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基于改进YOLOv7的油茶果实成熟度检测

农业工程学报 2024年第5期40卷 177-186页

作者：陈锋军陈闯朱学岩沈德宇张新伟北京林业大学工学院北京100083 林木资源高效生产全国重点实验室北京100083 城乡生态环境北京实验室北京100083 林业装备与自动化国家林业局重点实验室北京100083 智慧林业研究中心北京100083

为确保油茶果实处于最佳成熟度进行采摘,提高油茶果实的出油率及茶油品质,该研究针对自然环境下油茶果实多被遮挡的问题,以原始YOLOv7模型为基础进行改进,提出一种油茶果实成熟度检测方法。首先,在主干网络中引入十字交叉注意力机制(cri... 详细信息

为确保油茶果实处于最佳成熟度进行采摘,提高油茶果实的出油率及茶油品质,该研究针对自然环境下油茶果实多被遮挡的问题,以原始YOLOv7模型为基础进行改进,提出一种油茶果实成熟度检测方法。首先,在主干网络中引入十字交叉注意力机制(criss-cross attention,CCA)加强对被枝叶遮挡果实成熟度特征的提取能力;其次,使用基于距离和交并比的非极大值抑制(distance-iou non-maximum suppression,DIoU-NMS)算法代替传统非极大值抑制(nonmaximum suppression,NMS)算法,从而加强模型对相互遮挡果实的检测能力;最后,以训练集中3 098张油茶果实图像训练改进的YOLOv7模型,验证集中442张图像用于在训练过程中评估模型,并对测试集中885张图像进行测试。改进后的YOLOv7模型在测试集下的精确率P为93.52%,召回率R为90.25%,F1分数为91.86%,平均精度均值mAP为94.60%,平均检测时间为0.77 s,模型权重大小为82.6 M。与Faster R-CNN、EfficientDet、YOLOv3、YOLOv5l和原始YOLOv7模型相比,平均精度均值mAP分别提升7.51、5.89、4.21、4.21和2.91个百分点。试验证明,改进的YOLOv7模型为实现油茶果实的智能化采摘提供理论依据。

关键词：图像识别模型油茶果实成熟度检测 YOLOv7 注意力机制 DIoU-NMS

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基于探地雷达的树木根系相对介电常数估算

北京林业大学学报 2024年

作者：梁慧云樊国秋赵燕东梁浩北京林业大学工学院林业装备与自动化国家林业局重点实验室北京林业大学智慧林业研究中心城乡生态环境北京实验室北京林业大学

【目的】为实现树木根系相对介电常数的定量估算，提出一种基于雷达波信号和树木根系参数的估算方法。【方法】首先，仿真模拟雷达波在不同半径、不同相对介电常数的树木根系下的传播路径，并通过正演分析获得探地雷达图像中双曲线顶点... 详细信息

【目的】为实现树木根系相对介电常数的定量估算，提出一种基于雷达波信号和树木根系参数的估算方法。【方法】首先，仿真模拟雷达波在不同半径、不同相对介电常数的树木根系下的传播路径，并通过正演分析获得探地雷达图像中双曲线顶点处的A-scan曲线；然后，提取A-scan曲线中与根系相对介电常数关联的目标振幅参数ΔF；最后，结合土壤相对介电常数、根系半径、根系深度，建立相对介电常数估算的数据集。分别基于偏最小二乘回归（PLSR）模型、反向传播（BP）神经网络模型和粒子群优化反向传播（PSO-BP）神经网络建立了估算模型，并对比分析了这3种模型的估算精度。【结果】（1）在仿真实验中，PSO-BP神经网络估算模型的均方根误差、平均绝对误差分别为0.701、0.255,R2为0.990，各指标均优于PLSR和BP神经网络估算模型。（2）在实地预埋实验中，PSO-BP神经网络估算模型的估算精度均优于PLSR和BP神经网络估算模型，其最大绝对误差和整体平均相对误差分别为3.16和10.88%。【结论】利用本研究提取的目标振幅参数ΔF、土壤相对介电常数、根系半径和根系深度建立的数据集，结合PSO-BP神经网络估算模型，能够实现对树木根系相对介电常数的准确估算。这对于评估树木根系的生长和健康状况具有重要意义。

关键词：雷达模型分析介电常数无损检测估算神经网络

耦合PLUS-InVEST-Geodector模型的新疆地区碳储量时空变化及驱动机制分析

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环境科学 2024年第9期45卷 5416-5430页

作者：傅楷翔贾国栋余新晓陈立欣北京林业大学林木资源高效生产全国重点实验室北京林业大学水土保持学院北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室

基于“双碳”战略目标下探明新疆土地利用变化对碳储量的影响及碳储量空间分异驱动因素并预测不同情景下的新疆2035年土地利用类型，分析其对碳储量的影响，对新疆政策制定、土地利用结构调整和碳中和目标实现具有重要的理论与现实意义... 详细信息

基于“双碳”战略目标下探明新疆土地利用变化对碳储量的影响及碳储量空间分异驱动因素并预测不同情景下的新疆2035年土地利用类型，分析其对碳储量的影响，对新疆政策制定、土地利用结构调整和碳中和目标实现具有重要的理论与现实意义。耦合PLUS-InVEST-Geodector模型，探究新疆2035年快速发展、自然变化、耕地保护和生态保护情景下碳储量时空变化规律，并从土地利用变化以及自然-社会经济-可达性组合角度定量揭示影响碳储量变化归因。结果表明：①1990—2020年新疆耕地和建设用地面积增加，从转移方向上看，主要由未利用地转为草地。②时间尺度上，新疆碳储量表现为“减少-增加-减少”的波动性，总体呈增加趋势，未利用地转移至草地是其碳储量增加的主要原因；空间尺度上，北部阿尔泰山、中部天山和南部昆仑山系碳储量较高，塔里木盆地和准噶尔盆地碳储量较低。③2035年自然发展和快速发展情景碳储量较2020年减少27.24Tg和71.17Tg；生态保护和耕地保护情景增加492.55Tg和46.67Tg，生态保护情景较其他情景能显著提升新疆地区碳储量，四种情景碳储量分布格局与2020年大致相同。④除地类转化外，土壤侵蚀强度是新疆碳储量空间分异的主要驱动因子（q 值为0.3501），其次是植被净初级生产力；多因子交互结果显示，新疆碳储量空间分异是多重因素共同作用的结果，所有因子在交互作用下均有协同增强的作用，土壤侵蚀强度和植被净初级生产力交互作用是新疆碳储量空间分异的主要交互驱动因子。

关键词：碳储量 PLUS模型 InVEST模型地理探测器新疆

黑龙江省冻融侵蚀强度分级评价及空间分布特征

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农业工程学报 2024年第5期40卷 168-176页

作者：王景萍张学霞古丽米热·甫拉提王紫薇北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室北京100083

黑龙江省肩负维护国家生态安全、保障国家粮食安全的重任,近年来因冻融侵蚀影响,自然环境和黑土资源受到严重威胁。为了定量揭示黑龙江省冻融侵蚀强度的空间异质性及其影响因素,该研究选取10个冻融侵蚀强度评价指标,并确定其权重。通过... 详细信息

黑龙江省肩负维护国家生态安全、保障国家粮食安全的重任,近年来因冻融侵蚀影响,自然环境和黑土资源受到严重威胁。为了定量揭示黑龙江省冻融侵蚀强度的空间异质性及其影响因素,该研究选取10个冻融侵蚀强度评价指标,并确定其权重。通过构建多元回归模型得到冻融侵蚀下限,将权重和赋值结果代入综合评价指数模型,利用自然断点法对冻融侵蚀强度进行分级。研究结果表明:1)黑龙江省冻融侵蚀总面积为1.917×10~5 km^(2),占全省面积的40.53%,其中强烈和极强烈侵蚀分别占冻融侵蚀总面积的20.66%和10.54%。2)黑龙江省中度冻融侵蚀以上的区域呈现三区一带的特征。三区分别为大兴安岭地区、小兴安岭地区和张广才岭地区;一带为西北—东南走向的“三岭一平原”廊道。3)黑龙江省冻融侵蚀强度在空间上表现出明显的正相关和集聚性特征,强度相近的冻融侵蚀区在空间上积聚,高强度和低强度的冻融侵蚀区在空间上分异,产生了多个高强度和低强度的冻融侵蚀区。4)植被覆盖度的增加可以降低冻融侵蚀强度,在植被覆盖度小于20%的地方,冻融侵蚀尤为剧烈;冻融侵蚀主要发生在土壤含水量为0.2~0.3 m^(3)/m^(3)的区域,而极少发生在土壤水分含量小于0.2 m^(3)/m^(3)的区域。研究结果通过对比验证显示出较高的可靠性,可为该地区冻融侵蚀的防护和管理提供依据,并为类似区域提供借鉴方法和技术参考。

关键词：土壤冻融侵蚀层次分析法优序图法综合指数评价模型空间异质性

基于改进遥感生态指数的青藏公路那(曲)安(多)段生态环境评估及驱动机制分析

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环境科学 2024年第3期45卷 1586-1597页

作者：傅楷翔贾国栋余新晓王旭北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室北京100083

青藏公路沿线生态环境是西藏地区生态文明建设的重要组成部分,目前研究青藏高原独特的地理环境普遍存在数据获取困难、时效性过低及未考虑研究区独特的“高寒盐碱”环境状况等问题.基于GEE平台及研究区独特地理环境,对遥感生态指数(RSEI... 详细信息

青藏公路沿线生态环境是西藏地区生态文明建设的重要组成部分,目前研究青藏高原独特的地理环境普遍存在数据获取困难、时效性过低及未考虑研究区独特的“高寒盐碱”环境状况等问题.基于GEE平台及研究区独特地理环境,对遥感生态指数(RSEI)进行改进,采用主成分分析法构建一种新的适用于高寒盐碱地区的盐碱遥感生态指数(SRSEI)作为生态环境质量评价指标,利用Arc GIS 10.3平台、地理探测器等方法在多时空尺度下分析青藏公路那曲至安多段沿线生态环境质量空间分布格局与时间变异趋势,并探究自然和人为等8个控制因子对SRSEI时空变化的驱动机制.结果表明:(1)相较于RSEI,SRSEI对植被更加敏感,对植被稀疏和盐碱化严重地区的分辨能力更强,适合高寒盐碱区生态质量评价.(2)研究区生态环境质量空间尺度上存在明显的地理分异性,生态质量较差的区域主要集中在北部安多县城,质量等级为优和良地区主要分布在中西部和东南部那曲地区;时间尺度上32年间研究区生态环境整体呈改善趋势,中西部和东南部植被覆盖度明显增加,对生态环境有很强的改善作用,改善面积1 425.98 km^(2),占比99.82%.SRSEI均值为0.49,总体呈波动上升趋势,平均增幅为0.015 7 a^(-1).(3)土地利用方式是研究区生态环境质量变化中驱动力最大的影响因子,多年份平均q值0.1576,环境因子的影响力较低;多因子交互结果显示,研究区的生态环境现状是多重因素共同作用的结果,所有因子在交互作用下均有协同增强的作用,且人为因素的影响力在逐步上升,植被净初级生产力(NPP)和土地利用方式交互作用是研究区生态环境质量的主要交互控制因子.该研究可为那曲至安多段沿线生态环境保护和可持续发展提供理论依据.

关键词：生态环境质量遥感生态指数(RSEI) 地理探测器 GEE平台青藏公路沿线

2001~2020年乌梁素海流域植被NPP时空变化及驱动因素分析

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环境科学 2024年第8期45卷 4744-4755页

作者：肖晶饶良懿北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室北京100083

植被净初级生产力(NPP)表征植物对生态系统碳的固定能力,是决定生态系统健康状态和可持续发展程度的关键指标,其时空变化及驱动因素对于揭示植被恢复状况和指导生态修复工作具有重要作用.基于2001~2020年MODIS17A3 NPP数据、土地利用和... 详细信息

植被净初级生产力(NPP)表征植物对生态系统碳的固定能力,是决定生态系统健康状态和可持续发展程度的关键指标,其时空变化及驱动因素对于揭示植被恢复状况和指导生态修复工作具有重要作用.基于2001~2020年MODIS17A3 NPP数据、土地利用和气象数据等,采用变异系数、Theil-Sen Median趋势分析及Mann-Kendall检验、Hurst指数和地理探测器等方法,探究了内蒙古乌梁素海流域植被NPP的时空变化特征及驱动因素.结果表明:①2001~2020年乌梁素海流域植被NPP整体呈波动上升趋势,平均值(以C计)为141.03 g·(m^(2)·a)^(-1),平均上升速率为2.33g·(m^(2)·a)^(-1);植被NPP具有明显的空间分异规律,整体上呈现西南高、东北低,河套平原高、沙地和山区低的特征;②NPP主要呈增长趋势,增长、减少和无变化区域的面积占比分别约为80%、3%和17%;NPP的平均变异系数为0.149,主要呈低波动变化和较低波动变化,面积占比约为51%;NPP未来变化趋势主要呈反持续性特征,面积占比约为75%.③土地利用、海拔、最高温和坡度是乌梁素海流域植被NPP变化的主导驱动因素,q值均在0.200以上.海拔∩相对湿度对乌梁素海流域植被NPP空间分异的解释力最大;土地利用与除夜间灯光外的其他因子对乌梁素海流域植被NPP空间分异的解释力均存在显著性差异.根据研究结果,未来应加强乌梁素海流域生态系统管理,实行严格的生态保护和修复政策,综合考虑气候、地形和人类活动等因素,因地制宜开展生态综合治理工作,以提升生态系统服务质量.

关键词：净初级生产力(NPP) 乌梁素海流域气候变化人类活动驱动因素

北京城市绿地不同生境自生植物多样性特征及其功能性状组成

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生态学报 2024年第11期44卷 4744-4757页

作者：骆沁宇张梦园李晓璐范舒欣董丽北京林业大学园林学院城乡生态环境北京实验室国家花卉工程技术研究中心北京100083

城市中自发生长的植物在生物多样性保护和支持中扮演着重要角色。这些自生植物广泛分布于绿地中并在不同生境下形成差异化的群落特征。研究自生植物群落的功能性状组成有助于理解特定生境中自生植物多样性的形成和维持过程。研究调查了... 详细信息

城市中自发生长的植物在生物多样性保护和支持中扮演着重要角色。这些自生植物广泛分布于绿地中并在不同生境下形成差异化的群落特征。研究自生植物群落的功能性状组成有助于理解特定生境中自生植物多样性的形成和维持过程。研究调查了北京城市绿地中常绿落叶林地、常绿林地、落叶林地、灌丛、草地、水边、行道树种植带、硬质铺装区域8类生境下自生植物的多样性特征与功能性状组成。研究结果表明,林地和水边自生植物群落具有较高的物种丰富度与功能丰富度。不同生境类型之间自生植物的功能性状组成存在显著差异(P<0.05),林地中分布有更丰富的自生乔、灌木植物与外来植物,草地中则以依靠自体扩散或动物扩散的自生一、二年生草本植物为主。生境中相对稀有的功能性状占比与群落水平的自生植物多样性之间存在显著相关性(P<0.05),灌丛、草地和水边自生植物群落的功能多样性均随着C4光合途径型植物的增加而提高。研究结果有助于更好地理解不同生境类型中自生植物多样性的形成和维持机制,为基于生物多样性保护与提升的城市绿地植物景观营建提供重要的参考依据。

关键词：自生植物功能性状群落组成植物多样性景观设计与管理

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基于层级和全局特征结合的蛋白质序列EC编号预测

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遗传 2024年第8期46卷 661-670页

作者：杨帆韩巧玲赵文迪赵玥北京林业大学工学院北京100083 林业装备与自动化国家林业局重点实验室北京100083 城乡生态环境北京实验室北京100083 北京林业大学智慧林业研究中心北京100083

酶功能的识别对理解生命活动的机制、推进生命科学的发展有重要作用。然而现有的酶EC编号预测方法,并未充分利用蛋白质序列信息,在识别精度上仍有所不足。针对上述问题,本研究提出一种基于层级特征和全局特征的EC编号预测网络(EC number... 详细信息

酶功能的识别对理解生命活动的机制、推进生命科学的发展有重要作用。然而现有的酶EC编号预测方法,并未充分利用蛋白质序列信息,在识别精度上仍有所不足。针对上述问题,本研究提出一种基于层级特征和全局特征的EC编号预测网络(EC number prediction network using hierarchical features and global features,ECPN-HFGF)。该方法首先通过残差网络提取蛋白质序列通用特征,并通过层级特征提取模块和全局特征提取模块进一步提取蛋白质序列的层级特征和全局特征,之后结合两种特征信息的预测结果,采用多任务学习框架,实现酶EC编号的精确预测。计算实验结果表明,ECPN-HFGF方法在蛋白质序列EC编号预测任务上性能最佳,宏观F1值和微观F1值分别达到95.5%和99.0%。ECPN-HFGF方法能有效结合蛋白质序列的层级特征和全局特征,快速准确预测蛋白质序列EC编号,比当前常用方法预测精确度更高,能够为酶学研究和酶工程应用的发展提供一种高效的思路和方法。

关键词：酶功能预测蛋白质序列深度学习层级多标签分类全局特征

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VOCs氧化整体式催化剂研究进展

科学通报 2024年第16期69卷 2185-2202页

作者：张悦高艳珊黎哲桂蓉蓉王强北京林业大学环境科学与工程学院水体污染源控制技术北京市重点实验室北京100083 北京林业大学林木资源高效生产全国重点实验室北京100083

挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)对人类健康和生态环境具有严重危害,催化氧化是一种目前能够有效去除VOCs的技术.为了满足工业应用,开发适宜的整体式催化剂为该领域的研究重点之一.其中,开发合适的载体基底以及提高... 详细信息

挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)对人类健康和生态环境具有严重危害,催化氧化是一种目前能够有效去除VOCs的技术.为了满足工业应用,开发适宜的整体式催化剂为该领域的研究重点之一.其中,开发合适的载体基底以及提高活性组分在载体表面的锚固力是制备高催化活性和高稳定性VOCs氧化整体式催化剂的关键点.本文重点讨论了VOCs氧化整体式催化剂的载体及活性组分类型、制备方法以及新型耦合催化技术,详细介绍了不同的载体、活性组分与制备方法对催化剂活性的影响,阐述了新型能量供应方式的优势及耦合技术之间的协同促进作用.最后,对VOCs氧化整体式催化剂的研究前景进行了展望,以期为未来VOCs氧化整体式催化剂的设计与节能高效催化技术的发展及其工业化应用提供基础与参考.

关键词： VOCs催化氧化整体式催化剂载体活性组分制备方法耦合催化技术