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基于深度学习的河道航拍影像检测算法研究

工程科学与技术 2024年

作者：邓业发郄志红吴鑫淼河北农业大学城乡建设学院河北省河湖长制研究院国家北方山区农业工程技术研究中心

利用先进手段快速、精准地发现河湖四乱和水质等问题是提高河湖管理及河湖长制工作效率的重要途径之一，通过无人机巡视结合图像识别技术有望有效解决传统人工巡查河道观测范围受限、效率低下和涉河问题响应慢等问题，但目前存在河道水... 详细信息

利用先进手段快速、精准地发现河湖四乱和水质等问题是提高河湖管理及河湖长制工作效率的重要途径之一，通过无人机巡视结合图像识别技术有望有效解决传统人工巡查河道观测范围受限、效率低下和涉河问题响应慢等问题，但目前存在河道水面环境复杂，河道漂浮垃圾形状不规则且形态多样、尺寸不一，水华绿藻分布较广，非法采砂行为发生地点较为隐蔽且易受到遮挡等问题，依靠传统的图像识别算法进行检测存在较大的挑战性。针对这一挑战，本文提出一种基于改进YOLO v5s(You Only Look Once)的河道巡查图像识别算法，即YOLO v5s–CDF算法。首先，使用FocalNext模块替代Backbone骨干网络中的C3模块，通过引入深度可分离卷积和空洞卷积，增强网络对小目标的特征提取能力；在输出部分添加Context Aggregation注意力机制，通过引入上下文聚合机制来调整输入数据的权重，使模型能够更加关注于图像中的关键信息；使用解耦头（Decouple Head）替换原有的耦合检测头，将特征提取和任务预测分开，加快了网络的收敛速度，进一步提升了模型对于小目标的检测能力。实验结果表明，YOLO v5s–CDF模型的平均精度均值（mAP）为86.7%，比YOLO v5s模型高了4.1%，对比YOLO v7–tiny和YOLO X–s模型，平均精度均值提高了20.4%和8.3%。实例分析结果说明本研究提出的YOLO v5s–CDF模型是能够实现河湖问题精准识别的可靠且有效的方法。

关键词： YOLO v5s 小目标检测河道垃圾 FocalNext模块注意力机制

基于采样点光谱信息窗口尺度优化的土壤含水率无人机多光谱遥感反演

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农业机械学报 2024年第1期55卷 316-327页

作者：靳亚红吴鑫淼甄文超崔晓彤陈丽郄志红河北农业大学城乡建设学院保定071001 农业农村部华北节水农业重点实验室保定071001 河北农业大学农学院保定071001 保定市灌溉试验站保定071000

针对空间异质性导致的土壤含水率反演误差较大的问题,分别以玉米灌浆期和小麦苗期的土壤含水率反演为例,利用无人机多光谱遥感技术获取喷灌和畦灌灌溉方式下的正射影像。将34组光谱特征变量按照滑动窗口法提取不同空间尺度的光谱信息平... 详细信息

针对空间异质性导致的土壤含水率反演误差较大的问题,分别以玉米灌浆期和小麦苗期的土壤含水率反演为例,利用无人机多光谱遥感技术获取喷灌和畦灌灌溉方式下的正射影像。将34组光谱特征变量按照滑动窗口法提取不同空间尺度的光谱信息平均值,通过极端梯度提升(Extreme gradient boosting, XGBoost)、支持向量机回归(Support vector machine regression, SVR)以及偏最小二乘回归(Partial least squares regression, PLSR)3种机器学习模型确定采样点光谱信息最优窗口尺度;然后,采用皮尔逊相关系数特征变量筛选法(Pearson correlation coefficient feature variable screening method, R)结合XGBoost和SVR模型对提取的34组光谱特征变量进行筛选,选取与土壤含水率敏感的特征变量;最后,估算土壤含水率。结果表明:喷灌方式下所选择的采样点最优光谱信息窗口尺度比畦灌小,其最优窗口尺度范围分别为11×11~21×21和15×15~29×29;采用皮尔逊相关系数特征变量筛选方法结合机器学习模型可有效提高土壤含水率反演精度;5种机器学习模型(R_XGBoost、R_SVR、XGBoost、SVR、PLSR)中R_XGBoost模型估算土壤含水率精度最优,在喷灌和畦灌方式下玉米灌浆期R_XGBoost模型的测试集决定系数R2分别为0.80、0.83,均方根误差(Root mean square error, RMSE)分别为1.27%和0.98%,小麦苗期R2分别为0.76、0.79,RMSE分别为1.68%和0.85%;土壤含水率反演模型在畦灌条件下的精度优于喷灌条件下。该研究可为基于无人机多光谱影像分析的信息挖掘和土壤水分监测提供参考。

关键词：土壤含水率窗口尺度无人机多光谱遥感机器学习特征变量反演

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近十年雄安新区景观格局动态变化及生态系统服务功能评价

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林业与生态科学 2024年第1期39卷 66-75页

作者：胡唐松吴鑫淼王晓梦李小兵郄志红河北农业大学城乡建设学院河北保定071001 农业农村部华北节水农业重点实验室河北保定071001 迁安市水利局河北唐山063099

为深入了解和解析雄安新区景观格局的时空特征及其生态发展趋势,利用2013-2022年间4期典型的遥感影像数据,结合Google Earth影像,通过支持向量机分类和目视解译法获得雄安新区的土地利用分类图,综合运用GIS技术和InVEST模型分析等方法,... 详细信息

为深入了解和解析雄安新区景观格局的时空特征及其生态发展趋势,利用2013-2022年间4期典型的遥感影像数据,结合Google Earth影像,通过支持向量机分类和目视解译法获得雄安新区的土地利用分类图,综合运用GIS技术和InVEST模型分析等方法,对近10年雄安新区景观格局变化特征及其生态质量进行分析评价。结果表明:(1)2013-2022年期间,建设用地、开阔水体、林地持续增长,其中林地在2017年以后呈快速增长趋势,占雄安新区总面积比例由10.75%增长到31.79%,耕地由于转出较多面积缩减迅速,主要转出为林地、开阔水体和建设用地,白洋淀湿地面积增加。(2)开阔水体、水生植被、耕地的景观破碎化程度在逐年增大,林地的空间连通性持续向好。雄安新区景观形状指数增加,其中,2022年景观丰富度最大,景观中优势斑块类型连通性增强,大比例斑块增加。(3)10年间,研究区碳储量增加60.59×10^(6)MgC,优良类生境区域面积和差等生境质量面积呈上升趋势,中等生境质量面积减小33.66%。需重点关注耕地、农村建设用地与城区的交汇处、交通道路与生态源地交汇处等的生态节点的建设及其生态功能的提升。

关键词：景观格局生态系统服务功能土地利用 InVEST模型雄安新区

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基于多年降雨资料的作物灌溉制度多目标优化

农业机械学报 2013年第4期44卷 108-112页

作者：吴鑫淼王晶郄志红河北农业大学城乡建设学院保定071001

在非充分灌溉制度条件下,基于农田水量平衡模拟模型和作物产量计算模型并考虑随机降雨的影响,以灌溉日期和灌溉水量为决策变量,将多年作物相对产量均值最大、多年作物相对产量方差最小以及作物全生育期的总灌溉水量最小作为优化目标,建... 详细信息

在非充分灌溉制度条件下,基于农田水量平衡模拟模型和作物产量计算模型并考虑随机降雨的影响,以灌溉日期和灌溉水量为决策变量,将多年作物相对产量均值最大、多年作物相对产量方差最小以及作物全生育期的总灌溉水量最小作为优化目标,建立了能够同时对灌溉日期和灌溉水量进行优化的多目标优化模型。以玉米的非充分灌溉制度优化为例用上述模型及算法进行了计算分析,并与典型年法得到的优化结果进行了对比,结果表明:基于多年降雨资料的优化灌溉制度具有较强的适应性和鲁棒性,可以避免由于灌溉日期安排不合理而导致的减产或绝收问题。

关键词：玉米灌溉制度多目标同步优化典型年法降雨随机

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供水管网爆管故障诊断的PSO-SVM方法

系统工程理论与实践 2012年第9期32卷 2104-2110页

作者：李楠楠郄志红古田均河北农业大学城乡建设学院保定071001 日本关西大学综合情报学部

根据供水管网的实际水压监测数据,采用粒子群算法优化反演管道的海曾-威廉斯系数,并通过在管道中间加入虚节点来模拟爆管故障,进而基于节点水压法建立了管网在爆管故障情况下的水力计算模型.由计算模型计算出一组不同爆点、不同爆管程... 详细信息

根据供水管网的实际水压监测数据,采用粒子群算法优化反演管道的海曾-威廉斯系数,并通过在管道中间加入虚节点来模拟爆管故障,进而基于节点水压法建立了管网在爆管故障情况下的水力计算模型.由计算模型计算出一组不同爆点、不同爆管程度组合下的监测点处的水压值以此反向训练支持向量机(SVM)模型,并通过粒子群算法(PSO)对优化支持向量机模型的核参数,建立了基于PSO-SVM方法的供水管网爆管诊断模型.最后,通过一个供水管网的室内实验模型验证了上述诊断模型的有效性.

关键词： PSO—SVM 故障诊断供水管网模型试验

基于改进NSGA-Ⅱ的作物灌水量与灌溉日期同步优化

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农业机械学报 2011年第5期42卷 106-110页

作者：郄志红韩李明吴鑫淼河北农业大学城乡建设学院保定071001

在非充分灌溉条件下,基于农田水量平衡模拟模型和作物产量计算模型,以灌水日期和灌溉水量为决策变量,将作物相对产量最大和作物全生育期的总灌溉水量最小作为优化目标,建立了能够同时对灌水日期和灌溉水量进行优化的多目标优化模型。在... 详细信息

在非充分灌溉条件下,基于农田水量平衡模拟模型和作物产量计算模型,以灌水日期和灌溉水量为决策变量,将作物相对产量最大和作物全生育期的总灌溉水量最小作为优化目标,建立了能够同时对灌水日期和灌溉水量进行优化的多目标优化模型。在模型求解方面,设计了适合于此类优化问题的染色体结构,在精英保留非劣排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）的基础上提出了一种基于分组排序思想的改进遗传优化算法。以玉米的非充分灌溉制度优化为例进行了计算分析,结果显示总灌水量相同时该模型与文献[9]中的计算结果相比相对产量提高0.07~0.20,达到相同相对产量可节约用水7~15 cm。

关键词：玉米灌溉制度优化多目标同步优化 GNSGA-Ⅱ 水分生产函数

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

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农业工程学报 2013年第16期29卷 102-111页

作者：张志宇郄志红吴鑫淼河北农业大学城乡建设学院保定071001

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GN... 详细信息

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。

关键词：冬小麦-夏玉米轮作灌溉制度优化土壤水量平衡水分生产函数多目标优化

基于改进遗传算法的供水管网故障监测点布置优化

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水力发电学报 2012年第1期31卷 15-19,37页

作者：王伟哲郄志红刘美侠吴鑫淼河北农业大学城乡建设学院保定071001

针对供水管网爆管故障诊断中的水压监测点的布置问题,分析了各监测点水压对于可能的故障点漏水量的敏度及对故障(爆管)程度与故障位置诊断的效果的影响,建立了考虑敏度的监测点优化布置模型。该模型有助于保证所选测点能有效识别故障的... 详细信息

针对供水管网爆管故障诊断中的水压监测点的布置问题,分析了各监测点水压对于可能的故障点漏水量的敏度及对故障(爆管)程度与故障位置诊断的效果的影响,建立了考虑敏度的监测点优化布置模型。该模型有助于保证所选测点能有效识别故障的有无以及故障的大小,还有助于锁定爆管位置。提出了基于整数编码遗传算法的监测点优化布置模型求解方法,对于标准遗传算法解决测点组合优化问题时存在的遗传操作后产生编码重复的缺陷,提出了新的改进算法。

关键词：供水管网敏度监测点优化布置改进遗传算法

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旋流式鱼道的构建与水力特性分析

农业工程学报 2020年第3期36卷 119-125页

作者：郄志红刘辉吴鑫淼冉彦立河北农业大学城乡建设学院保定071001

为增强过鱼设施的蜿蜒性和自然性,该文提出了一种采用曲线型边壁和导流坎的旋流式鱼道结构。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下鱼道内两侧边壁水流的沿壁沿程水深以及水流流态,观察了过鱼效果,验证了数值计算的准确性,通过数值计... 详细信息

为增强过鱼设施的蜿蜒性和自然性,该文提出了一种采用曲线型边壁和导流坎的旋流式鱼道结构。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下鱼道内两侧边壁水流的沿壁沿程水深以及水流流态,观察了过鱼效果,验证了数值计算的准确性,通过数值计算进一步分析了旋流式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:鱼道内形成的旋流蜿蜒曲折,流态丰富。过鱼通道内主流区流速均不大于0.84 m/s,满足过鱼要求,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,主流两侧的缓流或回流区可为鱼类休息之用,说明了鱼道体型的合理性。该文提出的鱼道丰富了鱼道的形式,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。

关键词：数值分析流态流速旋流式鱼道