科研产出
中红外及近红外光谱在小杂粮品质检测中的应用进展
《光谱学与光谱分析 》 2023 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：中红外光谱以及近红外光谱在现代分析化学中有重要的地位,是人类认识物质结构、功能、成分以及含量的重要途径.小杂粮泛指生育期短、种植面积少、种植地区和种植方法特殊,有特种用途的多种粮豆,其特点是小、少、特、杂.小杂粮营养丰富,既是传统口粮,又是保健食品资源.随着人民生活水平的提高和膳食结构的改善,小杂粮作为药食同源的新型食品资源,在现代绿色保健食品中占有重要地位.对小杂粮进行品质检测可为小杂粮生物活性物质研究、品质分级、小杂粮育种、产地溯源与真伪鉴别等方面提供可靠的数据支撑.按照麦类小杂粮及豆类小杂粮分类,对国内近30年来小杂粮品质检测有关文献加以综述.研究表明,麦类小杂粮品质检测文献更多,约占文献数量的2/3左右,且以近红外光谱技术应用居多;豆类小杂粮品质检测文献相对较少,约占文献数量的1/3左右,且以中红外光谱技术应用居多.中红外光谱、近红外光谱在小杂粮品质检测分析方面有诸多重要应用.其中,中红外光谱更多应用于小杂粮中活性物质以及小杂粮加工过程的表征,而近红外光谱则更多应用于小杂粮中粗蛋白、粗脂肪、水分等主要品质指标的定量分析检测,可为小杂粮品质监测、科学育种提供高效的数据来源.近年来,随着化学计量学的发展和计算机技术的进步,近红外光谱不再局限于小杂粮品质指标定量分析,而且还被应用于小杂粮产地溯源等领域,亦取得了良好的效果.最后对中红外光谱、近红外光谱在小杂粮品质无损分析检测方面做出了展望.
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基于冠层光谱和覆盖度的马铃薯叶片钾含量估算方法
《农业机械学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：叶片钾含量(Leaf potassium content, LKC)是表征作物钾素营养状况的重要指标,高效准确地获取马铃薯LKC有助于精准农业施肥管理.本研究旨在通过结合马铃薯关键生育期RGB影像提取的植被指数(VIs)和植被覆盖度(FVC),提高马铃薯关键生育期LKC估算的准确性.首先从马铃薯块茎形成期(S1)、块茎增长期(S2)和淀粉积累期(S3)的RGB影像中提取VIs和FVC,然后分别分析每个生育期VIs和FVC与马铃薯LKC的相关性,最后利用支持向量机(Support vector machine, SVM)、Lasso回归(Least absolute shrinkage and selection operator, Lasso)和岭回归构建马铃薯LKC的估算模型.结果表明:基于RGB影像提取的马铃薯FVC精度较高,且前两个生育期高于第3个生育期;利用VIs估算马铃薯LKC是可行的,但精度有待进一步提高;VIs结合FVC可以提高马铃薯LKC的估算精度.本研究可为作物生长和钾素营养状况监测提供技术参考.
关键词： 马铃薯 叶片钾含量 冠层覆盖度 RGB影像 冠层光谱特征
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危害栓皮栎的中国突瓣叶蜂属(膜翅目:叶蜂科)一新种
《林业科学 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：记述采自北京市平谷区危害栓皮栎的突瓣叶蜂属(膜翅目:叶蜂科)一新种:斑痣突瓣叶蜂Nematus maculostigmatus Liu&Wei,sp.nov..该种幼虫取食栓皮栎的叶片.新种与黄环突瓣叶蜂(N.princeps Zaddach,1876)近似,二者的主要区别是:新种上唇、翅基片、前中足股节背侧长斑、后足股节小斑、前中足胫节腹侧及背侧基部4/5、后足胫节基部2/3、腹部第1背板全部、第2背板大部黄色;颚眼距0.5倍于中单眼直径;锯鞘1.3倍于前足胫节,锯腹片中部锯刃具4—6个外侧亚基齿;第1节缝向端部倾斜,2—15节缝具刺毛带,刺毛带最宽处约3/5于锯节宽;锯根0.7倍于锯端;阳茎瓣腹叶刺突明显倾斜.黄环突瓣叶蜂上唇、翅基片小部暗褐色;前中足股节、胫节、跗节除各节端缘外红黄色;后足股节基部1/3红黄色;腹部第3—4节大部黄色;颚眼距1.5倍于中单眼直径;锯鞘0.8倍于前足胫节;锯腹片中部锯刃多具9—12个外侧亚基齿;第1节缝不倾斜,2—13节缝具刺毛带,刺毛带最宽处约为锯节的1/3宽;锯根0.9倍于锯端;阳茎瓣腹叶刺突不倾斜,端部侧面具突起.采用DNA试剂盒法提取了新种基因组DNA,测序获得新种COⅠ基因序列,长度为810 bp.另从Genbank数据库中下载突瓣叶蜂属、槌缘叶蜂属已知种类COⅠ序列14条,与新种序列构成COⅠ序列数据集,运算突瓣叶蜂属内种间的K2P距离,计算结果显示,斑痣突瓣叶蜂与黄环突瓣叶蜂的K2P距离最小,为0.116;基于贝叶斯法构建了COⅠ基因系统发育树,树图结果显示,斑痣突瓣叶蜂与突瓣叶蜂属内其他11个已知种聚为一支,构成单系群.分子分析结果与形态鉴定结果一致,均支持新种成立.新种模式标本保存于江西南昌亚洲叶蜂博物馆.
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基于区域亮度矫正的番茄成熟度定量分级方法
《农业工程学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对现有番茄成熟度分级标准不统一，泛化性有待提高等问题，该研究提出一种基于区域亮度矫正的果面红色着色区域提取的方法。采用R-G法增强番茄表面的红色区域，利用Otsu分割方法提取表面着色区域，判断各着色区域的轮廓树结构以计算着色区域面积占图像总面积的比例作为主要特征，构建多因子融合的随机森林模型以实现番茄成熟度的量化分级。同时，利用基于局部亮度均衡的图像快速修复方法以解决光照变化导致的番茄表面高亮度反射问题。结果表明：以番茄表面着色面积比成熟度评价指标的分级平均正确率为92.96%，相比传统颜色矩和颜色直方图作为评价指标时的分级准确率提高了6.53和20.6个百分点。高亮区域领域像素加权替代法可对番茄高亮区域亮度实现有效矫正，矫正后的未熟、半熟和成熟番茄图像的果面着色区域面积占番茄图像总面积的比例较矫正前提高了0.06、0.15和0.11，分级准确率分别提高了17.24、11.47和4.69个百分点。研究可为番茄成熟度的定量性分级提供决策基础。
关键词： 随机森林 像素 番茄成熟度 亮度矫正 红色着色区域提取
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利用无人机高光谱影像的冬小麦氮含量监测
《光谱学与光谱分析 》 2023 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：作物氮含量影响作物的生长状况,合适的施氮量可以促进作物生长和提高作物产量,因此准确、快速地监测作物的氮含量十分必要.旨在探索将无人机成像高光谱获取的植被指数和光谱特征参数相结合以提高冬小麦关键生育期氮含量估算精度的潜力.首先,以无人机为遥感平台,搭载高光谱传感器获取了冬小麦拔节期、挑旗期、开花期和灌浆期 4 个主要生育期的高光谱遥感影像,并实测了各生育期的氮含量数据.其次,基于预处理后的高光谱影像,提取冬小麦各生育期的冠层反射率数据,并构造能较好反映作物氮素营养状况的 12 种植被指数和 12 种光谱特征参数.然后,计算了各光谱参数与冬小麦氮含量的相关性,并筛选出各生育期与氮含量相关性较强的植被指数和光谱特征参数;最后,利用逐步回归分析(SWR)构建基于植被指数、植被指数结合光谱特征参数的氮含量估算模型.结果显示:(1)选取的大部分植被指数和光谱特征参数与冬小麦氮含量都有较高的相关性.其中,植被指数的相关性高于光谱特征参数;(2)基于单个植被指数或光谱特征参数估算冬小麦虽然可行,但精度还有待进一步提高;(3)与单一植被指数或光谱特征参数相比,植被指数结合光谱特征变量利用 SWR方法构建的氮含量估算模型的精度和稳定性更高(拔节期:建模R2=0.64,RMSE=24.68%,NRMSE=7.96%,验证R2 =0.77,RMSE=23.13%,NRMSE=7.81%;挑旗期:建模R2=0.81,RMSE=15.79%,NRMSE=7.41%,验证R2 =0.84,RMSE=15.10%,NRMSE= 7.08%;开花期:建模R2 =0.78,RMSE=9.88%,NRMSE=5.66%,验证R2 =0.85,RMSE=9.12%,NRMSE=4.76%;灌浆期:建模R2=0.49,RMSE=13.68%,NRMSE=9.85%,验证R2=0.40,RMSE= 18.29%,NRMSE=14.73%).研究结果表明,结合无人机成像高光谱获取的植被指数和光谱特征参数构建的冬小麦氮含量估算模型精度和稳定性较高,研究结果可为冬小麦氮含量的空间分布和精准管理提供参考.
关键词： 无人机 冬小麦 高光谱 氮含量 逐步回归 光谱特征参数
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综合光谱纹理和时序信息的油茶遥感提取研究
《光谱学与光谱分析 》 2023 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：具有极高营养价值且被誉为东方“橄榄油”的油茶树是我国南方地区重要经济林，我国是世界上油茶树分布最广的国家。提取油茶种植分布和面积对林业部门开展油茶的宏观管理和生产指导具有重要意义。以地处亚热带地物复杂且多山地丘陵的湖南省常宁市为研究区，该区域分布有大量农田和森林，且部分植被季节变化较大，对油茶的遥感提取带来了很大挑战。提出了基于春夏秋三期的GF-2号高分辨率卫星影像，综合植被指数、纹理特征、 PCA主成分3种特征，以及春夏、春秋、夏秋、春夏秋四种不同时序组合和随机森林（RF）算法共构建了17种分类场景（S1—S17）,运用随机森林（RF）、支持向量机（SVM）、最大似然（MLC）三种不同分类算法开展油茶遥感提取实验，筛选出最优特征组合、最佳分类季节与最优时序组合、最优分类方法。结果表明：仅基于光谱信息分类精度低，纹理特征的加入可大幅提升精度，而PCA对于精度的提升效果微弱；通过比较不同季节单时期的分类结果发现油茶提取精度最高的季节为夏季，夏季单时期影像在最优特征组合（S8）中油茶生产者精度（PA）为94.06%,油茶用户精度（UA）为92.57%;在分类场景S10—S17中实验发现，采用时序信息要比单时期影像有明显的精度提升，时序组合分类精度由高到低依次为：春夏秋、春夏、春秋、夏秋；综合光谱、纹理、时序信息通过随机森林（RF）、支持向量机（SVM）、最大似然（MLC）进行油茶提取，随机森林算法分类精度总体表现最好。采用春夏秋多时相遥感植被指数、纹理、 PCA的随机森林方法（S17）是分类精度最高的方案，总体精度（OA）和Kappa系数分别为96.85%和0.961 0,油茶生产者精度（PA）为98.31%,油茶用户精度（UA）为94.33%;采用春夏时相遥感植被指数、纹理的随机森林方法（S10）为兼顾计算效率与精度的最优方案，总体精度（OA）和Kappa系数分别为95.62%和0.9458,油茶生产者精度（PA）为96.93%,油茶用户精度（UA）为95.09%。所提出的最佳油茶遥感提取方案能够为亚热带地区油茶及其他经济林的遥感监测提供参考。
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北方寒区河流湿地土壤溶解性有机质荧光光谱特征
《光谱学与光谱分析 》 2023 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：溶解性有机质(DOM)是土壤中活跃的有机成分,其来源和组成可指示土壤腐殖化程度及与外部环境间的相关关系.为科学地监测与评价湿地土壤环境质量,采集黑龙江省碾子山雅鲁河国家湿地公园内不同植被条件下的表层(0~20 cm)土壤,应用三维荧光光谱-平行因子分析法,测定DOM荧光光谱,并进一步分析土壤理化指标对DOM组成的影响.结果表明:5种植被类型(包括9种群系)条件下土壤DOM腐殖化指数在2.562~9.052之间,落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛土壤腐殖化程度高于草甸,其次为沼泽,水生植被最低;荧光指数介于1.407~1.586,土壤DOM来源兼具外生源和自生源特征,落叶阔叶林和芦苇[Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud.]沼泽表现为明显的外生源特征,而水生植被及稗[Echinoch-loacrus-galli(L.)P.Beauv.]沼泽具有明显的自生源特征;生物指数在0.482~0.662范围内,新近自生源贡献率均较低.土壤DOM中识别出3类5种有机组分,类腐殖质(紫外类富里酸和可见类富里酸)相对比重最大,外生源特征明显的土壤样品中含量多;其次为类蛋白质(类酪氨酸和类色氨酸),自生源特征较强的土壤样品中含量多;类腐殖酸(胡敏酸)最低,多存在于旱生-中生环境中.土壤含水量、pH值、总有机碳含量对DOM组成具有显著或极显著的影响,3项理化指标与类蛋白质含量成正相关,与类腐殖质含量成负相关,含水量、总有机碳含量与类腐殖酸含量成负相关.总体上看,在该湿地公园内,落叶阔叶林、落叶阔叶灌丛土壤偏弱酸性,含水量、总有机碳含量低,腐殖化程度高,外生源特征明显,类腐殖质和类腐殖酸含量高,其次为草甸及沼泽植被,而水生植被条件下土壤近中性,含水量、总有机碳含量高,腐殖化程度低,自生源特征明显,类蛋白质含量高.本研究结果可为以该湿地公园为代表的北方寒区永久性河流湿地土壤环境质量监测与评价提供基础数据.
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基于无人机成像高光谱估算马铃薯植株氮含量
《光谱学与光谱分析 》 2023 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：植株氮含量（PNC）是评价作物长势和氮营养状况的重要指标，因此，准确高效地获取PNC信息，对动态监测马铃薯长势及精准施控氮肥具有重要意义。首先于马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期获取无人机高光谱影像，并基于预处理的影像提取5个生育期冠层的原始光谱和一阶微分光谱；其次将提取的冠层光谱与马铃薯PNC进行相关性分析，筛选出PNC的敏感波长；然后分别利用灰度共生矩阵和1～3阶颜色矩，提取冠层原始光谱特征波长处高光谱图像的纹理和颜色2种图像特征，并将提取的特征与马铃薯PNC进行相关性分析，筛选出相关性较高的前5个图像特征；最后分别基于光谱特征、图像特征和图谱融合特征利用弹性网络回归（ENR）、贝叶斯线性回归（BLR）和极限学习机（ELM） 3种方法建立马铃薯PNC估算模型。结果表明：（1）马铃薯5个生育期的冠层光谱特征波长存在差异，但多数位于可见光区域。（2）冠层原始光谱特征波长图像的纹理和颜色特征与PNC的相关性较高，且现蕾期到淀粉积累期的相关性明显高于成熟期。（3）基于单一光谱特征和单一图像特征构建的马铃薯PNC估算模型在现蕾期到淀粉积累期效果较好，成熟期效果较差。（4）现蕾期到淀粉积累期，基于图谱融合特征的马铃薯PNC估算效果明显优于单一光谱特征和单一图像特征。（5）马铃薯各生育期，基于同种变量利用ENR构建的PNC估算模型效果较好，BLR次之，ELM较差。其中，以图谱融合特征为模型变量，利用ENR构建的PNC估算模型精度和稳定性最好，5个生育期的建模R~2分别为0.91、 0.75、 0.82、 0.77和0.69, RMSE分别为0.24%、 0.31%、 0.26%、 0.22%和0.29%, NRMSE分别为6.59%、 9.79%、 9.58%、 7.87%和11.03%。该研究可为马铃薯的氮营养监测提供一种快捷高效的技术手段。
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1-甲基环丙烯结合植酸处理对菠菜保鲜效果的影响
《食品科学 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：菠菜采后贮藏过程中易出现氧化失水、萎蔫腐烂导致损耗严重等问题,基于此,本实验采用保鲜剂1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)与植酸(phytic acid,PA)处理采后菠菜,探究保鲜剂对菠菜的生理及贮藏品质的影响.先通过不同剂量(0、1、2、4μL/L)1-MCP和不同质量分数(0、0.1%、0.2%、0.4%)PA单独处理菠菜,确定最适1-MCP剂量和PA质量分数,之后选择最适剂量(1 μL/L)1-MCP和适宜质量分数(0.1%)PA分别单独处理及1 μL/L1-MCP+0.1%PA复合处理菠菜,于室温(20±1)℃、相对湿度80%~90%条件下贮藏,用无保鲜剂处理的菠菜作为对照.以腐烂指数、质量损失率、叶绿素相对含量、可溶性固形物质量分数、乙烯释放量、过氧化物酶(peroxidase,POD)活力、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基清除率为评价指标,分析1 μL/L 1-MCP、0.1%PA单独处理及1 μL/L1-MCP+0.1%PA复合处理对菠菜采后生理及贮藏过程中相关理化特性的影响,并在贮藏期内对菠菜的外观、形态、气味感官性状进行综合感官评价.结果表明,1 μL/L 1-MCP、0.1%PA、1μL/L 1-MCP+0.1%PA 3种处理方式对采后菠菜均有一定的保鲜效果,与其他3组相比,1μL/L1-MCP+0.1%PA复合处理能明显增强POD活力,提升DPPH自由基清除率,从而延缓腐烂指数、质量损失率、乙烯释放量的上升,提升贮藏期内菠菜的叶绿素相对含量并保持较高的可溶性固形物质量分数和感官评分,有效延缓了菠菜的腐烂变质.本研究结果表明,1 μL/L 1-MCP+0.1%PA复合处理菠菜的保鲜效果最佳,能有效延缓菠菜采后衰老和品质劣变.
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反刍家畜典型行为监测与生理状况识别方法研究综述
《农业机械学报 》 2023 EI 北大核心 CSCD
摘要：反刍家畜是人类获得肉、奶等食品的重要来源，随着人们对其产品产量与品质要求的提升，传统耗时耗力且高人工成本的人工监管模式已经难以满足规模化反刍家畜养殖的需要。反刍家畜行为中蕴含着许多身体状况信息，对反刍家畜行为的自动化监测有助于较早地识别其异常行为、评估其健康水平、预警其异常生理状态，辅助养殖人员及时调整养殖策略，实现低成本、高效率和高收益的生产过程。首先对反刍家畜基本运动(躺卧、行走、站立)、反刍、进食饮水、跛行等典型行为的监测方法进行总体阐述，然后详细分析了识别反刍家畜发情、分娩、疾病、疼痛状况的不同特征指标以及基于该特征指标的生理状况识别方法，最后探讨了反刍家畜行为监测方法目前存在的一些问题与难点，并指出未来的研究重点为：优化传感器功耗、融合多传感器数据、降低数据传输延时、减少大规模数据标注、轻量化深度学习模型以及深度解析和应用数据。
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