2)在二进制小波技术下,高频信息对有机质含量的诊断能力明显优于低频信息,低频信息对土壤有机质含量的诊断能力随尺度增加而降低,高频信息随尺度增加呈先提升而后降低的趋势;(3)与数学方法相比,基于二进制小波变换算法构建的模型精度较高,稳定性较好,其最优模型的预测精度提高了31.5%,可靠性增加了10.5%.
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基于逆透视变换的条播作物早期作物行识别
《江苏大学学报(自然科学版) 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：根据条播作物田间作业的对行要求,提出了一种新的作物行检测方法.首先通过选取透视图像中底部区域进行垂直投影,获得透视图像中作物行的边缘点并进行逆透视变换,然后基于逆透视变换算法消除图像几何失真,利用骨化算法求取逆透视图像中作物行的骨架线交点集,在逆透视变换图像中根据边缘点对骨架线交点集进行划分,最后对交点集分类后的作物行进行拟合,以获取不同的作物行.通过对300幅不同生长条件下的小麦作物行图像进行识别试验,其行识别拟合结果表明:作物行拟合的平均误差为2.136 7°,标准差为1.024 3°,平均耗时为0.364 7 s,能够满足实时工作要求.
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