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利用CARS-CNN模型的土壤有机质含量高光谱预测

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光谱学与光谱分析 2024年第8期44卷 2303-2309页

作者：李浩于滈曹永研郝子源杨玮李民赞中国农业大学“智慧农业系统集成研究”教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

卷积神经网络(CNN)在数据特征提取方面具有巨大优势,能充分获取数据特征,相较于传统模型具有更好的泛化性。基于CNN开展了土壤有机质(SOM)含量高光谱预测方法及模型研究。以北京市昌平区上庄实验站的320个土壤样本为研究对象,提取可见光... 详细信息

卷积神经网络(CNN)在数据特征提取方面具有巨大优势,能充分获取数据特征,相较于传统模型具有更好的泛化性。基于CNN开展了土壤有机质(SOM)含量高光谱预测方法及模型研究。以北京市昌平区上庄实验站的320个土壤样本为研究对象,提取可见光-近红外(VIS-NIR)350~1700 nm内的807个光谱波段,通过多元散射校正(MSC)和一阶微分变换进行光谱数据去噪和变换。分别使用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)筛选敏感波长实现光谱数据降维。为解决传统手段泛化性差以及深层CNN网络复杂且负载过大的问题,基于CARS与SPA算法,提出一种基于6层卷积层的浅层CNN模型预测,并对比具有不同卷积尺寸和卷积数量的1D-CNN1、1D-CNN2以寻找最优网络参数。通过对比VGG16、支持向量回归(SVR)、最小二乘回归(PLSR)、随机森林(RF)建立预测模型在特征波长以及全波段的表现确定最佳模型。结果表明,相比于全谱波段和SPA筛选算法,基于CARS筛选特征波长建立的模型整体表现更好,波段数量被压缩至全波段的8%,有效实现了光谱数据的降维。对比全波段数据,基于CARS筛选波长的1D-CNN1、1D-CNN2的表现更好,模型预测R2分别提升了0.028,0.018;RMSE分别降低了0.150和0.107 g·kg^(-1)。整体上,基于CARS的1D-CNN1模型表现最好,预测R2=0.846,RMSE=3.145 g·kg^(-1),降低了网络负载的同时提高了模型精度,同时也证明了小尺寸卷积的表现优于更多数量的大尺寸卷积,能够更好的获取数据特征。通过CARS筛选特征波长结合浅层CNN建立SOM含量预测模型,为建立高精度的SOM含量预测模型提供了方法与参考。

关键词：土壤有机质卷积神经网络高光谱精细农业

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刮刷组合式葡萄藤防寒土清土机设计与试验

吉林大学学报（工学版） 2024年第1期54卷 294-312页

作者：马帅徐丽明许述财牛丛闫成功谭好超中国农业大学工学院北京100083 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084

针对我国北方露地葡萄藤防寒土春季清除机械化作业清土不彻底、易伤藤和机具适应差等问题,设计了一种刮刷组合式葡萄藤防寒土清土机。该机采用双翼式刮土板部件、刚性叶轮部件和柔性刷丝部件分别将葡萄藤的上方防寒土、侧边外围防寒土... 详细信息

针对我国北方露地葡萄藤防寒土春季清除机械化作业清土不彻底、易伤藤和机具适应差等问题,设计了一种刮刷组合式葡萄藤防寒土清土机。该机采用双翼式刮土板部件、刚性叶轮部件和柔性刷丝部件分别将葡萄藤的上方防寒土、侧边外围防寒土和根部附近防寒土一次性清除。对关键部件进行设计,搭建基于STM32F103的控制系统,实现双翼式刮土板部件的自动避障和机具的自动调平。调平性能试验表明,当调平机架向左倾斜到最大角度或向右倾斜到最大角度时,均能在1 s内完成自动调平过程,且没有明显的超调量;当拖拉机行驶在不平整的葡萄行间时,即使拖拉机车身发生较大的倾斜变化,挂接在后侧机具上的清土部件仍能保持期望的水平状态(±2°以内)进行作业;田间清土试验表明,各清土部件运行稳定,不存在相互作业干涉的情况,清土作业后的清土率约为81.96%,葡萄藤损伤率约为1.67%,满足我国北方露地葡萄藤防寒土清除作业要求。

关键词：农业机械化葡萄藤防寒土刮刷组合式清土机

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面向强制换道场景的智能网联汽车协同换道策略

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汽车工程 2024年第2期46卷 201-210,280页

作者：关书睿李克强周俊宇石佳孔伟伟罗禹贡清华大学车辆与运载学院汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 中国农业大学工学院北京100083

智能网联汽车的协同换道技术已得到广泛研究,但现有协同换道策略难以解决强制换道场景下的车辆协同问题,或对上游交通造成的负面影响较大。本文旨在面向强制换道场景需求,提出一种考虑理论最小安全距离的两阶段协同换道策略。首先,提出... 详细信息

智能网联汽车的协同换道技术已得到广泛研究,但现有协同换道策略难以解决强制换道场景下的车辆协同问题,或对上游交通造成的负面影响较大。本文旨在面向强制换道场景需求,提出一种考虑理论最小安全距离的两阶段协同换道策略。首先,提出了两车协同换道系统控制架构,并面向车辆强制换道场景制定了协同换道方案。随后,设计了间距调整、协同换道两阶段的滚动时域轨迹规划方法,并求解理论最小安全距离作为间距调整阶段末态约束,解决了现有研究间距策略保守的问题。最后,通过仿真与硬件在环试验验证了所提策略的有效性、优越性与计算实时性。结果表明,所提策略可有效提升换道成功率,在保障换道安全性的条件下降低了换道行为对交通的影响,且在实际边缘云平台的实时计算、通信环境下具备可用性。

关键词：智能网联汽车协同换道强制换道轨迹规划

SAR数据在土壤盐渍化监测中的应用研究进展

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地球信息科学学报 2024年第8期26卷 1893-1910页

作者：刘康怡赵振宇李俐中国农业大学土地科学与技术学院北京100083 农业农村部农业灾害遥感重点实验室北京100083

土壤盐渍化不仅会造成土地荒漠化等生态问题,而且可能减低耕地数量和质量,对粮食安全构成威胁。快速、准确地获取土壤盐渍化信息对及时有效的土壤治理具有重要意义。近些年来,微波遥感的发展为大面积快速实现土壤盐渍化监测提供了新的思... 详细信息

土壤盐渍化不仅会造成土地荒漠化等生态问题,而且可能减低耕地数量和质量,对粮食安全构成威胁。快速、准确地获取土壤盐渍化信息对及时有效的土壤治理具有重要意义。近些年来,微波遥感的发展为大面积快速实现土壤盐渍化监测提供了新的思路,基于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)数据的土壤盐渍化监测成为当前遥感土壤盐渍化研究领域的热点之一。本文从盐渍化土壤微波散射机理、盐渍化土壤特征参数的构建与提取、盐渍化土壤分类、土壤含盐量反演4个方面总结国内外土壤盐渍化SAR遥感监测的主要进展与标志性成果:(1)盐渍化土壤微波散射机理的研究明确了土壤含盐量与雷达后向散射系数的相关关系;(2)盐渍化土壤特征参数的构建与提取呈现多元化、综合化变化趋势;(3)盐渍化土壤分类方法从机器学习向深度学习方法转移;(4)土壤含盐量反演从回归分析向结合散射机理的反演方法转化。同时,本文提出现有研究存在的问题和挑战:土壤含盐量与后向散射系数关系受到多种因素的影响,实现高精度的土壤盐渍化SAR遥感技术监测,还需更深入的机理解析、特征构建和多源数据的融合利用。

关键词：合成孔径雷达土壤盐渍化后向散射系数土壤介电常数监测研究进展土壤含盐量反演

离心式高速玉米精量排种器T形槽型孔设计与试验

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农业工程学报 2024年第7期40卷 50-60页

作者：杨丽李治民张东兴李川崔涛和贤桃中国农业大学工学院北京100083 农业农村部土壤-机器-植物系统技术重点实验室北京100083

针对离心式高速玉米精量排种器双粒种子并排填充导致重播严重的问题,该研究提出利用型孔槽对称凸台结构降低玉米种子并排填充概率的方法,设计了一种T形槽型孔。通过构建充种阶段玉米种子的力学模型,并结合玉米种子的形状特征确定了T形... 详细信息

针对离心式高速玉米精量排种器双粒种子并排填充导致重播严重的问题,该研究提出利用型孔槽对称凸台结构降低玉米种子并排填充概率的方法,设计了一种T形槽型孔。通过构建充种阶段玉米种子的力学模型,并结合玉米种子的形状特征确定了T形槽型孔基本结构参数。借助EDEM离散元仿真软件,以型孔槽前端长度、型孔槽后端面倾斜角以及型孔槽底部倾斜角为因素,以合格指数、重播指数与漏播指数为评价指标,设计二次正交旋转回归组合仿真试验。仿真试验结果表明:在作业速度18 km/h条件下,型孔槽前端长度为9.31 mm,型孔槽后端面倾斜角为43.37°与型孔槽底部倾斜角为70.5°时,排种质量最优,排种合格指数、重播指数与漏播指数分别为94.03%、1.72%与4.25%。台架验证试验结果表明:作业速度为15 km/h时,T形槽型孔的合格指数最高为95.16%,在此作业速度下,排种器的重播指数为1.42%,漏播指数为3.42%,满足高速精量播种要求;作业速度在12~21 km/h内时,T形槽型孔的平均合格指数为94.77%,相较于矩形槽型孔提升了3.13个百分点,相较于蹄型槽型孔提升了1.80个百分点,T形槽型孔的平均重播指数为2.06%,相较于矩形槽型孔降低了3.41个百分点,相较于蹄型槽型孔降低了2.49个百分点。该研究可为离心式高速玉米精量排种器优化提供参考。

关键词：农业机械仿真玉米高速播种型孔 EDEM

基于迁移学习和非监督分类的制种玉米遥感识别方法

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农业机械学报 2024年第8期55卷 181-195页

作者：常婉秋姚宇席晓杰刘哲李绍明张晓东赵圆圆中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 农业农村部农业灾害遥感重点实验室北京100193

作物遥感识别主要基于监督分类方法,对样本的数量、分布要求较高,而农作物样本目视解译困难。为提高已采集样本的利用率,同时降低精细分类中对样本的依赖,本文将迁移学习与非监督分类方法相结合,在源域内构建特征工程,包括:BLUE、GREEN... 详细信息

作物遥感识别主要基于监督分类方法,对样本的数量、分布要求较高,而农作物样本目视解译困难。为提高已采集样本的利用率,同时降低精细分类中对样本的依赖,本文将迁移学习与非监督分类方法相结合,在源域内构建特征工程,包括:BLUE、GREEN、RED、EDGE1、EDGE2、EDGE3、NIR、SWIR 8个原始光谱波段,以及NDVI、EVI、RVI、GNDVI、TVI、DVI、MSAVI、GCVI、RNDVI、NDRE、RRI1、RRI2、MSRRE、CLRE、IRECI、LSWI、GCI、SIPI 18个植被指数,提取出最能表征制种玉米与大田玉米冠层光谱差异,且在不同的源域内制种玉米之间差异最小的特征,将其作为先验知识用于目标域的分类任务中,再基于K-means进行制种玉米识别和制图。结果表明,在众多特征中,近红外原始波段表现出最强的优势,且在制种玉米母本去雄期后表征效果最好。计算此时间段内NIR的线性回归斜率作为特征,相较于直接基于NIR原始波段特征分类精度有所提升。利用K-means方法对2019年、2020年石河子市和奎屯市的制种玉米分类,2个目标域制种玉米2019年F1值分别为74.35%和64.97%,2020年F1值分别为72.50%和75.69%。本方法通过提取先验知识,引入非监督分类器,有效提高了样本利用率。通过提取波段回归斜率作为特征为原始波段的特征增强提供了思路,同时也为无样本场景下农作物精细分类绘图提供了方法。

关键词：制种玉米遥感识别特征工程 K-means非监督算法作物种间精细分类先验知识

体外培养条件下不同挤压膨化工艺对豆粕蛋白质综合利用效果的影响

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动物营养学报 2024年第6期36卷 4036-4049页

作者：张嗣禹张硕张宏亮李珮琪王显立吴敏孙承国何阳苏华维中国农业大学动物科学技术学院畜禽营养与饲养国家重点实验室北京100193 中国农业大学工学院北京100083 中粮油脂研发中心北京102209

本试验旨在通过体外三步法探究不同挤压膨化工艺对豆粕瘤胃发酵和小肠消化的影响。采用单因素随机试验设计,分别制备豆粕[对照组(CON组)]、挤压膨化豆粕(E组)、膨化前添加3%大豆毛油豆粕(AO组)、膨化后添加3%大豆毛油豆粕(CO组)、膨化... 详细信息

本试验旨在通过体外三步法探究不同挤压膨化工艺对豆粕瘤胃发酵和小肠消化的影响。采用单因素随机试验设计,分别制备豆粕[对照组(CON组)]、挤压膨化豆粕(E组)、膨化前添加3%大豆毛油豆粕(AO组)、膨化后添加3%大豆毛油豆粕(CO组)、膨化前后均添加3%大豆毛油豆粕(AO-CO组)、膨化前添加4%葡萄糖豆粕(GE组)、膨化前添加4%葡萄糖和3%大豆毛油豆粕(GAO组)、膨化前添加4%葡萄糖和膨化后添加3%大豆毛油豆粕(GCO组)和膨化前加4%葡萄糖和膨化前后均添加3%大豆毛油豆粕(GAO-CO组),共9组样品。通过测定挤出物性质(色差、褐变程度以及纤维和蛋白质组成),探究挤压膨化工艺对豆粕蛋白质美拉德反应程度的影响。进一步选用3头体重600 kg装有永久性瘤胃瘘管的安格斯阉牛,采用体外三步法(瘤胃液-胃蛋白酶-胰蛋白酶)测定挤压膨化后豆粕瘤胃降解特性和瘤胃不可降解蛋白质(RUP)的体外小肠消化率。结果表明:1)挤压膨化后的色差结果显示,各试验组红度(a*)、黄度(b*)、色差(ΔE)和420 nm吸光度(OD)值相较于CON组显著提高(P0.05),但改变了瘤胃液的挥发性脂肪酸组成,其中各试验组瘤胃液中异丁酸、异戊酸和总支链挥发性脂肪酸(TBCVFA)含量显著低于CON组(P<0.05)。综上所述,添加葡萄糖能够提高挤压膨化过程中美拉德反应的程度,促进豆粕优质蛋白质的过瘤胃而转向小肠消化吸收,但添加富含不饱和脂肪酸的大豆毛油会抑制挤压膨化过程中的美拉德反应。因此,推荐挤压膨化过程中添加葡萄糖来提高膨化效果,且不建议添加富含不饱和脂肪酸的大豆毛油。

关键词：双螺杆挤压膨化挤压膨化豆粕美拉德反应葡萄糖大豆毛油

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小麦气流辅助直线投种装置设计与试验

农业机械学报 2024年第6期55卷 111-120页

作者：王龙宝杨翰瑜王庆杰卢彩云王超何进中国农业大学工学院北京100083 农业农村部保护性耕作农业装备重点实验室北京100083

针对小麦精量匀播作业条件下气流辅助投种装置内部压力梯度变化方向与种子运动方向不一致、造成种子倒流或碰撞、降低粒距稳定性等问题,设计了一种小麦气流辅助直线投种装置。基于气-固两相流数学模型建立CFD-DEM单向耦合仿真模型模拟... 详细信息

针对小麦精量匀播作业条件下气流辅助投种装置内部压力梯度变化方向与种子运动方向不一致、造成种子倒流或碰撞、降低粒距稳定性等问题,设计了一种小麦气流辅助直线投种装置。基于气-固两相流数学模型建立CFD-DEM单向耦合仿真模型模拟投种过程,仿真结果表明:入口气压与管道长度对总压损失及流场压力分布影响显著;投种装置内部流场压力分布均匀,压力梯度变化方向与种子运动方向一致;小麦种子运动轨迹为“直线-曲线-直线”,无倒流与碰撞现象。以入口气压、管道长度、作业速度为试验因素,以粒距变异系数为试验评价指标进行了响应曲面优化试验。试验结果表明:影响粒距变异系数因素的主次顺序为入口气压、作业速度、管道长度;入口气压与管道长度和作业速度均存在交互作用。通过参数优化得到较优参数组合为:入口气压5.1kPa、管道长度24.2cm、作业速度0.11m/s,经土槽试验验证,该条件下粒距变异系数为6.3%,平均粒距为5.3cm,满足小麦精量匀播农艺要求。采用气流辅助直线投种可解决小麦种子倒流与碰撞的问题,从而显著改善播种作业效果,为小麦精量匀播提供技术支撑。

关键词：小麦气流辅助投种装置 CFD-DEM 试验

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华北地区蛋鸡养殖产业碳排放核算

农业工程学报 2024年第12期40卷 193-201页

作者：李冬冬田培雨孙莹莹杨冬寒苏羽翱马于清田静张卫峰李扬阳中国农业大学资源与环境学院北京100193 国立首尔科学技术大学首尔01811 农业农村部农业绿色低碳重点实验室北京100193

华北地区是中国蛋鸡养殖的主要区域,摸清华北地区蛋鸡养殖产业碳排放清单,开展科学规范的蛋鸡养殖产业碳排放核算,可为中国畜牧业碳减排技术筛选和政策制定提供依据。该研究利用混合生命周期评价和联合国政府间气候变化专门委员会(inter... 详细信息

华北地区是中国蛋鸡养殖的主要区域,摸清华北地区蛋鸡养殖产业碳排放清单,开展科学规范的蛋鸡养殖产业碳排放核算,可为中国畜牧业碳减排技术筛选和政策制定提供依据。该研究利用混合生命周期评价和联合国政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change,IPCC)国家温室气体清单指南的相关核算方法,结合实地调研数据、GABI软件中Ecoinvent数据库和中国蛋鸡养殖业文献Meta分析数据,对华北地区蛋鸡养殖产业碳排放因子进行完善,构建出“饲料种植-蛋鸡饲养-鸡蛋包装-粪污存储-粪污处理”全生命周期的蛋鸡养殖产业碳排放核算方法。并将该方法用在华北某区域362家蛋鸡养殖场,综合分析蛋鸡养殖产业链各环节碳排放量,找到目前存在的碳排放问题,并提出碳减排建议。结果表明:1)大规模养殖场每羽蛋鸡1 a的碳排放量(以二氧化碳当量计,CO_(2)-eq)为23.0 kg,较小规模养殖场的25.6 kg和中等规模养殖场的24.4 kg少10.1%和5.7%。2)对每羽蛋鸡不同养殖环节1 a的碳排情况进行分析,发现饲料种植、蛋鸡肠道发酵、鸡蛋包装和粪便存储处理为主要排放源,排放量分别为13.0、2.2、2.2和1.2 kg。3)建议通过精准饲养,提高饲料利用率、提升畜禽粪污的处理水平、打破蛋鸡养殖固化模式等方式减少蛋鸡养殖碳排放。该研究可为蛋鸡养殖产业碳排放核算提供方法,并为制定碳减排政策提供科学依据。

关键词：动物碳排放生命周期评价蛋鸡养殖产业养殖规模区域调研