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基于改进CNN的猕猴桃根区土壤含水率反演方法

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农业工程学报 2024年第11期40卷 85-91页

作者：潘时佳吴津乐程梅周敏姑牛子杰韩文霆西北农林科技大学机械与电子工程学院杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌712100

为解决无人机遥感领域根据冠层光谱信息对猕猴桃果树根系土壤含水率(root soil water content, RSWC)进行反演时,现有算法对冠层图像信息分析不足的问题,该研究对传统卷积神经网络模型进行改进,提出一种复合视觉卷积回归神经网络(compou... 详细信息

为解决无人机遥感领域根据冠层光谱信息对猕猴桃果树根系土壤含水率(root soil water content, RSWC)进行反演时,现有算法对冠层图像信息分析不足的问题,该研究对传统卷积神经网络模型进行改进,提出一种复合视觉卷积回归神经网络(compound visual convolutional regression network, CVCRNet),该网络复合两种不同尺寸卷积层对图像数据进行卷积特征提取,并使用全连接层对卷积特征值进行降维,从而直接以多光谱图像为分析对象对RSWC进行反演,充分利用多光谱图像内所有数据,提升反演精度。研究采集徐香猕猴桃果树果实膨大期(5-9月)冠层多光谱信息和深度40 cm处的RSWC,把基于图像的CVCRNet网络反演方法与基于植被指数的传统反演方法进行对比,CVCRNet训练结果在验证集R^(2)为0.827,RMSE为0.787%,相较于传统方法在验证集R^(2)为0.759,RMSE为0.983%,反演结果相关性有了明显提升,准确率也有得到一定提高。结果表明,改进后的CNN网络能够作为冠层信息反演的重要工具,在冠层复杂的场景下达成良好的土壤数据反演效果。

关键词：土壤含水率多光谱成像无人机遥感卷积神经网络果园管理

基于多光谱遥感和CNN的玉米地上生物量估算模型

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农业机械学报 2024年第9期55卷 238-248页

作者：周敏姑闫云才高文何景源李鑫帅牛子杰西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院西北农林科技大学机械与电子工程学院

目前玉米地上生物量（Aboveground biomass, AGB）的预测方法集中在使用从无人机图像中提取光学植被指数，通过线性模型或机器学习算法与AGB建立关系，原始图像信息损失严重，玉米生长后期的饱和效应会严重降低模型精度。针对此问题，... 详细信息

目前玉米地上生物量（Aboveground biomass, AGB）的预测方法集中在使用从无人机图像中提取光学植被指数，通过线性模型或机器学习算法与AGB建立关系，原始图像信息损失严重，玉米生长后期的饱和效应会严重降低模型精度。针对此问题，本文收集了玉米拔节期、吐丝期和乳熟期的无人机图像和地面数据。分析了不同生育期玉米干地上生物量、鲜地上生物量与8个植被指数（Vegetation indexes, VIs）之间的相关性。分别以最优植被指数作为输入建立多层感知机（Multilayer perceptron, MLP）模型、以无人机多光谱图像作为输入建立卷积神经网络（Convolutional neural network, CNN）模型来估算玉米干地上生物量、鲜地上生物量。结果表明，基于MLP的玉米干地上生物量估算模型随着玉米生育期推进，模型的精度急剧下降，3个生长期MLP模型验证集R2分别为0.65、0.23、0.32,RMSE分别为0.27、2.15、5.03 t/hm2。CNN模型能够较好地克服光谱饱和问题，具有良好的精度和适用性，3个生育期验证集R2分别提高27.69%、191.30%、171.88%,RMSE分别降低22.22%、38.14%、45.53%。基于MLP的玉米鲜地上生物量估算模型在玉米生长后期模型的精度同样较低，吐丝期、乳熟期验证集的R2分别为0.27、0.37,RMSE分别为11.57、14.98 t/hm2。CNN模型2个生育期验证集的R2分别提高159.26%、129.73%,RMSE分别降低26.62%、54.01%。使用原始多光谱图像作为输入的CNN模型取得了最好的估计结果，可为玉米不同生育期的监测研究、精准管理提供指导。

关键词：玉米地上生物量多光谱无人机遥感卷积神经网络多生育期

减施氮肥和接种根瘤菌对大豆生理生长与氮素利用效率及产量的影响

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农业机械学报 2024年第3期55卷 340-351页

作者：向友珍张威唐子竣付骏宇李志军张富仓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 西北农林科技大学旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^... 详细信息

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^(2);N1:60 kg/hm^(2);N2:120 kg/hm^(2);N3:180 kg/hm^(2))和2种接种水平,即接种根瘤菌(R)和清水拌种。在大豆各生育期测量根瘤数、根瘤干质量、叶面积指数、干物质积累及根系特性等大豆生长指标和叶绿素含量、光合参数、荧光参数等生理指标,同时还测定氮素吸收量等指标并计算氮素利用效率。结果表明,RN2处理下的大豆生长状况最佳,2年平均最大根瘤数为241.47、最大根瘤干质量为1.30 g、最大根长密度为15.00 cm/cm^(3)、最大叶面积指数为5.44 cm^(2)/cm^(2)、最大干物质积累量为17 530.51 kg/hm^(2)、最大叶绿素含量为53.55、最大净光合速率为32.75μmol/(m^(2)·s)、最大种子产量为4 659.4 kg/hm^(2)。由此可见减少氮肥施用量(N2)的同时接种根瘤菌(R)对于促进关中平原大豆的生理生长、提升对氮素的利用效率、提高大豆产量具有重要意义。本研究可为提高干旱半干旱地区大豆生产水平提供理论支持和实践经验。

关键词：大豆施氮接种根瘤菌氮肥利用效率产量

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U型渠道移动式流线型量水槽扩散段水力特性及结构优化方法

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农业工程学报 2024年第11期40卷 128-138页

作者：王玉宝周仁宇张晨昊李鑫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 西北农林科技大中国旱区节水农业研究院杨凌712100

移动式量水槽较固定式具有不易淤积、可移动多处重复使用等优点,流线型外形的量水槽水力性能好,量水槽的扩散段对水力性能影响大,然而当前还缺乏扩散段的设计原理与方法方面的研究。为了研究量水槽结构型式对水力特性的影响,为流线型量... 详细信息

移动式量水槽较固定式具有不易淤积、可移动多处重复使用等优点,流线型外形的量水槽水力性能好,量水槽的扩散段对水力性能影响大,然而当前还缺乏扩散段的设计原理与方法方面的研究。为了研究量水槽结构型式对水力特性的影响,为流线型量水槽结构设计提供理论指导,该研究建立D40U型渠道模拟模型,其后用FLOW-3D对35、45和55 L/s流量下的半椭圆+半椭圆、半椭圆+抛物线、半椭圆+圆弧、半椭圆+Myring曲线和鱼形量水槽进行模拟,结合原型试验验证数值模拟效果,探讨扩散段设计原则与方法。最后基于isight平台对水力性能较好的半椭圆+Myring曲线和鱼形量水槽进行结构优化。结果表明,45 L/s流量下不同进水口距离下水深数值模拟与试验值相对误差为0.1%~1.3%,上游、喉口和下游断面流速相对误差分别为0.19%~6.63%、0.06%~6.15%和0.02%~6.22%,模拟结果精度高。5种量水槽上游佛汝德数均小于0.5,最大壅水高度为5.71 cm,均满足测流精度和渠道安全要求。其中,半椭圆+Myring曲线量水槽水头损失和壅水高度最低,半椭圆+半椭圆量水槽临界淹没度最高,佛汝德数最小。量水槽扩散段设计原则为:在略微减少临界淹没度的条件下,扩散段前半段设计为曲率较大的曲线,以降低上游壅水高度;后半段设计为曲率相反且曲率较小的曲线,以改善过流流态,平顺水流,降低水头损失。优化后的半椭圆+Myring曲线和鱼形前半段曲率增大,后半段曲率减小,壅水高度和佛汝德数均有所降低,水头损失分别降低5.5%和6.3%,优化后曲线线型满足扩散段设计原则。研究可为流线型量水槽结构设计与优化提供理论指导。

关键词：渠道优化设计数值模拟水力性能扩散段

温室气体排放与番茄产量对水肥气耦合的响应机制研究

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农业机械学报 2024年第5期55卷 312-322页

作者：孙亚楠段琳博钟华昱蔡焕杰王晓云赵政鑫西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100 河海大学水利水电学院南京210098

为探求温室番茄节水减排优产的灌溉模式,以番茄(金鹏8号)为研究对象,设置I1和I2(对应作物-皿系数kcp为0.8和1.0)2个灌水水平,F1和F2(对应施氮量180 kg/hm^(2)和240 kg/hm^(2))2个施氮水平,A1、A2和CK(1倍和2倍文丘里加气量,不加气CK作... 详细信息

为探求温室番茄节水减排优产的灌溉模式,以番茄(金鹏8号)为研究对象,设置I1和I2(对应作物-皿系数kcp为0.8和1.0)2个灌水水平,F1和F2(对应施氮量180 kg/hm^(2)和240 kg/hm^(2))2个施氮水平,A1、A2和CK(1倍和2倍文丘里加气量,不加气CK作为对照处理)3个加气水平,采用3因素完全随机设计,共10个处理,每个处理重复3次,采用静态暗箱-气相色谱法对番茄全生育期温室气体排放进行监测分析,探究土壤CO_(2)、N_(2)O、CH_(4)排放与番茄产量的变化规律;分析灌水水平、施氮水平和加气水平对温室番茄产量和温室气体排放的影响,综合全球净增温潜势(Net global warming potential,NGWP)和温室气体排放强度(Greenhouse gas intensity,GHGI),提出以节水减排高产为目标的温室番茄水肥气一体化滴灌管理模式。结果表明:灌溉水平和施氮水平增大均会增加土壤CO_(2)、N_(2)O排放通量,I2处理较I1处理平均增加24.8%(P0.05),F2处理比F1处理平均增加8.6%(P>0.05)与34.9%(P0.05)和20.9%、62.9%(P节水优产减排要求,为西北地区温室番茄较优灌溉模式。

关键词：温室气体番茄产量加气灌溉水肥气耦合全球净增温潜势

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考虑作物冠层高度的屋脊形大棚形状优化

农业工程学报 2024年第15期40卷 194-203页

作者：高飞张锐朱德兰辛科涂泓滨赵航西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌712100 龙岩市农业农村局龙岩364000

为提高屋脊形大棚太阳辐射利用率,增强保温蓄热能力。该研究依据大棚内部作物对采光和蓄热保温的需求,提出了基于冠层高度和恒定体积约束的屋脊形大棚形状优化模型,设置大棚采光面捕获太阳辐射量大及有效种植面积尽可能大的约束条件,在... 详细信息

为提高屋脊形大棚太阳辐射利用率,增强保温蓄热能力。该研究依据大棚内部作物对采光和蓄热保温的需求,提出了基于冠层高度和恒定体积约束的屋脊形大棚形状优化模型,设置大棚采光面捕获太阳辐射量大及有效种植面积尽可能大的约束条件,在内部能量需求恒定的条件下分析大棚高度比及方位角对太阳辐射捕获量的影响规律,并优选出不同脊位比大棚在不同地区下的最优参数组合。结果表明:1)大棚所捕获的太阳辐射量大多随高度比减小而逐渐减小,在高度比k=5时为最大值;相同高度比下,脊位比越大,大棚所捕获的太阳辐射量越大;当高度比k=5时,沈阳地区脊位比为0.65、0.75和0.85的大棚相对于脊位比为0.50时的增长率分别为2.67%、4.42%和6.17%。2)大棚太阳辐射捕获量大多随方位角增加呈先减小后增加趋势,在方位角0°~90°的范围内,脊位比越大,大棚所捕获的太阳辐射量越多,在90°~180°的范围内相反;当大棚脊位比为0.65、0.75和0.85时,随着地区纬度的增加,大棚太阳辐射捕获量最低值点所对应的方位角值逐渐减小,不同脊位比之间的差异逐渐减小。3)大棚在不同地区优选得到的高度比值仅与作物冠层高度有关;地区纬度越高,脊位比及高度比越大,大棚优选得到的方位角相对于南北走向偏转的角度越大。该研究可依据作物冠层高度大小在大棚捕获太阳辐射量尽可能多的前提下减少大棚供热成本,为推进塑料大棚的整体规划发展提供理论依据。

关键词：太阳辐射光照屋脊形大棚冠层高度恒定体积大棚高度比大棚方位角

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基于多光谱遥感和CNN的玉米地上生物量估算

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农业机械学报 2024年

作者：周敏姑闫云才高文何景源李鑫帅牛子杰西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院西北农林科技大学机械与电子工程学院

目前玉米地上生物量（Aboveground biomass，AGB）的预测方法集中在使用从无人机图像中提取光学植被指数，通过线性模型或机器学习算法与AGB建立关系，原始图像信息损失严重，玉米生长后期的饱和效应会严重降低模型精度。针对此问题，... 详细信息

目前玉米地上生物量（Aboveground biomass，AGB）的预测方法集中在使用从无人机图像中提取光学植被指数，通过线性模型或机器学习算法与AGB建立关系，原始图像信息损失严重，玉米生长后期的饱和效应会严重降低模型精度。针对此问题，本文收集了玉米拔节期、吐丝期和乳熟期的无人机图像和地面数据。分析了不同生育期玉米干、鲜AGB与8个植被指数（Vegetation indexes， VIs）之间的相关性。分别以最优植被指数作为输入建立多层感知机（Multilayer perceptron， MLP）模型、以无人机多光谱图像作为输入建立卷积神经网络（Convolutional neural network， CNN）模型来估算玉米干、鲜AGB。结果表明，基于MLP的玉米干AGB估算模型随着玉米生育期的推进，模型的精度急剧下降，3个生长期MLP模型验证集的R2分别为0.65、0.23、0.32，RMSE分别为0.27、2.15、5.03 t/hm2。CNN模型能够较好地克服光谱饱和问题，具有良好的精度和适用性，3个生育期验证集的R2分别提高27.69%、191.30%、171.88%，RMSE分别降低22.22%、38.14%、45.53%。基于MLP的玉米鲜AGB估算模型在玉米生长后期模型的精度同样较低，吐丝期、乳熟期验证集的R2分别为0.25、0.37，RMSE分别为6.98、14.98 t/hm2。CNN模型2个生育期验证集的R2分别提高159.26%、129.73%，RMSE分别降低26.62%、54.01%。使用原始多光谱图像作为输入的CNN模型取得了最好的估计结果，可为玉米不同生育期的监测研究、精准管理提供指导作用。

关键词：玉米地上生物量多光谱无人机遥感卷积神经网络多生育期

基于三维激光扫描技术的冻结黑土细沟发育模拟

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农业工程学报 2024年第10期40卷 117-127页

作者：毕鑫宇张哲源高航胡亚鲜张智韬栗现文西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学创新实验学院杨凌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 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院杨凌712100

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface mod... 详细信息

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface model of difference,DoD)微地形变化监测方法与点云逆向工程,获取细沟网络发育过程的侵蚀面积、侵蚀体积、细沟长度和细沟密度等侵蚀参数。结果表明,冻结因素与温度变化对细沟网络发育过程与程度有重要影响:1)冻结处理的黑土坡面更容易发展出细沟网络,达到坡面侵蚀形态基本稳定后的侵蚀面积、侵蚀体积以及侵蚀细沟长度是非冻结处理黑土坡面的291%、557%和437%。2)冻结处理与非冻结处理沿坡面细沟截面形态变化差异明显。冻结坡面细沟交叉时宽深比RW/D快速减小,下切速度加快,随后宽度与深度呈比例稳定增加;非冻结坡面汇水处的R_(W/D)随冲刷次数增加而增大,侧蚀速度加快,其他截面R_(W/D)随着冲刷次数的增加而减小,下切速度加快。3)采用ArcGIS与点云逆向工程模型联合获取的冻结状态下细沟形态参数与发育过程DoD相对误差范围为-12.70%~4.42%,提取精度在95%以上。该联合方法在冻结土体条件下获取细沟参数具有较高精度,可作为土壤侵蚀参数高精度提取的一种手段。

关键词：黑土侵蚀冻融细沟网络融雪径流三维激光扫描

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