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基于实例分割技术的草莓叶龄及冠幅表型快速提取方法

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智慧农业（中英文） 2024年第2期6卷 95-106页

作者：樊江川王源桥苟文博蔡双泽郭新宇赵春江中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 国家农业信息化工程技术研究中心/北京市农林科学院信息技术研究中心/数字植物北京市重点实验室北京100097 西北农林科技大学信息工程学院陕西杨陵712100 北京派得伟业科技发展有限公司北京100097

[目的/意义]为解决高通量草莓叶龄及冠幅提取问题,提出一种基于移动式表型平台和实例分割技术的高通量表型提取方法。[方法]利用小型移动式表型平台对温室内盆栽草莓植株的俯拍图像进行数据获取,并利用改进型Mask R-CNN(Convolutional N... 详细信息

[目的/意义]为解决高通量草莓叶龄及冠幅提取问题,提出一种基于移动式表型平台和实例分割技术的高通量表型提取方法。[方法]利用小型移动式表型平台对温室内盆栽草莓植株的俯拍图像进行数据获取,并利用改进型Mask R-CNN(Convolutional Neural Network)模型对图像进行处理,以此获取草莓植株叶龄信息。首先利用带有分组注意力模块的Split-Attention Networks(ResNeSt)骨干网络替换原有网络,从而提高图像特征信息提取精度和执行效率。在训练时,利用Mosaic方法对草莓图像进行数据增强,并且使用二元交叉熵损失函数对原本的交叉熵分类损失函数进行优化,以达到更好的植株与叶片的检测准确度。在此基础上,对训练结果进行后处理,利用标定比值对冠幅进行计算。[结果和讨论]该方法能够在ResNeSt-101骨干网络下,实现80.1%的掩膜准确率和89.6%的检测框准确率,并且能够以99.3%的植株检测正确率和98.0%的叶片数量检出率实现高通量的草莓叶龄估算工作。而模型推理后草莓植株南北和东西向冠幅测试值与真实值相比误差均低于5%的约占98.1%。[结论]该方法有着较高的鲁棒性,能够为智慧农业下高通量植物表型获取与解析工作提供技术支持。

关键词：移动式表型平台实例分割草莓表型叶龄统计冠幅 Mask R-CNN ResNeSt

基于移动式表型平台和实例分割技术的草莓叶龄及冠幅提取方法

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智慧农业(中英文) 2024年

作者：樊江川王源桥苟文博蔡双泽郭新宇赵春江北京派得伟业科技发展有限公司中国农业大学信息与电气工程学院国家农业信息化工程技术研究中心/北京市农林科学院信息技术研究中心/数字植物北京市重点实验室西北农林科技大学信息工程学院陕西杨陵712100

[目的/意意义义]为解决高通量草莓叶龄及冠幅提取问题，提出一种基于移动式表型平台和实例分割技术的高通量表型提取方法。[方法]利用小型移动式表型平台对温室内盆栽草莓植株的俯拍图像进行数据获取，并利用改进型Mask R-CNN (Convolut... 详细信息

[目的/意意义义]为解决高通量草莓叶龄及冠幅提取问题，提出一种基于移动式表型平台和实例分割技术的高通量表型提取方法。[方法]利用小型移动式表型平台对温室内盆栽草莓植株的俯拍图像进行数据获取，并利用改进型Mask R-CNN (Convolutional Neural Network)模型对图像进行处理，以此获取草莓植株叶龄信息。首先利用带有分组注意力模块的Split-Attention Networks (ResNeSt)骨干网络替换原有网络，从而提高图像特征信息提取精度和执行效率。在训练时，利用Mosaic方法对草莓图像进行数据增强，并且使用二元交叉熵损失函数对原本的交叉熵分类损失函数进行优化，以达到更好的植株与叶片的检测准确度。在此基础上，对训练结果进行后处理，利用标定比值对冠幅进行计算。[结果和讨论]该方法能够在ResNeSt-101骨干网络下，实现80.1%的掩膜准确率和89.6%的检测框准确率，并且能够以99.3%的植株检测正确率和98.0%的叶片数量检出率实现高通量的草莓叶龄估算工作。而模型推理后草莓植株南北和东西向冠幅测试值与真实值相比误差均低于5%的约占98.1%。[结结论论]该方法有着较高的鲁棒性，能够为智慧农业下高通量植物表型获取与解析工作提供技术支持。

关键词：移动式表型平台实例分割草莓叶龄统计冠幅植物表型

基于PLESN和LESQRN概率预测模型的短期电力负荷预测

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燕山大学学报 2024年第1期48卷 54-61页

作者：樊江川于昊正王冬生安佳坤杨丽君国网河南省电力公司经济技术研究院河南郑州450002 燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室河北秦皇岛066004 国网河北省电力有限公司经济技术研究院河北石家庄050011

针对现有电力负荷预测不能很好反映负荷数据的周期性和趋势性以及残差的波动性特征提出一种考虑周期性建模的泄露积分型回声状态网络点预测模型和泄露积分型回声状态分位数回归网络概率预测模型组合的短期电力负荷预测方法.首先为了捕... 详细信息

针对现有电力负荷预测不能很好反映负荷数据的周期性和趋势性以及残差的波动性特征提出一种考虑周期性建模的泄露积分型回声状态网络点预测模型和泄露积分型回声状态分位数回归网络概率预测模型组合的短期电力负荷预测方法.首先为了捕捉负荷的多重特征定义了周期性和趋势性损失函数辅助优化点预测模型然后为克服残差的波动问题利用概率预测模型对点预测值与真实值的残差进行建模预测最后整合同时刻的点预测值与残差预测区间得到概率预测模型结果.实际算例结果表明与其他模型相比所提模型不仅有效抑制尖端振荡现象而且能够生成可靠的概率密度分布.

关键词：短期电力负荷预测周期性建模泄露积分型回声状态网络分位数回归

基于多分支门控残差卷积神经网络的短期电力负荷预测

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中国电力 2022年第11期55卷 155-162,174页

作者：樊江川于昊正刘慧婷杨丽君安佳坤国网河南省电力公司经济技术研究院河南郑州450002 电力电子与电力传动河北省重点实验室(燕山大学) 河北秦皇岛066004 国网河北省电力有限公司经济技术研究院河北石家庄050011

短期电力负荷预测是电力部门进行电网规划和运行调度的重要工作之一,针对负荷数据的时序性特征,为提升电力负荷预测精度,建立了一种基于多分支门控残差卷积神经网络(residualgatedconvolutional neural network,RGCNN)的短期电力负荷预... 详细信息

短期电力负荷预测是电力部门进行电网规划和运行调度的重要工作之一,针对负荷数据的时序性特征,为提升电力负荷预测精度,建立了一种基于多分支门控残差卷积神经网络(residualgatedconvolutional neural network,RGCNN)的短期电力负荷预测模型。该模型首先采用多分支门控残差卷积神经网络对历史负荷的周周期特征、日周期特征、近邻特征进行深度特征提取;其次为增加模型的非线性拟合能力,采用注意力机制对权重进一步合理分配;最后通过归一化指数函数计算后输出负荷预测结果。使用2016年某电力竞赛数据进行实验,通过与4种常用模型对比,该模型预测结果的平均绝对百分误差(MAPE)评价指标下降了0.02%~0.70%,验证了该模型提高负荷预测精度的有效性。

关键词：短期负荷预测多分支神经网络门控残差卷积神经网络注意力机制特征提取

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基于深度学习网络实现番茄病虫害检测与识别

中国农业大学学报 2023年第11期28卷 165-181页

作者：王铭慧张怀清樊江川陈帮乾云挺南京林业大学信息科学技术学院南京210037 中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 国家农业信息化工程技术研究中心数字植物北京市重点实验室北京100097 中国热带农业科学院橡胶研究所海口571737 南京林业大学林草学院南京210037

为利用计算机或人工智能技术协助番茄病虫害防治,以存在病虫害侵害问题的番茄植株图像为研究对象,针对番茄病虫害目标小而密的特点提出基于Swin Transformer的YOLOX目标检测网络,用于精确定位图像中的病虫害目标,并采用基于经典卷积神... 详细信息

为利用计算机或人工智能技术协助番茄病虫害防治,以存在病虫害侵害问题的番茄植株图像为研究对象,针对番茄病虫害目标小而密的特点提出基于Swin Transformer的YOLOX目标检测网络,用于精确定位图像中的病虫害目标,并采用基于经典卷积神经网络构建的旋转不变Fisher判别CNN分类网络,以此提高病虫害分类的准确率。结果表明:1)将测试结果与传统的目标检测模型和分类模型作对比,基于Swin Transformer的YOLOX网络在番茄病虫害测试集上的精确度比Faster R-CNN和SSD分别高了7.9%和9.5%,旋转不变Fisher判别CNN对病虫害类别的识别准确率与AlexNet、VGGNet相比分别提升了8.7%和5.2%;2)与基于Transformer的目标检测模型DETR和近年来新兴的图像分类模型Vision Transformer(ViT)在番茄病虫害测试集上的结果相比较,本研究的检测和分类方法也存在优势,病虫害检测精度和分类准确率分别提高了3.9%和4.3%。此外消融试验也证明了本研究方法改进的有效性。总之,本研究所构建的网络在番茄病虫害的目标检测和分类识别方面的性能优于其他网络,有助于提升番茄病虫害的防治效果,对计算机视觉在农业领域的应用具有重要意义。

关键词：深度学习病虫害识别 Swin Transformer Fisher判别番茄

基于深度学习与激光点云的橡胶林枝干重建及参数反演

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农业工程学报 2022年第8期38卷 187-199页

作者：丁竹娴周立军樊江川安锋陈帮乾王铭慧蒋玲薛联凤云挺南京林业大学信息科学技术学院南京210037 中国热带农业科学院橡胶研究所海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站海口571737 国家农业信息化工程技术研究中心数字植物北京市重点实验室北京100097 南京林业大学林学院南京210037 滑铁卢大学工程学院滑铁卢N2L 3G1

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... 详细信息

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R^(2)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R^(2)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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基于串/并联APF的统一电能质量调节器

电力电子技术 2023年第5期57卷 60-63页

作者：于昊正全少理李文峰樊江川国网河南省电力公司经济技术研究院河南郑州450000

提出了一种新型统一电能质量调节器(UPQC)结构及其控制策略,所提的UPQC可接入三相三线或三相四线配电网系统中并实现串/并联的电能质量调节。给出了UPQC内部串联及并联有源电力滤波器(APF)直接补偿控制策略,其中串联APF控制为基波正弦... 详细信息

提出了一种新型统一电能质量调节器(UPQC)结构及其控制策略,所提的UPQC可接入三相三线或三相四线配电网系统中并实现串/并联的电能质量调节。给出了UPQC内部串联及并联有源电力滤波器(APF)直接补偿控制策略,其中串联APF控制为基波正弦电流源,并联APF控制为基波正弦电压源,所提控制策略无需检测电压和电流补偿量,有效降低了系统控制的复杂度。最后通过系统仿真及样机实验验证了所提新型UPQC及控制策略对不平衡负载、非线性负载等工况下的电能质量提升的有效性。

关键词：统一电能质量调节器并联有源电力滤波器不平衡负载

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手持式数字化多功能电子测树枪的研制与试验

农业工程学报 2013年第3期29卷 90-99页

作者：徐伟恒冯仲科苏志芳胥辉焦有权樊江川北京林业大学测绘与3S技术中心北京100083 西南林业大学计算机与信息学院昆明650224 昆明学院数学系昆明650214

为了实现森林的数字化、多功能、精准计测,该文研制了一种数字化多功能电子测树枪,该设备以MEMS(micro-electro-mechanical systems)测角传感器、激光测距传感器、电子罗盘等主要硬件为基础,通过测量距离、倾角、磁方位角3个参数,基于... 详细信息

为了实现森林的数字化、多功能、精准计测,该文研制了一种数字化多功能电子测树枪,该设备以MEMS(micro-electro-mechanical systems)测角传感器、激光测距传感器、电子罗盘等主要硬件为基础,通过测量距离、倾角、磁方位角3个参数,基于三角函数原理,嵌入操作软件,实现了树高测量、林分平均高测量、株数密度测量、角规绕测、任意高度直径测量、基本测量6项功能。并将该设备在河南省、内蒙古等地林场进行了试验,试验结果表明,树高测量精度最高,达99.39%,林分平均高测量精度最低,为94.97%,其他功能精度都在95%以上,可以满足林业外业调查的需要。

关键词：林业测量电子枪多功能

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计及需求响应的分布式光伏集群承载能力评估

电力建设 2023年第2期44卷 122-131页

作者：于昊正赵寒杰李科朱星旭皇甫霄文樊江川李翠萍李军徽国网河南省电力公司经济技术研究院郑州市450000 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学) 吉林省吉林市132012

针对传统配电网分布式光伏承载能力评估方法中未考虑光伏集群的问题,构建了一种以光伏集群为评估单元的承载能力双层评估模型。模型外层通过价格弹性系数描述负荷需求变化,以售电商收益最大为目标优化分时电价,采用粒子群优化(particle ... 详细信息

针对传统配电网分布式光伏承载能力评估方法中未考虑光伏集群的问题,构建了一种以光伏集群为评估单元的承载能力双层评估模型。模型外层通过价格弹性系数描述负荷需求变化,以售电商收益最大为目标优化分时电价,采用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法进行求解。内层以不往主网反送电作为指标,考虑电压偏差和设备热稳定约束,提出灵敏度排序方法求取光伏承载能力。在我国某县域实际配电网中求取了配电网光伏集群的承载能力,验证了所提模型和算法的有效性。

关键词：配电网分布式光伏用户侧需求响应承载力集群