科研产出
基于紫外-可见光谱国标Ⅰ级水净化系统的设计与实现
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：国家标准规定的Ⅰ级水是分析实验室常用的试验用水,为快速、准确的实现纯水水质分析,为分析实验室设备自动化、智能化提供科学依据,采用全波段(200～900 nm)紫外-可见光谱分析技术,设计了基于紫外-可见光谱国标Ⅰ级水净化系统(NSGI-WPS)。该系统以树莓派为核心控制器,光谱探测器、电导率传感器为采集模块,改良的硅钼蓝分光光度法为可溶性硅测定方法,实现了对分析实验室用水254 nm吸光度、电导率和可溶性硅含量的同时在线检测。在痕量硅含量的测定试验中,为了消除噪声干扰对试验的影响,系统采用Savitzky-Golay平滑去噪法对光谱进行预处理,通过窗口宽度和多项式次数的不同组合形式,获得了80组平滑后的光谱数据,将其分别与0.004, 0.006, 0.008, 0.010和0.012 mg·L~(-1)硅标准溶液浓度进行一元线性回归分析后,得到单波长吸光度与硅标溶液浓度的相关光谱。试验结果表明,当窗口宽度为17,多项式次数为2时,相关光谱的特征峰宽度最宽,特征峰区间为796～824 nm,特征峰峰值所处波长与平滑后的显色溶液吸收光谱峰值波长一致。通过比较不同硅标准溶液的显色溶液吸收光谱分布,发现硅标液浓度与吸收光谱呈线性正相关,因此,试验选取812.638 nm为最优特征波长。为了建立可溶性硅含量与显色溶液吸光度的关系模型,以加入的硅标准溶液浓度为横坐标x, 812.638 nm处显色溶液的吸光度为纵坐标y,绘制了其工作曲线,曲线的决定系数R~2=0.999 6,表明了模型具有较强的拟合能力。此外,编写的NSGI-WPS系统管理软件实现了参数的实时处理和自动控制,对未达到分析实验室国标Ⅰ级水用水规格的纯水通过反渗透(RO)、连续电去离子技术(EDI)、混合床离子交换树脂和紫外光氧化等技术处理,实现了对纯水的严格控制。通过对比分析自来水、Ⅲ级水、Ⅱ级水在净化前后各参数变化,发现净化后各参数数值下降显著,其中,电导率最高下降幅度可达99.94%,各参数的相对平均偏差均小于2%。试验结果表明,基于紫外-可见光谱分析法的NSGI-WPS系统具有净化能力强、准确性高、鲁棒性好等优点,经过检测、分析和净化后的纯水满足分析实验室国标Ⅰ级水用水要求。本文为紫外-可见光谱分析法在纯水净化系统中的应用做出了探索性研究。
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草本植物间作对空心菜Pb吸收、转运的影响
《地学前缘 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了研究不同草本植物间作对空心菜生长状况及对Pb的吸收、转运效果,采用盆栽试验,研究了空心菜在Pb污染土壤中单作及与10种草本植物(高丹草、苏丹草、狼尾草、黑麦草、苦荬菜、菊苣、籽粒苋、三叶草、紫花苜蓿、紫云英)间作对Pb吸收、积累的影响。结果表明:空心菜与黑麦草、苦荬菜、菊苣、籽粒苋、三叶草、紫花苜蓿以及紫云英间作后的茎叶生物量较空心菜单作增加显著(P<0.05),增加了15.79%～84.75%。不同间作方式下的空心菜茎叶Pb含量为7.11～15.36mg/kg,茎叶Pb富集系数(BCF)为0.024～0.051,根-茎叶Pb转运系数(TF)为0.240～0.470。与高丹草、苏丹草、苦荬菜、菊苣以及籽粒苋间作后,空心菜茎叶Pb含量较单作(对照)降低了24.39%～41.46%,茎叶Pb积累量较单作降低了65.36%～75.06%;此外,与上述5种植物间作后空心菜的根际土壤有效态Pb含量降低了4.47%～9.09%,根际土壤pH值则增加了0.32%～2.74%。10种间作植物茎叶Pb含量大小为菊苣>黑麦草>苦荬菜>高丹草>苏丹草>紫云英>紫花苜蓿>狼尾草>三叶草>籽粒苋。不同间作方式下每盆植株Pb总积累量为0.560～2.108mg/盆,10种间作处理是空心菜单作处理的1.73～3.76倍。研究结果表明,高丹草、苏丹草、苦荬菜、菊苣和籽粒苋与空心菜间作有效降低了空心菜对Pb的吸收积累,同时提高了整个体系对土壤中Pb的总积累量,在间作修复中是较为理想的组合模式。
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免耕覆膜增加中度盐碱土团聚体有机碳和微生物多样性
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：为阐明免耕覆膜措施在河套灌区中度盐碱地的改土效果,开展了连续5a的田间定位试验,分析了翻耕无覆盖(CT)、翻耕地膜覆盖(CTP)、免耕无覆盖(NT)、免耕地膜覆盖(NTP)4种耕作措施对土壤水盐分布、团聚体有机碳和微生物区系的影响。结果表明:试验第5年春灌前,免耕处理(NT、NTP)0～40cm土壤平均含盐量较CT、CTP分别降低36.53%、11.66%,春灌后较CT处理低25.27%,但较CTP高13.15%(P<0.05),作物收获后0～40 cm土壤含盐量NT较CT、NTP较CTP分别显著降低52.44%、20.65%(P<0.05),免耕和覆膜均能抑制蒸发季节0～40 cm土层返盐。收获后免耕处理0～40 cm土壤>0.25 mm粒级团聚体质量分数较翻耕显著提高53.41%,NTP处理>1 mm粒级团聚体较NT显著提高40%(P<0.05);0～40cm土壤有机碳NT较CT、NTP较CTP分别显著提高16.44%、15.48%,CTP较CT显著提高7.46%(P<0.05)。收获后NTP处理显著提高了0～40 cm土壤可培养细菌、放线菌、真菌菌落数,高通量分析表明NTP处理Shannon指数显著高于CT、CTP处理,土壤有机碳和>0.25mm团聚体质量分数是提高土壤细菌群落多样性的主控环境因子,分别解释50.9%、29.4%的群落变化。总之,免耕地膜覆盖能够改善盐碱土壤结构、增加土壤固碳、提高微生物多样性,可作为河套地区盐碱土壤质量提升的推广措施。
关键词： 土壤 有机碳 免耕 地膜覆盖 中度盐碱地 盐分分布 土壤微生物
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拖拉机功率与深松作业效率关系研究
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了研究农机实际作业过程中的农机功率与深松作业效率之间的关系,以山东省深松作业为研究对象,选取323台福田雷沃重工生产、功率范围为52. 20~197. 61 k W、装载农机深松作业远程监测终端的拖拉机,采集2015年4月到2017年4月之间深松作业运行轨迹数据37 981条,计算深松作业面积、作业时间和效率.将数据集按照无放回抽样方法分为建模集(80%)和验证集(20%),通过线性回归分析,建立了基于拖拉机功率的深松作业效率模型,拖拉机功率与深松作业效率有明显的线性关系,其R2达到0. 914 7,均方根误差为0. 168 4 hm2/h,模型验证结果均方根误差为0. 339 6 hm2/h.拖拉机作业效率模型可为拖拉机服务组织在拖拉机作业时间窗口条件下进行拖拉机作业的合理调度与分配提供科学依据.
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基于Hadoop的气象大数据分析GIS平台设计与试验
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对海量气象数据在传统Web GIS平台下存储和分析计算受到限制的问题,提出基于Hadoop的分布式计算和存储框架,使用了Hadoop生态体系中的HDFS分布式文件存储框架来存储管理分析海量气象数据。在海量数据的并行计算分析方面,使用MapReduce作为分布式计算编程模型,该模型通过分析海量气候数据可对农业生产进行决策。最后,利用地理信息系统空间可视化技术,在前端页面以三维形式对分析结果进行展示,并分析比较数据量和集群中节点数对计算耗时的影响。试验结果表明,使用分布式多节点集群可以有效提高海量气象数据的存储和计算效率,解决了传统Web GIS平台数据存储与计算的局限性问题。
关键词： 气象数据 分布式 Hadoop MapReduce
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小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了对小麦宽苗带撒播器进行结构改进和参数优化,该文以鸭掌型宽苗带撒播器弹籽板为研究对象,建立了以球面半径、安装倾角和跨度作为变量的球面型弹籽板数学结构模型,搭建了离散元仿真平台,以小麦籽粒横向均匀度变异系数作为作业效果评价指标,分析3个变量对宽苗带撒播器工作性能的影响,并根据试验结果对弹籽板的结构进行优化。单因素试验结果表明,球面半径在130～150 mm、安装倾角在30?～40?、跨度在80?～100?区间时,宽苗带撒播器具有较好的横向匀种效果;通过二次回归正交旋转组合试验,建立了3个变量与横向均匀度变异系数的回归方程,结果表明,影响小麦籽粒横向均匀度变异系数的主次因素依次为安装倾角、球面半径、跨度和安装倾角×跨度,其中安装倾角和跨度之间存在一定的交互作用,当球面半径、安装倾角和跨度分别为141.26 mm、35.53?和90.72?时,宽苗带撒播器具有较优的横向匀种效果,此时理论计算和仿真试验的横向均匀度变异系数分别为10.58%和9.21%,两者偏差仅为1.37个百分点,说明建立的回归模型准确;弹籽板最优结构参数组合下宽苗带撒播器台架和田间应用试验结果显示,小麦籽粒的横向均匀度变异系数的平均值分别为13.40%和12.10%,台架和田间应用试验的结果与仿真试验基本吻合,证明应用离散元法对宽苗带撒播器弹籽板结构参数进行优化的结果是可信的。该研究可以为宽苗带撒播器的弹籽板结构参数优化以及提升其横向匀种效果提供理论参考。
关键词： 机械化 仿真 离散元 宽苗带撒播 数学建模 结构优化 小麦播种
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玉米叶片物理建模与参数确定的运动学分析方法
《计算机辅助设计与图形学学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：基于物理的方法是解决植物动态建模与仿真的有效途径,而模型参数的确定是基于物理方法所面临的重要问题.为实现基于生物物理属性特征的玉米叶片高精度、高真实感动态建模与仿真,提出一种基于运动学分析的玉米叶片物理建模与参数确定方法.首先利用运动捕捉技术获取玉米叶片的运动数据;然后根据运动捕捉特征点构建基于质点-弹簧系统的物理模型;最后基于运动学分析建立物理模型参数解析方程组,利用最小二乘法计算物理模型的参数.以此参数构建物理模型实现玉米叶片的动态模拟,并给出2种模型构造方式的玉米叶片虚拟仿真.结果表明,该方法以一种数据驱动的机制有效估算出对应的物理模型参数,生成的玉米叶片动态虚拟仿真过程具有与实际情况较为接近的真实感效果,为虚拟植物建模与应用提供了一种可行的物理建模及参数确定方法.
关键词： 物理建模 参数确定 运动捕捉 运动分析 玉米叶片 植物仿真
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基于称重式蒸渗仪及多种传感器的作物表型及蒸散监测系统研制
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：作物蒸散量测量与估算在农业方面有着重要作用,而当前对于作物蒸散量的估算主要以试验的方式进行,有一定局限性,且测量面积小,与实际应用还有一定距离。针对以上问题,该文在已有24座小型称重式蒸渗仪基础上,集成RGB成像传感器、多光谱成像传感器和二维激光扫描仪于一体,配合龙门架进行移动控制,构建称重式蒸渗仪植物表型监测系统,实现18 m~2植物生长过程中的RGB、红(668 nm)、绿(560 nm)、蓝(475 nm)、红边(717 nm)、近红外(840 nm)图像信息和植株高度信息的自动监测。最后通过试验,在已设定好的常用速度下,系统单趟运行用时142 s,可采集28组RGB、多光谱图像及所有植株高度信息,速度相对误差在1.8%～6.0%之间。通过对获取的夏玉米多光谱图像和激光扫描仪数据信息分析,系统能够可靠获取归一化差异植被指数等作物指数及植株高度信息。并结合气象站数据,对冬小麦主要耗水期的RGB图像进行分析,对其蒸散量进行了估计,与蒸渗仪获取的实际蒸散量对比,其平均相对误差为16.62%。该系统为大面积作物蒸散量的实时监测和精确诊断以及作物生长状况研究提供有效技术与装备支撑。
关键词： 蒸渗仪 蒸散 表型 监测 多光谱图像 成像系统 图像采集
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基于正则化与时空约束改进K最近邻算法的农业物联网数据重构
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对农业复杂环境易发的物联网感知数据丢失异常问题,该文提出一种基于正则化惩罚的K最近邻数据重构方法(K nearest neighbor-regularization penalty,KNN-RP),采用岭回归方法对最近邻方法中的最小二乘因子进行正则化,并讨论了惩罚项的范数选取形式。通过对农业物联网感知数据的时空稳定性与相关性分析,确定了时间与空间约束矩阵的定义方式。采用温室数据样本对算法性能进行交叉验证,结果显示该文的KNN-RP性能在点丢失模型下优于KNN、反距离加权KNN算法以及DT算法,而在块丢失模型下优于KNN和反距离加权KNN算法,略低于DT算法,提高了农业物联网的感知数据质量。该研究可为基于物联网数据的农业生产决策提供参考。
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不同颜色蒜泥的风味及挥发性物质分析
《食品科学 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：以打破休眠期的大蒜为原料,制备白色、蓝色、绿色和黄色4种颜色蒜泥,采用电子鼻和气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)联用技术揭示其风味及挥发性物质的变化。电子鼻检测中,不同颜色蒜泥对传感器的响应值雷达图和主成分分析(principal component analysis,PCA)结果显示各个样品间的风味存在显著差异。GC-MS结果显示4种颜色蒜泥共检测出83种挥发性物质,其中蒜泥的主要挥发性物质是硫醚类和醛类化合物,此为蒜泥的主要风味物质。使用PCA实现对蒜泥样品挥发性物质的区分,明确4种蒜泥风味差异的挥发性物质,为研究不同颜色蒜泥的风味差异提供理论依据。
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