科研产出
基于WDNN的温室多特征数据融合方法研究
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：目前物联网监测产品在温室生产中大量应用产生海量数据,但现有用于温室数据融合算法对高维特征及混合特征(数据同时包含稀疏特征和连续特征)处理精度较低且泛化能力较弱,鲜有利用深度学习模型对温室数据进行顶层融合并提供准确的决策信息。本文提出了一种基于宽-深神经网络(Wide-deep neural network,WDNN)的两级温室环境数据融合算法。首先利用温室内多点多特征数据训练WDNN深度学习模型,输出形式为多点单特征,再将该输出数据按照少数服从多数原则进行融合,得到温室环境状态的整体评估结果。试验结果表明,该融合方法对预测集中混合特征的决策准确率达到98. 90%,融合特征类型的增加,可用于监测参数更多、环境更复杂的温室,将WDNN模型用于温室混合数据融合是可行有效的,在保证决策精度的同时丰富了可融合特征类别,进一步提升温室融合系统的智能化程度,对温室智能调控提供有效技术支撑。
关键词： 温室 数据融合 无线传感网络 深度学习 宽-深神经网络
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基于三维冠层模型的玉米光合作用和光能利用模拟
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：光线分布和叶片光合特征在冠层内部具有极强的时空异质性,基于三维冠层模型的玉米光合模型是精确评估品种高光效的重要手段。该研究将作物三维冠层模型、光线分布模型、光合模型与光能利用模型相耦合,建立了玉米冠层光合生产模型3DMaizeCaP,设置3个不同株型的玉米品种(矮单268、京科968和郑单958),2种不同光照条件(晴天和阴天),通过大田试验与模型模拟研究揭示了玉米冠层光合速率和光能利用效率对品种和环境的响应。结果表明,矮单268、京科968和郑单958的叶片最大光合速率和暗呼吸速率均随节位下降呈线性降低的垂直分布规律,各品种中矮单268的最大光合速率最大,而暗呼吸速率最小;冠层净光合速率日变化趋势明显,矮单268在阴天和晴天下的冠层最大净光合速率(以CO2计)为21.6和26.2μmol/(m2·s),均显著(P<0.05)高于京科968(20.8和24.9μmol/(m2·s))和郑单958(19.6和24.4μmol/(m2·s));矮单268的日CO2净同化量在阴天和晴天下均显著(P<0.05)高于郑单958,增幅分别高达14.8%和12.4%,各品种间株型虽有显著差异(P<0.05),但冠层日累积光截获并无显著差异(P>0.05);单叶尺度上,各叶片中第16节位的单叶日净同化量达到最大;矮单268的光能利用效率最大,在阴天和晴天下分别为3.22和3.03 g/MJ,比京科968分别高4.5%和5.6%,比郑单958分别高7.7%和7.8%;初始光量子效率对玉米冠层光能利用效率的敏感性显著高于最大光合速率(P<0.05)。从提高玉米冠层光能利用效率考虑,建议设计株型紧凑、叶片光合性能强的玉米品种。研究可为定量研究玉米冠层光合速率提供估算方法,也可为高光效品种选育提供评价依据和鉴定技术。
关键词： 光合作用 作物 模型 冠层光分布 三维点云 植物功能结构模型 光响应曲线 光能利用效率
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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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