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基于YOLO v7-ST-ASFF的复杂果园环境下苹果成熟度检测方法

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农业机械学报 2024年第6期55卷 219-228页

作者：苗荣慧李港澳黄宗宝李志伟杜慧玲山西农业大学信息科学与工程学院太谷030801 山西农业大学农业工程学院太谷030801 山西农业大学基础部太谷030801

针对复杂果园环境下目标检测算法参数量大、鲁棒性差等问题,本文提出一种改进的YOLO v7网络模型用于苹果成熟度(未成熟、半成熟、成熟)检测。以YOLO v7为基线网络,在特征提取结构中引入窗口多头自注意力机制(Swin transformer,ST),极大... 详细信息

针对复杂果园环境下目标检测算法参数量大、鲁棒性差等问题,本文提出一种改进的YOLO v7网络模型用于苹果成熟度(未成熟、半成熟、成熟)检测。以YOLO v7为基线网络,在特征提取结构中引入窗口多头自注意力机制(Swin transformer,ST),极大地降低网络参数量与计算量;为提高模型对远景图像中小目标的检测能力,在特征融合结构中引入自适应空间特征融合(Adaptively spatial feature fusion,ASFF)模块优化Head部分,有效利用图像的浅层特征和深层特征,加强特征尺度不变性;采用WIoU(Wise intersection over union)代替原始CIoU(Complete intersection over union)损失函数,在提高检测准确率的同时加快模型收敛速度。试验结果表明,本文改进的YOLO v7-ST-ASFF模型在苹果图像测试集上的检测速度和准确率均有显著提高,不同成熟度检测精确率、召回率和平均精度均值可达92.5%、84.2%和93.6%,均优于Faster R-CNN、SSD、YOLO v3、YOLO v5、YOLO v7以及YOLO v8目标检测模型;针对多目标、单目标、顺光、逆光、远景、近景以及套袋、未套袋苹果目标的检测效果都较好;本文网络模型内存占用量为53.4MB,模型平均检测时间(Average detection time,ADT)为***,均优于其他目标检测模型。改进的YOLO v7-ST-ASFF模型能够满足复杂果园环境下苹果目标的检测,可为果蔬机器人自动化采摘提供技术支撑。

关键词：苹果成熟度检测复杂果园环境 YOLO v7 窗口多头自注意力机制 ASFF

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番茄苗期叶位色素含量高光谱检测及可视化研究

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 386-391页

作者：赵建贵王国梁张宇赵丽洁陈宁王文俊杜慧玲李志伟山西农业大学农业工程学院山西太谷030801 山西农业大学谷子研究所山西长治046000 山西农业大学基础部山西太谷030801

叶片色素含量是表征作物栽培基质营养元素和生理状态的重要指标;快速、精准获取色素含量及叶位分布规律是设施农业水肥精准化管理的基础。以番茄苗期不同叶位叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(Chll)和类胡萝卜素(Caro)为研究指标,... 详细信息

叶片色素含量是表征作物栽培基质营养元素和生理状态的重要指标;快速、精准获取色素含量及叶位分布规律是设施农业水肥精准化管理的基础。以番茄苗期不同叶位叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(Chll)和类胡萝卜素(Caro)为研究指标,用营养液配制10个氮素浓度;根据叶片位置摘取1710片(285个样本)用于可见光-近红外高光谱采集;运用卷积平滑(S-G)、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)对光谱数据预处理。首先采用竞争自适应加权算法(CARS)对特征波段“粗”提取,然后利用迭代和保留信息变量算法(IRIV)判断“粗”提取波段的重要性,并对强弱波段组逆向消除“精”提取最优波段集合,建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。结果表明:(1)营养液氮素浓度为302.84 mg·L^(-1),叶片色素含量最大,且高浓度的抑制作用高于低浓度,叶位色素含量呈上叶位>中叶位>低叶位分布规律;(2)采用CARS-IRIV-PLSR算法“粗-精”特征波段筛选策略分别对Chla、Chlb、Chll和Caro提取了4、4、10和11条特征波段,其Rp为0.7722、0.7321、0.8471和0.8587;(3)结合最优模型色素定量反演图像可视化表达,Chla、Chlb和Chll分布规律一致,而Caro与Chll分布规律相反,该结论与植物生理特征和测定结果相吻合。采用高光谱成像技术能够实现对叶片色素含量进行无损检测及可视化表达,为设施农业植物叶片色素分布、养分亏缺和施肥决策等提供数据支撑和理论依据。

关键词：高光谱叶位色素含量特征波段可视化

灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶活性的高光谱研究

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 534-541页

作者：王凯薛建新李尧迪张明月山西农业大学农业工程学院山西晋中030801

利用高光谱技术实现灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶(PPO)活性的快速无损检测。为了使预测效果更好,在900~1700 nm光谱范围内采集253个健康花椰菜样本及257个染病花椰菜样本的光谱信息,并使用分光光度计法对样本中多酚氧化酶活性进行... 详细信息

利用高光谱技术实现灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶(PPO)活性的快速无损检测。为了使预测效果更好,在900~1700 nm光谱范围内采集253个健康花椰菜样本及257个染病花椰菜样本的光谱信息,并使用分光光度计法对样本中多酚氧化酶活性进行测定。对健康及染病花椰菜样本PPO活性均值进行分析,发现健康花椰菜PPO活性均值(10.257 U·g^(-1))小于染病花椰菜PPO活性均值(12.324 U·g^(-1))。利用光谱-理化值共生距离(SPXY)算法对样本进行校正集(健康样本193个,染病样本197个)和预测集(健康样本60个,染病样本60个)的划分,对划分后的样本集进行六种单一预处理(卷积平滑算法SG、去趋势算法DT、中值滤波MF、归一化处理NOR、标准正态变量变换SNV、基线校正Baseline)。利用相关系数(R)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标,发现预处理能够有效提高模型的精度和稳定性,其中健康样本经NOR预处理后的预测集建模效果最好;染病样本经DT预处理后的预测集建模效果最好。采用连续投影算法(SPA)与回归系数法(RC)提取特征波长,建立PPO活性值的偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)及BP神经网络三种预测模型,探究不同特征波长提取方法对模型精度的影响,比较不同建模方式对花椰菜PPO活性预测的准确度。结果说明提取特征波长可以优化光谱信息,SPA和RC对两种样本提取的波长个数分别为9,12,7和11,其中SPA优化后的光谱数据对健康样本PPO活性预测效果较好,RC优化后的光谱数据对染病样本PPO活性预测效果较好。对比分析模型效果,发现LS-SVM模型对两种样本和其对应的酶活性产生了很好的拟合效果。最终发现,SPA-LS-SVM模型对于健康花椰菜PPO活性预测效果较好,其预测相关系数(Rp)为0.832,预测均方根误差(RMSEP)为1.676;RC-LS-SVM模型对于染病花椰菜PPO活性预测效果较好,其Rp为0.848,RMSEP为1.156。研究结果表明高光谱技术可以实现灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶活性的测定,为快速检测花椰菜多酚氧化酶活性及便携式仪器开发提供了科学依据。

关键词：花椰菜灰霉病多酚氧化酶高光谱无损检测

高光谱结合离散二进制粒子群算法对久保桃可溶性固形物含量的检测

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光谱学与光谱分析 2024年第3期44卷 656-662页

作者：张立秀张淑娟孙海霞薛建新景建平崔添俞山西农业大学农业工程学院山西晋中030801

可溶性固形物(SSC)是评价久保桃内部品质的重要指标。传统的SSC检测有损、费时、费力;快速、无损检测久保桃的SSC含量对于其品质分级有着重要意义。离散二进制粒子群算法(BPSO)是在标准粒子群算法(PSO)的基础上,更新速度公式得到的,具... 详细信息

可溶性固形物(SSC)是评价久保桃内部品质的重要指标。传统的SSC检测有损、费时、费力;快速、无损检测久保桃的SSC含量对于其品质分级有着重要意义。离散二进制粒子群算法(BPSO)是在标准粒子群算法(PSO)的基础上,更新速度公式得到的,具有精度高,收敛快的特点,多用于离散空间的优化问题。基于高光谱技术结合BPSO算法及BPSO的组合特征波长选择算法对久保桃的SSC含量预测进行研究。首先采集198个久保桃样本的高光谱信息,获取久保桃900~1700nm范围内的光谱信息,计算感兴趣区域的平均光谱作为有效光谱数据,同时测量久保桃的SSC值。采用K-S(Kennard-Stone)算法将样本划分为校正集(147个)和预测集(51个)。使用BPSO特征波长选择算法对久保桃的原始光谱数据进行特征波长提取,并与竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影法(SPA)、无信息变量选择法(UVE)等特征波长选择算法比较。同时为了避免单一算法建模中的不稳定问题,提出了基于BPSO的一次组合(BPS0+CARS、BPSO+SPA、BPSO+UVE)和二次组合[(BPSO+CARS)-SPA]、[(BPSO+SPA)-SPA]、[(BPSO+UVE)-SPA]特征波长提取方法。基于上述10种特征波长提取方法分别建立支持向量机(LS-SVM)模型和遗传算法(GA)优化的支持向量机模型(GA-SVM)模型。结果表明,基于BPSO算法提取特征波长建立的模型预测性能均高于其他单一特征波长方法,建立的两种模型预测集决定系数R_(p)^(2)均达到0.97以上;基于BPSO的组合算法中,二次组合(BPSO+SPA)-SPA算法建立的LS-SVM在特征波长数量较少的情况下对久保桃SSC含量预测性能最高,校正集和预测集决定系数R_(c)^(2)为0.982,R_(p)^(2)为0.955,均方根误差RMSEC为0.108,RMSEP为0.139。该模型预测性能略低于BPSO算法,但其仅用了22个特征波长进行建模,极大地简化了模型。说明(BPSO+SPA)-SPA是一种有效的特征波长提取方法,为水果SSC含量的无损检测提供了新的检测方法。

关键词：高光谱离散二进制算法特征光谱变量久保桃可溶性固形物

产脂肪酶木糖葡萄球菌YCC3全基因组测序及序列分析

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食品科学技术学报 2024年第3期42卷 126-138页

作者：刘莹蒙志明席越阳朱迎春山西农业大学食品科学与工程学院山西太谷030800

木糖葡萄球菌(Staphylococcus xylosus,***)YCC3是从发酵肉制品中分离筛选到的1株产脂肪酶活性高的菌株,为研究该菌株在香肠发酵过程中的代谢机理和功能,采用PromethION和Illumina HiSeq测序平台对*** YCC3进行完成图测序分析。结果表明... 详细信息

木糖葡萄球菌(Staphylococcus xylosus,***)YCC3是从发酵肉制品中分离筛选到的1株产脂肪酶活性高的菌株,为研究该菌株在香肠发酵过程中的代谢机理和功能,采用PromethION和Illumina HiSeq测序平台对*** YCC3进行完成图测序分析。结果表明,*** YCC3基因组为1套含有3个质粒的环状分子,基因组序列总长度为2773035 bp,GC含量(鸟嘌呤和胞嘧啶占基因组序列的比率)为32.88%。基因组中预测到2540个编码基因,编码基因总长度为2742136 bp,平均长度为1079.58 bp,占基因组的83.24%。*** YCC3的编码基因通过GO(Gene Ontology)数据库注释,预测到与抗氧化活性相关的基因3个;COG(Cluster of Orthologous Groups of Proteins)数据库注释到与脂质运输和代谢相关的基因中有8个含有脂肪酸合成基因、4个含有脂肪水解酶基因;KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)数据库注释到与脂肪酸合成相关的基因16个,与脂肪酸降解相关的基因10个,与不饱和脂肪酸合成相关的基因3个。***菌株的基因组基本功能注释和代谢通路基因信息注释旨在为菌株作为发酵剂在香肠发酵中的应用提供一定的理论依据。

关键词：木糖葡萄球菌脂肪酶全基因组测序基因功能注释发酵香肠

基于改进DeepLabV3+的荞麦苗期无人机遥感图像分割识别方法研究

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农业机械学报 2024年第5期55卷 186-195页

作者：武锦龙吴虹麒李浩雷兴鹏宋海燕山西农业大学农业工程学院太谷030801 山西农业大学信息科学与工程学院太谷030801 旱作农业机械关键技术与装备山西省重点实验室太谷030801

针对DeepLabV3+语义分割模型计算复杂度高、内存消耗大、难以在计算力有限的移动平台上部署等问题,提出一种改进的轻量化DeepLabV3+深度学习语义分割算法,用于实现无人机荞麦苗期图像的分割与识别。该算法采用RepVGG(Re-parameterizatio... 详细信息

针对DeepLabV3+语义分割模型计算复杂度高、内存消耗大、难以在计算力有限的移动平台上部署等问题,提出一种改进的轻量化DeepLabV3+深度学习语义分割算法,用于实现无人机荞麦苗期图像的分割与识别。该算法采用RepVGG(Re-parameterization visual geometry group)与MobileViT(Mobile vision transformer)模块融合的方式建立主干网络实现特征提取;同时,在RepVGG网络结构中引入SENet(Squeeze-and-excitation networks)注意力机制,通过利用通道间的相关性,捕获更多的全局语义信息,保证荞麦分割的性能。实验结果表明,与FCN(Fully convolutional networks)、PSPNet(Pyramid scene parsing network)、DenseASPP(Dense atrous spatial pyramid pooling)、DeepLabV3、DeepLabV3+模型相比,本文提出的改进算法在较大程度上降低了模型参数规模,更适合在移动端部署,自建荞麦苗期分割数据集上的语义分割平均像素准确率(Mean pixel accuracy,mPA)和平均交并比(Mean intersection over union,mIoU)分别为97.02%和91.45%,总体参数量、浮点运算次数(Floating-point operations,FLOPs)和推理速度分别为9.01×10^(6)、8.215×10^(10)、37.83 f/s,综合表现最优。在全尺寸图像分割中,训练模型对不同飞行高度的荞麦苗期分割的mPA和mIoU均能满足要求,也具有较好的分割能力和推理速度,该算法可为后期荞麦补种、施肥养护和长势监测等提供重要技术支持,进而促进小杂粮产业智能化发展。

关键词：荞麦苗期无人机遥感图像语义分割 DeepLabV3+ 轻量化

基于YOLO v5+DeepSORT算法的羊群游走同步群体决策行为研究

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农业机械学报 2024年第6期55卷 229-236页

作者：刘成岳训山东农业大学信息科学与工程学院泰安271018

随着畜牧养殖智能化监控技术的产业化应用,进一步提升畜禽养殖的分类施策精细化管理,成为现代畜牧业精细高效养殖管理的新需求。采用固定机位、多角度视频采集技术,实时记录羊群牧食过程中的游走行为;针对羊群游走视频中易出现遮挡的复... 详细信息

随着畜牧养殖智能化监控技术的产业化应用,进一步提升畜禽养殖的分类施策精细化管理,成为现代畜牧业精细高效养殖管理的新需求。采用固定机位、多角度视频采集技术,实时记录羊群牧食过程中的游走行为;针对羊群游走视频中易出现遮挡的复杂情况,设计了基于YOLO v5模型的羊群多目标检测模型,羊群游走过程中的多目标实时跟踪识别率可达90.63%;采用羊群游走多目标轨迹跟踪DeepSORT算法,通过提取羊目标的深度表观特征,计算出羊群游走轨迹和变化节拍规律。结果表明,羊的游走过程通常为慢走、快走和疾走3种方式,单只羊的游走过程通常是不固定的随机组合。在中大规模羊群中,由于亲缘关系结构的复杂性,羊群往往分化为多个小群体,这使得从整体上观察和分析羊群行为变得异常困难。为此,聚焦于小规模羊群进行研究,通过羊群散列、聚集和同步3个游走过程分析,初步验证了羊群游走节拍周期上的同步现象。

关键词：羊群群体决策同步智慧畜牧目标跟踪 YOLO v5 DeepSORT

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毛建茶茶汤色差与感官品质的相关性分析

中国食品学报 2024年第3期24卷 298-305页

作者：王腾飞裴淑芳杨佳丽霍梅俊山西农业大学食品科学与工程学院山西晋中030801 山西农业大学规划合作部山西晋中030801

目的:通过统计分析建立一种可靠、准确和客观评价毛建茶茶叶品质的方法。方法:测定并分析毛建茶茶样的色差值、吸光度值、水浸出物含量与茶汤感官审评评分之间的相关性和线性回归关系。结果:毛建茶感官评分与明暗度表征量L值存在显著正... 详细信息

目的:通过统计分析建立一种可靠、准确和客观评价毛建茶茶叶品质的方法。方法:测定并分析毛建茶茶样的色差值、吸光度值、水浸出物含量与茶汤感官审评评分之间的相关性和线性回归关系。结果:毛建茶感官评分与明暗度表征量L值存在显著正相关关系,与红绿色度表征量a值和黄蓝色度表征量b值存在显著负相关关系,并与色差衍生值Cab和色差ΔE呈显著正相关关系。因此,可用色差参数L、a、b、Cab和ΔE来反映毛建茶品质。感官审评总分(Y_(1))与明亮度L(X_(1))、色度a(X_(2))和色度b(X_(3))间的线性关系为Y_(1)=24.93+6.78X_(1)-66.55X_(2)-21.35X_(3)(P<0.05,R^(2)=0.62)。毛建茶茶汤吸光度值与各项感官评分项目存在极显著正相关关系,吸光度值(Y_(2))与外观(X_(1))、香气(X_(2))、汤色(X_(3))、滋味(X_(4))、叶底(X_(5))、总分(X_(6))间的线性关系为Y_(2)=-0.008-5.43×10^(-5)X_(1)+7.33×10^(-5)X_(2)+0.001X_(3)+0.001X_(5)-0.001X_(6)(P<0.01,R^(2)=0.96)。毛建茶水浸出物含量与各项感官评分项目存在极显著正相关关系,水浸出物含量(Y_(3))与外观(X_(1))、香气(X_(2))、汤色(X_(3))、滋味(X_(4))、叶底(X_(5))和总分(X_(6))间的线性关系为Y_(3)=-0.036+6.21×10^(-5)X_(1)+0.002X_(2)+0.005X_(3)-4.61×10^(-5)X_(4)-0.003X_(5)+0.001X_(6)(P<0.05,R^(2)=0.87)。结论:本研究建立了一种毛建茶品质的评价方法,为代用茶的生产和加工提供借鉴。

关键词：毛建茶色差值感官品质相关性

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黄菜即食肉丸配方优化及贮藏特性

食品工业科技 2024年第14期45卷 175-183页

作者：贺伟春刘亚平狄建兵宋支萱山西农业大学食品科学与工程学院山西晋中030801

为获得黄菜即食肉丸最优配方并对其贮藏特性进行研究,以感官评分为考察指标,利用Plackett-Burman试验筛选出了对黄菜即食肉丸感官评分影响显著的3个因素,并通过最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,优化了黄菜即食肉丸配方;对比了黄菜即食肉... 详细信息

为获得黄菜即食肉丸最优配方并对其贮藏特性进行研究,以感官评分为考察指标,利用Plackett-Burman试验筛选出了对黄菜即食肉丸感官评分影响显著的3个因素,并通过最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,优化了黄菜即食肉丸配方;对比了黄菜即食肉丸与普通肉丸以及两种不同包装下(玻璃瓶、脱氧剂+PET易拉罐封装)黄菜即食肉丸37℃贮藏过程中色差、质构、菌落总数、大肠菌群、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、过氧化值、硫代巴比妥酸值等指标的变化。结果表明:黄菜即食肉丸最佳配方为肉:黄菜比为1:1、鸡蛋添加量9%、食盐添加量0.9%。在该配方下制得的黄菜肉丸清香柔和,富有弹性,形状饱满,色泽诱人,感官评分为23.58分。在贮藏过程研究中,黄菜肉丸较普通肉丸pH显著降低(P<0.05),抑制了菌落总数(P<0.05),大肠菌群和致病菌的生长;脱氧剂+PET易拉罐封装更好的保持了黄菜肉丸的色泽,显著延缓了菌落总数的上升(P<0.05),延长了产品贮藏期,抑制了大肠菌群以及金黄色葡萄球菌等致病菌的生长繁殖。本研究对黄菜即食肉丸配方开发及其在不同包装下贮藏特性的研究具有一定参考意义。

关键词：黄菜即食肉丸配方优化贮藏特性包装

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