科研产出
基于Swin Transformer与GRU的低温贮藏番茄成熟度识别与时序预测研究
《农业机械学报 》 2024 EI 北大核心 CSCD
摘要：面向绿熟番茄采后持续转熟特征，适时调温是满足不同成熟度番茄适宜贮运温度需求的关键，而果实成熟度自动识别与动态预测则是实现温度适时调控的基础条件。本文基于Swin Transformer与改进GRU提出了一种番茄成熟度识别与时序动态预测模型，首先通过融合番茄两侧图像获取番茄表观全局红色总占比，构建不同成熟番茄图像数据集，并基于迁移学习优化Swin Transformer模型初始权重配置，实现番茄成熟度分类识别；其次，周期性采集不同储藏温度（4、9、14℃）下番茄图像数据，结合番茄初始颜色特征与贮藏环境信息，构建基于Swin Transformer与GRU的番茄成熟度时序预测模型，并融合时间注意力模块优化模型预测精度；最后，对比分析不同模型预测结果，验证本研究所提模型的准确性与优越性。结果表明，番茄成熟度正确识别率为95.783%,相比VGG16、AlexNet、ResNet50模型，模型正确识别率分别提升2.83%、3.35%、12.34%。番茄成熟度时序预测均方误差（MSE）为0.225,相比原始GRU、LSTM、BiGRU模型MSE最高降低29.46%。本研究为兼顾番茄成熟度实现贮藏温度柔性适时调控提供了关键理论基础。
关键词： 番茄 低温贮藏 成熟度识别 时序预测模型 Swin Transformer GRU
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农业灌溉水资源优化配置研究进展
《农业工程学报 》 2024 EI 北大核心 CSCD
摘要：水资源短缺是制约农业可持续发展的关键因素,因此农业灌溉水资源的优化配置对于保障粮食安全和水安全具有重要意义.该研究基于农业灌溉水资源优化配置的主要类型,对单一作物灌溉优化决策、多作物水土资源优化配置和灌溉渠系水资源优化调度 3个方面的研究进展进行了系统综述.同时指出了当前农业灌溉水资源优化配置中存在的主要问题和未来研究方向,研究认为当前的农业灌溉水资源优化配置应在如下 4个方面进行完善:1)建立更具生理意义的作物水分-产量-品质模型;2)在气候变化和人类活动的情景下实现农业灌溉水资源的优化配置;3)构建全面考虑水源、渠系、灌区面积、作物配置以及生育阶段的系统性农业灌溉水资源优化配置模型;4)建立以棵间蒸发最小为目标的动态灌溉优化决策模型.研究可为中国的粮食安全和水安全提供理论指导.
关键词： 模型 作物 水资源 灌溉优化决策 非充分灌溉 节水调质 渠系
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高光谱成像的黄瓜病虫害识别和特征波长提取方法
《光谱学与光谱分析 》 2024 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：黄瓜霜霉病和斑潜蝇是制约黄瓜产业发展的严重病虫害。为实现黄瓜病虫害快速在线识别，采用高光谱成像和机器学习研究快速识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的方法，为开发实用的基于多光谱成像的黄瓜病虫害快速识别设备奠定基础。使用高光谱成像系统采集黄瓜无症状叶片、霜霉病叶片、斑潜蝇虫害叶片的高光谱图像，在病斑区域选择若干个感兴趣区域（ROI）,计算每个ROI的平均反射率数据作为叶片原始光谱数据。使用Kennard-Stone算法将光谱数据按照3∶1的比例划分为训练集和测试集。使用直接正交信号校正（DOSC）、多元散射校正（MSC）、移动窗口平均平滑（MA）3种方法对原始光谱数据进行预处理。采用空间迭代收缩法（VISSA）、竞争性自适应重加权算法（CARS）、迭代保留信息变量法（IRIV）、随机蛙跳算法（SFLA）对MA预处理后的光谱数据进行特征波长提取，分别提取出53、 20、 26、 10个特征波长。然后使用连续投影算法（SPA）分别对特征波长光谱数据进行二次降维，最终VISSA-SPA提取的特征波长为455、 536、 615和726 nm; CARS-SPA提取的特征波长为452、 501、 548和578 nm; IRIV-SPA提取的特征波长为452、 513、 543和553 nm; SFLA-SPA提取的特征波长为462、 484、 500和550 nm。分别对全波段光谱数据、一次降维光谱数据、二次降维光谱数据进行支持向量机（SVM）、 Elman神经网络、随机森林（RF）建模，结果表明，MA预处理后的全波段光谱数据所建模型识别效果最好，其中MA-RF模型测试集总分类精度（OA）达到97.89%, Kappa系数为0.97。采用一次降维光谱数据所建模型中，MA-VISSA-RF模型效果最好，测试集OA为98.19%, Kappa系数为0.97。采用二次降维光谱数据所建模型中，MA-IRIV-SPA-SVM模型效果最好，测试集OA为96.23%, Kappa系数为0.95。研究结果表明，使用高光谱成像技术识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害具有良好的效果，452、 513、 543和553 nm可以作为识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的特征波长，为开发黄瓜病虫害快速识别设备提供了理论依据。
关键词： 高光谱成像 机器学习 特征波长 霜霉病 斑潜蝇虫害
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基于称量反馈的设施番茄灌溉系统的构建与应用
《农业工程学报 》 2024 EI 北大核心 CSCD
摘要：为提高设施番茄灌溉的精准性，该研究设计了一种基于称量反馈的灌溉系统，该系统包括称量反馈模块、多源信息采集传输模块、灌溉决策模块与水肥执行模块。称量反馈灌溉决策首先利用卫星定位模组获取灌溉地经纬度信息自动计算当天的日出时刻、日落时刻、日中时刻，结合椰糠条吸水特性与番茄植株日需水量变化规律，把1 d自动划分为4个不同的动态灌溉阶段；根据温室内温湿度信息及排液电导率（electrical conductivity,EC）值反馈的番茄植株根部信息，制定了一般模式灌溉肥液或洗盐模式灌溉清水（或低浓度营养液）。设计试验以基于辐射累积控制灌溉、定时灌溉作为对照，分别从栽培效果、灌溉效果、应用效益方面验证该灌溉系统的应用效果。结果显示使用该称量反馈灌溉系统比基于辐射累积控制灌溉系统灌溉量增加1.8%，用肥量减少7.3%，排液比降低7.9%，排液EC值降低9.3%；与定时灌溉方式相比灌溉量减少11.3%，用肥量减少20.0%，排液比降低17.9%，排液EC值降低4.9%。栽培效果显示，使用该称量反馈灌溉系统的椰糠条栽培番茄在茎粗、叶片叶绿素相对含量、糖度值、单穗质量和基于辐射累积的控制灌溉相比无显著性差异（P>0.05），但株高增加4.8%；与定时灌溉相比在株高、茎粗、叶片叶绿素相对含量、糖度值、单穗质量均无显著性差异（P>0.05）。预计使用该称量反馈灌溉系统，园区15栋日光温室（1.22 hm2）相比基于辐射累积控制灌溉，应用效益月节约0.276万元，与定时灌溉方式相比，园区月节约2.247万元。该系统简化了番茄植株需水量的计算过程，实现了番茄栽培水分的精准感知与按需精量灌溉。
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果园智能化作业装备自主导航技术研究进展
《农业机械学报 》 2024 EI 北大核心 CSCD
摘要：果园生产管理主要包括喷药、施肥、割草、修剪、授粉、疏花和采收分级等作业环节，需要大量的人力投入，随着我国人口老龄化程度加剧，亟需果园生产管理由机械化向智能化转型升级。自主导航技术是果园机械化装备实现智能化的关键技术。本文围绕果园智能化作业装备导航控制需求，结合国内外研究现状，分别阐述了包含导航定位信息和障碍物信息的果园作业场景感知技术，导航地图构建、导航路径提取和路径规划技术，行走底盘运动学模型构建、运动控制技术，多机协同控制、远程交互控制技术等。随着智慧农业发展，智慧果园已成为果园未来发展方向，果园智能化作业装备是智慧果园建设必不可少的关键环节，在此基础上，归纳了我国果园智能化作业装备自主导航技术发展面临的问题为：环境感知能力不足、路径提取不稳定、局部路径规划不灵活、导航系统环境适应性欠缺、多机协同和远程控制不成熟等，提出了多传感器融合的环境感知与路径提取、完整路径规划、强通用性果园导航、大型果园多作业环节的多机协同与远程操作等未来发展方向。
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畜禽粪便Cu、Zn含量特征研究
《江苏农业科学 》 2024 北大核心
摘要：为了解畜禽粪便中Cu、Zn含量在近年来的变化趋势，通过文献调研，分析了牛粪、猪粪和鸡粪中的Cu、Zn含量、随时间变化和区域变化的特征。结果表明，畜禽粪便中Cu、Zn含量表现为猪粪(500.9、1 121.5 mg/kg)>鸡粪(121.8、436.3 mg/kg)>牛粪(52.1、202.6 mg/kg)。猪粪Zn含量随年代变化呈极显著增加趋势(P<0.01),增加速率约为55.9 mg/(kg·年);鸡粪Cu含量随年代变化呈下降趋势(P<0.05),下降速率约为6.55 mg/(kg·年)。不同区域猪粪Cu、Zn含量有差异，广西省猪粪Cu含量最高，平均值为796.6 mg/kg,湖南省猪粪Zn含量最高，平均为1 674.1 mg/kg。研究表明，鸡粪中的Cu近年来得到较好的控制，而猪粪Zn控制效果较差；由于猪粪Cu、Zn含量高，长期施用条件下存在土壤Cu、Zn累积的风险，因此应重点加强饲料行业的监管力度。
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基于环境变量辅助的不同地形单元土壤类型数字制图研究
《农业机械学报 》 2024 EI 北大核心 CSCD
摘要：土壤类型图反映了不同土壤类型的地理分布及其特征，为土壤资源利用、保护和管理提供了科学基础。基于土壤-环境关系的数字土壤制图方法是快速获取高精度、高分辨率土壤空间分布信息的重要手段，但针对不同地形单元的适用性及制度精度仍需进一步探讨。本文以北京市平谷区为研究区，将其划分为山地丘陵区和平原区2个地形单元，基于土壤调查点和随机森林算法，构建土壤-环境变量关系模型，进行不同地形单元的土壤类型数字制图。结果表明，山地丘陵区土类、亚类、土属和土种数字制图总体精度(Overall accuracy, OA)分别为100%、93.1%、89.7%和75.9%;而平原区土类、亚类、土属和土种数字制图OA分别为73.7%、55.3%、52.6%和23.7%。这表明在山地丘陵区，环境变量辅助的土壤类型数字制图具有较好的精度，而在平原区，这种精度会显著降低。随着土壤类型分类单元从土类到土种的精细化，环境变量辅助的土壤类型制图精度也逐渐下降。建议在资源有限的情况下，对于山地丘陵区，可以充分利用易获取的环境变量数据来提升土壤类型制图精度；而对于平原区，则需适当增加土壤类型剖面数量以提高制图精度。研究结果为其他地区土壤类型数字化制图提供了实践案例和技术支持。
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聚氨酯包膜尿素对马铃薯生理特性及根际土壤无机氮的影响
《中国土壤与肥料 》 2024 北大核心 CSCD
摘要：近年来，随着农业发展方式从资源消耗型向绿色生态型的转变，发展绿色新型肥料成为一种趋势。探究新型肥料聚氨酯包膜尿素对马铃薯生理特性及根际土壤无机氮含量的影响，为新型控释氮肥在马铃薯种植的合理施用提供依据。采用盆栽试验，设置4个处理，分别为不施氮（U0）、普通尿素常规施氮处理（N 0.1 g/kg土，U1）、普通尿素高氮处理（N 0.3 g/kg土，U2）和聚氨酯包膜尿素处理（N 0.1 g/kg土，CRF）。结果表明，施氮显著增加了马铃薯产量，其中CRF处理增产优势明显。第20 d时，U1和CRF处理增加了马铃薯根、茎、叶、块茎生物量；第40 d时，施氮处理比不施氮处理显著提高马铃薯的生物量，但施氮处理间差异不显著；第60 d时，CRF处理不同程度增加了块茎生物量、叶片SPAD值、叶片的净光合速率和根系活力。与U1和U2处理相比，CRF处理促进了马铃薯氮素积累，增加了中后期根际土壤铵态氮（NH4+-N）含量，而显著降低前期硝态氮（NO3--N）含量。相关分析发现：马铃薯产量与40 d的根生物量和60 d的叶片和块茎生物量、SPAD值、总根长和氮素积累量呈极显著正相关；聚氨酯包膜尿素通过增加根际NH4+-N含量而显著提高了40 d马铃薯根生物量和60 d茎生物量，通过增加根际NO3--N含量提高了60 d的块茎生物量、氮素积累量和SPAD值。
关键词： 马铃薯 聚氨酯包膜尿素 生理特性 根际土壤 氮养分
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基于区块链的远洋捕捞产品新鲜度评价与可信追溯模型研究
《农业机械学报 》 2024 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对远洋捕捞追溯流程缺少产品新鲜度定量分析，分析结果可信度差等问题，以三文鱼为例，详细分析远洋捕捞追溯流程，基于层次分析法建立了远洋捕捞产品新鲜度指标评价体系，提出新鲜度得分公式，实现了标准统一的产品新鲜度评价。结合ECDSA签名技术与智能合约实现了追溯责任的精准定位，通过引入信誉积分数据，建立了奖励、惩罚、补偿机制三位一体的企业双向信誉评价模型，保障了信誉评价主体的积极性及新鲜度得分数据的真实性，实现了产品新鲜度的可信追溯。安全性分析表明信誉积分的攻击难度等价于ECDSA私钥的破解难度，证明了信誉评价模型可信、安全及不可篡改的特性。性能测试结果显示，追溯数据读写吞吐量保持在500笔/s与150笔/s以上，读写成功率分别为100%与98%,数据写入平均耗时为0.416 s,数据查询平均耗时为0.142 s,相比基于可靠企业信誉评估机制的区块链农产品可信追溯模型，存储与查询效率分别提升55.8%与63.4%,基本满足产品实际追溯业务需求。
关键词： 三文鱼 远洋捕捞产品 区块链 椭圆曲线数字签名算法 层次分析法
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玉米秸秆水热生物炭施用对土壤重金属Cd生物有效性和微生物群落的影响
《农业环境科学学报 》 2024 北大核心 CSCD
摘要：为了探究玉米秸秆水热生物炭（简称水热炭）施用对镉（Cd）污染土壤的修复效果及作用机制，通过盆栽试验，分析了不同水热炭在不同添加率下（1%和3%）对土壤Cd生物有效性和作物吸收的影响，并探究了不同条件下的微生物群落结构。结果表明：与对照相比，水热炭施用显著提高了土壤有机质和溶解性有机碳含量，土壤中二乙烯三胺五乙酸提取的Cd(DTPA-Cd)和油菜叶片Cd含量分别降低了5.01%～20.98%和10.82%～34.16%。提高水热温度和水热炭添加率有助于降低土壤DTPA-Cd含量。此外，施用水热炭显著增强了根际土壤细菌的多样性和丰度，且明显改变了微生物群落结构。与对照组相比，施用水热炭显著降低了根际土壤中Actinobacteriota的相对丰度，提高了Proteobacteria和Bacteroidota的相对丰度。冗余分析表明土壤溶解性有机碳含量是影响根际土壤细菌群落结构的关键因素。因此，水热炭对重金属污染土壤有很大的修复潜力，但其对土壤重金属的长期效应有待进一步研究。
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