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基于影像分割的覆膜玉米叶绿素含量反演

中国农业科学 2024年第6期57卷 1066-1079页

作者：周智辉谷晓博程智楷常甜赵彤彤王玉明杜娅丹西北农林科技大学水利与建筑工程学院/西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室

【目的】快速、准确监测覆膜玉米叶绿素含量，探明将影像地膜和阴影背景像元剔除能否提高光谱和纹理特征反演叶绿素含量的精度。【方法】以无人机多光谱遥感影像数据为基础，以覆膜玉米苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期叶绿素含量为对象，... 详细信息

【目的】快速、准确监测覆膜玉米叶绿素含量，探明将影像地膜和阴影背景像元剔除能否提高光谱和纹理特征反演叶绿素含量的精度。【方法】以无人机多光谱遥感影像数据为基础，以覆膜玉米苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期叶绿素含量为对象，使用监督分类分割影像背景像元和玉米像元，分析背景像元对玉米冠层光谱的影响，计算全像元和玉米像元影像的光谱特征和纹理特征并筛选较优变量输入，利用偏最小二乘、支持向量机和BP神经网络3种机器学习算法建立玉米叶绿素含量的反演模型。【结果】(1)苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期多光谱影像中的背景像元对玉米冠层的光谱均有显著影响。(2)基于玉米像元影像提取的光谱特征、纹理特征和光谱特征+纹理特征为变量输入的反演精度均优于全像元影像(最佳模型建模R 2提高0.078,RMSE和MAE分别降低0.060和0.055 mg·g-1，验证R 2提高0.109,RMSE和MAE分别降低0.075和0.047 mg·g-1)。(3)基于玉米像元影像的光谱特征+纹理特征为变量输入的建模精度比仅使用光谱特征或纹理特征为变量输入的建模精度提升显著；其中光谱特征+纹理特征为变量输入的BP神经网络模型精度最高(验证R 2、RMSE、MAE分别为0.690、0.468 mg·g-1、0.375 mg·g-1)。【结论】采用剔除背景像元的无人机多光谱影像光谱和纹理特征数据并结合BP神经网络可较好地实现覆膜玉米叶绿素含量的反演，研究结果可为无人机遥感快速、准确反演覆膜玉米叶绿素含量提供理论参考。

关键词：无人机多光谱影像分割叶绿素含量覆膜纹理特征

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滴灌系统叠片过滤器结构参数优化

农业工程学报 2024年第7期40卷 133-141页

作者：袁寄望朱德兰孙少博郑长娟 KHUDAYBERDI Nazarov 柳昌新西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 塔什干国立农业大学农业生物学院塔什干100140

针对不同级配含沙水和灌水器类型的叠片过滤器结构选型问题,该研究选取常用叠片过滤器,通过组合不同叠片数量改变相邻叠片间孔径,设计了多种不同泥沙处理能力的过滤器。对5种泥沙粒径级配条件下5种孔径叠片过滤器的性能开展试验研究,根... 详细信息

针对不同级配含沙水和灌水器类型的叠片过滤器结构选型问题,该研究选取常用叠片过滤器,通过组合不同叠片数量改变相邻叠片间孔径,设计了多种不同泥沙处理能力的过滤器。对5种泥沙粒径级配条件下5种孔径叠片过滤器的性能开展试验研究,根据不同工况下叠片过滤器运行周期内的水头损失、堵塞时段水头损失增长速率、过滤器的堵塞均匀度以及灌水器流量偏差率等指标,采用模糊数学综合评价方法,构建综合考虑灌溉含沙水、叠片过滤器和滴灌灌水器的多目标评价模型。结果表明:基于叠片孔径可调的过滤器可以实现拦截不同粒径范围泥沙的目标,5种孔径过滤器拦截泥沙粒径(拦截率大于90%的沙粒段中最小粒径级配的中值粒径)分别为49、82、100、127和150μm;随着过滤器孔径减小,粒径越细小的含沙水对水头损失增大作用越显著。不同级配含沙水和灌水器类型条件下叠片过滤器性能综合评价结果与试验结果相符,通过对综合评价指标值排序,筛选出灌溉含沙水、过滤器、灌水器三者最优的匹配方式,能够同时实现灌水器堵塞程度轻微和过滤器性能稳定。提出的叠片过滤器结构参数配置决策方案,可为叠片过滤器的合理配置和使用提供参考。

关键词：滴灌叠片过滤器灌水器水力性能优化配置

基于改进AdvSemiSeg的半监督遥感影像作物制图方法

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农业机械学报 2024年第8期55卷 196-204页

作者：翟雪东韩文霆马伟童崔欣李广黄沈锦西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 中国科学院重庆绿色智能技术研究院重庆400714 哈尔滨工业大学计算学部哈尔滨150001

作物精准遥感制图对于农业资源调查与管理具有重要意义。深度学习为实现精准高效作物制图提供了技术支持。为了缓解深度学习对标记样本的依赖,本文提出了一种改进AdvSemiSeg的半监督遥感影像作物制图方法。所提方法引入STMF-DeepLabv3+... 详细信息

作物精准遥感制图对于农业资源调查与管理具有重要意义。深度学习为实现精准高效作物制图提供了技术支持。为了缓解深度学习对标记样本的依赖,本文提出了一种改进AdvSemiSeg的半监督遥感影像作物制图方法。所提方法引入STMF-DeepLabv3+作为对抗学习中的生成网络,通过Swin Transformer(ST)和多尺度特征融合(Multi-scale fusion, MF)模块提高生成网络特征编码能力和语义表达能力,改善遥感影像作物分割效果;此外,在判别网络中引入通道注意力(Efficient channel attention, ECA)模块,对不同通道特征图的表征信息进行自适应学习,增强判别网络对不同通道特征的感知能力。模型训练过程中,判别网络为生成网络提供高质量的伪标签和对抗损失,有效提高生成网络的泛化能力。采用所提方法与几种先进的半监督语义分割方法对内蒙古河套灌区遥感影像种植信息进行提取,本文方法性能最优。

关键词：遥感作物制图半监督学习生成对抗网络多尺度特征融合通道注意力

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多因素耦合的光伏水泵提水系统配置优化方法

农业工程学报 2024年第3期40卷 84-93页

作者：赵航朱德兰张锐纳扎罗夫•胡代贝尔迪柳昌新西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 塔什干国立农业大学塔什干100140乌兹别克斯坦

为探究提水效率影响因素及系统配置对光伏水泵提水系统性能影响,该研究利用光伏水泵循环提水系统,探究不同辐照强度、阀门开度、提水高度下光伏组件利用效率、水泵运行效率、管路效率变化规律,并构建系统流量计算模型,根据该模型计算各... 详细信息

为探究提水效率影响因素及系统配置对光伏水泵提水系统性能影响,该研究利用光伏水泵循环提水系统,探究不同辐照强度、阀门开度、提水高度下光伏组件利用效率、水泵运行效率、管路效率变化规律,并构建系统流量计算模型,根据该模型计算各个区间的提水量占比及不同提水高度下提水系统的参数,根据该系统整体效率和太阳能利用率确定最优提水高度;在此基础上,通过增加光伏组件面积及蓄水池数量降低提水系统提水成本及提高太阳能利用率,并确定提水成本最低时光伏组件面积和蓄水池数量。研究结果表明:确定光伏组件利用效率随辐照强度变化关系及水泵高效率运行区间,并确定光伏水泵最优提水高度为20 m,太阳能利用率为64.05%,整体利用效率为4.521%,提水成本为0.151元/m^(3);在最优提水高度的基础上,讨论了增加光伏板面积及蓄水池数量对太阳能利用率与提水成本的影响,当提水成本最低时,光伏板面积为3.71 m2,成本为0.143元/m^(3),太阳能利用率为90.83%;蓄水池数量为4个,成本为0.145元/m^(3),太阳能利用率为94.62%,表明增加光伏板面积和蓄水池数量有效降低提水成本和提高太阳能利用率,为光伏水泵提水系统配置的优化提供新思路。

关键词：太阳能效率阀门开度光伏水泵太阳能利用率

考虑环境成本综合效益的泾河流域最佳管理措施评价与筛选

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中国环境科学 2024年第1期44卷 319-328页

作者：阮炳南吴磊郭嘉薇杜佰林西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

基于土壤和水评估工具(SWAT)评估9种单一最佳管理措施(BMPs)及其不同组合共计103种BMPs情景布设对非点源污染的消减效率,并基于信息熵的多属性决策方法评估泾河流域BMPs实施成本和非点源控制有效性之间的权衡.研究发现,SWAT模型在泾河... 详细信息

基于土壤和水评估工具(SWAT)评估9种单一最佳管理措施(BMPs)及其不同组合共计103种BMPs情景布设对非点源污染的消减效率,并基于信息熵的多属性决策方法评估泾河流域BMPs实施成本和非点源控制有效性之间的权衡.研究发现,SWAT模型在泾河流域非点源污染模拟中适用性较好,不同的BMPs对非点源污染负荷削减量存在较大差异,组合BMPs比单一BMPs在降低非点源污染负荷方面表现更好.在农业耕作过程中减少化肥50%的施用量、将坡度大于25°的农田退耕还草以及在河道进行植草水道措施建设是泾河流域具有最大环境成本综合效益值的优选组合BMPs.

关键词：非点源最佳管理措施环境成本综合效益泾河流域

从纳米水化硅酸钙到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型

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材料导报 2024年第7期38卷 126-133页

作者：童涛涛李宗利刘士达张晨晨金鹏西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 山东电力工程咨询院有限公司济南250013

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙(C-S-H)到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于... 详细信息

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙(C-S-H)到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于该模型的计算结果可得:C-S-H凝胶中44%的孔隙率致使其体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约66%、53%和55%。当水灰比从0.3变化至0.5时,水泥净浆的体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约39%、30%和32%;LD C-S-H和毛细孔的体积分数分别增大了13%和20%。水化产物中C-S-H的体积分数越大,或水泥熟料中硅酸三钙的质量分数越大,水泥净浆的弹性参数越大。该模型为水泥基材料微观调控提供了指导。

关键词：纳米水化硅酸钙水泥净浆弹性性能多尺度递推模型分子动力学均质化

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气候变化背景下山西省气象干旱时空演变特征

农业机械学报 2024年第1期55卷 270-281页

作者：姚宁蒋昆昊谢文馨张东彦杨晓娟于强西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院陕西杨凌712100

干旱频发对生态资源、农业发展造成了严重影响,为揭示山西省干旱时空演变特征,基于1971—2020年山西省24个气象站点的逐月气象资料,利用改进的Mann-Kendall方法检验各气象因子的年变化趋势,采用FAO56 Penman-Monteith公式计算参考作物... 详细信息

干旱频发对生态资源、农业发展造成了严重影响,为揭示山西省干旱时空演变特征,基于1971—2020年山西省24个气象站点的逐月气象资料,利用改进的Mann-Kendall方法检验各气象因子的年变化趋势,采用FAO56 Penman-Monteith公式计算参考作物腾发量(ET0),分析单个气象因子变化情况下ET0的变化特征和对气象因子的敏感性,比较各时间尺度(月、季、年尺度)不同干旱指数(降水距平百分率(Pa)、标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI))对山西省干旱灾害监测能力。结果表明:ET0与相对湿度呈负相关,气象因子对ET0的敏感性由大到小依次为相对湿度、日最高气温、2 m处风速、日最低气温、日平均气温,ET0呈波动下降趋势。SPEI能够在多时间尺度上有效反映山西省干旱状况,是该地区干旱监测的有效工具。在月、季、年尺度下,比较3个干旱指数,Pa检测效果较差,SPI和SPEI在某些地理区域存在较大差异,整体而言,SPEI在多数地区检测干旱的性能更好;SPEI-1尺度下,各干旱等级发生频率由大到小依次为轻旱(14.8%)、中旱(10.6%)、重旱(5.6%)、特旱(1.9%),3月干旱发生率最高(34%),12月发生率最低(31.8%),吕梁市、晋中市、大同市干旱情况较为严重;SPEI-3尺度下,季节发生干旱频率由大到小依次为秋季(33.5%)、夏季(32.5%)、春季(31.9%)、冬季(31.4%),大同市、长治市特旱发生频率最高,旱情最为严重,忻州市轻旱频率、朔州市中旱频率、吕梁市重旱频率最高;SPEI-12尺度下,轻、中、重、特旱频率分别为14.8%、10.5%、5.4%、2.3%,SPEI-12相较SPEI-1和SPEI-3识别重旱、特旱的站点更多,并基于游程理论得出,山西省南部干旱频次更多,东部干旱历时更长、干旱严重程度更大,干旱峰值主要出现在山西省南北部,由于年均降水呈波动性下降,年均气温整体上升,山西省的气候趋于暖干化,南北部旱情将有所加重,中部地区旱情有所减缓,全域性干旱仍有很大发生可能。

关键词：干旱指数干旱特征参考作物腾发量游程理论山西省

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区域粮食虚拟水流动经济社会影响效应分析

农业机械学报 2024年第7期55卷 345-356,385页

作者：佟佳骏孙世坤马佳乐阴亚丽王玉宝沈欣许纪元西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 全国农业技术推广服务中心北京100125

虚拟水流动是水资源在空间上再分配的一种重要表现形式,作为虚拟水的载体,粮食贸易运输过程中伴随着虚拟水的流动。中国人口和资源与粮食生产呈现明显的空间错位,虚拟水流动格局、水土资源分布、经济社会发展情况的空间匹配度较差。在... 详细信息

虚拟水流动是水资源在空间上再分配的一种重要表现形式,作为虚拟水的载体,粮食贸易运输过程中伴随着虚拟水的流动。中国人口和资源与粮食生产呈现明显的空间错位,虚拟水流动格局、水土资源分布、经济社会发展情况的空间匹配度较差。在现阶段虚拟水-实体水耦合分析探究粮食虚拟水流动资源环境效应的基础上,增添其对经济社会的影响效应分析,可以进一步优化资源调配,促进区域可持续发展。本研究以中国内地31省份为研究区,以省级行政区划为研究单元,分析了1997—2021年间粮食虚拟水流动的时空演变格局;通过空间聚类分析以及虚拟水-经济社会化数据耦合分析明确了粮食虚拟水调运的空间聚类情况,解析了主要输入和输出省份粮食虚拟水的调运量与经济社会发展的相关关系;选取9个主要经济社会影响因子,将灰色关联度和集对分析方法结合探讨了经济社会影响因子对粮食虚拟水流动影响效应的空间差异。结果表明:粮食虚拟水流动总体呈现从“缺水”的北方流向“富水”的东南区域,从经济欠发达地区流向经济发达地区的趋势,且经济社会系统在一定程度上影响了粮食虚拟水的流动。根据经济社会因子对不同省份粮食虚拟水流动的影响效应,将各省份粮食虚拟水流动的经济社会关联类型划分为产业关联型、社会关联型和资源关联型。综上,促进区域间协调发展与产业结构优化将是解决我国粮食虚拟水流动伴生的自然环境与经济社会负反馈效应的重要解决途径。

关键词：粮食虚拟水流动区域社会经济差异灰色关联度分析集对分析影响效应分析

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基于产量和N_(2)O排放的温室番茄灌溉模式

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农业环境科学学报 2024年第1期43卷 202-213页

作者：段琳博蔡焕杰孙亚楠马静杨楠西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为了揭示设施菜地N_(2)O排放的变化规律,了解水肥气耦合对设施菜地土壤N_(2)O的影响,对不同水肥气处理进行综合评价,提出合理的减排措施。试验以番茄为供试作物,设置了灌水水平(I)、施肥水平(F)和加气水平(A)3个因素,以不加气(CK)充分... 详细信息

为了揭示设施菜地N_(2)O排放的变化规律,了解水肥气耦合对设施菜地土壤N_(2)O的影响,对不同水肥气处理进行综合评价,提出合理的减排措施。试验以番茄为供试作物,设置了灌水水平(I)、施肥水平(F)和加气水平(A)3个因素,以不加气(CK)充分灌溉条件下2个施肥水平为对照,设置I1和I2(分别为亏缺灌溉和充分灌溉,对应作物-皿系数(K_(cp))分别为0.8和1.0)2个灌水水平,F1和F2(分别为低肥和高肥,对应施氮量为180 kg·hm^(-2)和240 kg·hm^(-2))2个施肥水平,A1和A2(分别为1倍气和2倍气)2个加气水平,共10个处理。采用静态暗箱-气相色谱法对番茄全生育期N_(2)O排放进行监测分析,系统研究水肥气耦合对温室番茄土壤N_(2)O排放的影响及其影响因素。结果表明:灌水量和施肥量的增加均会增加土壤N_(2)O排放通量,I2处理的N_(2)O排放通量比I1处理平均增加14.79%(P>0.05),F2处理比F1处理平均增加34.90%(P0.05)和62.92%(P节水、减排的较佳灌溉模式。

关键词： N_(2)O排放水肥气耦合温室番茄土壤灌水量施肥量