基于热传递过程的薄层水流流速测量方法及装置

基于薄层水流中的热传递过程，提出测量水流流速的示踪方法，并设计对应的测量系统。在室内试验坡面上，设计不同试验工况(坡度为5°,10°,20°,流量为2,5,8 L/min),以盐示踪法为对照，研究热示踪测量薄层水流流速的可行性及其影响因素。结果表明，测量系统能准确地测得热示踪剂的运移过程；热与盐2种示踪剂测得流速范围为0.408～1.522 m/s,线性拟合斜率为1.006,R²为0.993,表明两者具有显著的线性关系，热示踪法具有较高的可靠性；由于物理属性差异，部分水力工况下示踪剂的释放方式对盐和热的测量结果影响显著，表明此时2种示踪剂测量流速的代表性不同；可采用盐与热联合示踪的方法，取二者测量结果的均值作为薄层水流的平均流速，以提高测量结果的代表性。研究结果可为复杂下垫面、盐渍化和禁用化学成分等特殊坡面上薄层水流流速的准确测量提供新方法和理论参考。薄层水流流速的准确测量对地表水文和土壤侵蚀领域的研究具有重要意义。     

基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统构建与试验

为减小染色法测量坡面水流流速的误差,提高染色法测量准确度,根据染色示踪剂在水中扩散引起颜色发生变化的特性,结合漫反射型模拟量光电颜色传感器和数据采集卡采集信号,通过小波变换对信号进行去噪,研发一种基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统。以流量法为参照,确定该系统传感器最优数据采集距离为0.6～0.8 m;传感器数据采集距离为0.7 m时,该系统测量数据最小相对误差仅为0.48%,变异系数15%。相比染色法,该系统与流量法拟合的决定系数在0.90以上,大于染色法的决定系数0.75。表明薄层水流流速测量系统优于染色法,可以用坡面薄层水流试验研究中。     

盐热联合示踪表征薄层水流剖面流速分布

坡面薄层水流流速是重要的水动力学参数之一，研究其分布规律对于理解坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。该研究采用盐与热联合示踪的方法，对不同粗糙下垫面的坡面薄层水流流速进行测量，探究下垫面对薄层水流剖面流速分布的作用规律。在3种坡度（5°、10°和20°）下，以下垫面条件（有机玻璃、80目即0.16 mm砂纸和24目即0.53 mm砂纸）、流量（2、5和8 L/min）和示踪剂类型（盐和热）为试验因素，以每个坡长（2、3和4 m）处的水流流速为试验指标进行多因素间的完全试验。结果表明，当下垫面一定，水深为粗糙高度的2～4倍，且水流为层流流态时，盐与热联合示踪的方法可用于表征薄层水流的剖面流速分布；下垫面粗糙高度和水深对薄层水流剖面流速分布具有显著影响（P<0.05）。3种垫面下，2种示踪剂测得流速具有显著的线性相关关系，其线性拟合直线斜率分别为1.015、1.094和1.078，决定系数R²分别为0.892、0.824和0.760。随下垫面粗糙度增加，2种示踪剂测得流速差异呈增大的趋势；床面粗糙高度的增加，加大了对水流的扰动作用，增加了水流的紊动程度，进而影响盐与热2种示踪剂测量水流流速差异性。研究结果可为进一步理解坡面薄层水流的动力过程提供参考。     

基于虚拟仪器技术的光电式坡面径流流速测量系统

在水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数。目前尚没有广泛应用的测量径流流速的仪器，该研究从两相流理论出发，基于相关流速测量理论，采用Lab VIEW虚拟仪器开发平台，研制了一套径流流速在线测量系统，包括红外光电传感器、信号调理电路、PCI-6040E数据采集卡以及使用Lab VIEW开发的相关测量软件等。采用室内模拟水槽试验，结果表明，该测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，以染料示踪法测得流速作为标准值进行标定试验，系统最大相对误差为4.14%；基于相关流速理论所建立的虚拟仪器系统测量坡面径流流速是可行的。     

基于红外结构光三维技术的土壤表面粗糙度测量

土壤表面粗糙度是一项重要的土壤物理参数,已有的各种测量方法存在测量效率和误差难以兼顾的问题。为了在一定精度下提高野外测量工作效率,该研究基于红外结构光技术设计了一套便携的土壤表面粗糙度测量系统。该系统主要包括红外结构光扫描仪、便携式计算机、支架等,具有3.2 mm空间分辨率和3 mm的距离分辨率的性能。通过水平面板测量试验,发现本系统相对误差较小,相对误差最小区域中0.5个测量单位以内的误差（e≤1.5 mm）占87.87%,1个测量单位以内的误差（e≤3 mm）占99.58%,而大于1个测量单位的误差仅占0.42%。通过土壤表面粗糙度测量试验,发现本系统绝对误差较明显,其测量结果低于1 mm 分辨率的土壤粗糙度值。通过误差分析发现：该系统的测量误差包括固有误差和随机噪声,呈特定的规律性分布;导致绝对测量误差的主要原因为该系统的性能;由于系统的随机噪声,基于水平面板距离图像的土壤表面距离图像校正存在不确定性。该研究结果为进一步降低红外结构光三维技术测量土壤表面粗糙度的误差提供了依据。     

电解质示踪测量坡面薄层水流流速的改进方法

薄层水流速度测量对坡面水文和土壤侵蚀过程预测具有重要意义。电解质示踪脉冲模型在短距离测量流速的精度较低,提高短距离测量精度是开发便携测量设备的需要。该文对电解质示踪脉冲模型的边界条件进行改进,采用正态分布函数代替脉冲函数的边界,提出了电解质示踪法测量流速的正态模型。用正态边界条件和脉冲模型解的卷积作为实际电解质传输过程的解,得到更符合实际的电解质传输模型。利用正态模型与试验观测数据拟合,得到水流流速的估计值。与脉冲模型比较,正态模型不同程度地降低了不同测量位置流速预测的误差。研究结果为改进测量流速的设备开发提供了科学依据。     

采用热红外和可见光图像无损测定棉花苗期叶面积

叶面积是影响植物光合作用、蒸腾作用、呼吸作用及产量形成的重要形态指标之一,为实现作物叶面积准确、稳定和无损化测量,该研究基于红外线成像设备,提供了一种利用热红外和可见光图像测定棉花叶片面积的方法。以苗期棉花作为研究对象,通过红外成像相机T660获取棉花的热红外和可见光波段的图像,分别使用GrabCut算法和Hough圆检测提取红外图像中叶片和可见光图像中已知实际面积的圆状参照物（五角硬币）的像素面积,进而根据叶片区域和圆状参照物区域的像素倍数关系计算棉花的真实叶面积,将通过该研究所提方法计算的叶面积结果与传统的剪纸称重法、Image Pro Plus软件图像法进行皮尔逊相关性分析,检验该方法的可行性。分析表明,基于所提方法的测量值与剪纸称重法、Image Pro Plus软件图像法的结果之间均存在显著的线性相关关系（P<0.01）（相关系数分别为0.992,0.996）。3种方法对5盆棉花进行8次测量,结果显示,该研究所提方法测量值的平均变异系数为0.782%,在测量工作中表现稳定,为快速获取棉花苗期叶面积提供了一种准确稳健的理论方法。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

日光温室热工缺陷面积热红外图像测量方法

隔热层和气密性缺陷是日光温室保温蓄热性能差的重要因素,为了快速检测日光温室热工缺陷区域及测量该区域的面积,该文借助热红外成像仪和Lab VIEW软件平台,构建了基于热红外图像的日光温室热工区域面积测量方法。以陕西杨凌西北农林科技大学园艺场日光温室北墙风口为测试对象,通过现场实测数据与理论计算结果进行比较分析。首先,利用热红外成像仪实时检测出日光温室北墙通风口表面与墙体内表面存在的明显温度差异,其最大温差高达8.4℃。基于温度差异,能快速找出温室内围护结构不同位置所存在的明显散热区域。然后通过直方图法、均方根法和人工提取法分别计算了散热区域面积,其中直方图面积测量方法具有较好的效果,平均相对误差为5.4%;人工提取法次之,平均相对误差为6.0%,均方根法最大,平均相对误差为11.8%。研究结果表明,基于热红外图像的直方图面积测量方法能快速检测出热工缺陷区域的面积,为进一步自动定量分析整个日光温室热工缺陷区域的面积及散热量提供了理论方法,在温室围护结构热工损耗计算方面具有较大地应用潜力,可为农民和企业提出日光温室优化改造建议。     

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

基于干旱区地面实测热红外光谱的土壤含水量反演研究

土壤水分在干旱地区生态系统中起着重要的作用,同时土壤含水量是确定土壤干旱的重要参数。通过分析野外和室内实测土壤发射率光谱特征参数与含水量之间的关系,采用光谱特征分析参数提取反演土壤含水量的最佳敏感波段,发现波长在9.4802~9.7901 μm土壤含水量对其发射率最为敏感。根据最佳敏感波段的范围,模拟MODIS,ASTER,HJ-1B卫星的热红外波段,对波段及波段比值与土壤含水量进行回归分析,得出波段比值的线性模型可有效地反演出土壤的含水量。然后对该模型进行验证分析,确定模拟ASTER卫星传感器的12和14两个热红外波段的发射率比值与土壤含水量的线性关系,其反演精度更高。建立了适合研究区的土壤热红外发射率与含水量之间的反演模型。     

基于红外热成像的夜间农田实时语义分割

农田环境实时语义分割是构成智能农机的视觉环境感知的重要环节，夜间农田语义分割可以使智能农机在夜间通过视觉感知农田环境进行全天候作业，而夜间无光环境下，可见光摄像头成像效果较差，将造成语义分割精度的下降。为保证夜间农田环境下红外图像语义分割的精度与实时性，该研究提出了一种适用于红外图像的红外实时双边语义分割网络（Infrared Real-time Bilateral Semantic Segmentation Network，IR-BiSeNet），根据红外图像分辨率低，细节模糊的特点该网络在实时双边语义分割网络（Bilateral Semantic Segmentation Net，BiSeNet）结构基础上进行改进，在其空间路径上，进一步融合红外图像低层特征，在该网络构架中的注意力提升模块、特征融合模块上使用全局最大池化层替换全局平均池化层以保留红外图像纹理细节信息。为验证提出方法的有效性，通过在夜间使用红外热成像采集的农田数据集上进行试验，数据集分割目标包括田地、行人、植物、障碍物、背景。经试验验证，提出方法在夜间农田红外数据集上达到了85.1%的平均交并比（Mean Intersection over Union，MIoU），同时达到40帧/s的处理速度，满足对夜间农田的实时语义分割。     

基于热红外图像的奶牛乳区温度分布与乳房炎识别方法

乳房炎是影响奶牛健康与牛奶品质的主要疾病之一，是健康养殖的监控重点，该研究提出了一种基于热红外图像的奶牛乳区温度分布测量与乳房炎识别方法。通过现场采集的健康与患病共189头荷斯坦奶牛挤奶前后的后乳区热红外图像样本，提出了左右后乳区自动识别方法，确定了后乳区的特征区域及识别乳房炎的数据最佳采集时间为挤奶前。通过线剖法获取奶牛特征区域内的温度值点，建立乳区温度分布拟合方程，经分析发现91.9%的健康奶牛乳区温度拟合线的斜率小于0，斜率范围为-0.083～-0.001；92.1%的患病奶牛乳区温度拟合线的斜率大于0，斜率范围为0.001～0.093，可根据温度拟合线斜率的正负实现奶牛乳房炎的自动识别。与加州乳房炎检测法（California Mastitis Test，CMT）对比试验，结果表明：健康奶牛左右后乳区的识别准确率均值为76%，患病奶牛的左右后乳区识别准确率均值为75%。该研究提出的方法为牧场奶牛健康管理与乳房炎的快速在线识别提供了参考。     

无人机热红外图像计算冠层温度特征数诊断棉花水分胁迫

针对当前无人机热红外遥感诊断作物水分胁迫状况精度不高的问题,该文以4种水分处理的花铃期棉花为试验对象,利用六旋翼无人机搭载热红外传感器,连续5 d采集中午13点的棉花冠层高分辨率热红外影像,通过Canny边缘检测算法将热红外图像中的土壤背景有效剔除,应用温度直方图验证剔除效果,然后计算棉花冠层温度特征数,包括冠层温度标准差(standard deviation of canopy temperature,CTSD)和冠层温度变异系数(canopy temperature coefficient of variation,CTCV);分别研究棉花冠层温度特征数与棉花叶片气孔导度Gs、蒸腾速率Tr、水分胁迫指数(crop water stress index,CWSI)和土壤体积含水率(soil volumetric water content,SWC)的相关关系,并分析冠层温度特征数对诊断棉花水分胁迫的适用性。研究结果表明:棉花冠层温度特征数与表征棉花水分胁迫的生理指标和物理指标都具有较高的相关性,最大的决定系数R2为0.884;棉花冠层温度标准差CTSD和变异系数CTCV与Gs、Tr、CWSI、SWC的决定系数R2分别为0.884、0.625、0.673、0.550和0.853、0.583、0.620、0.520,冠层温度标准差CTSD对作物水分胁迫的敏感程度更高,可以作为诊断作物水分胁迫的新指标。该研究提出冠层温度特征数的计算方法仅需要无人机热红外影像数据,相比其他诊断作物水分胁迫状况的温度指标具有较大的应用潜力。     

基于热红外视频的奶牛跛行运动特征提取与检测

针对基于可见光视频的奶牛跛行检测系统易受光线、环境变化因素影响的问题，该研究提出了一种基于热红外视频的奶牛跛行运动特征获取与检测的方法。该研究利用深度学习与传统图像处理方法，分别对热红外相机与可见光相机所拍摄的奶牛行走视频进行了奶牛跛行运动特征的提取检测。通过检测结果分析可知，相较于可见光图像，算法对于热红外图像中的奶牛跛行运动特征检测效果更好、准确率更高并且热红外图像可以有效减少光线等外界因素对特征提取的影响，利用深度学习与传统图像处理对运动特征检测的平均精度达到了90.84%与74.26%。研究利用弓背曲率分别针对热红外视频与可见光视频中的行走奶牛进行跛行检测试验，试验结果表明，针对热红外视频中的奶牛跛行检测精度为90.0%，Macro-F1为0.90；针对可见光视频中的奶牛跛行检测精度为83.3%，Macro-F1为0.83。研究表明热红外相机应用于计算机视觉奶牛跛行检测系统可以更好的实现奶牛跛行运动特征获取与跛行检测，有效提高检测准确性与鲁棒性。     

多尺度特征融合的柑橘冠层施药沉积量分类模型

针对传统农作物冠层施药沉积量分类模型分类准确率低、网络模型参数量大且运算速度慢的问题，该研究提出一种改进的SPP-Net-Inception-v4模型。该模型通过构建稀疏网络结构平衡各个模型子网间的计算量，利用3个Inception模块生成施药沉积量在柑橘冠层热红外图像的稠密有效特征数据；在模型的卷积层与全连接层间创新性接入空间金字塔池化网络（Spatial Pyramid Pooling Network, SPP-Net），进行一次历遍提取热红外图像特征信息，再通过空间池化操作融合3种池化方式提取的多尺度特征，实现柑橘冠层热红外图像施药沉积量表现特征的提取与融合。搭建多环境因素自主控制试验环境，模拟无人机低空采集柑橘冠层热红外图像，应用3个分类模型进行对比试验，试验结果表明，SPP-Net-Inception-v4模型与Inception-v4和ResNet-152两种模型相比，准确率分别提高1.58%和3.26%，模型大小分别降低13%和24%，表明SPP-Net-Inception-v4模型在降低模型规模的基础上，提高了柑橘树冠层施药沉积量分类的准确率，可为精准农业航空中无人机植保技术的进一步发展提供参考。     

采煤沉陷区生态修复树种蒸腾特征及能量收支

[目的] 在改进蒸腾观测方法的基础上,对采煤沉陷区常见生态修复树种蒸腾特征及能量收支状况进行研究,为矿区生态修复工作中树种的选择和水分调控提供理论依据。[方法] 选择采用“三温模型”+热红外遥感的方法在野外环境应用时的参考叶片类型,并对沙柳（Salix psammophila）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、柠条（Caragana korshinskii）3种植物的蒸腾特征进行测定,分析其蒸腾特征和蒸腾过程中的能量收支状况。[结果] ①绿色卡纸可以在9：00—15：00时代替烘干植物叶片作为植物蒸腾测定时的参考叶片。②沙柳、沙棘、柠条的蒸腾速率日变化规律均为单峰曲线,最高瞬时蒸腾速率分别为0.57,0.61和0.71 mm/h,日蒸腾量分别为3.24,3.27和3.80 mm。③沙柳的h_at值（植物蒸腾扩散系数,用于评价植物水分亏缺状况）日变化规律为“单峰型”,柠条和沙棘则为“双峰型”,h_at日均值从大到小依次为：沙柳（0.18）>沙棘（0.11）>柠条（0.03）。④沙柳、柠条的显热通量（H）在15：00时小于0。[结论] 沙柳、沙棘、柠条均可以通过冷岛效应向周围环境吸热用于蒸腾作用,降低环境温度。沙柳适合栽植于地势平坦,水分较为充足的地区。沙棘和柠条可以通过飞播的方式在人力难以到达和水分状况较差的地区进行生态修复。