青海湖流域高原鼠兔扰动对不同地表类型土壤水分特征的影响

为了揭示高原鼠兔扰动对高寒草甸土壤水分变化的影响规律,在青海湖流域,利用动态监测和采样分析的方法,研究高原鼠兔扰动后不同地表类型(草地、新鼠丘、旧鼠丘和秃斑地)土壤水分的差异及其形成原因.结果表明:4种地表类型土壤表层含水量对不同降雨条件具有不同的响应过程,新鼠丘和旧鼠丘的响应比草地和秃斑地迅速;整个生长季4种地表类型土壤含水量垂直分布规律不同,但月变化规律较为一致,总体上草地土壤含水量高于其他地表类型,0 ～ 30 cm深度的差异最明显;造成不同地表类型土壤水分差异的土壤因素主要有土壤黏粒质量分数、土壤有机质和土壤密度,植被因素主要有植被盖度和地上生物量.高原鼠兔扰动初期可以加速水文循环,而后期水文循环则受到抑制.研究对进一步认识高原鼠兔的扰动影响高寒草甸的水源涵养能力具有重要作用,也可为青海湖流域生态系统的管理与保护提供参考.     

基于时空域联合信息的高原鼠兔运动目标检测

自然场景下的高原鼠兔序列图像对比度低,边缘较弱,目标包含多色彩且目标运动具有突变性。针对传统运动目标检测方法不能精确提取多色彩目标轮廓的问题,提出一种基于时空域联合信息的运动目标检测方法。首先,利用背景减法确定当前帧图像中目标的形心位置,得到粗分割图像及初始轮廓,然后用改进Chan-Vese(CV)模型对粗分割图像进行分割,改进Chan-Vese模型对多色彩目标图像适应性强,从而获得精确的目标轮廓。鉴于几何活动轮廓模型在图像分割过程中需不断初始化水平集函数,且初始化计算量随图像规模的增大而增多,该文在背景减法获得目标形心的基础上,以形心为中心,截取包含目标的图像块作为粗分割图像,然后利用改进Chan-Vese模型对粗分割图像精确分割,以减少分割耗时。该文对包含50帧图像的视频处理,试验结果显示:该文方法耗时仅为15.25 s,相似度指数平均为0.852 929,Jaccard指数平均为0.744 57。和背景减与CV模型相结合的运动目标检测方法相比,该文方法过分割率低,无冗余轮廓,且耗时短;和背景减与改进CV模型相结合的运动目标检测方法相比,该文实时性更高;该文所提出的目标检测方法可精确提取目标轮廓且实时性高。     

基于卡尔曼滤波的橘小实蝇成虫运动轨迹优化跟踪

为了实现橘小实蝇虫口密度的精准监测,该文将机器视觉技术作为田间橘小实蝇成虫入侵自动化监测的感知方法。通过对监测区域内运动目标和背景的颜色分析,提出了基于卡尔曼(Kalman)滤波的运动目标颜色均值漂移跟踪算法,优化了多目标运动轨迹跟踪效果。该算法通过图像处理和匹配技术提取了橘小实蝇成虫在虫口监测区域二维平面X轴和Y轴方向上的位置坐标和速度分量,推算了橘小实蝇成虫运动轨迹递推关系。基于动态系统的状态序列线性最小方差估计理论和成虫运动轨迹关系分析,构建了卡尔曼滤波状态估计模型,并建立其预测和修正方程实现了橘小实蝇成虫运动目标位置估计。通过在虫口监测区域开展单目标和多目标分散及粘连条件下的成虫跟踪试验,试验结果表明颜色均值漂移跟踪算法对橘小实蝇成虫单目标跟踪具有较好的适应性,成虫监测计数准确率达100%,对于多目标分散和粘连情况跟踪处理效果较差,计数准确率分别下降至86%和76%;通过在颜色空间均值漂移跟踪算法的基础上引入Kalman滤波器估算目标运动的近似位置,实现了对橘小实蝇成虫分散和粘连多目标运动的持续跟踪优化,监测计数准确率分别提升至96%和93%。机器视觉技术实时跟踪橘小实蝇成虫在虫口监测区域运动轨迹试验进一步验证了橘小实蝇成虫虫口密度监测的可行性,为田间橘小实蝇成虫发生自动化监测技术研究提供了参考。     

基于改进可变形部件模型与判别模型的葡萄叶片检测与跟踪

为解决酿酒葡萄生长状态自动监测问题,该文提出基于机器视觉和视频处理技术的自动监测系统,开发了多角度可变形部件模型的葡萄叶片检测算法和基于颜色特征的判别模型跟踪算法。在叶片检测方面,该算法对颜色特征图像采用可变形部件模型训练出多角度叶片检测器,通过多模型匹配后产生叶片检测候选集合,选择集合中得分最高的检测结果作为最后的定位信息;在跟踪方面,结合图像中目标的颜色直方图,建立具有区分背景和目标的组合判别模型,并将位置函数的最大值作为相邻帧的目标位置,从而实现对叶片目标的实时跟踪。试验结果表明,该文检测算法对自然条件下的葡萄叶片平均检测率为88.31%,误检率为8.73%;叶片跟踪的准确性也相对较高,其重叠率高达0.83,平均中心误差为17.33像素,其证明了该算法的有效性,研究结果为葡萄生长状态的自动分析提供参考。     

基于无人机和卫星遥感影像的制种玉米田识别纹理特征尺度优选

制种玉米田在高空间分辨率遥感影像上呈现的明显条带状纹理,是有效区分光谱值相近的大田玉米和制种玉米的重要信息.该文在新疆维吾尔自治区奇台县玉米种植区以高空间分辨率的无人机遥感影像为数据源,针对制种玉米识别的纹理特征计算尺度问题,首先采用最近邻内插法对制种玉米和大田玉米样本田块的无人机影像进行重采样,得到不同分辨率的样本;然后用融合Uniform-LBP(local binary pattern)和GLCM(gray level co-occurrence matrix)方法得到提取玉米田块纹理特征合理GLCM参数,其中方向参数为0°、45°、90°和135°这4个方向上的纹理特征值的平均值、距离为5~7像元、灰度级为8;通过多尺度对比分析,得到最适宜区分制种玉米与大田玉米的纹理辨率为0.6~0.9m.最后采用奇台县的0.7m分辨率的Kompsat-3遥感影像进行验证,在多时相EVI(enhanced vegetation index)光谱信息识别玉米的基础上,利用本文确定的纹理分析方法,通过决策树建立规则识别制种玉米,识别精度达90.9%.通过该文的研究,可为高空间分辨率遥感制种玉米田监管提供支撑.     

基于Mean shift的筛面物料颗粒目标运动轨迹跟踪

为了获取农业物料在风筛式清选筛面的实际运动规律,通过对多颗粒散体中的目标颗粒进行着色处理,提出采用基于颜色特征向量的Mean shift算法,实现对目标运动轨迹的跟踪。算法根据Bhattacharyya系数的大小判定跟踪目标是否被遮挡,并引入了Kalman滤波器设计。在正常跟踪过程中,利用Kalman滤波器预测每帧Mean shift算法的起始位置,然后利用Mean shift算法对目标进行精确定位,当目标被遮挡时,将其运动视为时不变系统,并通过Kalman滤波器估算目标近似位置。试验结果表明,该方法在复杂背景和光照变化条件下,实现了对快速运动目标的稳定持续跟踪,具有很好的鲁棒性,为散体颗粒运动规律的研究提供了一种图像检测方法。     

基于伪球算子边缘模型的猪前景帧检测

针对固定区域监控非刚体前景目标的活动,提出一种基于边缘像素模型的、低计算代价的前景帧检测法。根据帧序列中前景帧的边缘像素稳定性远远小于背景像素的特性,首先采用伪球边缘检测算子提取每帧的帧边缘;接着根据帧序列滑动窗口帧数和背景边缘像素判定阈值,提取非背景边缘图像;然后根据边缘像素点数量阈值,消除噪声边缘;最后根据序列帧噪声边缘判断阈值,判断当前帧是否为前景帧。在具有相当平滑性的条件下,伪球算子的边缘定位误差小于canny算子。猪舍区域检测猪只目标的试验表明,采用不到原图像像素总数的3%的边缘像素点,可以有效地适应背景光线变化及前景运动缓慢或短暂滞留等情况,为后继的猪只运动分析创造有利条件。     

基于时空域与频域融合的农村变电站中运动目标检测算法

目前,中国农村的变电站通常规模比较大,电气设备都比较传统,设备自动化和智能化程度普遍较低,因此在变电站的日常运行维护中对人力资源的要求相对较高。在日常巡检与突发故障检修时,都需要工作人员进入现场操作。视频监测技术可以实现变电站工作人员监测的远程化、智能化、自动化,使工作人员的安全性大大提高,而运动目标检测是其中的关键。为了改善常用目标检测算法在农村变电站安全监测上存在的问题,该文提出了一种多域融合(时域空域与频域)的运动目标检测(time-domain space-domain and frequency-domain fusion,TSFF)算法。首先在时域上选取连续多帧图像,接着选取多帧图像相同位置处像素点构成时域信号,通过短时傅里叶变换在频域观察频率变化幅值,并结合空域上目标像素点水平与垂直4个方向上扩展邻域短时傅里叶变换频率变化幅值,最终判断出该像素点位置为背景、噪声或运动目标,完成运动目标分割。该方法较好地克服了传统背景差分法受到光照、阴影、噪声等变化的影响,相较于帧间差分法最大限度地保留了运动目标的信息,并克服了自适应背景建模算法对于出现高频扰动噪声检测效果较差的问题。试验表明,该算法在保留运动目标信息的同时,最大限度去除了背景。     

基于Bezier曲线优化的农机自动驾驶避障控制方法

动力换挡拖拉机的产生促进农机自动驾驶向着无人化方向发展,农机的自动避障成为需要解决的关键问题。该文针对最短切线路径曲线曲率不连续、跟踪控制精度差及农机运动模型精度低等缺点,采用三阶Bezier曲线优化法形成连续平滑农机避障路径,通过链式控制理论建立农机运动线性控制模型,利用PI控制器进行转角补偿,并进行了控制方法的仿真和犁耕作业试验。仿真结果表明:农机行驶的航向误差角在-0.06～0.06 rad,横向位置误差小于13 cm,前轮转向角变化平缓,没有显著突变,说明该方法控制精度较高,农机能够按预设轨迹行驶。犁耕作业试验结果表明:Bezier曲线部分的避障精度为5.21 cm,曲线路径的跟踪控制效果较好;避障后农机继续沿直线行驶的精度为1.98 cm,说明该方法可保证农机在避障后恢复直线自动驾驶。研究结果表明,该避障路径控制方法在不平整犁耕地中具有较好的鲁棒性和适应性,可满足拖拉机作业的避障要求。     

基于凸壳理论的遮挡苹果目标识别与定位方法

为实现受果树枝叶遮挡、果实间相互遮挡的果实目标识别,该文提出了一种基于凸壳理论的遮挡苹果目标识别方法。该方法首先将图像由RGB颜色空间转换至L*a*b*颜色空间,并利用K-means聚类算法将图像分为树叶、枝条和果实3个类别,然后利用形态学方法对果实目标进行处理,得到目标边缘并进行轮廓跟踪,接着利用目标边缘的凸壳提取连续光滑的轮廓曲线,最后估计该光滑曲线段的圆心及半径参数,实现遮挡果实的定位。为了验证该算法的有效性,利用Hough圆拟合算法进行了对比试验,试验结果表明,该方法的平均定位误差为4.28%,低于Hough圆拟合方法的平均定位误差16.3%,该方法显著提高了目标定位的精度,能够有效识别遮挡苹果。     

基于多特征融合的粒子滤波生猪采食行为跟踪

针对中国养猪业规模化、集约化迅猛发展过程中,人工观察监测记录生猪生长情况需损耗大量人力和物力,得到数据误差大的问题,该文提出将颜色特征与目标轮廓形心特征融合,基于粒子滤波算法实现生猪采食行为跟踪,当目标跟踪矩形框中心坐标和跟踪目标轮廓形心坐标之间的横坐标偏差大于跟踪目标轮廓横坐标方向的最大值与最小值的差的一半时,或其之间的纵坐标偏差大于跟踪目标轮廓纵坐标方向的最大值与最小值的差一半时,对基于颜色特征粒子滤波算法得到的跟踪矩形框的中心坐标进行二次修正,提高了目标生猪跟踪的可靠性和鲁棒性;通过对比试验,结果表明:该方法能够对目标生猪的采食行为进行自动跟踪、记录和分析,记录的目标生猪一天内的采食次数和采食时间与人工记录结果基本相同,有效跟踪平均精度为93.4%。     

基于头尾定位的群养猪运动轨迹追踪

猪的头/尾位置直观反映了猪的进食、饮水、争斗、追逐等日常活动。从群养猪俯视视频中有效分割粘连的猪个体,找出猪的头/尾部,并以头/尾坐标实现较精准的运动轨迹追踪有着较大的难度。该研究采用改进分水岭分割算法分割视频图像帧中的粘连猪个体;对分割后的猪体提取头/尾轮廓,分别用类Hough聚类和圆度识别算法识别每头猪的头/尾,用运动趋势算法修正头/尾识别的误差,生成以头/尾部为定位坐标的运动轨迹。运算结果和人工标记对比证明类Hough聚类和圆度识别算法的头尾识别正确率分别为71.79%和79.67%;经过运动趋势修正后,以头部为定位坐标生成的运动轨迹与人工标记生成运动轨迹吻合良好;对比头/尾轨迹和质心轨迹可以发现,头/尾轨迹能够更多获取猪个体和群体活动、运动信息。该研究对于实现自动记录和分析猪个体和群体的活动行为提供新的思路和方法。     

自然环境下贴叠葡萄串的识别与图像分割算法

针对自然环境下贴叠葡萄串难以识别与分割的问题,该文首先提取HSV颜色空间中的H分量,获取贴叠葡萄串区域,分析该区域长宽比从而判定葡萄串的贴叠性质;提取葡萄串图像轮廓信息,获取轮廓拐点与类圆心点信息;利用拐点与中心点之间的斜率判定目标葡萄串所在位置。然后,利用Chan-Vese模型进行葡萄串的迭代识别,并结合拐点信息获得重叠边界的轮廓信息。最后,将重叠边界轮廓与图像轮廓进行融合,实现目标葡萄串识别。试验结果表明,该文方法的平均精准度为89.71%,平均假阳率为4.24%,识别成功率为90.91%,与现有方法相比,该文方法可实现完整目标葡萄串的识别与分割,并提高了识别与分割的精准度,为葡萄采摘机器人成功采收贴叠葡萄串提供切实可行的算法。     

自动监测装置用温室粉虱和蓟马成虫图像分割识别算法

为了监测温室黄瓜作物虫害种类、数量变化情况以预测虫害发展趋势,该文以粉虱和蓟马为例,提出了一种基于Prewitt、Canny边缘检测算子分割和SVM(support vector machine)的温室粉虱和蓟马诱虫板的图像识别算法。该方法利用HSI(Hue-Saturation-Intensity)颜色空间的I分量与L*a*b*颜色空间的b分量二值图像中害虫目标与背景的高对比性,再分别相应地利用Prewitt算子和Canny算子进行单头害虫边缘分割,再经过形态学处理,最后融合这两幅二值图像完成单头害虫区域的提取。然后提取害虫的5个形态特征(面积、相对面积、周长、复杂度、占空比)及9个颜色特征(Hue-Saturation-Value颜色空间、HSI颜色空间、L*a*b*颜色空间各分量的一阶矩),并对这14个特征参数进行归一化处理,将特征值作为SVM的输入向量,进行温室粉虱和蓟马的诱虫板图像识别。通过分析比较不同向量组合的BP(back propagation)与SVM的害虫识别率、4种不同SVM核函数的害虫识别率,发现颜色特征向量是粉虱和蓟马识别的主成分,且SVM的识别效果优于BP神经网络、线性核函数的SVM分类性能最好且稳定。结果表明:平均识别准确率达到了93.5%,粉虱和蓟马成虫的识别率分别是96.0%和91.0%,能够实现温室害虫的诱虫板图像识别。该研究可以为虫害的监测与预警提供支持,为及时采取正确的防治措施提供重要的理论依据。     

基于自纠正NMS-ByteTrack的套袋葡萄估产方法

针对套袋后的葡萄体积增加和葡萄叶片表面积大容易出现重叠遮挡,及人工拍摄视频的速度不稳定可能导致套袋葡萄目标丢失的问题,该研究提出一种基于自纠正NMS(non-maximum suppression)-ByteTrack的套袋葡萄估产方法。该方法首先通过目标检测方法YOLOv5s检测视频中的套袋葡萄,将检测阶段的NMS操作后置到追踪阶段,保留因遮挡而被过滤的果实检测框;其次在ByteTrack的基础上加入相机运动补偿和改进的卡尔曼滤波算法,以自动纠正果实预测框的位置并进行追踪;最后提出一种划线计数策略对套袋葡萄自动计数。试验结果表明,该方法的多目标追踪准确率、多目标追踪精度和ID调和平均数分别为64.6%、82.4%和80.8%,相比ByteTrack分别提高了1.7个百分点、1.0个百分点和4.1个百分点,平均计数精度达到82.8%。因此,基于自纠正NMS-ByteTrack的估产方法能有效解决套袋葡萄的追踪计数问题,实现对套袋葡萄更精确地估产。     

基于DRGB的运动中肉牛形体部位识别

如何解决运动中肉牛关键部位自动识别,是实现肉牛异常行为早期发现的关键。该文通过Kinect采集肉牛图像的2种模态(Depth和RGB):基于RGB模态提出随机最近邻像素比较法,实现肉牛动作样本的自动抓取;基于Depth模态提出深度均值法,实现彩色图像背景过滤并保留肉牛形体信息,生成DRGB图像样本;基于Fast R-CNN设计识别器,参考Alex Net设计了8种分类网络并比较网络分类精度,选择最优网络作为识别器的基础网络;输入DRGB样本对网络的识别部分二次训练,最终得到符合精度要求的识别器。试验证明,RNNPC的有效数据率为94%;Selective Search算法在DRGB上产生的候选区域数量减少90%;识别网络的平均分类精度可以达到75.88%,处理图像速率为4.32帧/s,效果优于原Fast RCNN,基本可以实现运动中肉牛形体部位识别。