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基于改进YOLOv5s的CNN-Swin Transformer森林野生动物图像目标检测算法

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林业科学 2024年第3期60卷 121-130页

作者：杨文翰刘天宇周俊池胡文武蒋蘋湖南农业大学机电工程学院长沙410128

【目的】为提高野生动物在复杂森林环境中的检测精度,促进森林野生动物保护技术发展,提出一种基于YOLOv5s网络模型、针对陷阱相机所摄取森林野生动物图像的改进检测算法。【方法】以包含湖南壶瓶山国家级自然保护区几种典型森林野生动... 详细信息

【目的】为提高野生动物在复杂森林环境中的检测精度,促进森林野生动物保护技术发展,提出一种基于YOLOv5s网络模型、针对陷阱相机所摄取森林野生动物图像的改进检测算法。【方法】以包含湖南壶瓶山国家级自然保护区几种典型森林野生动物在内的数据集为研究对象,首先,对真实标注框图像进行裁剪、归一化和缩放处理,随机将2~4张裁剪图像拼贴组成新的数据集元素,以丰富和增强数据集图像信息;其次,使用一种基于通道注意力思想的加权通道拼接方法,在通道拼接时引入权重改变通道数量,通过反向传播训练方法不断更新权重以增加重要特征信息的通道层数;接着,引入Swin Transformer模块与CNN网络相结合,为卷积神经网络特征提取加入自注意力机制,融合2种网络特征提取层的优势,提高特征提取的感受野;最后,选择更优的α-DIoU损失函数替代GIoU损失函数,针对边界框重叠面积和中心点距离造成的损失,引入新的几何因素惩罚项。【结果】在相同试验条件和数据集下,相比原YOLOv5s网络模型,改进算法极大提高检测的平均准确率和平均回归率,均值平均精度由74.1%提升至88.4%,获得14.3%的精度提升,同时也超过YOLOv3、YOLOXs、RetinaNet、Faster R-CNN等其他流行目标检测算法。【结论】针对陷阱相机所摄取森林野生动物图像背景与目标对比度低、遮挡重叠严重,致使检测误检率、漏检率高等问题,在检测算法中提出一系列改进措施,为我国森林野生动物的保护和数据获取提供一种新的可行性方案和思路。

关键词：森林野生动物检测算法 YOLOv5s Swin Transformer 网络融合

基于全价值和全成本模型的农业水价方案及其可行性分析

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农业机械学报 2024年第5期55卷 356-367页

作者：成琨王子欣孙楠东北农业大学理学院哈尔滨150030 东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030

针对现行农业水价标准过低的问题,选取粮食主产区——黑龙江省为研究区域,从农业用水全价值和全成本出发,利用能值理论分析确定农业用水价值,采用全成本水价法确定用水成本,结合现行水价制定不同情境下农业水资源定价方案;运用双对数模... 详细信息

针对现行农业水价标准过低的问题,选取粮食主产区——黑龙江省为研究区域,从农业用水全价值和全成本出发,利用能值理论分析确定农业用水价值,采用全成本水价法确定用水成本,结合现行水价制定不同情境下农业水资源定价方案;运用双对数模型建立农业用水需求价格函数,揭示水价提升带来的研究区域节水潜力,结合指数分析法确定农户可承受能力,从而判断所制定水价方案的可行性。结果表明:2020年,农业水资源全价值为0.594元/m^(3),地表水与地下水全成本分别为0.180元/m^(3)和0.355元/m^(3);针对设计的3种阶梯水价调整方案,利用2005、2010、2015、2020年进行实证分析,过渡期和长期水价方案平均年节水量分别可达2.72×10^(9)、4.45×10^(9)m^(3),平均年节水潜力分别为12.74%、19.48%,且一阶水价均在农户可承受能力范围,确定为可行方案。本文为研究区农业水价综合改革提供了支持,可结合实际情况逐步提高农业水价到合理水平。

关键词：农业水价农业水资源全价值模型改进的全成本水价模型能值理论阶梯水价

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舀种勺舌式胡麻精量穴播器设计与试验

农业机械学报 2024年第3期55卷 85-95页

作者：李辉赵武云石林榕戴飞饶罡王尊甘肃农业大学机电工程学院兰州730070

针对胡麻播种机用种量大、播量变异系数大、播种不均匀的问题,基于胡麻种子物理特性和种植农艺要求,设计一种舀种勺舌式胡麻精量穴播器。通过分析穴播器工作原理确定穴播器组成、舀种勺结构参数范围及安装数量;对舀种勺舀种过程和清种... 详细信息

针对胡麻播种机用种量大、播量变异系数大、播种不均匀的问题,基于胡麻种子物理特性和种植农艺要求,设计一种舀种勺舌式胡麻精量穴播器。通过分析穴播器工作原理确定穴播器组成、舀种勺结构参数范围及安装数量;对舀种勺舀种过程和清种过程进行力学分析,确定穴播器角速度范围;通过EDEM仿真过程得知,花纹内壁聚种斜槽在不影响舀种勺填充效果的同时,不仅可以提高仿真效率,还可以增大种子流动性,便于舀种勺充种。以穴播器角速度、舀种勺顶端过渡圆角半径、种室隔离板高度为试验因素,穴播器排种合格率、漏播率和重播率为试验指标,利用EDEM离散元仿真软件开展二次旋转正交组合试验,得到最优参数组合为:穴播器角速度2.9 rad/s、舀种勺顶端过渡圆角半径2.5 mm、种室隔离板高6.8 mm;将该舀种勺3D打印制作进行排种性能试验验证,台架试验得到该舀种勺排种合格率、漏播率和重播率平均值分别为87.00%、6.33%、6.67%;田间试验得到该舀种勺排种合格率为88.33%,漏播率为6.67%,重播率为5.00%;胡麻平均种植密度为50株/m^(2),其台架试验与田间试验结果基本一致,性能满足胡麻精量播种农艺要求。

关键词：胡麻精量穴播器舀种勺 EDEM

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自走式制种玉米联合收获机设计与试验

农业机械学报 2024年第5期55卷 121-134页

作者：赵一鸣戴飞史瑞杰陈俊志辛尚龙赵武云张锋伟甘肃农业大学机电工程学院兰州730070

大田玉米收获机收获制种玉米时容易产生伤穗落籽、杂物堵塞等现象,本文针对适收期制种玉米生物特性,设计了一种大型制种玉米联合收获机,采用小行距对行柔性板式摘穗割台和可替换组合式剥皮装置,确保低损摘穗、输送、剥皮作业,降低籽粒... 详细信息

大田玉米收获机收获制种玉米时容易产生伤穗落籽、杂物堵塞等现象,本文针对适收期制种玉米生物特性,设计了一种大型制种玉米联合收获机,采用小行距对行柔性板式摘穗割台和可替换组合式剥皮装置,确保低损摘穗、输送、剥皮作业,降低籽粒损失与损伤;其中割台上方配备钢质覆胶弧形摘穗板,“橡胶+钢质”夹持输送链和六棱低速拉茎辊,可替换组合式剥皮装置采用柔性破皮+揉搓+降速组合形式。通过Plackett-Burman试验设计筛选提取影响机具指标的主要因素,采用Box-Behnken试验设计原理,以机具前进速度、拉茎辊转速和剥皮辊转速为试验因素,以总损失率与含杂率为性能指标,通过田间试验对机具进行检验,优化得出机具最佳作业参数。试验结果表明,优化后,当机具前进速度为4.87 km/h、拉茎辊转速为877.27 r/min、剥皮辊转速为442.52 r/min时,果穗总损失率为1.61%,含杂率为0.55%。田间试验结果表明,当收获机前进速度为4.9 km/h、拉茎辊转速为880 r/min、剥皮辊转速为450 r/min时,果穗总损失率为1.64%,含杂率为0.57%,满足制种玉米机械化联合收获的作业要求,可为制种玉米联合收获机设计与试验提供参考。

关键词：制种玉米联合收获机自走式低损柔性摘穗

基于三层博弈的社区综合能源系统电热交易策略

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电力系统保护与控制 2024年第5期52卷 25-37页

作者：牛焕娜王青林袁嘉兴李春毅井天军中国农业大学信息与电气工程学院北京100083

随着综合能源系统逐渐向智能化、清洁化、去中心化转型,发用电一体的产消者应运而生。为实现综合能源系统可再生能源的充分消纳,提高各主体的交互效益,提出基于三层博弈的社区综合能源系统电热交易策略。首先,建立基于社区合作博弈嵌套... 详细信息

随着综合能源系统逐渐向智能化、清洁化、去中心化转型,发用电一体的产消者应运而生。为实现综合能源系统可再生能源的充分消纳,提高各主体的交互效益,提出基于三层博弈的社区综合能源系统电热交易策略。首先,建立基于社区合作博弈嵌套的综合能源运营商与能源社区主从博弈模型,运营商以最大化自身效益为目标制定分时电价、热价并传递给能源社区。能源社区响应运营商的电热决策,以消费剩余最大为目标制定与其他社区的交互策略,确定购能需求并传递给运营商。其次,为降低综合能源运营商碳排放,充分消纳各运营商的资源剩余,建立多综合能源运营商的纳什谈判模型。然后,利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件将模型进行转化,并利用McCormick法进行凸松弛。最后,采用交替方向乘子分布式算法对模型进行求解,通过算例验证了所提策略能够有效提升各主体交互效率、降低综合能源系统碳排放、提高各主体效益。

关键词：能源社区社区综合能源系统三层博弈纳什谈判主从博弈

基于超参数优化算法的随机森林模型预测奶牛呼吸频率

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农业工程学报 2024年第11期40卷 195-203页

作者：严格齐赵婉莹于镇伟焦洪超林海李浩施正香王朝元山东农业大学动物科技学院泰安271018 中国农村技术开发中心北京100045 山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 农业农村部设施农业工程重点实验室北京100083

奶牛呼吸频率是评估环境造成的奶牛热应激程度的重要指标之一。该研究基于随机森林(random forest,RF)算法提出了适用于生产条件下的奶牛个体呼吸频率准确预测模型,为了平衡模型精度与计算效率问题,利用遗传算法(genetic algorithm,GA)... 详细信息

奶牛呼吸频率是评估环境造成的奶牛热应激程度的重要指标之一。该研究基于随机森林(random forest,RF)算法提出了适用于生产条件下的奶牛个体呼吸频率准确预测模型,为了平衡模型精度与计算效率问题,利用遗传算法(genetic algorithm,GA)、差分进化(differential evolution,DE)算法、粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法、贝叶斯优化(Bayesian optimization,BO)算法对模型超参数进行优化,并与网格搜索(grid search,GS)下的人工神经网络(artificial neural network,ANN)和极限梯度提升机(extreme gradient boosting,XGBoost)模型进行了对比分析。研究结果表明,使用融合环境参数的修正温湿指数(adjusted temperature-humidity index,ATHI)、时间区域、奶牛产奶量、泌乳天数、身体姿势以及胎次作为输入特征时,基准RF模型的预测性能最佳。在此基础上,4种智能优化算法下的RF模型性能优于GS-ANN和GS-XGBoost,其中BO-RF的综合性能最优,其决定系数、平均绝对误差、平均绝对百分比误差以及均方根误差分别为0.614次/min、7.723次/min、14.4%、9.737次/min,超参数优化耗时约为DE-RF的1/220。特征重要性分析表明,输入因子对奶牛呼吸频率的影响程度不同,ATHI是影响力最高的因子,相对重要性(relative importance,RI)为0.73,其次是时间区域(RI=0.09)和奶牛产奶量(RI=0.07)。研究为奶牛生产、健康评价及牛舍环境精准调控提供了有效方法和基础。

关键词：奶牛呼吸频率模型元启发式算法贝叶斯优化随机森林

最优光谱特征变量反演颗粒物污染生菜的生理信息

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1128-1135页

作者：孔丽娟隋媛媛刘爽陈丽梅周丽娜刘春慧姜玲李松于海业吉林农业大学工程技术学院吉林长春130022 吉林大学生物与农业工程学院吉林长春130000 吉林农业大学园艺学院吉林长春130022

叶类蔬菜的品质和产量与其净光合速率息息相关,秋冬季节受颗粒物污染的影响,温室大棚内叶菜的光合作用受到制约,对生理信息的准确预测不利。以采收期生菜为试验对象,研究其在颗粒物污染生长环境下,基于高光谱技术建立并对比生菜净光合... 详细信息

叶类蔬菜的品质和产量与其净光合速率息息相关,秋冬季节受颗粒物污染的影响,温室大棚内叶菜的光合作用受到制约,对生理信息的准确预测不利。以采收期生菜为试验对象,研究其在颗粒物污染生长环境下,基于高光谱技术建立并对比生菜净光合速率的反演模型的最优方法。获得生菜的净光合速率和高光谱数据;选取比值植被指数(RVI)、差值植被指数(DI)、归一化植被指数(NDVI)、可视化气压阻抗指数(VARI)、再归一化植被指数(RDVI)、垂直植被指数(PVI)和植被衰减指数(PSRI)的原始和一阶变换共14个光谱植被指数;用相关矩阵法优选出最优波长位置,而非选择既有的固定波长,计算得到最优植被指数,与光谱位置变量(红边幅值,Dr)及光谱面积变量,即红边面积(SDr)、红边面积与蓝边面积的比值(SDr/SDb)、红边面积与黄边面积的比值(SDr/SDy)共同作为光谱特征变量,建立颗粒物污染环境下生菜净光合速率的反演模型。采用多项式拟合和多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、偏最小二乘(PLS)和主成分回归(PCR)光谱建模组合方法进行反演预测结果比较。研究结果表明:最优波长位置的PSRI(515,499)和DI(515,499)与净光合速率的相关性最大,可以反映颗粒物污染下生菜的更多生理信息,采用光谱预处理建模组合方法按精度从高到低排序为:SG+MSC+PCR>SG+SNV+PLS>SG+SNV+PCR>SG+MSC+PLS,其中,SG+MSC+PCR组合建模方法的精度最高,决定系数为R_(c)=0.9011,R_(p)=0.9458,基于最优光谱植被指数建模效果最佳;光谱面积变量(SDr/SDb)的拟合精度最高(R^(2)=0.9365),可以实现生菜净光合速率的可靠预测,是基于光谱位置变量和面积变量建立生菜净光合速率的最优方法。该工作对颗粒物污染环境下利用高光谱技术进行植物的生理信息反演研究具有一定参考价值。

关键词：颗粒物最优光谱指数特征变量净光合速率建模反演

水氮运筹影响高留残茬黑土稻田碳收支机理分析

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农业机械学报 2024年第6期55卷 294-302页

作者：张作合张忠学龚振平薛里周利军吕项龙东北农业大学作物学博士后科研流动站哈尔滨150030 绥化学院农业与水利工程学院绥化152061 东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030 东北农业大学农学院哈尔滨150030

为探明水氮运筹对稻田生态系统碳收支的影响,开展大田试验,设置浅湿干灌溉(D)和淹水灌溉(F)两种灌溉模式,及110kg/hm^(2)(当地施肥标准,N1)、99kg/hm^(2)(减氮10%,N2)和88kg/hm^(2)(减氮20%,N3)3个施肥水平,观测高留残茬稻田水稻收获后... 详细信息

为探明水氮运筹对稻田生态系统碳收支的影响,开展大田试验,设置浅湿干灌溉(D)和淹水灌溉(F)两种灌溉模式,及110kg/hm^(2)(当地施肥标准,N1)、99kg/hm^(2)(减氮10%,N2)和88kg/hm^(2)(减氮20%,N3)3个施肥水平,观测高留残茬稻田水稻收获后不同器官的干物质量及碳含量,同时监测稻田CO_(2)和CH4排放通量,计算水稻净初级生产力(NPP)和稻田净生态系统初级生产力(NECB)。结果表明:水氮运筹会影响稻株各器官干物质及碳含量,所有处理中DN2处理NPP最大(8918.02kg/hm^(2)),浅湿干灌溉模式各处理NPP均大于淹水灌溉模式,分别增加12.13%、36.73%、8.01%;浅湿干灌溉模式增加了稻田土壤呼吸的CO_(2)排放通量,减施氮肥则降低了CO_(2)排放通量,浅湿干灌溉减施氮肥降低了CH_(4)排放通量;两种灌溉模式下各处理CO_(2)和CH_(4)排放总量均随氮肥施用量减少而降低,淹水灌溉模式下各处理CH_(4)排放总量均显著高于浅湿干灌溉模式(P<0.05);各处理稻田生态系碳净收支均为正值,黑土区高留残茬稻田生态系统表现为碳“汇”,其中DN2处理NECB最高,为1950.96kg/hm^(2)。综合来看,浅湿干灌溉模式+减氮10%处理的稻田生态系统碳“汇”最强。研究可为寒地黑土保护提供理论参考和技术支撑。

关键词：稻田水氮运筹净初级生产力净生态系统初级生产力碳收支

超微粉碎/NaOH同步处理麦秸纤维素分离特性研究

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农业机械学报 2024年第2期55卷 346-352,371页

作者：高崇风韩鲁佳湖南农业大学机电工程学院长沙410128 中国农业大学工学院北京100083

为了探究超微粉碎/NaOH同步处理对小麦秸秆纤维素分离及其微观形貌结构和热稳定性的影响,将小麦秸秆与质量分数6%的NaOH溶液按照料液比0.1 g/mL混合,进行了不同时长的超微粉碎/NaOH同步处理,并使用1.4%酸性亚氯酸钠溶液漂白和水浴式超... 详细信息

为了探究超微粉碎/NaOH同步处理对小麦秸秆纤维素分离及其微观形貌结构和热稳定性的影响,将小麦秸秆与质量分数6%的NaOH溶液按照料液比0.1 g/mL混合,进行了不同时长的超微粉碎/NaOH同步处理,并使用1.4%酸性亚氯酸钠溶液漂白和水浴式超声处理,分离得到纤维素纤维。系统表征了不同处理时长对小麦秸秆木质纤维素分离以及小麦秸秆纤维素微观形貌、晶体结构和热稳定性影响。结果表明:在同步处理0~60 min范围内,机械力显著降低了麦秸样品的粒度,有效促进了秸秆木质纤维组分分离;经不同时长超微粉碎/NaOH同步处理后分离获得的小麦秸秆纤维素中,大量微米和纳米纤维素呈相互缠绕的网状分布;随处理时间延长,纤维素结晶度先降低后趋于稳定,处理30~60 min是纤维素结晶度降低的转折点;Person相关性分析结果表明,小麦秸秆纤维素热稳定性与其结晶度以及处理时长呈现显著相关性(P<0.05)。

关键词：小麦秸秆纤维素纤维机械化学同步处理超微粉碎 NaOH处理