科研产出
越冬期麦田根区水热耦合模型参数原位估算与检验
《农业机械学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：越冬期根区充足的蓄水量有利于春季冬小麦的生长并有助于增产,而冬季作物根区水分运移规律通常借助土壤冻融过程水热耦合模型来描述,但该模型的预测精度受参数确定方法与边界条件等多种因素的影响。为了提高模型预测精度,提出了一种改进型的土壤冻融过程水热耦合模型参数估算方法,即运用土壤冻融特征曲线(冻土未冻水含量和土壤温度的关系)来原位估算土壤水热耦合模型参数,并检验该方法的适用性。在此基础上,评价地表蒸发量对模型预测精度的影响。大田试验在北京市昌平区小汤山精准农业示范基地开展,历经两个越冬期(2011—2012年和2012—2013年),利用管式介电传感器、温度传感器和蒸渗仪分别采集了土壤剖面未冻水含量、土壤温度和地表蒸发量数据。利用第1个越冬期(2011—2012年)的数据拟合土壤冻融特征曲线,对土壤水热参数进行最优估算,利用第2个越冬期(2012—2013年)的数据评价估算参数和地表蒸发量对模型预测精度的影响。结果表明:利用估算参数的模型预测值整体上与实测值相符。考虑到地表蒸发量对模型水热上边界的影响,第2个越冬期10 cm处未冻水含量与温度预测值和实测值的RMSE分别为0.046 m3/m3和1.883℃,20 cm深度RMSE分别为0.071 m3/m3和2.347℃。相比之下,在未考虑地表蒸发量影响下,第2个越冬期10 cm处未冻水含量与温度的模拟值和实测值的RMSE为0.059 m3/m3和2.149℃,20 cm深度RMSE为0.081 m3/m3和2.666℃。提出的改进型模型参数估算方法能够保证模型的预测精度,且考虑地表蒸发量的影响能够进一步提高模型的预测精度,随着深度的增加,蒸发量对水分与温度的影响逐渐减小。
关键词： 麦田根区 水热耦合运移 地表蒸发量 数值模拟 参数估算
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批次清单结合Petri网追溯模型提高小麦粉加工过程追溯精度
《农业工程学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：为解决小麦粉加工过程追溯质量安全信息交叉、单位个体追溯困难等问题,该研究在分析小麦粉加工流程和追溯关键信息的基础上,研究基于批次清单的信息追溯方法,以加工时间为依据结合高津托图(Gozintograph)数据结构构建批次清单(bill of lots,BOL),实现小麦粉产品信息和关键节点活动信息的精确追溯;在BOL的基础上,利用鱼骨图和Petri网分别描述小麦粉质量追溯点的位置和危害指标;结合山东某面粉厂实际生产参数对追溯模型进行验证,实现小麦粉产品与原料的批次关联和其质量危害传播路径的预测。分析结果表明,通过使用BOL和Petri网追溯模型与传统方法相比实现召回批次数量由7个减少到4个、危害因素查找数量由6个减少到5个。该研究提高了小麦粉追溯精度和缺陷召回效率,为粮食等小颗粒产品加工过程的追溯提供了理论支持。
关键词： 农产品 模型 供应链 小麦粉加工 追溯 加工时间 批次清单 Petri网
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山梨酸钾/氯化钾复合相变材料制备及热物性分析
《农业工程学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：为开发出高效、性能稳定的微冻保鲜用相变蓄冷剂,保证运输中肉制品等农产品的品质,以山梨酸钾水溶液为主基液,探究添加氯化钾后相变蓄冷材料的热物性及热循环稳定性。对比30 g/L山梨酸钾溶液,当再添加氯化钾浓度为5 g/L时,相变温度为-2.8℃,潜热为254.6 J/g,热导率为1.012 W/(m·K),热扩散率为1.01 mm2/s。添加氯化钾对相变温度和潜热几乎没有影响;溶液的热导率提高了23.32%;热扩散率提高了151.37%。经200次冻融循环后,未添加氯化钾的相变溶液出现了-5.3℃的过冷度,含氯化钾的相变溶液没有过冷度,氯化钾在山梨酸钾相变过程中体现出了其良好的成核作用,使得该复合相变蓄冷剂具有优异的热稳定性。试验表明,山梨酸钾/氯化钾复合相变蓄冷剂适合于农产品的微冻保鲜用。
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基于近红外光谱的大豆叶片可溶性蛋白含量快速检测（英文）
《农业工程学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：可溶性蛋白是植物生化及抗性生理研究的重要指标之一。快速、准确、无损测定可溶性蛋白含量对作物生长状况的动态监测及抗性作物品种的筛选具有重要意义。近红外光谱具有快速、简单方便、非破坏性的特点,已在农业、食品、化工等领域广泛应用,尤其是近年来基于光谱技术快速无损的获取作物生理生化信息的研究已成为当前农业领域研究的热点。本文采用近红外光谱技术结合化学计量学方法以实现大豆叶片可溶性蛋白含量的快速无损检测。首先,采用Savitzky-Golay平滑(SG)、一阶导数(1-Der)、二阶导数(2-Der)等7种光谱预处理方法分别建立大豆叶片可溶性蛋白含量的偏最小二乘(PLS)预测模型,经对比发现SG预处理方法为大豆叶片可溶性蛋白含量预测的最优光谱预处理方法。其次,分别采用连续投影算法(SPA)、随机蛙跳(RF)和遗传算法(GA)对SG预处理后的光谱数据进行特征波长提取。最后,基于提取的特征波长分别建立了大豆叶片可溶性蛋白含量的SPA-PLS、RF-PLS和GA-PLS预测模型,发现基于SPA提取的11个特征波长建立的大豆叶片可溶性蛋白含量SPA-PLS模型具有最佳的预测效果,其预测集相关系数(R2p)为0.864,预测均方根误差(RMSEP)为1.894 mg/g,预测偏差为2.061(RPD)。上述结果表明,应用近红外光谱技术检测大豆叶片中可溶性蛋白含量是可行的,可为大豆生长状况动态监测及抗性大豆品种的筛选提供新的方法。
关键词： 近红外光谱 大豆叶片 可溶性蛋白 连续投影算法 偏最小二乘算法
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基于分数阶微分算法的大豆冠层氮素含量估测研究
《光谱学与光谱分析 》 2018 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：氮素与作物的生长发育、产量和品质密切相关。作物冠层氮素含量的快速、准确、无损检测对于作物营养诊断和长势评估具有重要意义。传统的氮素检测方法检测周期长、操作复杂,同时具有破坏性,无法实现作物氮素含量在时间和空间上的连续动态监测。基于光谱遥感技术快速、无损地获取作物氮素含量是近年来作物组分快速检测研究的热点。当前的研究大多基于原始光谱或整数阶微分(一阶、二阶)预处理后的光谱进行氮素含量预测,原始光谱或整数阶微分预处理后的光谱会忽略光谱曲线间的渐变信息,影响氮素含量的预测准确度。与原始光谱和整数阶微分方法相比,分数阶微分算法在背景噪声去除、有效信息提取等方面较有优势。为研究分数阶微分预处理算法在作物氮素检测中的应用,本文以不同施肥处理下的盆栽大豆作物为研究对象,获取大豆苗期、花期、结荚期和鼓粒期四个生育期共256组冠层高光谱及对应的大豆冠层氮素含量(CNC)数据,运用分数阶微分算法对光谱数据进行0~2阶微分预处理,微分间隔为0.1,分别采用归一化光谱植被指数NDSI、比值光谱指数RSI对预处理后的光谱数据和大豆冠层氮素含量数据进行相关性分析,得到各阶微分预处理下NDSIα(α代表分数阶微分阶数)与大豆CNC,RSIα与大豆CNC相关系数绝对值的最大值及其对应的波段组合——最优波段组合NDSIα(opt)和RSIα(opt),采用线性回归方法,建立各阶微分下NDSIα(opt)与CNC,RSIα(opt)与CNC的预测模型,并与常用植被指数(VOGII,MTCI,DCNI,NDRE)建立的氮素含量预测模型进行比较,研究分数阶微分算法对大豆作物冠层氮素含量预测模型的效果。结果表明:(1)在0~2阶微分范围内,最优波段组合NDSIα(opt),RSIα(opt)与大豆CNC的相关系数随阶数增加呈现先升高后下降趋势。其中,0.8阶微分下NDSI0.8(R725,R769)与大豆CNC的相关系数最大,为0.875 9;0.7阶微分下RSI0.7(R548,R767)与大豆CNC的相关系数最大,为0.865 1;(2)分数阶微分预处理能够细化光谱数据中的有效信息,增强光谱数据对冠层氮素含量的敏感性,尤其是增强红边平台波段与氮素含量的正相关性及绿波段与氮含量的负相关性;(3)与整数阶微分、常用植被指数相比,分数阶微分能够提高大豆CNC预测模型的准确性。其中,基于0.7阶微分RSI0.7(R548,R767)建立的大豆CNC预测模型与0阶微分RSI0(R725,R769)相比建模集决定系数(R2C)和预测集决定系数(R2P)分别提高了0.061 9和0.016 6,建模集均方根误差(RMSEC)和预测集均方根误差(RMSEP)分别降低了0.552 5和0.180 9,预测相对偏差(RPD)提高了0.110 4。基于0.7阶微分RSI0.7(R548,R767)建立的大豆CNC预测模型与VOG II相比R2C和R2P分别提高了0.086 6和0.025 5,RMSEC和RMSEP分别降低了0.757 5和0.248 3,RPD提高了0.14688;(4)基于0.7阶微分比值光谱指数RSI(R548,R767)建立的大豆LNC预测模型较优,其R2C为0.748 4,R2P为0.800 3,RMSEC为4.752 9,RMSEP为3.511 1,RPD为2.253 7,能够较好的估测大豆冠层氮素含量。研究表明分数阶微分算法在大豆冠层氮素含量的定量预测中具有一定的优势,为光谱遥感技术在作物氮营养检测中的应用开拓了新的思路。
关键词： 冠层氮素含量 高光谱数据 植被指数 分数阶微分算法
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基于近红外光谱技术的发育后期苹果内部品质检测
《农业机械学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了解发育后期苹果内部品质与近红外光谱特性之间的关系,给田间管理、实时采收等提供依据,利用近红外漫反射技术测量了发育后期3个月内"富士"苹果在833~2 500 nm波长范围内的光谱特性,并测量了各样品的内部品质参数(可溶性固形物含量、硬度、p H值和含水率),分析了单一波长下吸光强度与各内部品质参数之间的线性关系。结果表明,单一波长下吸光强度与苹果各内部品质参数之间的线性相关性均较弱,基于单一波长下的吸光强度很难预测苹果的内部品质。为此,结合化学计量学方法建立了预测可溶性固形物含量、硬度、p H值和含水率的最小二乘支持向量机和极限学习机(ELM)模型,并分析了主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)和无信息变量消除法等3种降维方法对模型预测性能的影响。结果表明,预测可溶性固形物含量、p H值的最优模型为SPA-ELM,其RMSEP分别为0.443 5°Brix和0.006 8;预测硬度、含水率的最优模型为PCA-ELM,其RMSEP分别为0.2612 kg/cm2和0.623 5%。
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水培营养液硝态氮浓度在线标测系统研究
《农业机械学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对目前氮素浓度检测技术中电极标定过程与离子检测过程分离,难以实现在线检测的问题,设计了一套基于双传感器冗余控制的水培营养液硝态氮浓度在线标测系统。系统的标定过程为利用丝杠滑块线性导轨完成电极清洗和标准液电压获取,并采用最小二乘法,辨识所采集电压与离子浓度对数之间标准曲线的参数。系统的检测过程为基于最大误差原理,采用双传感器冗余控制方法进行数据融合和标定决策,最终实现硝态氮浓度的连续在线检测。验证试验结果表明:双传感器冗余控制方法可靠,在线检测值与离子色谱法获得的实验室检测值平均相对误差仅为5.64%,平均绝对误差只有1.172×10-5,二者呈现极显著线性相关关系(P<0.01)。综合分析得出,该系统能够实现营养液连续消耗情况下硝态氮浓度的在线检测,其结果与实验室检测值具有较好的一致性,解决了人工标定电极费时、费工的问题,提高了检测效率,为营养液的精细化管理提供了新的技术手段。
关键词： 水培营养液 硝态氮 在线检测 自动标定 离子选择电极
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北方设施农业气象灾害监测预警智能服务系统设计与实现
《农业工程学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：该文针对设施农业种养殖企业用户的设施农业气象灾害直通式服务需求,运用云计算、物联网、移动互联网等信息化技术,基于JavaEE技术框架、SOA(service oriented architecture)云服务技术,通过多重因素关联规则学习方法,构建基于互联网气象数据、设施农业小气候环境数据及作物生育期等多重因素的设施农业气象灾害预警和生产管理专家知识规则,依托气象部门一体化智能网格气象预报预警平台和未来3~7 d的精细化气象要素预报,开发基于互联网数据挖掘和专家知识决策技术的设施农业气象灾害监测预警及智能决策推送服务系统,对寒潮、大风、低温寡照、暴雪等北方主要设施农业气象灾害进行早期预警提醒,系统于2017年秋冬季在天津津南区部分农业园区推广应用,基于移动互联网通过智能手机APP对5次强冷空气过程提前3~5 d自动研判并实时推送设施农业生产管理决策和防灾减灾提醒建议,便于生产管理者及时关注天气变化和提前采取生产管理措施,避免重大灾害损失,探索应用互联网、云技术、大数据挖掘等信息手段开展气象灾害早期预警,为研究满足设施农业互动式、个性化、智能化和专业化气象信息服务和推动农业现代化和现代农业发展提供借鉴。
关键词： 监测 预警系统 设施农业 专家决策 气象灾害 数据挖掘 信息技术
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基于无人机遥感影像的玉米苗期株数信息提取
《农业工程学报 》 2018 EI 北大核心 CSCD
摘要：准确、快速地获取玉米苗期株数对于育种早期决策起着至关重要的作用。该文利用2017年6月于北京市小汤山镇采集的无人机影像,首先对比分析RGB、HSV、YCbCr及L*A*B 4种色彩空间,变换优选HSV颜色模型对无人机影像前景(作物)与后景(土壤背景)进行分割,得到分类二值图。然后利用骨架提取算法及多次去毛刺处理等数学形态学流程提取玉米苗形态,得到高精度作物形态骨架,结合影像尺度变换剔除噪声影像,将影像分为多叶、少叶2类,经Harris、Moravec和Fast角点检测识别结果对比,Harris角点检测算法可以较好地提取玉米苗期影像的株数信息。结果表明,少叶类型识别率达到96.3%,多叶类型识别率达到99%,总体识别率为97.8%,将目前传统影像识别精度提高了约3%。同时在多个植株叶片交叉重叠覆盖的情况下,该文的研究方法有良好的适用性。通过无人机影像提取玉米苗期作物准确数目是可行的。该文采用了数学形态学的原理,通过HSV色彩空间变换得到的二值图,从无人机影像中识别提取玉米苗期形态信息,利用影像尺度缩放变换去除噪点,优化骨架识别算法使得识别精度大大提高,最后采用角点检测从无人机影像中直接读取玉米材料小区内的具体数目,该方法节省了人力物力,为田间大面积测定出苗率及最终估产提供了参考。
关键词： 无人机 作物 遥感 玉米 株数 色彩空间 骨架提取 角点检测
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