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生长季五角枫茎干水分含量序列特征及其影响因素解译

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植物生态学报 2024年

作者：许泽海赵燕东北京林业大学工学院北京林业大学城乡生态环境北京实验室智慧林业研究中心

活立木茎干水分含量作为一种典型的生理水分参数,一直是活立木生命状态最为有效的表征参数之一,对维持整株树木水分平衡起着极其重要的作用,受到研究者、林木抚育者的高度重视。但活立木茎干水分含量的获取方法一直受到操作繁琐、成本... 详细信息

活立木茎干水分含量作为一种典型的生理水分参数,一直是活立木生命状态最为有效的表征参数之一,对维持整株树木水分平衡起着极其重要的作用,受到研究者、林木抚育者的高度重视。但活立木茎干水分含量的获取方法一直受到操作繁琐、成本昂贵、实时性不强、准确率不高及有损活立木生命等因素的影响,限制了对其深入的应用研究。该研究创新性地采用一种具有自主知识产权的茎干水分传感器,实时、无损地获取活立木茎干水分含量,并对茎干水分含量序列特征及其影响因素进行较为详细的研究。以常见的绿化树种五角枫(五角槭, Acer pictum subsp. mono)为研究对象,采用基于驻波率原理的植物茎干水分传感器实现对五角枫茎干水分含量原位且无损监测,同步监测相关气象因子,分析生长季不同时期茎干水分含量序列特征及其与各气象因子的关系。结果显示:(1)茎干水分含量在春季(4月)和秋季中后期(9–10月)呈“昼升夜降”的趋势,夏季至秋季中期(5–8月)呈“昼降夜升”的趋势;阴天会抑制茎干水分含量的日极差与极大值,雨天时,茎干水分含量会明显上升;干燥天气会使茎干水分含量呈下降趋势;(2)生长季萌芽期,对茎干水分含量变化起直接作用的气象因子主要是空气温度和饱和水汽压差,茎干水分含量与空气温度和土壤水分含量呈显著相关关系;生长期,影响茎干水分含量的主导因子为饱和水汽压差和土壤温度,茎干水分含量与饱和水汽压差和空气温度呈显著相关关系;落叶期,对茎干水分含量变化起直接作用的因子主要为空气温度和饱和水汽压差,且茎干水分含量与两因子的皮尔逊相关系数较高。采用逐步回归分析法构建3个时期茎干水分含量与各气象因子的回归方程模型,不同时期进入回归模型中的气象因子均有所不同。综上所述,该研究揭示了在不同气象因子协同作用下生长季茎干水分含量呈现出不同的序列特征及其影响因素,可为理解植物茎干内部水分运移规律及其环境适应机制提供一定的借鉴作用。

关键词：五角枫茎干水分含量气象因子生长季序列特征

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基于改进双目视觉算法的三维重建研究

光电子．激光 2024年第7期35卷 699-707页

作者：邹家豪赵燕东北京林业大学工学院北京100083

为解决现有立体匹配算法在图像弱纹理等区域鲁棒性差以及模型参数较大的问题,对PSMNet立体匹配方法进行改善,通过使用空洞空间卷积池化金字塔结构(atrous spatial pooling pyramid, ASPP)提取图像在不同尺度下的空间特征信息。随后引入... 详细信息

为解决现有立体匹配算法在图像弱纹理等区域鲁棒性差以及模型参数较大的问题,对PSMNet立体匹配方法进行改善,通过使用空洞空间卷积池化金字塔结构(atrous spatial pooling pyramid, ASPP)提取图像在不同尺度下的空间特征信息。随后引入通道注意力机制,给予不同尺度的特征信息相应的权重。融合以上信息构建匹配代价卷,利用沙漏形状的编解码网络对其进行规范化操作,从而确定特征点在各种视差情况下的相互对应关系,最后采用线性回归的方法得到相应的视差图。与PSMNet相比,该研究在SceneFlow和KITTI2015数据集里的误差率各自减少了14.6%和11.1%,且计算复杂度下降了55%。相比较于传统算法,可以改善视差图精度,提升三维重建点云数据质量。

关键词：双目视觉立体匹配点云三维重建

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根区土壤氧气检测技术与方法研究进展

农业工程学报 2024年第3期40卷 1-13页

作者：周海洋孙卿峰夏鹏凯关鹏赵燕东郑一力北京林业大学工学院北京100083 林业装备与自动化国家林业和草原局重点实验室北京100083 林木资源高效生产全国重点实验室北京100083

根区氧胁迫问题在滞涝区域、城市地面硬化区域尤为常见,根区土壤氧气含量高低是判断植物是否承受低氧胁迫的重要依据,其检测技术与分析方法的研究对农林生产和生态保护具有指导意义。为明确根区土壤氧气检测现状及发展方向,该研究概括... 详细信息

根区氧胁迫问题在滞涝区域、城市地面硬化区域尤为常见,根区土壤氧气含量高低是判断植物是否承受低氧胁迫的重要依据,其检测技术与分析方法的研究对农林生产和生态保护具有指导意义。为明确根区土壤氧气检测现状及发展方向,该研究概括了国内外土壤氧气分布检测方法和分析策略,将现有获取根区土壤氧含量时空分布的技术手段归纳为氧传感器点位检测法、土壤氧扩散模型分析法和荧光成像法,并剖析比较了各方法的优缺点和适用场景。基于氧传感器等领域最新进展,结合各类氧气运输模型,总结了根区土壤氧气分布检测技术和建模方法的研究重点与发展方向如下:1)氧传感器呈现小型化和集成化趋势,引入新型材料,提高氧传感器的灵敏度和耐久性能;2)模型的精度将不断提高,更多地考虑多尺度和多因素交互作用,以全面分析根区土壤氧环境的复杂性;3)开发可持续的荧光染料,提高荧光成像技术的分辨率和深度,以实现对更小、更深层次结构的清晰成像;4)分析植物蒸腾作用中的水氧关系,通过茎干氧浓度反映植物对根区氧环境变化的生理适应能力。研究可为植物根区土壤氧气分布检测提供思路与借鉴。

关键词：土壤氧传感器模型根区

基于OBE理念的林业“自动控制原理”实践教学改革探索

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教育教学论坛 2024年第5期 77-80页

作者：赵燕东韩巧玲刘卫平北京林业大学工学院北京100083

基于OBE理念,从林业领域对新工科工程技术人员的具体特色需求出发,遵从“电类”专业实践教学培养方案及毕业要求,以“自动控制原理”实验课程为例,以问题为抓手,以成果为导向,探索基于OBE理念的“自动控制原理”实践教学目标,改革实践... 详细信息

基于OBE理念,从林业领域对新工科工程技术人员的具体特色需求出发,遵从“电类”专业实践教学培养方案及毕业要求,以“自动控制原理”实验课程为例,以问题为抓手,以成果为导向,探索基于OBE理念的“自动控制原理”实践教学目标,改革实践教学内容及教学方法,建立合理的考核评价体系,通过科研反哺教学,建立基于林业科研项目的案例库,并应用于“自动控制原理”实践教学,促使专业承担起人才培养的任务和基础,为林业生态发展提供高素质的“电类”工程技术人员。

关键词： OBE理念自动控制原理实验教学改革科研反哺教学

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深层土壤硝态氮原位实时检测系统设计与开发

农业技术与装备 2024年第6期 1-4,7页

作者：赵燕东常诚至赵玥刘卫平北京林业大学工学院北京100083 城乡生态环境北京实验室北京100083 林草生态碳中和智慧感知研究院北京100083

硝酸盐是植物氮素营养的重要来源,低成本、微损的深层土壤硝态氮含量原位检测一直存在瓶颈。基于土壤光谱特性,设计了一款低成本、深层土壤硝态氮原位实时检测系统。该系统基于单光谱波段,可深层植入土壤中进行原位测量,利用钛烧结滤芯... 详细信息

硝酸盐是植物氮素营养的重要来源,低成本、微损的深层土壤硝态氮含量原位检测一直存在瓶颈。基于土壤光谱特性,设计了一款低成本、深层土壤硝态氮原位实时检测系统。该系统基于单光谱波段,可深层植入土壤中进行原位测量,利用钛烧结滤芯采集土壤溶液,通过220 nm波段的紫外光灯作为照射光源,根据吸光度原理和电压电流转换放大电路,检测采集到的土壤溶液中硝态氮的含量,同时采用LoRa无线传输模块将数据自主传输至上位机,无需人工干预,无需对土壤样本进行采集和处理,不仅降低了检测成本,而且降低了人力成本。土壤硝态氮预测模型的预测决定系数R^(2)、相关系数R、均方根误差RMSE分别为0.9822、0.9911、0.0092,满足实际应用测量的准确度。

关键词：深层土壤硝态氮原位测量紫外光谱法

融合物联网多环境参数的茎干水分SSA-BP预测模型

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农业工程学报 2023年第16期39卷 150-159页

作者：许泽海赵燕东北京林业大学工学院北京100083

作为一种典型的生理水分参数,茎干水分与活立木内部水分平衡的维持、光合固碳及细胞代谢等的正常运转有紧密联系,对不同环境参数协同作用下的茎干水分较准确预测是必不可少的。为实现对生长季茎干水分变化特征及其影响因素进行解析,并... 详细信息

作为一种典型的生理水分参数,茎干水分与活立木内部水分平衡的维持、光合固碳及细胞代谢等的正常运转有紧密联系,对不同环境参数协同作用下的茎干水分较准确预测是必不可少的。为实现对生长季茎干水分变化特征及其影响因素进行解析,并构建茎干水分预测模型,该研究以常见绿化树种五角枫(Acer pictum subsp.Mono)为研究对象,搭建五角枫物联网生态信息监测系统,实现五角枫茎干水分和各环境参数的实时采集与在线显示,其中茎干水分变化情况由自主设计的基于驻波率原理的茎干水分传感器实时且无损获取。在此基础上,提出麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)优化反向传播(back propagation,BP)神经网络即SSA-BP茎干水分预测模型,计算模型的决定系数(coefficient of determination,R^(2))、均方根误差(root mean square error,RMSE)和平均绝对误差(mean absolute Error,MAE)以评估其预测性能,与传统的BP模型及遗传算法(genetic algorithm,GA)优化BP即GA-BP模型的预测性能进行对比。结果表明:1)搭建的物联网生态信息监测系统可有效获取茎干水分及各环境参数;萌芽期和落叶期,茎干水分呈“昼升夜降”的变化趋势,生长期,茎干水分呈“昼降夜升”的变化趋势;2)SSA-BP模型的预测性能要优于GA-BP模型和BP模型,SSA-BP模型的R2为0.896~0.987,RMSE为0.314~12.971 mV,MAE为0.232~5.030 mV。该研究提出一种可行的茎干水分采集和预测方法,可为揭示植物茎干内部水分运移规律及其环境适应机制提供借鉴。

关键词：模型水分茎干麻雀搜索算法 BP神经网络环境参数

基于植物介电特性的茎干含冰量检测方法与仪器设计

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农业机械学报 2022年第4期53卷 235-244页

作者：田昊赵燕东谢涛于重重北京工商大学人工智能学院北京100048 北京林业大学工学院北京100083

针对木本植物越冬期茎干冻结信息难以原位、在线监测的问题,本研究依据茎干冻结过程中水冰比例变化与茎干阻抗的关系,研制茎干体积含冰量的原位、在线检测传感器。驻波测量频率及电路仿真结果表明,采用100 MHz信号激励源,电路能够有效... 详细信息

针对木本植物越冬期茎干冻结信息难以原位、在线监测的问题,本研究依据茎干冻结过程中水冰比例变化与茎干阻抗的关系,研制茎干体积含冰量的原位、在线检测传感器。驻波测量频率及电路仿真结果表明,采用100 MHz信号激励源,电路能够有效表征茎干阻抗中电抗分量的变化;植物冻结过程中的阻抗变化分析表明,基于茎干阻抗变化表征体积含冰量的变化是可行的;探头电磁空间分布仿真结果表明,传感器有效测量区域为0~10 cm;静动态特性分析表明,传感器测量范围为0~100%,分辨率为0.05%,测量精度为±1.76%,稳定性良好,动态响应时间为0.172 s,功耗为0.25 W;室内外实验表明,传感器可以有效追踪茎干内体积含冰量的动态变化及受冻害胁迫程度,反映植物越冬期水冰转化的日周期生理特征,可为植物含冰量监测和不同纬度下人工林的抚育提供技术支撑。

关键词：冻害胁迫茎干含冰量介电特性驻波率静动态特性

基于活立木介电特性的茎干蓄水量检测传感器研制

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农业工程学报 2022年第3期38卷 38-46页

作者：赵燕东顾家华赵玥刘卫平米雪北京林业大学工学院北京100083 城乡生态环境北京试验室北京100083 林草生态碳中和智慧感知研究院北京100083 定州市绿谷农业科技发展有限公司定州073006

活立木茎干含水率(Stem Water Content,StWC)是揭示树木抗旱机理的重要水分信息。为了提高基于驻波原理的茎干含水率传感器的实用性,该研究基于活立木介电特性和多传感器融合技术,设计了一款可适应树干径向生长的茎干水分复合传感器。... 详细信息

活立木茎干含水率(Stem Water Content,StWC)是揭示树木抗旱机理的重要水分信息。为了提高基于驻波原理的茎干含水率传感器的实用性,该研究基于活立木介电特性和多传感器融合技术,设计了一款可适应树干径向生长的茎干水分复合传感器。传感器主要由弧形探头、压力传感器、固定绳索、传动装置等部分组成,可同时检测StWC及探头与茎干间的压力,以单片机为控制器控制固定绳索的收放以维持压力稳定。传感器的动静态特性试验结果表明,在相对介电常数6~53.3(20℃)范围内,传感器的StWC检测单元输出电压与相对介电常数具有良好的线性关系(R^(2)=0.9905),StWC的测量范围为0~85%。试验表明该传感器可适应茎干的径向生长,输出稳定性良好,测试时长内最大波动小于0.3%FS(全量程,Full Scale)。研究结果可为林木健康评估无损检测提供支撑。

关键词：传感器无损检测活立木茎干含水率

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活立木茎干水分状况实时检测传感器研究

农业机械学报 2023年第7期54卷 282-289,359页

作者：赵燕东黄红伦赵玥刘卫平米雪北京林业大学工学院北京100083 城乡生态环境北京实验室北京100083 林草生态碳中和智慧感知研究院北京100083 定州市绿谷农业科技发展有限公司定州073006

活立木茎干水分状况是植物生命状态的有效体现,其中茎干含水率(Stem water content,StWC)和液流密度(Sap flux density,SFD)是研究植物体内水分变化规律的重要参数。准确检测活立木茎干同一空间位置的含水率和液流密度可以更有效地分析... 详细信息

活立木茎干水分状况是植物生命状态的有效体现,其中茎干含水率(Stem water content,StWC)和液流密度(Sap flux density,SFD)是研究植物体内水分变化规律的重要参数。准确检测活立木茎干同一空间位置的含水率和液流密度可以更有效地分析2个参数的关系、评估植物生长状况。将基于驻波率(Standing wave ratio,SWR)原理的茎干水分检测方法和基于热比率法(Heat ratio method,HRM)原理的茎干液流检测方法结合,设计了活立木茎干含水率和液流复合参数检测传感器,复合传感器的含水率检测单元和液流检测单元复用一套三针式探针,可对活立木茎干同一位置的含水率和液流实时精准检测。含水率检测单元输出电压与介电常数(6~53.3范围内,对应茎干含水率为0~85%)具有良好的线性关系(决定系数R^(2)=0.9701),静态稳定性良好(长时间测试最大波动为0.6%全量程)。以杨树为研究对象,含水率检测单元与BD-IV型植物茎体水分传感器的对比实验结果一致(决定系数R^(2)=0.9800)。液流检测单元与ST1221型热扩散式液流计对比,二者检测的杨树液流密度具有显著的线性关系(决定系数R^(2)=0.8991),热扩散式液流计不能准确判断零液流条件而低估了液流密度,ST1221型液流计检测的平均值比本系统液流检测单元低1.1 cm/h,液流检测单元使用的热比率法可以准确检测低速液流。复合传感器对杨树茎干含水率和液流的长时间监测结果与前人研究一致且符合植物生理规律。茎干含水率和液流存在极显著的负相关性(Pearson相关系数为-0.7951)。

关键词：活立木茎干水分驻波率热比率法复合传感器