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DL-MAML:一种新的蝴蝶物种自动识别模型

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计算机研究与发展 2024年第3期61卷 674-684页

作者：赵戈伟许升全谢娟英陕西师范大学计算机科学学院西安710119 陕西师范大学生命科学学院西安710119

蝴蝶种类成千上万,每种蝴蝶都与一定植物密切相关,研究蝴蝶种类自动识别有重要意义.野外环境下的蝴蝶物种识别研究受制于现有数据集蝴蝶种类较少,每类样本(图像)数量较少,使基于机器学习的蝴蝶种类识别面临泛化推广难的挑战.另外,野外... 详细信息

蝴蝶种类成千上万,每种蝴蝶都与一定植物密切相关,研究蝴蝶种类自动识别有重要意义.野外环境下的蝴蝶物种识别研究受制于现有数据集蝴蝶种类较少,每类样本(图像)数量较少,使基于机器学习的蝴蝶种类识别面临泛化推广难的挑战.另外,野外环境下的蝴蝶翅膀遮挡使分类特征学习面临挑战.因此,提出基于元学习的蝴蝶物种自动识别新模型DL-MAML(deep learning advanced model-agnostic meta-learning),实现野外环境下的任意蝴蝶种类识别.首先,DL-MAML模型采用L2正则改进经典元学习算法MAML(model-agnostic meta-learning)的目标函数和模型参数更新方法,并对MAML增加了2层特征学习模块,避免模型陷入过拟合风险,解决现有野外环境下蝴蝶物种识别面临的泛化推广困难;其次,采用ResNet34深度学习模型提取蝴蝶分类特征,对图像进行表征预处理,作为DL-MAML模型元学习模块的输入,克服其特征提取不足的缺陷,以及野外环境下蝴蝶翅膀遮挡带来的分类特征学习困难.大量消融实验以及与同类模型的实验比较表明,DL-MAML算法学习获得的初始模型参数对蝴蝶新类识别具有很好的效果,优于MAML和其他同类模型,对野外环境下的蝴蝶种类识别很有效,使利用现有野外环境下的蝴蝶数据集构造通用且完全的蝴蝶物种识别系统成为可能.

关键词：蝴蝶分类深度学习特征提取元学习 MAML算法

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黄土高原植被变化主导空间模态及其影响因素

地理学报 2024年第7期79卷 1768-1786页

作者：李双双段生勇胡佳岚延军平陕西师范大学地理科学与旅游学院西安710119

明晰气候变化和人类活动对生态建设的影响机制,是区域生态保护与高质量发展研究的热点问题。引入“远离人类活动区”的概念,分区、分时深化认识人类活动对植被变化的影响,对科学制定黄土高原生态恢复空间策略具有实践意义。本文基于MODI... 详细信息

明晰气候变化和人类活动对生态建设的影响机制,是区域生态保护与高质量发展研究的热点问题。引入“远离人类活动区”的概念,分区、分时深化认识人类活动对植被变化的影响,对科学制定黄土高原生态恢复空间策略具有实践意义。本文基于MODIS归一化植被指数(NDVI),采用经验正交分解法、残差趋势分析等方法,对2000—2022年黄土高原植被变化特征进行研究,探讨人类活动和气候变化对植被快速恢复区的相对作用,分析黄土高原南部植被年代异常的影响因素。结果表明:(1)随着三北防护林、退耕还林草工程等深入实施,2012—2022年黄土高原NDVI增加速率有所减缓,并未呈现先转好后稳定,甚至退化的趋势。(2)无论是人类活动强区(耕地、城镇、土地利用转型区),还是人类活动弱区(人类活动未改变土地利用类型),人类活动均是黄土高原植被变化的主导因素,其贡献率均超过65%,约是气候变化贡献率的2.0倍。(3)6月降水年代异常,是黄土高原南部植被东西反向异常变化的关键指示气候因子。当6月降水增加10 mm时,黄土高原东南部NDVI将减少1.4%,黄土高原西南部NDVI将增加1.7%。将时空信息耦合,明晰植被趋势和年代波动的空间范围,对全球或中国其他生态敏感区植被变化归因方法完善具有启示意义。

关键词：气候变化植被恢复遥感监测归因分析黄土高原

加拿大一枝黄花入侵中国过程中的气候生态位变化

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应用生态学报 2024年

作者：张献瑞李欣迪陈瑜张春玲王佳宋兴江宋宇航刘刚陕西师范大学生命科学学院无人机生态遥感研究中心陕西师范大学生态学教学科研基地

生态位保守性是预测外来物种入侵风险的关键。目前对于加拿大一枝黄花在其入侵过程中的气候生态位变化尚不明确。本文采用主成分分析的方法研究了加拿大一枝黄花入侵中国过程中的气候生态位变化，分析其在中国的潜在分布。结果表明：加... 详细信息

生态位保守性是预测外来物种入侵风险的关键。目前对于加拿大一枝黄花在其入侵过程中的气候生态位变化尚不明确。本文采用主成分分析的方法研究了加拿大一枝黄花入侵中国过程中的气候生态位变化，分析其在中国的潜在分布。结果表明：加拿大一枝黄花在入侵中国的过程中具有显著的生态位保守性特点（稳定指数为0.776），但其入侵地与原产地种群间的气候生态位存在显著差异。这种差异主要是因为其在中国的气候生态位存在较高的生态位未填充（未填充指数为0.818），同时其在中国的气候生态位也出现了一定程度的扩展（扩展指数为0.224），这表明加拿大一枝黄花在中国的入侵扩散远未达到饱和，仍有巨大的扩散潜力。因此，加拿大一枝黄花在入侵中国后气候生态位主要呈保守状态，但也存在一定程度的漂移。加拿大一枝黄花在中国华东、华中、华南和西南地区主要处于稳定入侵阶段，而在中国北部和西部处于局域适应阶段，这些区域是针对该种开展防控的重点区域。最干月降水量和最冷季度平均温度是影响加拿大一枝黄花分布的主要气候因素，在入侵中国的过程中，加拿大一枝黄花气候生态位向最冷季度平均温度更高、干旱季节更干燥、暖湿季节降水更多的区域移动。加拿大一枝黄花具备强大的适应能力，生态位的扩展可能促使其进一步扩大在中国的入侵范围。

关键词：生态位模型加拿大一枝黄花生态位漂移生态位保守性入侵阶段

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声空化场中球状泡团的结构稳定性分析

物理学报 2024年第8期73卷 169-180页

作者：刘睿黄晨阳武耀蓉胡静莫润阳王成会陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062

利用高速摄影机对驱动频率分别为28 kHz和40 kHz的超声空化场中距离水面约1/4波长范围内的球状气泡团的上浮生长和演化过程进行实验观察,分析了声软界面附近驻波场声压幅值变化对泡团结构变化的影响,以及泡团从球状向伞状和层状结构演... 详细信息

利用高速摄影机对驱动频率分别为28 kHz和40 kHz的超声空化场中距离水面约1/4波长范围内的球状气泡团的上浮生长和演化过程进行实验观察,分析了声软界面附近驻波场声压幅值变化对泡团结构变化的影响,以及泡团从球状向伞状和层状结构演化的行为特征.为分析空化场中球状泡团生长演化机理,利用镜像原理构建了一个考虑边界(水-空气)影响的球状泡团模型,得到了修正的球状泡团内气泡动力学方程.利用等效势数值分析了两个频率下驱动声压幅值、气泡数密度、距离水面深度以及气泡平衡半径对球状泡团最佳稳定半径的影响.结果表明,球状泡团的最佳稳定半径在1—2 mm的范围,且随着驱动声压幅值和气泡数密度的增大,球状泡团最佳稳定半径有减小的趋势,但差异不显著;驱动频率为40 kHz条件下的球状泡团稳定尺寸略小于驱动频率为28 kHz情形;在弱声场中若能形成气泡聚集,仍可观察到较小尺寸的球状泡团,但当声压低于某临界值,泡团将不能存在.理论分析与实验观察结果具有很好的一致性.球状泡团的生长和结构稳定特性分析有助于理解声场和边界对气泡的行为调控.

关键词：球状泡团空化结构界面影响稳定性

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黏弹性介质包裹的液体腔内球状泡群耦合振动模型

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物理学报 2024年第15期73卷 90-98页

作者：左馨怡雷照康武耀蓉王成会陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062

高强度超声可激发生物组织空化,软组织常被当作黏弹性介质,因此,黏弹性介质中气泡动力学行为研究可为超声生物治疗提供理论支持.为探索组织液内多气泡动力学影响,构建了球形液体腔内的球状泡团模型,考虑了液体腔外黏弹性介质的动力学效... 详细信息

高强度超声可激发生物组织空化,软组织常被当作黏弹性介质,因此,黏弹性介质中气泡动力学行为研究可为超声生物治疗提供理论支持.为探索组织液内多气泡动力学影响,构建了球形液体腔内的球状泡团模型,考虑了液体腔外黏弹性介质的动力学效应,得到了球状泡群内气泡耦合振动方程,并基于此分析了气泡的振动行为.结果表明,腔体以及泡群约束虽抑制了气泡振动,但在一定程度上还可以增强气泡的非线性振动特性.约束环境下气泡的非球形振动稳定性主要受驱动声波压力幅值和频率、气泡初始半径以及气泡数密度影响,而腔体半径的影响随驱动压力的增加而增强;存在最小不稳定驱动声压阈值,不同初始半径的气泡不稳定振动阈值压力不同且不稳定分布区主要分布在小于4μm的范围内;驱动频率增大,气泡振动不稳定区的声压阈值也随之增大,且不稳定区域有减小的趋势;随着气泡数密度的增加,气泡不稳定区域逐渐向无规则的斑图状分布,极易受到扰动发生不稳定振动而崩溃.高频声波激励下平衡半径大于4μm范围内气泡的惯性空化阈值受频率和气泡数密度的影响显著.

关键词：球状泡群液体腔空化气泡耦合振动

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驻波场中环状空化泡聚集结构的稳定性分析

物理学报 2024年第8期73卷 148-158页

作者：雷照康武耀蓉黄晨阳莫润阳沈壮志王成会郭建中林书玉陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构... 详细信息

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构存在气泡的输运现象,且在气泡主聚集区内有小泡团形成后向环内溢出,随后消失成离散的空化泡或泡核再次进入气泡输运循环.环状结构大小和气泡聚集区随时间小幅振荡变化,且存在结构整体旋转现象,主要取决于主声场和气泡间次级辐射场的共同作用.基于双气泡模型分析环状结构形成的物理机制,发现主声场是导致气泡形成环状聚集的控制因素.基于环链状模型分析了结构稳定性,通过数值计算得到了类环形结构等效势分布,且声压越高的地方等效势越高,此处气泡越易聚集.驱动声场越强,环链结构可能越完整,但是,声压过高导致高数密度的气泡聚集也可能破坏气泡的环状聚集稳定性进而演化成其他类型泡群结构.理论分析结果与实验现象具有很好的一致性.

关键词：超声空化环状气泡结构等效势能稳定性

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生长分化因子5与代谢性疾病

生物化学与生物物理进展 2024年第3期51卷 564-574页

作者：王天幕任无竞田振军陕西师范大学体育学院暨运动生物学研究所西安710119

生长分化因子5(growth/differentiation factor-5,GDF-5)属于转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)家族,在骨、软骨、心脏、大脑、肾脏、骨骼肌和肌腱、肝脏以及脂肪等多个器官组织中表达。GDF-5与其受体BMPR-I/BMPR-II结合,激活Smad1/5/8、PI3K/Akt、p38-MAPK等信号,发挥促进细胞增殖分化、减少氧化应激损伤、细胞凋亡和组织纤维化等生物学功能。目前针对GDF-5的研究多聚焦在骨、软骨与肌腱的生长和修复等方面,而在其他器官中的生物学作用鲜有报道。因此,本文通过梳理和总结近年来GDF-5与代谢性疾病的研究进展,为GDF-5在改善代谢性疾病防治提供新的见解和理论依据。

关键词：代谢性疾病生长分化因子5 BMP-14 炎症氧化应激

“水平+结构”双视角下城乡居民幸福感的多维资本建构

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地理科学进展 2024年第4期43卷 755-770页

作者：余乐水马蓓蓓余乐山曹文玉薛东前宋永永陕西师范大学地理科学与旅游学院西安710119 陕西师范大学国际商学院西安710119

在当前城乡空间高度重构的背景下,作为发展的行动者和终极目标的“人”的幸福感的新构建特征及其城乡异质性,对均衡有效地提升中国城乡发展的幸福红利具有重要意义。论文将资本作为研究工具引入人文地理学的福祉研究,从“经济+文化+社... 详细信息

在当前城乡空间高度重构的背景下,作为发展的行动者和终极目标的“人”的幸福感的新构建特征及其城乡异质性,对均衡有效地提升中国城乡发展的幸福红利具有重要意义。论文将资本作为研究工具引入人文地理学的福祉研究,从“经济+文化+社会”三个资本维度设计了多维资本对幸福感建构的分析框架,通过“水平+结构”双视角探讨高流动性背景下幸福感的建构特征及城乡分异。结果表明:①中国居民的幸福感体验处于较高且城乡相对均衡的水平,“水平”视角下的城乡居民幸福感建构呈多元化特征,即经济资本的基础性效应,文化资本的转化性和社会资本的强敏感性均对城乡幸福感提升起促进作用;②在考虑资本“结构”的整体性和生态位后,多维资本对幸福感建构的影响从单向提升效应演化为不确定性和结构化特征,尤其是局部生态位上的优势或匮乏所产生的强化或缺失等效应使资本维度对幸福感建构表现出更复杂的运行逻辑;③居民幸福感对各维资本的响应强度具有显著的城乡差异,其中社会资本是幸福感建构中敏感性最强且城乡分异最显著的资本维度,表明中国当前的新型城镇化进程应重点关注城乡社会资本的再生产机制与效应。研究结果有利于揭示幸福感建构在中国的现代性和本土性特征,可为均衡有效提升中国城乡居民幸福感的政策制定提供研究基础。

关键词：主观幸福感多维资本建构结构城乡分异

机器学习驱动的辉光放电等离子体降解碱性紫16性能研究

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中国环境科学 2024年第6期44卷 3206-3216页

作者：方野王玉如曾静懿王亚欣郑伟李敏睿陕西师范大学地理科学与旅游学院陕西西安710119 陕西师范大学地理学国家级实验教学示范中心陕西西安710119

为了量化研究辉光放电等离子体(GDEP)降解碱性紫16(BV16)的效率影响因素以进一步提升其降解性能,共收集462条降解实验数据建立数据集,训练并评价了9种回归模型.结果表明,基于梯度提升树(GBDT)的集成学习模型预测性能优异,且以类别型特... 详细信息

为了量化研究辉光放电等离子体(GDEP)降解碱性紫16(BV16)的效率影响因素以进一步提升其降解性能,共收集462条降解实验数据建立数据集,训练并评价了9种回归模型.结果表明,基于梯度提升树(GBDT)的集成学习模型预测性能优异,且以类别型特征提升(CatBoost)算法训练的模型性能最佳(R^(2)=0.988,MAE=2.050%).此外,沙普利加和解释方法(SHAP)对最佳模型的参数影响程度定量解析结果显示,反应时间(43.74%)、初始污染物浓度(23.00%)、氯化钾浓度(15.65%)和平均电流(12.63%)是影响BV16降解效率的关键因素.同时,基于部分依赖图(PDP)提出了参数交互影响优化方案.所建立的CatBoost-SHAP-PDP模型不仅能实现GDEP对BV16降解效果的模拟预测,而且是优化GDEP降解过程变量的有效方法,为GDEP降解染料废水复杂体系领域的建模与应用提供科学依据和技术支持.

关键词：辉光放电等离子体染料废水 SHAP解释方法机器学习