科研产出
基于深度学习与激光点云的橡胶林枝干重建及参数反演
《农业工程学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：树木的几何建模在林木性状评价、森林动态经营管理与可视化研究中具有重要意义.现今,从激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)数据中重建树体三维模型并精准获取林木空间枝干结构参数是数字林业发展的必然趋势.该研究提出了一种深度学习与计算机图形学相融合的树木骨架重建与参数反演方法.该方法以PR107、CATAS 7-20-59、CATAS 8-79三个品种的橡胶树为实验对象,首先,采用背包移动激光雷达获取三个橡胶树品种的样地数据,并通过体素剖分和数据增广策略来构建橡胶树训练样本集.其次,构造由四层特征编码层和特征解码层所组成的点云分类深度学习网络,并包含优化的PointConv模块与不同尺度的特征插值模块,以实现在多尺度条件下,全面考虑点云的全局和局部优化特征,引导网络实现枝叶点云的精确分类.最后,面向分类后的枝干点云,运用计算机图形学的空间连通性算法与圆柱拟合策略,重建树木骨架模型,并自动解决叶子点云与对应的一级枝干归属问题,进而在叶团簇尺度下开展对单株树的精细描述与参数反演.通过对三块橡胶树测试样地的验证和与实测值的比对表明,该研究提出的深度学习网络枝叶分类总体准确率在90.32%以上.骨架重建与叶团簇分析结果显示,PR107品种橡胶树具有较为发散的树冠、最大的分枝夹角和叶团簇体积;CATAS 7-20-59品种橡胶树冠呈花瓶型,分枝夹角和叶团簇体积较小;而CATAS 8-79品种橡胶树尽管胸径最粗,但不耐寒害处于落叶期导致冠积最小.同时,反演得到的橡胶树一级枝干直径与实测值比对为:决定系数R2不低于0.94,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)小于3.01 cm;主枝干与一级枝干的分枝角为:决定系数R2不低于0.91,均方根误差RMSE不高于4.94°.同时发现橡胶树一级枝干的直径与对应的叶团簇体积呈正相关分布.该研究将人工智能的理论模型应用于林木的激光点云数据处理中,为林木激光点云的智能化分析与处理提供了新颖的解决思路.
关键词： 深度学习 树木骨架重建 激光点云 计算机图形学 林木参数提取
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基于SSA-LSTM的玉米土壤含氧量预测模型
《农业机械学报 》 2022 EI 北大核心 CSCD
摘要：土壤含氧量（Soil oxygen content, SOC）是影响作物生长的重要土壤环境因素之一，具有时序性、不稳定性和非线性等特点，精确预测土壤环境中含氧量的变化趋势，有助于制定更加合理的土壤通气增氧方案。本研究提出基于麻雀搜索算法（Sparrow search algorithm, SSA）和长短时记忆（Long and short-term memory, LSTM）神经网络预测模型，利用国家土壤质量湛江观测实验站记录玉米种植期间的气象环境和土壤环境数据，基于SSA-LSTM模型对SOC变化进行预测及相关性分析，并与传统的BP预测模型、LSTM预测模型、GA-LSTM预测模型及PSO-LSTM预测模型进行对比。试验结果表明，SOC与降雨量、土壤含水率、土壤温度、土壤充气孔隙度相关性极显著，相关系数高于0.8,与大气温度和风速相关性显著，与大气湿度和土壤呼吸速率相关性较弱。SSA-LSTM模型预测精度明显高于其他4组对照预测模型，R~2达到0.959 79,RMSE仅为0.491 7%,MAPE为3.733 1%,MAE为0.362 0%,预测值与试验值之间的拟合程度高。本研究可为土壤含氧量变化的精准预测及土壤通气增氧技术的应用推广提供理论支撑与科学依据。
关键词： 玉米 土壤 含氧量预测 麻雀搜索算法 长短时记忆网络 BP神经网络
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共热解法制备方解石/生物炭复合材料及其吸附Pb(II)性能和机制
《复合材料学报 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：为了制备一种高效吸附含Pb(II)废水的生物炭材料,以椰壳(CS)和方解石(CAL)为原料,采用共热解法分别在500℃、600℃、700℃制备了方解石/生物炭(CAL/BC)复合材料。通过SEM、ICP-MS、BET、XRD、FTIR等方法对CAL/BC复合材料的表面微观形态和结构进行了表征。结果发现,三种热解温度条件下,CAL均能够与CS紧密结合,而且CAL/BC具有较大的比表面积,表面含有丰富的官能团。批量吸附实验结果表明,CAL和CS质量比为1∶2,pH值为5.5,吸附剂添加量为1.5 g·L~(-1),此时CAL/BC复合材料对Pb(II)的吸附量分别为95.24 mg·g~(-1)(500℃)、99.01 mg·g~(-1)(600℃)、185.19 mg·g~(-1)(700℃),可见热解温度为700℃时,吸附效果最佳。吸附过程符合二级动力学模型和Langmuir等温线模型。CAL/BC复合材料吸附Pb(II)的主要机制是沉淀、离子交换、阳离子-π作用、孔隙填充和静电引力。此外,CAL/BC复合材料在4次吸附-解吸循环后仍能保持较高的Pb(II)去除率。因此,共热解法制备的CAL/BC复合材料在处理废水中的Pb(II)方面具有广阔的应用前景。
关键词： 方解石 椰壳 生物炭 复合材料 Pb(II) 吸附
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定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验
《农业工程学报 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对香蕉秸秆粉碎机具缠绕造成秸秆粉碎率不达标等问题,该研究设计了一种定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机。在粉碎过程中,粉碎定刀与高速运转中的Y型甩刀对香蕉秸秆形成三点支撑,进而实现秸秆粉碎与避免秸秆缠绕。其中,Y型甩刀由2个L型刀片组合的Y型粉碎刀与甩刀构成。确定了各关键部件的结构参数、动定刀排列组合方式及香蕉秸秆粉碎过程受力分析,明确了影响粉碎效果的主要因素为机具前进速度、粉碎刀辊转速以及Y型甩刀折弯角。以前进速度、刀辊转速和甩刀折弯角为试验因素,以香蕉秸秆粉碎合格率和抛撒不均匀度为评价指标,进行三水平三因素正交田间试验,确定优化参数组合为前进速度1.85 m/s,刀辊转速1 500 r/min,Y型甩刀片折弯角140°,此时香蕉秸秆粉碎合格率为95.1%,抛撒不均匀度为14.6%,满足香蕉秸秆粉碎作业性能要求。与已有秸秆粉碎机进行性能对比试验,结果表明,该研究研制的定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机秸秆粉碎合格率提高了1.7个百分点,防缠性能更优。该机具的研制对解决蕉区秸秆粉碎还田关键技术问题具有重要意义和应用价值。
关键词： 农业机械 试验 香蕉秸秆 定刀 甩刀 防缠 粉碎还田机
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嫁接于3个枣园病砧的抗病接穗枣疯植原体检测及分子变异
《林业科学 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：[目的]检测3个枣园不同抗性枣树材料嫁接传毒后携带植原体状况,分析不同植原体株系传播流行、遗传变异和系统发育及其与枣树品种抗性之间的关系,揭示枣疯植原体群体遗传变异特性,为抗病品系合理利用与病害防控提供依据.[方法]4月采集不同抗性枣树材料嫁接到北京玉泉山枣树资源圃、北京昌平王家园和河北唐县军城镇三地枣园的发病砧木上,当年8—10月分别提取接穗和砧木组织样品总DNA,利用植原体16S rDNA、16S-23S间区(SR)、secA、tuf、fusA-tuf间区、himA及其下游假定蛋白基因等片段进行PCR和LAMP检测,并对PCR产物进行测序,分析遗传变异和系统进化.[结果]抗病品系的接穗材料症状严重度大都低于感病砧木;表现无症接穗T30通过直接和巢式PCR与LAMP均未检测到植原体;3个枣园枣树样品中的植原体16S rDNA、SR、tuf和secA基因序列同源性为100%;根据所测38份样品中himA及其下游假定蛋白基因序列在117、154和190 bp位点的碱基变异,军城镇样品序列聚于T-A型,玉泉山样品和河北唐县梁家沟枣疯序列聚于C-A型,而昌平样品和泗洪、泰安、通州枣疯序列聚于C-C型;根据所测29份样品中fusA-tuf基因间区序列在第39 bp位置有碱基A插入或缺失,将玉泉山和军城镇样品归于TJ2型,而国内其他地区各株系和昌平样品为TJ1型;himA及其下游假定蛋白基因序列及fusA-tuf基因间区序列在3个枣园各有优势菌株序列,序列分型对应且互相佐证.[结论]本研究首次测定枣树'骏优2号'(Z18)优良品系具有高抗病性,并首次检测到3个枣园内枣疯植原体株系的himA及其下游假定蛋白基因与fusA-tuf基因间区存在明显地域差异,且与样品抗病性强弱无关联;初步排除玉泉山枣园植原体来源于江苏泗洪大枣移栽苗传病的假设.
关键词： 嫁接;抗病性;枣疯病;植原体;16S Rdna;himA及其下游假定蛋白
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碳纳米管与二硫化钼协同增强丁腈橡胶复合材料吸波性能
《高分子材料科学与工程 》 2021 EI 北大核心 CSCD
摘要：利用不同维度的多壁碳纳米管（MWCNTs）和二硫化钼（MoS2）在形貌和性能上的互补性,通过机械共混制备了电磁性能优异的丁腈橡胶（NBR）吸波复合材料;采用X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜和矢量网络分析仪（VNA）对复合材料结构和性能进行了表征分析,研究了MWCNTs与MoS2比例对复合材料电磁性能的影响。研究结果表明,MWCNTs和MoS2共掺协同促进了彼此在NBR基体中的分散,形成更完善的电磁损耗网络;与单纯MWCNTs或MoS2填充的NBR复合材料相比,NBR/MWCNTs/MoS2复合材料的吸波性能提高了2.3倍以上;当MWCNTs/MoS2体积比为5/5时,复合材料的吸波效能最优,反射损耗峰值达到-31.08 dB,有效吸收带宽达到3.04 GHz。对复合材料电磁波衰减机理分析表明,MWCNTs和MoS2共掺调和了彼此的电磁参数,使复合材料具有较为平衡的阻抗匹配度和衰减常数,促进了复合材料对电磁波的衰减。
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两亲性壳聚糖载药纳米胶束的制备及其对灰葡萄孢菌的抗菌性能研究
《功能材料 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：丁香精油是一种天然的高效抑菌剂,但是由于其水溶性差,限制了其广泛应用.研究以软脂酸(PA)为疏水基团,以N-乙酰-L半胱氨酸(NAC)为亲水基团,合成了具有两亲性的壳聚糖衍生物(PA-CS-NAC),并进一步制备了丁香精油-两亲性壳聚糖载药纳米胶束(NMs).傅里叶红外光谱和核磁共振氢谱表明,PA和NAC都成功接枝到壳聚糖上.扫描电镜结果显示,NMs的形貌呈现分散均匀的圆球状.研究结果表明,丁香精油-两亲性壳聚糖载药纳米胶束在室温条件下具有pH响应性能,其对灰葡萄孢菌的抑菌性能较未包埋的丁香精油提高10%以上,抑菌性能显著提高.
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UV光催化桐油基多元醇的制备及超支化聚氨酯的表征
《高分子材料科学与工程 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：首先将桐油与甲醇经过酯交换反应得到桐酸甲酯,再将其与过氧化氢和乙酸反应制备环氧桐酸甲酯;然后以三芳基硫金翁盐为催化剂,在UV光条件下催化环氧桐酸甲酯与二乙醇胺开环,制备桐油基多元醇;最后以桐油基多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯等为原料,以二月桂酸二丁基锡为催化剂,经过两步法反应制备了桐油基超支化聚氨酯丙烯酸酯。结果表明,在UV光条件下,三芳基硫金翁盐可以催化环氧桐酸甲酯开环制备桐油基多元醇,其羟基值为599.54 mg KOH/g,相对分子质量为544;以桐油基多元醇为核得到的聚氨酯丙烯酸酯具有良好的光固化活性,以及良好的热稳定性能和力学性能,并且成膜的表面光滑、平整,其玻璃化转变温度为37.2℃,拉伸强度为8.58 MPa,断裂伸长率为23.31%,表面张力为41.36 mJ/m~2。
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沥滤法制备低蛋白天然橡胶的性能表征
《高分子材料科学与工程 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：低蛋白天然橡胶主要通过去除水溶性蛋白质来制备,且酶处理天然胶乳加离心法是脱除天然橡胶中水溶性蛋白质的主要方法。文章先采用碱性蛋白酶处理天然胶乳,然后用多次沥滤配合绉片去除水溶性蛋白质的方法制备低蛋白天然橡胶,并对沥滤法得到的低蛋白天然橡胶(L-LPNR)与离心法低蛋白天然橡胶(C-LPNR)进行性能对比,探究不同制备方法对低蛋白天然橡胶结构和性能的影响。由于沥滤法减小了离心力的作用,保留了天然橡胶分子链中的部分蛋白质水解产物。而蛋白质水解产物具备加速硫化和促进交联的作用,能使L-LPNR的硫化速度较快、交联密度较高;较高的交联密度限制了橡胶分子链间的滑移,相同的测试条件下L-LPNR的内生热比C-LPNR的大约低9℃。
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高性能改性聚乙烯醇薄膜的制备及性能表征
《功能材料 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：作为可生物降解型的聚乙烯醇薄膜,其环保特性已得到了全世界的广泛承认,但是由于聚乙烯醇分子中含有大量的亲水性基团,导致成膜的耐水性差,这很大程度上限制了它的推广和应用.通过采用戊二醛、尿素对聚乙烯醇进行缩醛交联,并通过添加不同种类的增塑剂(丙三醇、PEG-400、MgCl2)破坏PVA的氢键作用,降低其结晶度,从而达到增塑改性效果,最后通过红外光谱FTIR、热重TG分析、物理机械性能以及接触角来鉴定物质的结构以及对其性能进行表征.结果表明:通过戊二醛、尿素与PVA羟基缩醛交联反应可以提高PVA成膜的耐水性能和热稳定性能,丙三醇、PEG-400、MgCl2等可以提高PVA的断裂伸长率和拉伸强度,当涂膜中交联剂戊二醛4%、尿素0.5%,增塑剂丙三醇4%、PEG-400为6%、MgCl2为2%时,成膜的机械性能最优,断裂伸长率达136.7%,拉伸强度达3.48MPa.
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