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无人机高光谱遥感的水稻叶瘟病的光谱特征提取与检测方法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第5期44卷 1457-1463页

作者：刘子扬冯帅赵冬雪李金朋关强许童羽沈阳农业大学信息与电气工程学院辽宁沈阳110161 沈阳农业大学辽宁省农业信息化工程技术中心辽宁沈阳110161

为了确定最佳的无人机高光谱遥感检测水稻冠层叶瘟病分类模型,以水稻大田试验为研究基础,获取了400~1000 nm波段内的无人机高光谱图像,参照国家标准GBT 15790—2009稻瘟病测报调查规范,按病情指数将叶瘟病划为5个等级,提取了0~4级共227... 详细信息

为了确定最佳的无人机高光谱遥感检测水稻冠层叶瘟病分类模型,以水稻大田试验为研究基础,获取了400~1000 nm波段内的无人机高光谱图像,参照国家标准GBT 15790—2009稻瘟病测报调查规范,按病情指数将叶瘟病划为5个等级,提取了0~4级共227组高光谱数据。采用Savitzky-Golay平滑(SG平滑)、一阶微分光谱(1-Der)和二阶微分光谱(2-Der)对数据进行预处理,并构建SVM模型,对比得出较优的预处理方法。采用主成分分析法(PCA)选取主成分累计贡献率;连续投影法(SPA)和随机青蛙法(RF)筛选光谱特征波段,并将筛选的结果作为模型的输入,分别构建粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)、极限学习机(ELM)、支持向量机(SVM)和决策树(DT)分类模型,并对模型进行对比分析得出最优分类模型。结果表明:相比于1-Der和2-Der,SG平滑方法的去噪效果较好,分类准确率较高,是较优的预处理方法,分类准确率和Kappa系数分别为93.47%、91.85%。PCA的前2个PC的累计贡献率为93.13%,为了模型的有效构建,最终选取了前6个PC,累计贡献率为99.02%。SPA使用RMSE作为最佳光谱特征波段选择标准,共显示了7个最佳光谱特征波段,其中可见光波段为400.8、416.7和426.2 nm,绿光波段为566 nm,红光波段为683.9 nm,近红外波段为830.2和916.4 nm。RF将筛选概率大于0.2的波段选为最佳光谱特征波段,最终筛选了8个光谱特征波段,其中红光波段为663.4和694.2 nm,近红外波段为784.4、787.9、791.4、905.5、927.2和930.9 nm,该方法有效地降低了波段间相关性和冗余性。将3种筛选结果分别构建分类模型,结果显示所有模型的总体分类准确率全部大于92.61%,建模结果较好;其中,以PSO-ELM模型对PCA的分类准确率达到97.77%,Kappa系数为97.22%,在所有模型中分类准确率最高,相比于ELM模型的最高分类准确率和Kappa系数高1.42%和1.56%,相比于SVM模型的最高分类准确率和Kappa系数高2.12%和2.66%,相比于DT模型的最高分类准确率和Kappa系数高4.44%和5.58%。综合评价PSO-ELM模型的建模效果优于ELM模型、SVM模型和DT模型,是最优的分类模型。因此,利用无人机高光谱遥感检测水稻叶瘟病具有可行性,为水稻生产和叶瘟病的检测提供科学依据和技术支持。

关键词：水稻叶瘟病无人机高光谱机器学习

Ti掺杂SBA-15负载Ni基催化剂用于木质素衍生物定向加氢脱氧转化

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燃料化学学报（中英文） 2024年第4期52卷 536-544页

作者：张鸿科汪炜琛向治宇周方圆朱万斌王洪亮中国农业大学农学院生物质工程中心北京100193

本研究通过在SBA-15分子筛骨架内掺杂Ti物种并负载Ni纳米颗粒合成了“金属-酸”双功能催化剂(Ni/Ti-SBA-15)。Ti的掺杂不仅提高了催化剂酸性位点的数量,还促进了Ni纳米颗粒在载体上的高度分散。在绿色、温和条件下实现了香兰素到2-甲氧... 详细信息

本研究通过在SBA-15分子筛骨架内掺杂Ti物种并负载Ni纳米颗粒合成了“金属-酸”双功能催化剂(Ni/Ti-SBA-15)。Ti的掺杂不仅提高了催化剂酸性位点的数量,还促进了Ni纳米颗粒在载体上的高度分散。在绿色、温和条件下实现了香兰素到2-甲氧基-4-甲基苯酚(MMP)高效转化,目标产物选择性高达96.46%。此外,Ni/Ti-SBA-15催化剂价格低廉,制备工艺简单,这项工作为制备廉价高效催化剂提供了新的思路,有利于实现生物质衍生物的绿色、低成本升级转化。

关键词：香兰素加氢脱氧双功能催化剂木质素

基于不同维度低场核磁共振技术的大豆含油率检测与判别

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农业工程学报 2024年第4期40卷 337-344页

作者：张宇赵亚楠赵健翔宋平沈阳农业大学信息与电气工程学院沈阳110866

大豆含油率的高低直接影响榨油与育种结果。为探究大豆含油率的最佳检测方法与构建含油率高低判别模型,该研究基于不同维度低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术,以国标法为对照,利用LF-NMR波谱和LF-NMR含油... 详细信息

大豆含油率的高低直接影响榨油与育种结果。为探究大豆含油率的最佳检测方法与构建含油率高低判别模型,该研究基于不同维度低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术,以国标法为对照,利用LF-NMR波谱和LF-NMR含油含水率软件检测大豆含油率;核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)结合深度学习,建立大豆含油率高低判别模型。引入低场二维核磁共振(low field two-dimensional nuclear magnetic resonance,LF-2D-NMR)技术,定性分析一维波谱中信号重叠无法区分组分的问题。试验结果表明,LF-NMR含油含水率软件能快速准确检测大豆含油率,T1-T2二维核磁图谱成功解决了自由水和油信号重叠问题。利用U-net++深度学习模型对MRI成像的矢状面、冠状面、横截面以及三面混合数据集进行训练,其中横截面评价指标与其他数据集相比更优,语义分割部分中平均交并比(mean intersection over union,mIoU)约0.9058,全局准确率0.9980,训练后的模型能够将MRI图像识别并分割,快速判别大豆含油率高低。试验证明,LF-NMR及MRI能够快速无损掌握大豆含油率信息,为大豆的高油育种提供了新思路和技术支持。

关键词：低场核磁共振低场二维核磁共振磁共振成像大豆含油率深度学习

基于RGB和深度双模态的温室番茄图像语义分割模型

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农业工程学报 2024年第2期40卷 295-306页

作者：张羽丰杨景邓寒冰周云成苗腾沈阳农业大学信息与电气工程学院沈阳110866 辽宁农业信息化工程技术研究中心沈阳110866

图像语义分割作为计算机视觉领域的重要技术,已经被广泛用于设施环境下的植物表型检测、机器人采摘、设施场景解析等领域。由于温室环境下未成熟番茄果实与其茎叶之间具有相似颜色,会导致图像分割精度不高等问题。该研究提出一种基于混... 详细信息

图像语义分割作为计算机视觉领域的重要技术,已经被广泛用于设施环境下的植物表型检测、机器人采摘、设施场景解析等领域。由于温室环境下未成熟番茄果实与其茎叶之间具有相似颜色,会导致图像分割精度不高等问题。该研究提出一种基于混合Transformer编码器的“RGB+深度”(RGBD)双模态语义分割模型DFST(depth-fusion semantic transformer),试验在真实温室光照情况下获得深度图像,对深度图像做HHA编码并结合彩色图像输入模型进行训练,经过HHA编码的深度图像可以作为一种辅助模态与RGB图像进行融合并进行特征提取,利用轻量化的多层感知机解码器对特征图进行解码,最终实现图像分割。试验结果表明,DFST模型在测试集的平均交并比可达96.99%,对比不引入深度图像的模型,其平均交并比提高了1.37个百分点;DFST模型对比使用卷积神经网络作为特征提取主干网络的RGBD语义分割模型Shape Conv,其平均交并比提高了2.43个百分点。结果证明,深度信息有助于提高彩色图像的语义分割精度,可以明显提高复杂场景语义分割的准确性和鲁棒性,同时也证明了Transformer结构作为特征提取网络在图像语义分割中也表现出了良好的性能,可为温室环境下的番茄图像语义分割任务提供解决方案和技术支持。

关键词：温室作物语义分割注意力机制设施环境番茄图像 RGBD Transformer

鸟粪石基载镁生物炭对干湿交替稻田产量与品质的影响

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农业工程学报 2024年

作者：李妍琦吴奇宫福征官玉王宣茗迟道才沈阳农业大学农学院沈阳农业大学水利学院

鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)普遍存在于镁改性生物炭对废水氮磷去除后的回收产物中，其可以作为缓释肥料使用。为探究鸟粪石基载镁生物炭(struvite-based magnesium modified biochar,MAP-BC)在农田中的应用效果以及对不同灌溉和施肥模式的... 详细信息

鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)普遍存在于镁改性生物炭对废水氮磷去除后的回收产物中，其可以作为缓释肥料使用。为探究鸟粪石基载镁生物炭(struvite-based magnesium modified biochar,MAP-BC)在农田中的应用效果以及对不同灌溉和施肥模式的适用性，该研究依托大田试验，以东研18号(粳稻)为供试材料，设置常规淹灌(ICF)、干湿交替(IAWD) 2种灌溉模式，以及常规施肥(conventionalfertilization, N1B0)、常规施肥+5t/hm2MAP-BC(conventional fertilization+5 t/hm2MAP-BC,N1B1)、常规施肥+10 t/hm2MAP-BC(conventional fertilization+10 t/hm2MAP-BC, N1B2)、减施氮磷肥25%+5 t/hm2MAP-BC(25% less nitrogen and phosphate fertilizer+5 t/hm2MAP-BC,N3/4B1)和减施氮磷肥25%+10 t/hm2MAP-BC(25%less nitrogen and phosphate fertilizer+10 t/hm2MAP-BC,N3/4B2)5种施肥模式。结果表明：与ICF相比，IAWD显著提高了乳熟期叶片叶绿素含量，并显著降低了2021年无效分蘖数(P<0.05);MAP-BC不仅能够高效弥补减肥对水稻叶绿素含量的不利影响，还具有一定的超补偿效果；MAP-BC中高纯度的鸟粪石组分通过缓释氮磷素，保障了对植株氮磷养分的长期供应。与N1B0相比，N3/4B2不仅可以满足水稻生长后期对氮磷养分的需求，还使穗部吸氮量和吸磷量分别显著增加(P<0.05)4.77%～7.06%和4.26%～12.69%；与N1B0相比，施加10 t/hm2MAP-BC使两年的最高分蘖数和最终分蘖数分别显著增加(P<0.05)6.75%～9.64%和13.16%～16.88%；两年试验中，在IAWD模式下，与N1B0相比，N1B1和N1B2的产量分别显著提高(P<0.05)了7.66%～8.43%和11.49%～12.64%，但5 t/hm2的MAP-BC不足以弥补减肥导致的减产，而10 t/hm2的MAP-BC不仅可以弥补减肥导致的不利影响还能使水稻增产2.70%～6.04%;IAWD模式下N3/4B1和N3/4B2可以显著降低消减值、垩白粒率和垩白度，显著提高崩解值，从而显著改善(P<0.05)水稻外观品质与食味值；此外，施加10 t/hm2的MAP-BC可以显著提高(P<0.05)稻米蛋白含量，营养品质较好。因此，在IAWD模式下减施氮磷肥25%配施10 t/hm2MAP-BC可在节水条件下实现减肥、增产、提质，从而为水稻绿色高效生产提供理论依据。

关键词：灌溉肥料水稻鸟粪石基载镁生物炭叶绿素氮磷吸收产量品质

基于混合分组扩张卷积的玉米植株图像深度估计

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华南农业大学学报 2024年第2期45卷 280-292页

作者：周云成刘忠颖邓寒冰苗腾王昌远沈阳农业大学信息与电气工程学院辽宁沈阳110866

【目的】研究面向玉米田间场景的图像深度估计方法,解决深度估计模型因缺少有效光度损失度量而易产生的精度不足问题,为田间智能农业机械视觉系统设计及导航避障等提供技术支持。【方法】应用双目相机作为视觉传感器,提出一种基于混合... 详细信息

【目的】研究面向玉米田间场景的图像深度估计方法,解决深度估计模型因缺少有效光度损失度量而易产生的精度不足问题,为田间智能农业机械视觉系统设计及导航避障等提供技术支持。【方法】应用双目相机作为视觉传感器,提出一种基于混合分组扩张卷积的无监督场景深度估计模型。设计一种混合分组扩张卷积结构及对应的自注意力机制,由此构建反向残差模块和深度估计骨干网络;并将光照不敏感的图像梯度和Gabor纹理特征引入视图表观差异度量,构建模型优化目标。以田间玉米植株图像深度估计为例,开展模型的训练和测试试验。【结果】与固定扩张因子相比,采用混合分组扩张卷积使田间玉米植株深度估计平均相对误差降低了63.9%,平均绝对误差和均方根误差则分别降低32.3%和10.2%,模型精度显著提高;图像梯度、Gabor纹理特征和自注意力机制的引入,使田间玉米植株深度估计平均绝对误差和均方根误差进一步降低3.2%和4.6%。增加浅层编码器的网络宽度和深度可显著提高模型深度估计精度,但该处理对深层编码器的作用不明显。该研究设计的自注意力机制对编码器浅层反向残差模块中不同扩张因子的卷积分组体现出选择性,说明该机制具有自主调节感受野的能力。与Monodepth2相比,该研究模型田间玉米植株深度估计的平均相对误差降低48.2%,平均绝对误差降低17.1%;在20 m采样范围内,估计深度的平均绝对误差小于16 cm,计算速度为14.3帧/s。【结论】基于混合分组扩张卷积的图像深度估计模型优于现有方法,有效提升了深度估计的精度,能够满足田间玉米植株图像的深度估计要求。

关键词：深度估计扩张卷积自注意力无监督学习玉米植株图像

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辣椒苗夹茎式双排自动取投苗装置设计与试验

农业机械学报 2024年第3期55卷 115-121,152页

作者：邱硕于博计东田素博赵萍白晓虎沈阳农业大学工程学院沈阳110866 农业农村部园艺作物农业装备重点实验室沈阳110866

为提高设施蔬菜生产机械化率,设计了一种双排夹茎式取投苗装置。利用两个对置移栽臂上的双排夹取爪实现辣椒苗循环取投苗作业,PLC控制系统保证取投苗装置有序平稳运转。夹取爪核心部件由软性材料和弹簧钢片紧贴构成,其精确定位由水平和... 详细信息

为提高设施蔬菜生产机械化率,设计了一种双排夹茎式取投苗装置。利用两个对置移栽臂上的双排夹取爪实现辣椒苗循环取投苗作业,PLC控制系统保证取投苗装置有序平稳运转。夹取爪核心部件由软性材料和弹簧钢片紧贴构成,其精确定位由水平和竖直运动机构实现。分析软性材料厚度、辣椒苗苗龄、夹取爪气缸压力对取苗失败率、运苗失败率和投苗失败率的影响规律,以取投成功率为优化目标进行正交试验,确定双排自动取投苗装置的最佳工作参数。试验结果表明:当软性材料厚度为10 mm、辣椒苗苗龄为51 d、夹取爪气缸压力为0.40 MPa时,平均取投成功率达到94.6%,基本满足蔬菜移栽作业的技术要求。

关键词：辣椒苗移栽取投苗装置夹取爪

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新型吡唑丙烯腈酯类衍生物的合成及其杀螨活性

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农药学学报 2024年第4期26卷 716-723页

作者：张雅婷高占宇徐婧刘秉知秦培文纪明山沈阳农业大学植物保护学院沈阳110161 辽宁省生物农药工程中心沈阳110161 辽宁省农业科学院植物保护研究所沈阳110161

为了获得活性更好的吡唑丙烯腈类杀螨剂,采用1,3-二甲基-1H-吡唑-5-羧酸乙酯为原料,通过布兰克氯甲基化、脱卤、缩合和酯化4步反应合成了17个新型吡唑丙烯腈酯类衍生物,并采用浸虫法测定目标化合物对朱砂叶螨Tetranychus cinnabarinus... 详细信息

为了获得活性更好的吡唑丙烯腈类杀螨剂,采用1,3-二甲基-1H-吡唑-5-羧酸乙酯为原料,通过布兰克氯甲基化、脱卤、缩合和酯化4步反应合成了17个新型吡唑丙烯腈酯类衍生物,并采用浸虫法测定目标化合物对朱砂叶螨Tetranychus cinnabarinus的杀螨活性,计算死亡率和致死中浓度(LC_(50))。结果表明,目标化合物具有优良的杀螨活性,其中化合物5q和5k相比于商品化杀螨剂腈吡螨酯(LC_(50)=0.61 mg/L)具有更高的杀螨活性,其LC_(50)值分别为0.17和0.22 mg/L。

关键词：吡唑丙烯腈合成朱砂叶螨杀螨活性腈吡螨酯

超大颗粒肥水田气力深施加速器设计及参数优化

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农业工程学报 2024年第8期40卷 43-52页

作者：辛明金张曼朱仰昆姜志文宋玉秋孔爱菊崔红光沈阳农业大学工程学院沈阳110866 比亚迪汽车工业有限公司深圳518118

为解决水稻撒施追肥存在的肥料流失、利用率低及机械深施肥工作部件易堵塞、伤根等问题,该研究设计了一种用于水田深施追肥机的超大颗粒肥气力式加速器。该加速器利用双螺旋高压气流,在其与肥料上端构成的近封闭空间内加速超大颗粒肥,... 详细信息

为解决水稻撒施追肥存在的肥料流失、利用率低及机械深施肥工作部件易堵塞、伤根等问题,该研究设计了一种用于水田深施追肥机的超大颗粒肥气力式加速器。该加速器利用双螺旋高压气流,在其与肥料上端构成的近封闭空间内加速超大颗粒肥,实现其高速射入泥壤,并可避免肥料颗粒与管壁碰撞;出口设置渐扩管扩散气流,可减轻对泥壤的冲击,提高施肥位置的稳定性。根据超大颗粒肥参数与加速器功能要求,确定了加速器的结构参数,并根据肥料入泥深度所需的射出速度,分析确定了加速器的工作参数。在此基础上,基于Fluent软件的六自由度重叠动网格建立了加速器仿真模型,以进口气流速度、螺旋角和加速管直径为试验因素,进行单因素仿真试验与三因素三水平Box Behnken组合仿真试验,研究各因素对肥料射出速度与气流扩散率的影响。多因素试验分析及响应面分析结果表明,加速器的最佳工作参数为进口气流速度47 m/s、加速管直径21 mm、螺旋进气口螺旋角43°。在此条件下进行台架验证试验,得到肥料射出速度均值为12.61 m/s,出口气流扩散率均值为85.5%,肥料入泥平均深度为4.7 cm,达到了水稻追肥要求。该研究可为超大颗粒肥水田气力深施追肥机设计提供参考。

关键词：农业机械设计试验超大颗粒肥水田深施追肥气力加速器螺旋进气口