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无人机高光谱遥感和集成深度置信神经网络算法用于密云水库水质参数反演

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2066-2074页

作者：乔智姜群鸥律可心高峰北京林业大学水土保持学院北京100038 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京100038

随工业化及社会经济迅速发展,水源地面临的水体污染、恶化不断加剧,开展有效的水质监测是水源保护的重要前提。密云水库是北京重要的地表水源地,在保护首都水源安全方面发挥着重要作用。为更精准的监测密云水库水质参数及污染程度,采用... 详细信息

随工业化及社会经济迅速发展,水源地面临的水体污染、恶化不断加剧,开展有效的水质监测是水源保护的重要前提。密云水库是北京重要的地表水源地,在保护首都水源安全方面发挥着重要作用。为更精准的监测密云水库水质参数及污染程度,采用4期无人机高光谱遥感数据,基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法(EDBN),构建密云水库水质参数反演模型,对密云水库总氮(TN)、总磷(TP)两项水质参数进行反演。首先,采用基于递归特征消除法对高光谱影像降维处理,将光谱数据与地面水质监测数据进行叠加,通过最小化训练过程中误差来确定隐藏层数、神经节点数等网络结构参数;然后采用由知识源域向网络迁移方式逐步拓展网络,对密云水库总氮和总磷两个水质参数进行训练并对结果进行验证;最后,反演密云水库潮河大坝和白河大坝区域水质参数,揭示其主要水质参数时空演变规律。研究结果显示:(1)构建总氮、总磷反演模型R^(2)分别为0.8355、0.7703,MSE分别为0.0153、0.0008,这表明基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法模型对密云水库水质参数反演效果较好;(2)密云水库总氮浓度变化随季节发生一定波动,在夏季浓度较低,秋季相对较高。总磷浓度变化相对平稳,表明密云水库周边区域对磷污染控制效果良好;(3)白河大坝区域水质优于潮河大坝区域,总氮浓度相对偏高,整体处于Ⅲ类水平。而总磷浓度较低,整体处于Ⅱ类水平,较好时可以达到Ⅰ类水平。整体水质可以满足饮用水源的标准,但仍需加强对氮、磷污染物有效监管。研究结果将为密云水库水质高效监测与水源保护提供重要科学依据。

关键词：无人机高光谱深度神经网络算法水质反演密云水库

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石羊河尾闾青土湖表层土壤粒度空间分布特征

水土保持研究 2024年第6期 46-54页

作者：安富博郭树江赵赫然赵艳丽王飞李雪娇宋德伟甘肃省治沙研究所甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地)

[目的]揭示石羊河尾闾青土湖土壤粒度空间分布特征，为该区域生态恢复提供理论依据。[方法]以湖区为中心分别在西北、正东、东南方向上布设样线并采集0—20 cm深度土壤样品，对比分析了青土湖周边不同区域沙物质粒配组成、粒配曲线等参... 详细信息

[目的]揭示石羊河尾闾青土湖土壤粒度空间分布特征，为该区域生态恢复提供理论依据。[方法]以湖区为中心分别在西北、正东、东南方向上布设样线并采集0—20 cm深度土壤样品，对比分析了青土湖周边不同区域沙物质粒配组成、粒配曲线等参数特征。[结果](1)青土湖表层土壤粒度组成以细砂为主(26.26%～84.97%),其中西北方向上表层土壤粒度以细砂为主(26.26%～66.62%),其次是粉粒(4.23%～46.35%);正东、东南方向上表层土壤粒度组成以细砂为主(43.41%～86.30%),其次是极细砂(1.86%～29.60%)。不同样线同粒级间含量存在差异。(2)研究区表层土壤颗粒总体较粗，分选较差，偏度为正偏度，峰度属尖窄。粒度参数的空间分布表现为：西北方向表层土壤平均粒径较其他方向偏细，分选性较差，偏度也更为正偏，峰值小于正东方向。正东、东南方向表层土壤平均粒径较为一致，明显偏粗，分选性分别属中等、较好，均为近于对称，峰度为尖窄、中等。(3)西北方向土壤粒度频率平均值分布曲线表现为双峰型，正东、东南方向为单峰型。粒度累计分布曲线反映出，东南方向风沙活动较正东、西北方向频繁、强烈。(4)通过沉积环境判别得出西北方向主要是湖相沉积，正东、东南主要是风成沉积。[结论]成土过程和干旱多风的环境条件影响青土湖土壤的基本特性，而通过生态输水形成水面改善了该区的土壤环境。

关键词：土壤粒度粒度参数粒配曲线青土湖

石羊河尾闾青土湖土壤种子库特征及其与地上植被的关系

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西北林学院学报 2024年第4期39卷 170-177页

作者：赵艳丽安富博郭树江赵赫然王飞李雪娇宋德伟甘肃省治沙研究所甘肃兰州730070 甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地) 甘肃武威733000 甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站甘肃民勤733300

为探究土壤种子库在石羊河尾闾青土湖植物保护中的作用及其在生态恢复中的潜力,选择青土湖湖心向外辐射的西北、正东、东南方向上的3条样线,采用野外植被样方调查与种子萌发试验相结合的方法,对青土湖土壤种子库组成、空间分布及其与地... 详细信息

为探究土壤种子库在石羊河尾闾青土湖植物保护中的作用及其在生态恢复中的潜力,选择青土湖湖心向外辐射的西北、正东、东南方向上的3条样线,采用野外植被样方调查与种子萌发试验相结合的方法,对青土湖土壤种子库组成、空间分布及其与地上植被的关系进行研究。结果表明,1)青土湖区土壤种子库共出现9种植物,分属6科9属,以藜科植物最多,生活型以1年生草本植物种子比例最高,占到51.86%~94.32%,而灌木植物所占比例很小。2)土壤种子库密度介于0~1 516.67粒·m^(-2),平均土壤种子库密度表现为正东方向>东南方向>西北方向;土壤种子库分布主要集中在0~2 cm土层中,种子库密度随土层深度的增加呈降低趋势。3)青土湖土壤种子库物种多样性指数从湖心向外辐射呈现先增加后降低的趋势,表现为正东方向>东南方向>西北方向。4)青土湖周边土壤种子库和地上植被的平均相似性系数均较低,在0.03~0.20,属极不相似水平,说明在物种组成上差异显著。研究结果可为青土湖周边植被恢复与重建提供科学依据和支撑。

关键词：土壤种子库物种多样性地上植被青土湖

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氟啶酮与赤霉素组合对沙米种子萌发与出苗的影响

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草业科学 2024年第4期41卷 802-809页

作者：孙琳魏林源马全林陈芳张德魁邹枝慧郭方君姚泽王平甘肃农业大学资源与环境学院甘肃兰州730070 甘肃省治沙研究所荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地甘肃兰州730070 甘肃省林业科学研究院甘肃兰州730020

种子萌发出苗是流动沙丘先锋植物沙米(Agriophyllum squarrosum)成功实现自然更新的关键环节,也是制约其人工栽培的重要因素。选取当年采收的沙米种子为试验材料,研究了氟啶酮(fluridone,FL)不同浓度、浸种时长以及与赤霉素(gibberellin... 详细信息

种子萌发出苗是流动沙丘先锋植物沙米(Agriophyllum squarrosum)成功实现自然更新的关键环节,也是制约其人工栽培的重要因素。选取当年采收的沙米种子为试验材料,研究了氟啶酮(fluridone,FL)不同浓度、浸种时长以及与赤霉素(gibberellin,GA3)组合对沙米种子萌发和出苗的影响,筛选有效促进沙米萌发和出苗的FL+GA3组合。研究结果表明,FL溶液浸种能有效打破沙米种子的休眠,其浓度大小和浸种时长决定沙米种子萌发速度的快慢和发芽率的高低,0.1%~10%浓度范围内沙米种子发芽率随FL浓度增大而逐渐提高;3~24 h浸种时间内沙米种子发芽率随时长逐渐增大,浸种时长在24 h发芽率达到最高。单一FL适宜浓度为5.0μmol·L−1,浸种时长为24 h。在FL溶液加入GA3后,协同作用不仅提高了低浓度FL溶液的出苗率,也解决了单一FL溶液处理幼苗死亡率高的问题。优选出5.0μmol·L^(−1)FL+2.0 g·L^(−1)GA3组合,该组合处理后,沙米种子的发芽率提高,发芽速度加快,且幼苗的保存率也达到最高,可为沙米大田人工栽培提供理论依据和技术支撑。

关键词：沙米萌发率出苗率氟啶酮赤霉素播种深度存活率

石羊河尾闾青土湖荒漠植物群落种间关联及生态位研究

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水生态学杂志 2024年第2期45卷 121-131页

作者：耿东梅赵鹏陈亚东张裕年段晓峰甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司甘肃兰州730010 甘肃省治沙研究所甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室甘肃兰州730070 甘肃省农村饮水安全管理办公室甘肃兰州730010

探究荒漠植物群落种间关系,为石羊河尾闾干涸湖泊植被恢复与重建提供理论支撑。2018年9月,在石羊河下游青土湖设置3条调查样带,共调查灌木样方27个,草本样方81个。采用方差比率法、χ^(2)检验、Pearson相关、Spearman秩相关、联结系数Oc... 详细信息

探究荒漠植物群落种间关系,为石羊河尾闾干涸湖泊植被恢复与重建提供理论支撑。2018年9月,在石羊河下游青土湖设置3条调查样带,共调查灌木样方27个,草本样方81个。采用方差比率法、χ^(2)检验、Pearson相关、Spearman秩相关、联结系数Ochiai和生态位量化方法,开展荒漠植物群落种间关联程度、生态位宽度及生态位重叠特征研究。结果表明:青土湖荒漠植物群落包括24种植物,其中灌木8种,多年生草本8种,一年生草本8种,草本植物占总物种数的66.67%。不同生活型荒漠植物中重要值最大的分别为白刺(Nitraria tangutorum)、芦苇(Phragmites australis)和猪毛菜(Salsola collina)。方差比率分析表明,青土湖荒漠植物群落种间总体上呈不显著负联结关系,群落处于波动演替状态。Ochiai系数0~0.3的种对占总对数的72.83%,种对间的相关性较弱。生态位宽度较大的灌木有白刺(21.728)、梭梭(Haloxylon ammodendron)(10.321)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum)(5.711);多年生草本有芦苇(12.556)、黄花补血草(Limonium aureum)(4.874)、荒漠黄耆(Astragalus grubovii)(4.248);一年生草本有猪毛菜(9.340)、盐生草(Halogeton glomeratus)(7.822)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)(6.237)。生态位重叠较大的种对有灰绿藜(Chenopodium glaucum)和碟果虫实(Corispermum patelliforme)(0.84)、沙蒿(Artemisia desertorum)和戈壁驼蹄瓣(Zygophyllum gobicum)(0.77)、黄花补血草和画眉草(Eragrostis pilosa)(0.77)、砂蓝刺头(Echinops gmelinii)和红砂(Reaumuria soongarica)(0.75)。群落物种生态位重叠均值为0.12,种间竞争较小。建议在石羊河下游青土湖人工植物群落构建过程中重视种间关系,选择种间竞争小的灌木和多年生草本植物作为生态恢复的植物种。

关键词：荒漠植物种间关联生态位青土湖

唐古特大黄FTIR的双指标序列分析及抗炎谱效关系研究

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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 188-196页

作者：郭亚菲曹强叶蕾蕾张成园寇仁博王君梅郭玫甘肃中医药大学药学院甘肃兰州730000 甘肃省高校中(藏)药化学与质量研究省级重点实验室甘肃兰州730000

对于中药材的质量控制研究是中医药现代化的主要研究内容之一。唐古特大黄是一种常用中药,目前对唐古特大黄的质量控制研究多集中在总蒽醌类成分、游离蒽醌类成分以及指纹图谱,基于抗炎效果的质量标准研究尚为少数。采集不同产地、不同... 详细信息

对于中药材的质量控制研究是中医药现代化的主要研究内容之一。唐古特大黄是一种常用中药,目前对唐古特大黄的质量控制研究多集中在总蒽醌类成分、游离蒽醌类成分以及指纹图谱,基于抗炎效果的质量标准研究尚为少数。采集不同产地、不同采收时间的18批唐古特大黄药材,对其粉末进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)研究,发现16个共有峰,18批次之间具有较高的相似性(0.798~0.900),相同产地(甘南产、青海产)的唐古特大黄相似度较高(相似度大于0.900的达80%以上),但两产地之间的相似度相对较低(相似度大于0.900的仅为69.44%),结合聚类分析发现不同产地唐古特大黄FTIR谱图存在一定差异性,产地可能是主要影响因素。建立双指标分析序列,可在一定程度上区分药材不同产地。脂多糖(LPS)刺激RAW264.7细胞建立炎性细胞模型,以NO抑制率作为炎性指标,测定不同批次唐古特大黄的NO抑制率。以共有峰透过率作为X, NO抑制率作为Y,采用SMICA14.1软件构建PLSR模型建立谱效关系,谱图中X_(14)、X_(15)、X_(11)、X_(2)四个共有峰VIP>1,其中X_(2)与抗炎效果呈正相关关系,X_(14)、X_(15)、X_(11)与抗炎效果现负相关关系。进一步建立数学模型得共有峰(X)与NO抑制率(Y)的关系Y=237.618+2.992X_(2)-0.845X_(4)+2.979X_(6)-3.722X_(7)+0.433X_(8)-0.957X_(12)-0.759X_(14)-0.632X_(15)(p=0.003<0.01,R=0.935),p<0.01代表构建数学模型有意义,R=0.935代表所构建数学模型可解释93.5%的数据。可知X_(2)、X_(6)与抗炎效果呈正相关关系,X_(4)、X_(7)与抗炎效果呈负相关关系,可预测体外抗炎效果,准确率达93.5%,但由于样本量过小,仅可用于解释本研究纳入数据。X_(6)是由甲基的β(C—H)产生,可能与大黄素、大黄酸、大黄素甲醚、芦荟大黄素等蒽醌类成分有关。该研究将抗炎活性与红外光谱数据相结合,引入唐古特大黄质量评价体系,为唐古特大黄产业的健康发展提供新思路。

关键词：唐古特大黄傅里叶变换红外光谱双指标序列聚类分析抗炎谱效关系

应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化建模方法

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计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 1036-1049页

作者：曹伟潘文珺刘斌路平江开勇华侨大学福建省特种能场制造重点实验室/厦门市数字化视觉测量重点实验室福建厦门361021

为了提高多孔零件的设计自由度、内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,提出一种应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化设计方法。将零件有限元分析结果分解为应力标量场和应力方向场,通过加权随机采样算法将应力标量场映射... 详细信息

为了提高多孔零件的设计自由度、内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,提出一种应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化设计方法。将零件有限元分析结果分解为应力标量场和应力方向场,通过加权随机采样算法将应力标量场映射为零件设计域内的维诺站点分布,实现零件内部力学性能的梯度分布;将应力方向场映射为二维黎曼流形,提出一种基于胞元择优方向生长策略的各向异性维诺图生成算法,生成胞元沿黎曼流形分布的各向异性维诺图。在此基础上,通过偏置算法、调和距离场和拉伸算法生成光滑的梯度各向异性维诺多孔零件。最后,采用有限元分析、三点弯曲实验等方法将所设计的多孔零件和其他多孔零件进行比较分析。实验结果表明,所提出的梯度各向异性维诺多孔零件建模方法能有效提升零件内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,降低材料消耗,实现轻量化设计。

关键词：轻量化设计多孔结构各向异性梯度维诺图

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甘肃温室葡萄生产的能量利用与碳足迹研究

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2024年第7期52卷 89-98页

作者：李银科王耀琳刘开琳孙涛李硕杨彦军甘肃省治沙研究所、甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地甘肃兰州730070 甘肃省治沙研究所、甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站甘肃兰州730070 永登县农业技术推广中心甘肃永登730300 武威市威龙有机葡萄种植有限公司甘肃武威733099

【目的】探明甘肃温室葡萄生产的能量投入和碳足迹构成,识别主要的碳排放贡献因子,为温室葡萄清洁生产提供依据。【方法】以甘肃温室葡萄为研究对象,将温室葡萄栽培区分为兰州市永登县及武威市凉州区、古浪县、天祝县华藏寺镇和天祝县... 详细信息

【目的】探明甘肃温室葡萄生产的能量投入和碳足迹构成,识别主要的碳排放贡献因子,为温室葡萄清洁生产提供依据。【方法】以甘肃温室葡萄为研究对象,将温室葡萄栽培区分为兰州市永登县及武威市凉州区、古浪县、天祝县华藏寺镇和天祝县哈溪镇5个不同海拔区域,通过农户调查获得2019年葡萄生产数据,核算温室葡萄生产各环节的能量输入、能量输出和碳排放,对比分析不同海拔区域温室葡萄生产的能量利用效率、能量生产率、净能量、比能和碳足迹。【结果】甘肃温室葡萄生产的能量输入为273862~434421 MJ/hm^(2),能量输出为170723~327962 MJ/hm^(2),葡萄产量为14460~27793 kg/hm^(2),属于高投入高产出型。甘肃温室葡萄生产的能量利用效率为0.45~1.13,能量生产率为0.038~0.096 kg/MJ,净能量为-263798~2496 MJ/hm^(2),比能为13.51~44.85 MJ/kg;直接能量投入和可再生能量投入占比低,间接能量投入和不可再生能量投入占比高。单位面积碳足迹和单位产量碳足迹分别为32959~55075 kg/hm^(2)和1.59~5.70 kg/kg,碳足迹很大程度上来源于氮肥的投入,其占比达45.5%~62.4%。不同区域相比,天祝县哈溪镇温室葡萄生产的能量输入低,能量输出和产量较高,能量利用效率和能量生产率也较高,净能量最大且为正值,比能最小,单位面积碳足迹和单位产量碳足迹均最小;天祝县华藏寺镇能量利用指标最差,碳足迹最大。【结论】甘肃温室葡萄生产的能量利用效率较低,碳足迹较高,能量利用效率的提高和碳足迹的降低空间均较大。因此应采取降低氮肥使用量、优化氮肥与有机肥配比等科学合理的管理措施,提高甘肃温室葡萄生产的能量利用效率,降低碳足迹,改善其环境效应。

关键词：温室葡萄能量利用效率碳足迹甘肃省

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时延非线性系统无模型预设性能控制

自动化学报 2024年第5期50卷 937-946页

作者：张晋熙柴天佑王良勇东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室沈阳110819

研究含有状态时延的严反馈非线性系统的跟踪控制问题,充分考虑时延的时变性和任意性以及系统的未知动力学特性.为解决该问题,取代参数辨识、函数逼近、增益调节、指令滤波等常规技术,提出基于导向函数的预设性能控制方法,移除了控制器... 详细信息

研究含有状态时延的严反馈非线性系统的跟踪控制问题,充分考虑时延的时变性和任意性以及系统的未知动力学特性.为解决该问题,取代参数辨识、函数逼近、增益调节、指令滤波等常规技术,提出基于导向函数的预设性能控制方法,移除了控制器设计对于系统非线性、控制方向和虚拟控制信号导数等信息的依赖.并且,摆脱基于李雅普诺夫−克拉索夫斯基泛函或拉祖米欣函数的稳定性分析框架,采用基于反证法的受限分析理论,移除性能分析对于已知的时延上界、部分已知的时延非线性函数和时延导数小于1等常见约束.因此,形成无模型、低复杂度、高性能控制方法,将跟踪误差限制于设计者预先选取的性能包络线内,确保系统输出以预先设定的速度和精度跟踪上时变的设定值.最后,以具有延迟回收流的两级化学反应器为对象开展对比仿真,实验结果验证了所提方法的有效性和优越性.

关键词：无模型控制预设性能参考跟踪时延系统非线性系统