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基于改进YOLO v7-tiny的玉米种质资源雄穗检测方法

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农业机械学报 2024年第7期55卷 290-297页

作者：马中杰罗晨骆巍王利锋冯晓李会勇河南省农业科学院农业信息技术研究所郑州450002 农业农村部黄淮海智慧农业技术重点实验室郑州450002 河南省农业科学院农作物种质资源研究所郑州450002

针对玉米种质资源遗传多样性丰富导致雄穗大小、形态结构及颜色呈现较大差异,无人机搭载可见光传感器相比地面采集图像分辨率低,以及图像中部分雄穗过小、与背景相似度高、被遮挡、相互交错等情况带来的雄穗检测精度低的问题,提出了一... 详细信息

针对玉米种质资源遗传多样性丰富导致雄穗大小、形态结构及颜色呈现较大差异,无人机搭载可见光传感器相比地面采集图像分辨率低,以及图像中部分雄穗过小、与背景相似度高、被遮挡、相互交错等情况带来的雄穗检测精度低的问题,提出了一种改进YOLO v7-tiny模型的玉米种质资源雄穗检测方法。该方法通过在YOLO v7-tiny中引入SPD-Conv模块和VanillaBlock模块,以及添加ECA-Net模块的方式,增强模型对雄穗特征的提取能力。利用自建的玉米种质资源雄穗数据集,训练并测试改进模型。结果表明,改进YOLO v7-tiny的平均精度均值为94.6%,相比YOLO v7-tiny提升1.5个百分点,相比同等规模的轻量级模型YOLO v5s、YOLO v8s分别提升1.0、3.1个百分点,显著降低了图像中雄穗漏检及背景误检为雄穗的发生,有效减少了单穗误检为多穗和交错状态下雄穗个数误判的情况。改进YOLO v7-tiny模型内存占用量为17.8 MB,推理速度为231 f/s。本文方法在保证模型轻量化的前提下提升了雄穗检测精度,为玉米种质资源雄穗实时、精准检测提供了技术支撑。

关键词：种质资源玉米雄穗目标检测无人机可见光影像 YOLO v7-tiny

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基于多层级特征筛选和无人机影像的冬小麦植株氮含量预测

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农业工程学报 2024年第12期40卷 174-182页

作者：郭燕王来刚贺佳井宇航宋晓宇张彦刘婷河南省农业科学院农业信息技术研究所/农业农村部黄淮海智慧农业技术重点实验室郑州450002 河南省农作物种植监测与预警工程研究中心郑州450002 北京市农林科学院信息技术研究中心北京100094

氮素是冬小麦生长发育必不可少的大量元素,无人机超高分辨率影像丰富的光谱信息和纹理信息为冬小麦植株氮含量精准预测提供了重要的技术途径,但是过多变量造成了信息冗余和模型复杂的问题。针对此问题,该研究提出了一种“相关分析+共线... 详细信息

氮素是冬小麦生长发育必不可少的大量元素,无人机超高分辨率影像丰富的光谱信息和纹理信息为冬小麦植株氮含量精准预测提供了重要的技术途径,但是过多变量造成了信息冗余和模型复杂的问题。针对此问题,该研究提出了一种“相关分析+共线性分析+LASSO(least absolute shrinkage and selection operator)特征筛选”的多层级植株氮含量敏感特征的筛选方法,引入约束系数向量的L1正则化实现特征的稀疏性,将某些特征的系数缩小为0,基于冬小麦关键生育期(拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期)无人机影像提取的65个光谱和纹理特征,采BP神经网络(back propagation,BP)、Adaboost、随机森林(random forest,RF)和线性回归(linear regression,LR)4种机器学习算法构建了冬小麦植株氮含量预测模型。结果表明:相关分析筛选出51个通过0.01显著性检验的变量;基于共线性分析,当LASSSO正则化参数λ取值为0.08时,17个敏感特征变量被筛选。基于筛选的敏感特征变量,BP、Adaboost、RF和LR 4种算法建立的植株氮含量预测模型均达到了0.01水平差异显著性,且BP、Adaboost和RF 3种预测模型的精度具有高度的一致性,模型R2均为0.81,RMSE分别为0.36%、0.38%和0.37%,说明该研究提出的多层级特征筛选方法不仅使得模型变得简洁,而且稳健性高,可为智慧农业氮肥精准监测、智慧管理提供技术支撑。

关键词：无人机冬小麦氮素多层级特征筛选 LASSO回归机器学习最小二乘回归

磷肥后移对倒春寒下小麦主茎穗结实特性的影响

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麦类作物学报 2024年

作者：吴兆晨秦成磊尹鹏程孙铭赫徐凯琳郑宝强陈翔李金才江苏省现代作物生产协同创新中心安徽农业大学农学院/农业部华东地区作物栽培科学观测站

为探究施磷模式对倒春寒下小麦穗部结实特性的影响,于2022—2023年选用抗倒春寒性弱的小麦品种新麦26和抗倒春寒性强的烟农19为供试材料,采用大田盆栽种植的方式,利用低温光照培养箱进行倒春寒模拟试验,分析了常温+磷肥全部基施、常温+... 详细信息

为探究施磷模式对倒春寒下小麦穗部结实特性的影响,于2022—2023年选用抗倒春寒性弱的小麦品种新麦26和抗倒春寒性强的烟农19为供试材料,采用大田盆栽种植的方式,利用低温光照培养箱进行倒春寒模拟试验,分析了常温+磷肥全部基施、常温+50%磷肥后移、倒春寒+磷肥全部基施和倒春寒+50%磷肥后移处理下两个小麦品种的主茎穗结实特性。结果表明,与常温相比,倒春寒显著降低了新麦26和烟农19主茎穗结实粒数和单穗重,单穗结实粒数降幅分别为25.63%和23.43%,单穗重降幅分别为26.74%和20.65%,其中两个品种下部小穗的结实粒数降幅均最大(降幅分别为40.21%和31.91%),结实粒数降幅最大的粒位分别为第3和第4粒位(降幅分别为40.00%和80.77%)。常温条件下,磷肥后移后两个品种主茎单穗重较磷肥全部基施分别提高了9.37%和19.48%,结实粒数分别提高了11.17%和8.45%,结实粒数增幅最大的小穗位分别为下部和上部小穗(增幅分别为30.93%和31.25%),烟农19千粒重显著增加(增幅12.49%)。与磷肥全部基施相比,倒春寒危害下磷肥后移显著增加两个品种的主茎穗结实粒数和单穗重,结实粒数增幅分别为22.53%和14.20%,单穗重增幅分别为25.94%和10.96%,新麦26结实粒数增幅最大的小穗位和粒位分别为下部小穗和第3粒位(分别增加了101.72%和42.86%);而烟农19结实粒数增幅最大的小穗位为上部小穗(增加73.68%)。综上所述,倒春寒会降低小麦主茎穗结实粒数和单穗重,磷肥后移可通过提高主茎穗结实粒数和单穗重减轻倒春寒对小麦穗部结实的影响。

关键词：小麦倒春寒磷肥后移结实粒数粒重

基于无人机数字表面模型的冬小麦生物量估算模型构建及迁移能力分析

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干旱区资源与环境 2024年第9期38卷 97-105页

作者：郭燕贺佳曾凯张彦张红利郑国清王来刚河南省农业科学院农业信息技术研究所/农业农村部黄淮海智慧农业技术重点实验室郑州450002 河南省农作物种植监测与预警工程研究中心郑州450002

生物量(Aboveground Biomass,AGB)是表征作物长势状况的重要参数,快速精准地估算AGB对指导农田精准管理和挖掘生产潜力具有重要意义,而且AGB的估算也能够为粮食安全问题提供重要的数据参考。文中通过设置不同的水氮处理,采用无人机搭载... 详细信息

生物量(Aboveground Biomass,AGB)是表征作物长势状况的重要参数,快速精准地估算AGB对指导农田精准管理和挖掘生产潜力具有重要意义,而且AGB的估算也能够为粮食安全问题提供重要的数据参考。文中通过设置不同的水氮处理,采用无人机搭载多光谱成像光谱仪获取冬小麦关键生育期影像,提取数字表面模型,采用BP(Back Propagation)神经网络回归方法建立和改进了基于无人机影像提取株高(Height from Digital Surface Model,H_(dsm))的AGB估算模型。结果表明:H_(dsm)与实测株高(H)和AGB相关性较高,直接利用H_(dsm)构建的AGB估算模型R^(2)、RMSE(Root Mean Square Error)和RPD(Residual predictive deviation)分别为0.58、4528.23kg·hm^(-2)和1.25,估算平均值较实测值平均值小,且估算值较为分散。改进的基于比值的AGB估算模型R^(2)、RMSE和RPD分别为0.88、2291.90kg·hm^(-2)和2.75,估算平均值与实测平均值较为相近,模型较直接用H_(dsm)进行AGB估算,精度提高了51.72%。而且,改进的AGB估算模型在不同水处理和不同年份情景下表现出了较强迁移估算能力。数据特征的差异是导致AGB估算模型迁移估算能力不同的关键因子,文中为模型构建和迁移估算作物长势参数时提供了一种前置条件,如果不同的数据集具有相似的直方图特征,模型在新的情景下具有较强的迁移估算能力。

关键词：冬小麦生物量估算无人机株高迁移能力

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农牧交错区不同撂荒年限对农田土壤的影响

草地学报 2024年第3期32卷 677-683页

作者：黄晶刘克思豆鹏鹏高茜刘程苗正洲任卓然王堃中国农业大学草业科学与技术学院北京100193 河北沽源草地生态系统国家野外科学观测站河北沽源076550

为研究撂荒年限对农田土壤的影响,本试验于8月植物生长旺季进行,选取未撂荒农田(CK)、撂荒7年(7a)、15年(15a)和30年(30a)的农田采集土壤样品,室内计算分析土壤理化特征的变化规律,结果表明,撂荒显著提高了土壤容重,降低了土壤孔隙度和... 详细信息

为研究撂荒年限对农田土壤的影响,本试验于8月植物生长旺季进行,选取未撂荒农田(CK)、撂荒7年(7a)、15年(15a)和30年(30a)的农田采集土壤样品,室内计算分析土壤理化特征的变化规律,结果表明,撂荒显著提高了土壤容重,降低了土壤孔隙度和土壤pH。与未撂荒地对比,撂荒显著提高了土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)、全氮(Soil total nitrogen,TN)和全磷(Soil total phosphorus,TP)的含量。因此,长期撂荒对土壤养分状况具有显著改善作用。不同撂荒年限土壤含水量与土壤养分指标均呈显著正相关,长期撂荒下更少的蒸散耗水量减少了土壤水分的损失,使土壤养分得到了积累。本研究可为坝上农牧交错带撂荒地的合理规划提供理论支撑。

关键词：农牧交错带农田撂荒年限土壤水分土壤理化性质土壤养分

基于温湿度异布的日光温室冬季主动通风策略设计与验证

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农业工程学报 2024年第10期40卷 228-238页

作者：宋成宝柳平增刘兴华魏珉张正辉章子文山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 山东农业大学信息科学与工程学院泰安271018 山东农业大学园艺科学与工程学院泰安271018 农业装备智能化山东省工程研究中心泰安271018 农业农村部黄淮海智慧农业技术重点实验室泰安271018

针对日光温室冬季自然通风热量损失大、降湿效率低的问题,该研究在揭示室内温湿度空间异布特征基础上,提出主动通风策略,提高保温降湿效能。通过搭建包含28个温湿度传感器的日光温室物联网监测平台,深入分析了室内温湿度空间分布规律。... 详细信息

针对日光温室冬季自然通风热量损失大、降湿效率低的问题,该研究在揭示室内温湿度空间异布特征基础上,提出主动通风策略,提高保温降湿效能。通过搭建包含28个温湿度传感器的日光温室物联网监测平台,深入分析了室内温湿度空间分布规律。结果显示,温室上下区域积温差值可达300℃,白天日照时段的相对湿度差值达20个百分点,且呈现温度上高下低、湿度上低下高的空间异布特征,自然通风模式下室内上部高温低湿空气优先与室外干冷空气置换导致其保温降湿效能低下。基于此,该研究提出了主动通风排湿策略,利用安装于温室底部的轴流风机改变气流方向,强迫下部区域低温高湿空气从风机口优先向外排出,使上部区域高温低湿空气逆向沉积保留在室内,有效排湿的同时降低热量损耗。主动通风实地试验结果显示,相比于受室内外气候影响可控性差的自然通风,主动通风率可在0~30 m^(3)/(m^(2)·h)之间无级调节,有利于通风的精准控制;晴朗、多云、阴雨3种典型天气下主动通风的日平均温湿比均高于自然通风,体现出较好的气象适应能力和稳定性;其中,晴朗天气下日均温度可提高2.0~2.7℃,日均相对湿度可降低15~17个百分点,日均温湿比可提高31.1%~32.9%,保温排湿效能改善明显。同时,主动通风策略的投入产出比为2.62,能够以较低的投入获得理想的经济收益,经济可行性较好。该研究所提出的主动通风排湿策略可以有效提高保温排湿效能,技术合理性和经济可行性良好,可为日光温室冬季微气候调控提供理论参考和解决方案。

关键词：日光温室温度湿度主动通风温湿度异布保温降湿

喷施KH_(2)PO_(4)提高倒春寒胁迫小麦功能叶片和根系的生理活性

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植物营养与肥料学报 2024年第6期30卷 1222-1233页

作者：黄伟祥代雯慈陈甜甜蔡洪梅翁颖唐志伟尹春王捧娜郑宝强李金才陈翔安徽农业大学农学院/农业农村部华东地区作物栽培科学观测站安徽合肥230036 江苏省现代作物生产协同创新中心江苏南京210095

【目的】倒春寒是影响黄淮麦区小麦产量形成的主要灾害,喷施磷酸二氢钾(KH_(2)PO_(4))被广泛应用于减轻倒春寒对小麦的伤害。研究喷施磷酸二氢钾对低温胁迫下小麦花后功能叶与根系生理活性的调控效应,为小麦生产中的防灾减灾提供理论支... 详细信息

【目的】倒春寒是影响黄淮麦区小麦产量形成的主要灾害,喷施磷酸二氢钾(KH_(2)PO_(4))被广泛应用于减轻倒春寒对小麦的伤害。研究喷施磷酸二氢钾对低温胁迫下小麦花后功能叶与根系生理活性的调控效应,为小麦生产中的防灾减灾提供理论支撑。【方法】盆栽试验在田间条件下进行,选用抗倒春寒性强的小麦品种烟农19(YN)和抗倒春寒性弱的小麦品种新麦26(XM)为试验材料,设置常温对照+喷施清水(CK)、倒春寒处理+喷施清水(T1)、倒春寒处理+喷施KH_(2)PO_(4)(T2)3个处理。在小麦幼穗分化到四分体期,将T1和T2处理的盆栽移入人工气候室内(−4℃)处理4 h,然后移出,24 h后进行喷施处理。于小麦花后7、14、21、28天测定旗叶SPAD值、根系活力、旗叶与根系的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量。通过主成分分析(PCA),综合评价倒春寒对小麦花后28天地上部与地下部生理活性指标的影响。【结果】与CK处理相比,两小麦品种T1处理的旗叶SPAD值和抗氧化酶活性分别显著降低了13.94%~35.03%、16.09%~32.84%(SOD)、18.16%~50.10%(POD)和19.21%~75.40%(CAT),MDA含量显著增加了29.55%~124.56%;T1处理的根系活力显著降低了44.00%~75.63%,SOD和POD活性分别显著降低了42.42%~86.11%和31.00%~66.67%,MDA含量增加了61.54%~330.11%。与T1相比,两品种T2处理的旗叶SPAD值显著增加了7.90%~23.38%,SOD、POD和CAT活性分别显著增加了10.63%~32.28%、14.20%~57.20%和10.75%~115.56%,MDA含量显著降低了6.66%~36.08%;根系活力上升了44.71%~139.75%,根系SOD、POD活性分别显著增加了12.13%~102.01%和21.05%~146.61%,根系MDA含量显著降低了12.01%~51.23%。选定的花后28天地上部与地下部9个生理活性指标之间关系密切,一个主成分其可解释9个变量82.82%的变化,其综合生理活性指数的排序为:YNCK>XMCK>YNT2>XMT2>YNT1>XMT1。【结论】受倒春寒影响后,施用KH_(2)PO_(4)可提高小麦花后旗叶SPAD值、根系活力和抗氧化酶活性,降低旗叶和根系的MDA含量,从而延缓旗叶和根系的衰老,减轻倒春寒对小麦花后旗叶和根系生理活性的不利影响。

关键词：磷酸二氢钾小麦倒春寒根系活力抗氧化酶活性

不同季秸秆还田对冬小麦不同穗粒位结实粒数和粒重的影响

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麦类作物学报 2024年第6期44卷 803-815页

作者：陈翔蔡洪梅吴宇唐志伟许波刘绿洲于敏王捧娜代雯慈翁颖郑宝强李金才安徽农业大学农学院/农业部华东地区作物栽培科学观测站安徽合肥230036 江苏省现代作物生产协同创新中心江苏南京210095

为探讨安徽淮北平原砂姜黑土区长期秸秆连续全量还田对冬小麦穗部结实特性的影响,2021-2022年基于农业农村部华东地区作物栽培科学观测站13年的长期定位试验,比较分析了小麦单季秸秆全量粉碎覆盖还田(T1)、小麦玉米秸秆全量粉碎还田(T2... 详细信息

为探讨安徽淮北平原砂姜黑土区长期秸秆连续全量还田对冬小麦穗部结实特性的影响,2021-2022年基于农业农村部华东地区作物栽培科学观测站13年的长期定位试验,比较分析了小麦单季秸秆全量粉碎覆盖还田(T1)、小麦玉米秸秆全量粉碎还田(T2)、玉米秸秆全量粉碎翻埋还田(T3)、小麦玉米秸秆全年不还田(CK)4个不同还田模式下小麦不同小穗位结实粒数及粒重的差异。结果表明,T1、T2、T3处理的主茎穗小穗结实总粒数较CK分别提高了21.21%、7.50%和12.55%;第2粒位(G2)结实粒数分别提高了7.71%、7.71%和5.79%;上部小穗结实粒数分别提高了51.41%、22.79%和31.36%,其G2结实粒数分别提高了30.95%、30.95%和23.09%,其中T1处理对小麦粒数的提升效果最好。不同季秸秆还田处理下小麦主茎穗及其G2粒重、分蘖穗及其第三粒位(G3)粒重均高于CK,T1、T2和T3处理的主茎穗粒重增幅分别为16.06%、4.14%和16.06%,分蘖穗增幅分别为9.86%、0.71%和8.87%;T1、T2和T3处理下主茎穗G2粒重增幅分别为20.69%、10.34%和17.24%,分蘖穗G3粒重4.55%、2.27%和6.82%,其中T1处理对粒重提升效果最好,其次是T3。综合来看,在安徽淮北平原砂姜黑土区长期秸秆还田能够提高小麦穗粒数和粒重,进而促进产量提升,其中T1处理对小麦结实粒数和粒重的提升效果最好,是适宜在该地区推广的秸秆还田模式。

关键词：秸秆还田小麦主茎与分蘖穗粒位穗粒数粒重

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直注式秸秆捡拾粉碎深埋机设计与试验

农业机械学报 2024年第7期55卷 83-95页

作者：仝振伟李洪文卢彩云王超仲广远林涵中国农业大学工学院北京100083 农业农村部河北北部耕地保育农业科学观测试验站北京100083

为提升秸秆深埋质量,针对秸秆深埋过程中秸秆捡拾效果差、输送方式单一、输送效率低、深埋率低等问题,提出一种直注式秸秆深埋还田方法,设计了直注式秸秆捡拾粉碎深埋机,阐述了整机结构和工作原理。对关键部件进行了设计分析,设计了无... 详细信息

为提升秸秆深埋质量,针对秸秆深埋过程中秸秆捡拾效果差、输送方式单一、输送效率低、深埋率低等问题,提出一种直注式秸秆深埋还田方法,设计了直注式秸秆捡拾粉碎深埋机,阐述了整机结构和工作原理。对关键部件进行了设计分析,设计了无护圈式捡拾装置,分析了捡拾装置各个运动阶段与弹齿的运动轨迹,确定了4个运动阶段所对应的相位角;设计了以运秸螺旋输送器和运秸叶片为主的机械输送装置、以抛秸风叶和运秸导管为主的气力输送装置。对秸秆输送量进行分析,明确了运秸螺旋输送器结构参数,得出了运秸螺旋输送器最低转速;对运秸叶片和抛秸风叶进行了动力学分析,确定了运秸叶片和抛秸风叶结构,明晰了影响秸秆输送效果的关键因素为机具前进速度、运秸螺旋输送器转速、抛秸风叶转速、运秸叶片倾角和抛秸风叶倾角,并确定了影响因素范围。仿真试验结果表明,机具前进速度和运秸螺旋输送器转速存在交互作用,最佳作业参数:机具前进速度为3 km/h、运秸螺旋输送器转速为1200 r/min和抛秸风叶转速为1600 r/min。田间试验结果表明,平均秸秆捡拾率和平均深埋率分别为91.02%,90.03%;运秸导管出口处风速和作业扭矩分别为1.78~26.83 m/s、61.55~214.78 N·m,各工作部件运行稳定,满足秸秆深埋还田作业要求,为秸秆深埋还田机研发和改进提供了依据。

关键词：秸秆捡拾粉碎深埋还田机直注式捡拾装置机械-气力输送装置