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长春花感染柑橘黄龙病菌微波热处理防控效果

农业工程学报 2024年第3期40卷 211-218页

作者：张建桃刘杰帆梁家茵刘广彬郑永钦许美容华南农业大学数学与信息学院广州510642 华南农业大学柑桔黄龙病研究室广州510642

为探索黄龙病防治途径,开展微波热处理对黄龙病的防控效果研究。该研究搭建了微波热处理平台,对长春花微波热处理参数(转盘转速、单个磁控管的微波功率、磁控管数量)进行优化,并用优化后的参数组合对感病长春花进行热处理,处理后90 d内... 详细信息

为探索黄龙病防治途径,开展微波热处理对黄龙病的防控效果研究。该研究搭建了微波热处理平台,对长春花微波热处理参数(转盘转速、单个磁控管的微波功率、磁控管数量)进行优化,并用优化后的参数组合对感病长春花进行热处理,处理后90 d内跟踪检测长春花叶片中黄龙病菌的浓度、淀粉和类黄酮的含量。结果表明,长春花微波热处理的最优参数组合为单个磁控管的微波功率150 W、3个磁控管、转速15 r/min;热处理90 d后,感病长春花叶片中的黄龙病菌Ct值(阈值循环数,该值低于32时为阳性)由阳性(17.01±0.97)转至近阴性(31.91±2.35),病菌浓度下降了99.98%,淀粉含量和类黄酮含量恢复至正常水平,植株的活性恢复较好。研究表明,微波热处理有效抑制植物体内的黄龙病菌,可为黄龙病的规模化防治提供新思路。

关键词：病害微波热处理黄龙病长春花防治效果

基于改进YOLOv5l的轻量化鸭蛋裂纹检测算法

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农业工程学报 2024年第5期40卷 216-223页

作者：殷建军康俊琪肖德琴华南农业大学数学与信息学院广州510642 农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室广州510642

鸭蛋裂纹检测技术对于禽蛋加工工厂实现智能化蛋品检测、分级具有重要意义。该研究针对鸭蛋裂纹检测流程复杂、计算量大、模型尺寸大等问题,提出了一种基于改进YOLOv5l(you only look once version5 large)的轻量裂纹检测算法,通过在黑... 详细信息

鸭蛋裂纹检测技术对于禽蛋加工工厂实现智能化蛋品检测、分级具有重要意义。该研究针对鸭蛋裂纹检测流程复杂、计算量大、模型尺寸大等问题,提出了一种基于改进YOLOv5l(you only look once version5 large)的轻量裂纹检测算法,通过在黑暗条件下使用LED灯照射鸭蛋,根据裂纹蛋壳与完好蛋壳透光性不同产生的图像差异进行检测。通过在YOLOv5中引入Ghost_conv模块,大大减少了模型的浮点计算量和参数量,并在模型的骨干网络中加入ECA(efficient channel attention)注意力机制以及使用多尺度特征融合方法 BIFPN(bi-directional feature pyramid network),增加模型对有效信息的关注度,以提高算法检测精度。同时使用CIoU与α-IoU损失函数融合后替代YOLOv5原始GIoU函数加速回归预测。利用自建的鸭蛋裂纹数据集验证改进后模型的性能,结果表明,本研究提出的改进YOLOv5l网络模型检测精准率为93.8%,与原始YOLOv5l模型相比,检测精度提高了6.3个百分点,参数量和浮点计算量分别减少了30.6%、39.4%。检测帧速率为28.954帧/s,较原始YOLOv5l模型仅下降3.824帧/s。与其他的目标检测常用网络SSD(single shot multibox detector)、YOLOv4、Faster-RCNN(faster region convolutional neural networks)相比,精度分别提高了13.1、12.5、8.2个百分点。本研究提出的方法能够在低硬件资源条件下进行高精度检测,可为实际场景应用提供解决方案和技术支持。

关键词：计算机视觉图像识别裂纹检测注意力机制鸭蛋

以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统分析与展望

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农业工程学报 2024年第12期40卷 1-12页

作者：徐永洞刘志丹中国农业大学水利与土木工程学院农业农村部设施农业工程重点实验室环境增值能源实验室北京100083

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的... 详细信息

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的高效种养结合系统有助于提升畜禽粪污的无害化资源化水平和消纳能力、构建生态可持续的绿色循环农业,实现畜禽粪污资源化利用、种植业和养殖的协同高效发展。该研究基于国内外近十余年的研究,系统综述了粪污水热资源化产物在种养结合生态循环农业模式中的作用和应用潜力,论述了畜禽粪污水热转化生物原油在农业内燃机中作为燃料的研究现状,阐述了水相产物作为潜在的农用杀菌剂在作物病害防控中的作用,梳理了畜禽粪污源水热炭在转化机理、理化特性和还田应用中的研究进展,分析了气相产物中的组分和用于温室种植的潜力。在此基础上总结了以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统面临的主要挑战,并对水热资源化产物农业循环应用的研究方向进行展望。研究为畜禽粪污水热资源化和高效种养结合系统研究提供理论参考。

关键词：畜禽粪污水热炭生物炭水热转化生物原油种养结合系统农作物病害防控

基于改进ConvNeXt模型的黄羽鸡表皮层黑色素智能分级方法

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农业工程学报 2024年第3期40卷 165-174页

作者：肖德琴陈芳玲刘又夫谢青梅张新珩华南农业大学农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室广州510642 华南农业大学数学与信息学院广州510642 华南农业大学动物科学学院广州510642

为解决活体黄羽鸡表皮层黑色素分级方法成本高、效率低下、分级环境易受环境光干扰等问题,该研究探索一种基于ConvNeXt模型的黄羽鸡表皮层黑色素智能分级方法ConvNeXt-WPCA,用于实现活体黄羽鸡表皮层黑色素智能分级。ConvNeXt-WPCA模型... 详细信息

为解决活体黄羽鸡表皮层黑色素分级方法成本高、效率低下、分级环境易受环境光干扰等问题,该研究探索一种基于ConvNeXt模型的黄羽鸡表皮层黑色素智能分级方法ConvNeXt-WPCA,用于实现活体黄羽鸡表皮层黑色素智能分级。ConvNeXt-WPCA模型通过以下3点改进提高模型对黄羽鸡黑色素的识别效果:1)针对黄羽鸡黑色素图像RGB三通道内黑色素信息分布不均衡问题,改变输入图片通道权重来增强模型对黑色素特征的提取能力;2)使用部分卷积代替深度可分离卷积,减少模型计算量和内存访问次数提高对计算资源的利用率;3)引入坐标注意力机制,引导模型关注黄羽鸡胸腹部及肛门附近皮肤提升模型精度。同时,该研究还设计一种双光源图像获取装置,分别在自然光和偏振光条件下拍摄黄羽鸡样本,以减小分级结果受环境光干扰的影响,并探索偏振光在黑色素分级任务中的应用潜力。结果表明ConvNeXt-WPCA模型相较标准ConvNeXt模型,针对自然光下黄羽鸡黑色素图像数据集分级准确率提升9.68个百分点,最终达到89.03%的识别准确率,针对偏振光下黄羽鸡黑色素图像数据集分级准确率提升15.26个百分点,最终达到98.87%的识别准确率。该研究证实基于偏振光条件获取的黄羽鸡表皮层黑色素图像分级效果优于自然光条件,提出的ConvNeXt-WPCA黄羽鸡表皮层黑色素分级方法识别准确率高,同时模型参数量及浮点计算量均有降低,为黄羽鸡表皮层黑色素智能分级实际应用提供了理论基础及技术支持。

关键词：模型深度学习注意力机制黄羽鸡 ConvNeXt 品质分级偏振光

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仿生六足折纸机器人结构设计与运动分析

浙江大学学报（工学版） 2024年第8期58卷 1543-1555页

作者：曹东兴贾艳超郭翔鹰毛佳佳北京工业大学数学统计学与力学学院北京100124 北京工业大学机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室北京100124 北京工业大学机械与能源工程学院北京100124

针对现有折纸机器人组成结构单一,运动不够灵活的问题,将折纸结构与多足机器人设计相结合,耦合三浦折纸和六折痕折纸,提出新型的仿螃蟹六足折纸机器人设计方案,扩展了折纸机器人的运动构型,提升了折纸机器人的运动灵活性.在面对称假设下... 详细信息

针对现有折纸机器人组成结构单一,运动不够灵活的问题,将折纸结构与多足机器人设计相结合,耦合三浦折纸和六折痕折纸,提出新型的仿螃蟹六足折纸机器人设计方案,扩展了折纸机器人的运动构型,提升了折纸机器人的运动灵活性.在面对称假设下,该机器人单足具有2个自由度,此时将机器人腿部顶点等效为关节,轴线折痕等效为连杆,建立机器人腿部的平面连杆等效模型,并以折面夹角为运动变量,通过仿真计算得出机器人足端的理论运动范围.利用楔形面板技术对折面增厚并避免相邻折面发生物理干涉,建模得到折纸仿螃蟹六足机器人的三维模型.基于平面连杆的等效模型,分析折面夹角与足端运动之间的联系,设计确定机器人的足端运动轨迹与运动步态.利用3D打印技术设计并制作折纸仿生六足机器人试验样机,基于STM32单片机控制实现了机器人三横向角步态运动.结果表明,该折纸仿生机器人可以实现平面构型到仿螃蟹构型的转换,在6条腿的协同运动下,机器人可以平稳地左右横向移动.

关键词：六足机器人仿生六折痕折纸三浦折纸运动分析

改进YOLOv5s对病理学图像中猪只小肠绒毛的检测

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农业工程学报 2024年第5期40卷 207-215页

作者：王美华王安邦肖德琴熊云霞王丽李朋涛吴耀丰华南农业大学数学与信息学院广州510642 农业农村部华南动物营养与饲料重点实验室广东省农业科学院动物科学研究所广州510642

为解决传统小肠绒毛需要专业人员手动检测耗时耗力且存在主观性和不稳定性等问题,同时提高在复杂病理学图像中小肠绒毛检测的准确率和效率,该研究提出基于改进YOLOv5s检测复杂病理学图像下猪只小肠绒毛的方法。首先,采用串联形式的混合... 详细信息

为解决传统小肠绒毛需要专业人员手动检测耗时耗力且存在主观性和不稳定性等问题,同时提高在复杂病理学图像中小肠绒毛检测的准确率和效率,该研究提出基于改进YOLOv5s检测复杂病理学图像下猪只小肠绒毛的方法。首先,采用串联形式的混合池化对空间金字塔进行优化,增强特征提取与特征表达,提升检测精度;然后引入一种基于注意力机制的网络模块(simpleattentionmechanism,SimAM)与Bottleneck中的残差连接相结合,使用SimAM对Bottleneck中的特征图进行加权,得到加权后的特征表示,利用注意力机制加强模型对目标的感知。试验结果表明,该研究算法的平均精度(average precision)和每秒传输帧数(frame per second,FPS)达到92.43%和40帧/s。改进后的YOLOv5s在召回率和平均精度上相较改进前提高2.49和4.62个百分点,在不增加模型参数量的情况下,每帧图片的推理时间缩短1.04 ms。与经典的目标检测算法SSD、Faster R-CNN、YOLOv6s、YOLOX相比,平均精度分别提高15.16、10.56、2.03和4.07个百分点。结果表明,该方法能够实现病理学图像中猪只小肠绒毛自动化检测,保证复杂图像检测速度的同时,提高了小肠绒毛的检测精度。

关键词：目标检测猪算法 YOLOv5s 猪只小肠绒毛病理学图像无参注意力机制

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农药液滴在水稻叶面的动态润湿铺展行为

中国农业科学 2024年第13期57卷 2583-2598页

作者：张建桃黄路生刘广彬兰玉彬文晟华南农业大学数学与信息学院农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心华南农业大学工程学院

【目的】探究表面张力、液滴粒径和叶片倾角对农药液滴在水稻叶片近轴面、远轴面动态润湿铺展行为的影响，为通过调控农药液滴在水稻叶面的动态润湿铺展行为实现水稻施药的“减施增效”提供依据。【方法】通过调节Silwet-408的浓度配制... 详细信息

【目的】探究表面张力、液滴粒径和叶片倾角对农药液滴在水稻叶片近轴面、远轴面动态润湿铺展行为的影响，为通过调控农药液滴在水稻叶面的动态润湿铺展行为实现水稻施药的“减施增效”提供依据。【方法】通过调节Silwet-408的浓度配制出表面张力为21.4、33.2、43.7 mN·m-1的Silwet-408溶液代替农药药液，利用液滴发生器生成532、627、746、830、957μm的单液滴，对其在倾角为40°、65°、85°水稻叶片近轴面、远轴面的动态润湿铺展行为进行全因子试验。【结果】表面张力、液滴粒径、叶片倾角均显著影响（P<0.05）水稻叶面的液滴接触角变化率，且近轴面、远轴面所受影响的整体趋势基本相同，增大叶片倾角或减小液滴粒径或降低表面张力均能增大接触角变化率，促进液滴润湿铺展。其中，以降低表面张力的效果最显著，当表面张力从33.2 mN·m-1降至与水稻叶面临界表面张力接近的21.4 mN·m-1时，叶片近轴面的接触角（前进角和后退角）变化率分别增大7.49、6.22倍，远轴面的分别增大11.13、7.61倍，液滴的润湿性在75 s内从较差或差（80°≤接触角<100°或接触角≥100°）转变成中等或好（60°≤接触角<80°或接触角<60°）；当表面张力比水稻叶面临界表面张力大得多时，接触角变化率随叶片倾角的增大而增大，随液滴粒径的减小而增大，但叶片倾角的影响小于液滴粒径的影响，经过75 s后，几乎所有粒径的液滴仍保持较差或差的润湿性（80°≤接触角<100°或接触角≥100°）。液滴润湿滞后现象分析表明，水稻叶面的粗糙度相对较小，液滴润湿滞后现象并不严重。表面张力与水稻叶面临界表面张力接近的液滴在固-液-气三相体系动态表面张力的驱使下在叶面润湿铺展，接触角随时间的动态变化可使用模型θ=θe+Aexp（-Kt）进行拟合；表面张力比水稻叶面临界表面张力大得多的液滴虽能稳定地黏附在叶面上，没有出现滚落现象，但始终未突破叶面的钉扎效应和滞留阻力，无法实现润湿铺展。【结论】表面张力、液滴粒径、叶片倾角3个因素均显著影响农药液滴在水稻叶面的动态润湿铺展行为，在实际施药场景中，由于叶片倾角无法人为调节，因此可根据施药的目的调节药液的表面张力和液滴粒径进而调控液滴的动态润湿铺展行为。研究结果有助于理解农药液滴在水稻叶面动态润湿铺展的机理，并可为水稻施药场景中合理选择药液表面张力、液滴粒径提供理论支持与指导。

关键词：农药液滴水稻叶面动态润湿铺展接触角润湿滞后表面张力

基于语义分割网络的植保机器人视觉伺服控制方法

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农业机械学报 2024年第5期55卷 21-27,39页

作者：李秀智方会敏朱玉垒杜博文董泓佑北京工业大学信息学部北京100124 江苏大学农业工程学院镇江212013 现代农业装备与技术教育部重点实验室(江苏大学) 镇江212013

为实现稳定可靠的植保机器人视觉伺服控制,提出了一种基于语义分割网络的作物行特征检测方法。基于语义分割网络ESNet实现农田场景图像像素级带状区域检测,并利用最小二乘算法拟合得到每条行作物线特征;在此基础上通过设计一种主导航线... 详细信息

为实现稳定可靠的植保机器人视觉伺服控制,提出了一种基于语义分割网络的作物行特征检测方法。基于语义分割网络ESNet实现农田场景图像像素级带状区域检测,并利用最小二乘算法拟合得到每条行作物线特征;在此基础上通过设计一种主导航线提取算法获取导航路径,并利用卡尔曼滤波对主导航线几何参数进行平滑处理,有效抑制了不平整地面导致的机器人运动颠簸与视觉图像测量噪声引起的导航参数波动。继而构建机器人前轮转向、后轮差速的阿克曼运动学模型;在图像空间坐标下设计纯追踪控制器实现植保机器人的伺服运动控制。大田环境下的现场实验结果为:总体横向偏差为0.092 m,验证了本文方法的有效性。

关键词：植保机器人视觉伺服控制深度学习语义分割网络作物行特征检测

基于空间注意力增强ResNeSt-101网络和迁移元学习的小样本害虫分类

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农业工程学报 2024年第6期40卷 285-297页

作者：梁炜健郭庆文王春桃肖德琴黄琼华南农业大学数学与信息学院广州510642 农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室广州510642 广东省农业人工智能重点实验室广州510642 广州市智慧农业重点实验室广州510642 深圳鹏城技师学院深圳518000

害虫识别是害虫防治的关键基础,由于较难获得足够的害虫种类图像,如何使用少量标记图像构造害虫分类器是一个富有挑战性的问题。现有研究多采用匹配网络框架来解决这个问题,该框架使用元学习避免重新训练深度网络,然而主干网络的特征提... 详细信息

害虫识别是害虫防治的关键基础,由于较难获得足够的害虫种类图像,如何使用少量标记图像构造害虫分类器是一个富有挑战性的问题。现有研究多采用匹配网络框架来解决这个问题,该框架使用元学习避免重新训练深度网络,然而主干网络的特征提取能力有限,元学习算法没有提供较好的权重初始化策略,可能导致网络出现梯度消失或者梯度爆炸的情况。为了解决这一问题,该研究提出一种基于空间注意力增强ResNeSt-101和迁移元学习算法的小样本害虫分类器。首先,通过一个空间注意力模块增强ResNeSt-101以更好地提取害虫图像特征,即在ResNeSt-101的第1阶段的最大池化层之前以及在第2~4阶段的末尾分别附加集成空间注意力模块,并通过数值仿真确定空间注意力增强模块的最佳放置位置为第1阶段的最大池化层之前。随后,通过迁移学习策略初始化网络权重,进而通过元学习进行优化。为了避免网络出现梯度消失或者梯度爆炸的情况,在元学习算法中选择归一化的温度缩放交叉熵损失函数代替三元组损失函数。最后,通过计算查询图像和支持图像深度特征之间的相似度实现害虫分类。所提出方法在自建的害虫图像数据集AD0和MIP50上使用N-类K-例准确率和每张图像处理时间(the time of per image processing,TPIP)进行评估。害虫图像数据集的构建方式如下:首先对公共害虫图像数据集IP102和D0进行清洗,以消除由于英文害虫名称导致的歧义类别;然后移除卵、幼虫和蛹阶段的害虫图像,仅保留成虫阶段的图像。考虑到人工和时间成本,从清理后的IP102害虫数据集中选择50个类别构建MIP50害虫图像数据集。随后,通过害虫的拉丁名称从互联网搜索更多的害虫图像,生成AD0害虫图像数据集。自建的MIP50数据集包括来自IP102的50个类别的16424张成虫图像,AD0包含来自D0的所有40个类别的17112张成虫图像。试验结果表明,当测试集中只有少数未知类别的害虫图像时,本文方法在AD0数据集上的5-类10-例评估准确率达到了96.37%,在MIP50数据集上达到了76.91%。当测试集中同时存在几个未知和已知类别的害虫图像时,所提方法在AD0数据集上的5-类10-例设置下的识别准确率达到了93.73%,在MIP50数据集上达到90.60%。同时,本文方法的TPIP大约为0.44 ms,满足大多数场景下的实时害虫识别要求。此外,消融试验结果表明,基于空间注意力增强ResNeSt-101网络和迁移元学习的小样本害虫分类方法在AD0、MIP50数据集上对未知类别害虫图像的5-类10-例的识别准确率分别提升了5和3个百分点以上,具有良好应用前景。但未来研究中还需进一步研究本方法中存在的问题,如通过采用更好地表征支持集样本与查询集样本之间复杂关系的度量优化本工作中用到的度量以解决增加类别数可能导致分类准确率降低的问题,以及将所提方法应用于现实农业场景进行优化改进以更好提升本文方法的实用性。

关键词：病虫害图像处理小样本分类元学习 ResNeSt-101 交叉熵损失