基于实测道路谱的路面等效重构

为汽车试验与动力学仿真提供更准确的路面激励,提出了一种对实测路面谱进行二维等效重构的方法。结合某三级公路实测路面数据特征,系统研究了经验模态分解法去除趋势项、经验模态分解小波阈值法滤波去噪、实测路面二维自回归模型(auto regressive,AR)重构等方法,并利用相关系数方法进行了重构精度分析。结果表明,基于固定门限准则的经验模态分解小波硬阈值去噪后的功率谱方差最小,利用AR模型重构道路谱与实测道路谱重合度高,为道路谱的进一步应用提供参考。     

基于分形插值的三维路面重构与分析

原始精细的路面谱是研究车辆与路面耦合的重要基础,对车辆的通过性和噪声、振动及不平顺性NVH(noise,vibration and harshness)分析有重要的应用价值。为了构建与原始路面相同或相近的路面谱,利用非接触式激光路面不平度仪测量沥青路面、水泥路面、比利时路面和砂石路面的三维路面不平度;基于分形理论,采用迭代函数法重构这四种路面谱;结合路面不平度的统计特性评价指标和分形维数对四种路面的原始谱和重构谱进行评价。研究结果表明:重构前、后路面谱的平均值、标准差、峰度系数以及分形维数变化范围在±5%以内,除水泥路面的偏态系数变化范围均在±9%以内,重构路面谱与原始谱具有一致性;重构路面谱保持了原始路面的结构特性,并具有路面的细微结构。     

基于CT扫描的煤矿排土场土壤孔隙三维多重分形特征

土壤孔隙对水分、养分的运移起着重要作用,重构土壤孔隙状况反映着复垦土壤质量的高低。本研究基于Math Works Matlab(2009a)平台,在对土壤孔隙CT扫描图片三维重建的基础上,运用多重分形理论对安太堡露天煤矿不同复垦年限排土场重构土壤(23年、20年、0年)以及原地貌土壤进行三维多重分形定量表征,以探讨重构土壤孔隙空间分布规律。结果表明:重构土壤孔隙三维结构具有多重分形特征,信息熵维D1、广义维数谱曲线弯曲程度△D、多重分形谱谱宽△α随着复垦年限逐渐增大,土壤孔隙状况得到改善,土壤孔隙分布越趋于复杂,变异程度较高;重构土壤及原地貌土壤孔隙三维分布多重分形谱函数△f0,呈左钩状,大概率孔隙占主要地位,孔隙分布不均匀。多重分形参数D1、D0-D1、△D、△α、△f间具有较好的相关性,从不同角度上反映了土壤孔隙三维分布的非均质性。     

二维虚拟土壤中溶质迁移行为的数值模拟研究

利用Voronoi图逐级碎裂方法,在二维正方网格上构造出不同等级的虚拟土壤来仿真具有丰富孔隙结构的真实土壤,并借助于随机行走模型,数值模拟了溶质粒子在该虚拟土壤中的迁移行为。结果表明,溶质粒子表现出反常扩散行为。对有偏倚的随机行走模型,其均方位移与时间呈正比关系∝tK,即扩散系数D=K-1,长时间的K值更大,溶质粒子扩散更快;首次穿越时间满足正态对数分布,说明溶质粒子迁移是一阶随机过程;由连续时间随机行走理论,发现溶质粒子扩散非费克现象明显。同时发现不同的土壤孔隙结构及随机行走类型所对应的拟合参数不同,即它们也影响溶质粒子的迁移行为。该研究有利于人们从理论上定性理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的迁移,保护地下水环境。     

果园行间3D LiDAR导航方法

为克服二维激光扫描仪在果园导航中感知信息少、无法有效应对树冠茂密、树干被遮挡等复杂三维果园场景,该研究提出一种基于3D LiDAR的果园行间导航方法。以3D LiDAR为检测设备实时采集果园信息,使用挖空打断后的树墙体心等效树干位置,根据左右树行的最佳平行度对随机采样一致性算法与最小二乘法拟合的树行进行互补融合并求其中心线得到导航线;对纯跟踪算法进行改进,实现差速运动机器人对树行的跟踪。结果表明:系统在篱壁式仿真果园环境下以0.33 m/s的速度沿中心线行走时,绝对航向定位偏差在1.65°以内,绝对横向定位偏差在6.1 cm以内;以0.43 m/s的速度跟踪树行的绝对横向偏差在15 cm以内。在真实梨园下,系统分别以0.68与1.35 m/s的速度跟踪树行,绝对横向偏差分别不超过21.3与22.1 cm。本系统可广泛用于标准果园与复杂三维果园机械的自主导航,具有可靠的稳定性。     

基于图像分块及重构的菠菜重叠叶片与杂草识别

针对重叠叶片在识别过程中存在识别率低、形状特征失效等问题,该研究提出一种基于图像分块及重构的方法,实现菠菜重叠叶片杂草识别。采用超绿模型将菠菜RGB图像进行灰度化得到绿色植被前景图像。针对重叠叶片形状特征失效问题,采用图像分块方式得到不同大小的图像块,并提取图像块中作物和杂草的颜色特征、局部二值模式(local binary pattern,LBP)纹理特征、分形盒维数共78维特征,构造支持向量机(support vector machine,SVM)分类器完成图像块的分类识别。该研究提出图像块边缘扩充和投票窗口机制得到重构图实现图像块分类结果可视化。试验结果表明,该研究提出的方法平均识别率达到83.78%,高于K最近邻法(K-Nearest neighbor,KNN)、决策树法等,可以实现重叠叶片的杂草识别,从而为智能除草机的研制提供理论依据。     

基于混合3D-2D CNN的多时相遥感农作物分类

准确的农作物分类图是农业监测和粮食安全评估的重要数据来源,针对传统的深度学习模型在多时相农作物遥感分类方面精度较低的问题,该研究将卷积维度单一的卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)进行改进,提出了一种混合三维和二维卷积的神经网络识别模型(HybridThreeDimensionalandTwoDimensionalConvolutional Neural Networks,3D-2D CNN)。该模型首先通过多个三维卷积层提取时空特征,其次将输出的特征降维压缩后通过二维卷积层执行空域特征分析,最后将高层特征图展平后通过全连接层进行类别预测。试验以Landsat8多时相影像为数据源,将美国加利福尼亚州北部研究区的地块按照2:2:6分层随机划分为训练集、验证集和测试集。试验结果表明3D-2DCNN对13种农作物分类的总体精度(89.38%)、宏平均F1值(84.21%)和Kappa系数(0.881)均优于三维卷积神经网络(Three Dimensional Convolutional Neural Networks,3D-CNN)、二维卷积神经网络(Two Dimensional Convolutional Neural Networks,2D-CNN)、支持向量机(Support Vector Machines,SVM)和随机森林(Random Forest,RF)等方法,并在参数量和收敛时间方面比3D CNN大幅度减小。同时,在较小样本训练集下3D-2D CNN仍表现最优。该模型综合利用空间-光谱-时间特征并具有较高的分类精度和较强的鲁棒性,这为解决多时相遥感农作物分类问题提供了一个有效且可行的方案。     

刀具磨损声发射信号的混沌特性分析

金属切削是一个非线性系统,刀具磨损产生的声发射信号具有混沌特征。该文采用混沌理论对刀具不同磨损程度的声发射信号进行非线性特性分析。首先采用经验模态分解与小波阈值结合(empirical mode decomposition and wavelet,EMD-Wavelet)的法对信号去噪,消除噪声对吸引子结构以及特征参数的影响。其次利用互信息法和Cao方法分别求时延和嵌入维,对去噪后的信号进行相空间重构。最后绘制吸引子相图,并求解特征参数关联维。结果表明,看似无序杂乱的非线性声发射信号有着内在的有序状态。吸引子结构随着刀具磨损状态的改变呈现一定变化规律,关联维数与刀具磨损状态有一定的对应关系。这些特性对于刀具磨损状态识别有一定的参考意义。     

基于多幅图像的黄瓜叶片形态三维重建

为了更加快速、便捷、精确和逼真地重构出植物叶片的三维形态,提出了基于多幅图像的黄瓜叶片建模方法。首先利用角点检测算法提取叶片边缘及主脉的特征点,通过结合极线约束和SIFT特征描述算子对特征点进行匹配,进而得到特征点的三维坐标;然后利用B样条曲线连接这些特征点,对叶片边缘和中脉进行拟合,再利用Delaunay三角化方法对叶片进行三角网格化;最后通过纹理映射增加模型的真实感。试验结果表明,通过该方法可以精确、快捷地重构出黄瓜叶片的三维形态,具有较强的真实感效果。     

山羊蹄底部非规则曲面仿生形貌数学模型构建及验证

山羊蹄底部非规则曲面形貌是影响山羊在崎岖路面稳定行走的关键因素之一,研究山羊蹄底部曲面特征将有助于将其这一优越特征应用到仿山羊农业四足行走机器人上,以解决目前农业四足行走机器人在崎岖地面上行走稳定性差的难题。该研究选取6个月的雄性波尔山羊蹄,采用三维立体扫描仪获取山羊蹄点云数据,并导入Geomagic Studio软件中进行点云去噪声、采样、封装、表面处理,得出山羊蹄的精确曲面,进行曲面偏差分析,最后根据山羊蹄偶型结构把山羊蹄底部曲面划分为2部分,利用Catia软件中的Digitized Shape Editor模块,对2个曲面的密集点云进行过滤,保留曲面形貌的特征点,并导出2个区域特征点云三维坐标数据。运用Matlab软件中的cftool工具箱对特征曲面的点云三维坐标数据进行3次多项式拟合,分别得到2个曲面的拟合方程、残差平方(SSE)、均方差(RMSE)和决定系数R2,研究结果表明:山羊蹄曲面标准偏差为1.402 2 mm,山羊蹄底部左侧曲面拟合残差平方(SSE)是359,均方差(RMSE)是0.792 9,决定系数(R2)是0.988 9;山羊蹄底部右侧曲面拟合残差平方(SSE)是256.2,均方差(RMSE)是0.7253,决定系数(R2)是0.987 9。对构建的数学模型进行验证发现,模型的拟合值与实际值的相对误差最大值分别为8.63%和9.58%,相对误差均值分别为4.32%和4.73%,相对误差均值能满足工程设计允许的误差范围±5%,验证了模型的有效性,实现了山羊蹄底部非规则曲面由生物模型到数学模型的转化。该研究为将山羊蹄底部曲面形貌进行仿生学应用奠定了理论基础,并为利用仿生学技术研究农业四足行走机器人提供参考依据。     

排土场不同土地利用类型土壤的分形特征

利用分形理论对排土场人工林、耕地和草地等不同样区土壤颗粒分形特征进行研究,探讨煤炭开发对该区土壤环境的影响程度,为保护矿区土壤生态条件和恢复土壤生态功能提供科学依据.运用欧美克LS-POP（6）激光粒度分析仪测定阜新市海州露天矿排土场土地复垦区3种土地利用类型0～100 cm土层10个层次的土壤颗粒机械组成,运用土壤体积分形模型计算土壤颗粒体积分形维数D,同时测定土壤样品的理化性质.结果表明：1）不同土地利用类型对土壤分形维数影响显著,而土壤层次对土壤分形维数影响不显著;3个样区的D值在2.078 6～2.717 5之间,平均D值为2.424 1.2）不同样区平均D值表现为人工林（2.2457）＜草地（2.5024）＜耕地（2.5476）.3）研究区水解氮、全氮质量分数与土壤分形维数呈多项式曲线关系,速效钾质量分数与土壤分形维数呈对数曲线关系,排土场土壤分形维数D值与土壤全氮、水解氮、速效钾质量分数为负相关,与pH值不存在相关性.     

胶东半岛丘陵区冲沟分形特征及其影响因素研究

以胶东半岛丘陵区7个集水区为研究对象,采用SA模型提取研究区冲沟系统,测算各集水区冲沟沟长盒维数,分析沟长分形特征及其与地形参数和土地利用类型间的关系,厘定研究区内冲沟发育演化的特征及规律。结果表明:(1)东部构造活动性强的隆起区分维值明显高于西部构造活动性弱的沉积凹陷区,沟长分形特征主要受区域地质构造控制。(2)沟长分维数与平均坡度、地表粗糙度、剖面曲率、沟壑密度和沟头密度等地形参数之间相关性显著,而与集水区面积和沟长没有相关性。(3)沟头密度、沟壑密度与沟长分维数间具有极显著正相关性,相关系数分别为0.982 4,0.975 3,是表征沟谷分形特征的重要参数,可作为估算区域沟谷分形特征和分形维数的简单指标。(4)沟长分维数与集水区内林草地比存在较显著正相关性,与丘陵旱地比具有较显著的负相关性,相关系数分别为0.893和-0.919 8,表明冲沟展布形态特征同地质构造控制下的大的地貌轮廓关系密切,与人类改造地表形成的微地貌关系不大。     

泥石流堆积物粒度分形特征及影响因素分析

汶川地震诱发了大量的泥石流,给山区带来了巨大的人员伤亡及财产损失,为了更好地对泥石流特征进行研究并对其危险性进行预测,通过野外取样对泥石流堆积物进行了粒度分析,并对汶川地震灾区泥石流堆积物的分形结构特征以及泥石流物源区岩性、松散物质量及沟道坡降对泥石流堆积物颗粒组成的影响进行了分析。结果表明,其粒度分维值介于2～3之间,平均值为2.49,标准差为0.19,分维值的离散度比较低。粉砂岩的分维值最小,其次是砂岩和泥灰岩;石英闪长岩的分维值最大,其次为石灰岩。分维值的变化趋势与松散物质量的变化趋势极为相似,分维值随着松散物质量的增大而增大。泥石流堆积物的分维还受到沟道坡降的影响,在其它影响因素相同的情况下,分维值随着沟道坡降的增大而增大。地震后泥石流堆积物的分形特征体现了泥石流危险度的大小,可为泥石流活动特征及危险性预测提供依据。     

松嫩平原西部典型盐生景观土壤分形维数及盐碱化特征

为探究松嫩平原西部典型盐生景观土壤颗粒粒度组成及分形特征与土壤盐碱化之间的关系,采用体积分形维数模型计算了6种典型盐生景观土壤表层0—30 cm颗粒组成及分形维数,结合相关分析法分析了土壤分形维数与质地、盐碱特征之间的相关性。结果表明:(1)6种典型盐生景观中农田土壤分形维数值最小(2.35),碱蓬群落土壤最大(2.61),分形维数均值为2.48,分形维数随盐生景观土壤碱化程度增加而增大。(2)土壤质地越粗,砂粒含量越高,分形维数值越小;土壤质地越细,黏粒和粉粒含量越高,分形维数越大。(3)分形维数与盐分含量呈显著正相关(r=0.87,P0.05),尤其与盐分组成中HCO_3~-含量呈极显著正相关(r=0.89,P0.01),与养分中总磷含量呈极显著正相关(r=0.90,P0.01)。(4)土壤颗粒组成中砂粒、粉粒和黏粒与盐分、HCO_3~-及总磷含量也存在极显著相关性。不同盐生景观土壤分形维数与土壤颗粒组成和土壤盐分之间存在显著的相关性,因此可以用分形维数来反映土壤质地和指示土壤盐碱化特征。     

土壤薄片中石英颗粒分布的分形特征

土壤中石英颗粒的粒度分布对揭示母质来源和模拟土壤结构等具有重要意义。本文根据石英的光学性质,利用数字图像处理技术提取土壤薄片中的石英颗粒信息,并应用分形维数来表征土壤薄片中石英颗粒的分布特征。采集免耕和翻耕处理下土壤样品并制作成土壤薄片,利用偏光显微镜和数字图像处理技术提取土壤薄片中石英颗粒,应用Sigma ScanPro5软件统计了石英颗粒的数量、大小和形状等信息,研究土壤薄片中石英颗粒的数量分形特征;并分析了其同石英颗粒数量、面积和平均半径等的关系。结果表明石英颗粒的数量分布具有明显的分形特征,分形维数在1.60～2.18之间,分形维数同薄片中石英颗粒的总面积和平均半径呈负相关。免耕处理下表层土壤石英颗粒的数量分形维数高于底层,而翻耕处理下则呈相反的趋势。免耕和翻耕措施下土壤薄片中石英颗粒的数量分形维数在0～5和10～15cm层次之间没有显著差异,但是在20～25cm层次,翻耕处理分形维数高于免耕处理,说明耕作措施会加速土壤矿物质的风化和破碎并改变石英颗粒在土壤剖面中的分布。     

渭河咸阳段近代洪水沉积物粒度分形特征研究

对渭河咸阳段高漫滩沉积物的粒度分形进行了研究。首先确定沉积物粒度分布具有分形特征的无标度区,然后计算出分维数。在无标度区范围内相关系数R2均大于0.95,沉积物粒度平均分维值为2.12,说明沉积物粒度分布具有很好的分形特征。将分维值作为一种新的沉积物粒度分析参数,与其传统粒度参数如平均粒径、标准偏差(σ)、偏度(SK)、峰度(KG)进行比较,利用SPSS软件分析Pearson相关系数,得出粒度分维值与其平均粒径的相关系数为0.807,与其标准偏差的相关系数为0.707,与其峰度的相关系数为0.675,与其偏度的相关系数为0.112。分析结果表明,沉积物粒度分维值与其平均粒径、标准偏差、峰度呈现明显的正相关关系,与其偏度呈现出并不明显的正相关关系。     

单颗粒表面分维数学模型构建及其应用研究——以华南地区5种土壤颗粒为例

构建了单颗粒表面分维数学模型,并以高精度数字光学显微系统为基础,测算了5种土壤颗粒样品的单颗粒表面分维,形成了一套简约的单颗粒表面分维分析方法。并且,文章首次提出表面分维"中位维"的概念,用以表征颗粒群平均表面分维的大小,并验证了将"中位维"作为颗粒群粗糙度的合理性。     

基于土壤粒度参数的荒漠草原地表粗粒化过程

草原退化特征已由植被变化为主演变为土壤退化的阶段,其植被覆盖变化可在一定程度上反映退化状况与过程,探明荒漠草原不同退化阶段(覆盖度)地表风蚀状况,对合理利用与保护草地资源意义重大。以希拉穆仁荒漠草原7个覆盖度(裸地,5%,20%,40%,60%,80%和100%)下的表层土壤为研究对象,利用激光衍射技术测量表层0—1cm土壤粒度组成,分析不同覆盖度下的平均粒径、标准偏差、偏度、峰态及分形维数等粒度参数变化情况及颗粒频率分布。结果表明:(1)土壤粒度组成均以沙粒和粉粒为主,黏粒含量较低;偏度可作为有效粒度参数指标。(2)随着盖度降低,平均粒径数值越大,分选性越好,频率曲线由近于对称—正偏—极负偏转变,峰态由尖锐变平缓,分形维数先增加后降低。(3)粒径分布基本呈双峰分布,盖度越小第二波峰滞后越明显,且分布均匀程度越低,易风蚀颗粒范围为144~869μm。     

伏牛山区迎河小流域不同土地利用类型的土壤粒径分布特征

为探讨伏牛山区坡耕地土壤物理性能的退化特征,在河南省鲁山县迎河小流域,利用激光粒度仪和土壤分形模型,比较分析了4种土地利用类型的土壤粒径分布(PSD)及其分形特征.研究结果表明:1)土壤PSD简单分维(Dv)以乔木林地最高(2.658),坡耕地最低(2.489),多重分维(容量维D0、信息维D1、关联维D2)以乔木林地最高(0.941、0.926、0.91),坡耕地最低(0.927、0.899、0.849).不同分形参数均表现为:坡耕地＜灌草坡地和水平梯田＜乔木林地;2)土壤PSD的Dv、D0、D1和D2,与黏粒和粉粒体积分数显著正相关,与砂粒体积分数显著负相关.因此,利用土壤PSD简单分形和多重分形维数,可量化表征土壤质地的粗细程度和非均匀性质的差别;坡耕地土壤质地的粗粒化程度和非均匀性明显大于其他土地利用类型;土壤细粒(黏粒和粉粒)物质流失是坡耕地土壤质地粗粒化和非均匀程度增大的重要原因.