月壤钻采取样方式对样品层理的影响

针对月壤钻采任务,基于离散元月壤模型,分析了硬质管取芯与软袋取芯2种取样方式的层理保持特性,提出了曲面斜率法描述月壤样品的层理信息。该方法能够通过拟合曲面直观反映随钻深分布的各层月壤样品变形情况,并能够定量描述各层样品轻微扰动部分与层理破坏部分的分界范围,以及层理破坏趋势与程度。分析结果表明:取样袋能显著保护样品的层理信息,而硬质管取芯对外侧月壤样品层理破坏严重,且破坏层数较多,但层理破坏较轻微的样品直径范围与有取样袋工况差别不大。此外,2种工况下,表层月壤样品层理信息均破坏严重,说明了表层月壤具有较强的随动性。     

基于多时相无人机遥感生育时期优选的冬小麦估产

为确定无人机遥感产量估算的最优生育时期及采集次数,以砂土种植冬小麦为研究对象,设置了4组灌水（36个样区）与5组施氮（15个样区）处理,采集了起身期至灌浆后期的8次遥感数据。采用偏最小二乘法（PLS）、随机森林（RF）和套索（LASSO）算法构建了单生育时期产量估算模型。根据提出的最优模型,利用三次B样条曲线和复合梯形公式,建立了5种特定生育阶段日植被指数积分的产量估算方案。结果表明,不同生育时期的冬小麦产量估算模型精度差异显著,随冬小麦生长精度总体呈递增趋势。单生育时期中,PLS、RF和LASSO模型的最优生育时期分别为灌浆前期、灌浆前期和灌浆后期。除拔节前期外,RF模型的产量估算精度均优于PLS和LASSO。冬小麦多生育时期的产量估算精度优于单生育时期,从起身期至灌浆后期的8次遥感产量估算精度最高（决定系数R2为0.96,标准均方根误差（NRMSE）为5.39%）,而起身期至开花期的6次遥感产量估算精度亦达到极好（NRMSE为9.16%）,可减少遥感采集次数,提前预测产量。研究结果对采用无人机遥感进行冬小麦产量预测和精度提升具有重要意义。     

基于光学相机的植物表型测量系统与时序生长模型研究

为提高形态表型检测速率,满足形态表型测量的标准化需求,以拟南芥为例,提出一种测量植物三维形态特征的方法,并建立植物时序生长方程和可视化模型,构建了一套经济实用、面向拟南芥生长过程的形态表型测量机器视觉系统。通过光学相机采集拟南芥植株的二维图像序列,利用运动中恢复结构算法生成三维点云;设计一种彩色标板,基于彩色标板的坐标系标准化方法,提取拟南芥植株的点云并标准化坐标系。与传统人工接触式测量值相比,该系统交互测量的拟南芥叶片宽度、长度、主茎长度、叶片面积、叶片间夹角的平均相对误差分别为9. 83%、10. 10%、1. 07%、4. 09%和4. 37%。利用该系统采集哥伦比亚野生型拟南芥生命周期内的形态表型信息,拟合其数学生长模型,并使用L-studio软件,将时序生长模型可视化表达。结果表明,植物固定、传感器移动的平台结构解决了传统传感器固定、植物移动方式导致的植物抖动从而影响三维重建效果的问题,可快速、准确、可靠地提取植物表型信息。基于彩色标板的点云坐标系标准化方法在每个单位时间都能够对拟南芥植物对象进行参数提取,与传统的人工接触式测量方法相比,效率高、速度快,可满足拟南芥的形态表型分析需要。     

玉米少免耕播种机种带灭茬清理装置设计与试验

针对东北一年一熟玉米种植区秸秆覆盖还田条件下,少免耕播种玉米时条带旋耕作业后土秆混杂严重、种带清洁度低导致的晾籽率高、播种质量差等问题,设计了一种适用于秸秆覆盖条件下玉米少免耕播种机的种带灭茬清理装置。为达到最佳的清理效果,对灭茬刀的侧切刃长度进行分析,计算了种带清理弯刀的侧切刃曲线及受力,并利用EDEM软件进行单因素仿真,确定了最优弯折角为150°;分析比较了2种装置作业后的种带清洁度及土壤扰动量,结果表明,种带灭茬清理装置作业后种带清洁度均值为86.59%,比传统条带灭茬装置提高了26.89%,土壤扰动比减少了2/3,平均扭矩降低了33.19%;试验与仿真结果基本一致,验证了仿真的可靠性。为研究各因素对种带灭茬清理装置作业性能的影响,设计了三因素三水平正交试验,得出对种带清洁度产生显著影响的因素为前进速度及秸秆覆盖量,对土壤扰动量产生显著影响的因素为前进速度及入土深度。田间试验表明,该装置在秸秆覆盖量为0.4~1.4kg/m2时,机具通过性良好,各组试验种带清洁度均在80%以上,土壤扰动比较低,符合设计要求。     

基于注意力机制的农业文本命名实体识别

针对农业智能问答系统构建过程中传统的农业命名实体识别方法依赖人工特征模板、特征信息提取不充分、实体名称多样导致标注不一致等问题,提出一种基于注意力机制的农业文本命名实体识别方法。采用连续词袋模型(Continuous bag of words,CBOW)对输入字向量进行预训练,丰富字向量特征信息,缓解分词准确度对性能的影响;引入文档级的注意力(Attention)机制,获取实体间相似信息,保证实体在不同语境下的标签一致性;基于双向长短期记忆网络(Bi-directional long-short term memory,BiLSTM)和条件随机场(Conditional random field,CRF)模型,构建适合农业领域实体识别的模型框架。选取4604篇农业文本,针对病害、虫害、农药、农作物品种4类实体进行了识别实验。结果表明,模型能有效地辨别农业文本中的实体,缓解实体标记不一致的问题,在农业语料上达到了较好的结果,识别的准确率、召回率、F值分别为93.48%、90.60%、92.01%。与其他3种识别方法相比,模型在不同规模语料库的准确率均有一定提高,具有明显的性能优势。     

森林资源连续清查固定样地标记装置设计与试验

以遥控报警原理、GNSS定位原理为基础,设计了实现森林资源连续清查固定样地标记装置,该装置由主程序模块、定位解算模块、遥控报警模块、数据传输模块、样地信息存储更新模块等组成。通过在Cortex-M3上移植FreeRTOS操作系统,并利用C语言进行汇编实现样地标记信息的读取与写入、遥控报警、标记定位等功能。针对定位信息数据传输,在微信平台上通过调用百度地图的API开发实现普通手机用户到样地桩的路线规划。通过试验验证,利用此固定样地标记装置,可将固定样地的复核效率较传统样桩提高324%左右,并且通过此装置可以直接读取固定样地历史信息及写入实时监测数据,解决了传统固定样地标记桩无法进行样地信息记录及无法快速找到、遥控监测等问题。     

基于改进双向RRT*的果园机器人运动规划算法

为提高果园机器人在果园中作业的自主性、安全性和效率,需要进行有效合理的运动规划。针对传统RRT*(Rapidly exploring random tree star)全局路径规划算法在连续走廊式环境下存在搜索效率低、采样点利用率低、生成路径折线多转角大等问题,以阿克曼底盘果园喷雾机器人为运动模型,提出一种改进双向RRT*的果园喷雾机器人运动规划算法。首先,根据激光雷达建立果园二维平面地图,将果树和障碍物均视为障碍物区域,并结合喷雾机器人本体尺寸,对障碍物进行膨胀化处理;然后,通过改进双向RRT*算法搜索路径,搜索路径过程中结合动态末梢节点导向和势场导向进行偏置采样,并对初步生成的路径进行路径点去冗余以及相邻折线段转角约束处理;最后,采用三阶准均匀B样条曲线对处理后的路径点进行轨迹优化,在优化过程中主要考虑轨迹的碰撞检测和喷雾机器人底盘曲率约束。试验结果表明,相较于传统双向RRT*算法,本文所提出的改进算法规划时间平均减少57.5%,采样点利用率平均提高28.55个百分点,最终路径长度平均缩短7.14%;经三阶准均匀B样条曲线优化后所得轨迹在有、无障碍物两种环境下均满足喷雾机器人最大曲率约束,且仅在换行以及障碍物处存在转弯行为,符合喷雾机器人作业轨迹条件,提高了喷雾机器人的工作效率和自主性。     

基于线性CCD混药浓度在线检测装置性能试验研究

使用基于线性CCD传感器的混药浓度检测装置对混药的浓度进行在线检测,在喷雾流量为3.2 L/min时对该检测装置进行标定,给出每种标定浓度下,每个像素点随采样时间的灰度值图。选用灰度值数据变异系数小于5%的第32～120号像素点作为有效像素点,用有效灰度值表示浓度。将每种浓度的胭脂红溶液下采集的50组有效值数据平均值与标准浓度采用最小二乘法对数拟合,得到有效灰度值与浓度之间的曲线关系,其相关系数为0.978 5。使用标定后的装置检测标准浓度溶液,每种标准浓度下记录连续的5组实测浓度,5组实测浓度间的变异系数均小于1.38%,说明检测装置稳定性较高。每种浓度下实测的5组浓度值的平均值与标准浓度之间的偏差均不大于0.018 4 g/L,相对误差均不大于3.081%,优于使用平均灰度值表征浓度的检测方法。     

基于改进ORB的害虫图像特征匹配方法

引入BRISK算法思想,提出改进的BRRB算法(BRISK and ORB)。首先采用ORB算法中的特征检测算法oFAST检测到图像中的特征点,用改进的Harris角点响应函数对特征点加入尺度信息;最后用BRISK算法对特征点进行均匀采样,并生成具有尺度不变性的二进制特征描述符。将采集到的200张害虫样本数据划分为50组,分别进行图像配准实验。实验结果表明,BRRB算法的平均匹配精准度达到了约95%,比原算法提升了约73%;平均计算速度约为47.8 ms;在综合性能实验中,改进后算法的平均匹配精度比传统算法高出了0.6个百分点,在光照不变性上比传统算法高出了1.9个百分点。改进后算法有效的解决了ORB不具备尺度不变性的缺陷,并且保留了原算法在计算速度上的高效性和对旋转、光照的不变性,使害虫图像的匹配工作更加精准,为农作物害虫识别和防治工作提供技术支持。     

果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人

为同时实现果园智能植保机自主导航及自动对靶喷雾,研制了一种果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人。首先采用单个3D LiDAR（Light Detection and Ranging）采集果树信息确定兴趣区（Region of Interest,ROI）,对ROI内点云进行2D化处理得到果树质心坐标,通过随机一致性（Random Sample Consensus,RANSAC）算法得到果树行线,并确定果树行中间线（导航线）,进而控制机器人沿导航线行驶。通过编码器及惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,IMU）确定机体速度及位置,IMU矫正采集到的果树分区冠层信息,最后通过程序判断分区冠层的有无控制喷头是否喷雾。结果表明,机器人自主导航时最大横向定位偏差为21.8 cm,最大航向偏角为4.02°,相比于传统连续喷雾机施药液量、空中漂移量及地面流失量分别减少20.06%、38.68%及51.40%。本研究通过单个3D LiDAR、编码器及IMU在保证喷雾效果的前提下,实现了喷雾机器人自主导航及自动对靶喷雾,降低了农药使用量及飘失量。     

螺旋流排沙管三维数值模拟

涡管排沙以其成本低、效率高等优点而被常常应用于引水明渠的渠首中,但由于涡管尺寸小、流动三维性强等特点,涡管中流动的真实信息很难得到,不利于涡管的优化设计。应用FLUENT软件,以RNG k-ε湍流模型封闭Reynolds方程,SIMPLE算法求解方程组,采用VOF法追踪自由表面,对明渠排沙涡管中流态进行了三维数值模拟,得到了涡管内切向和轴向流速分布的完整信息。分析了水深、排沙涡管开口宽度、涡管直径、涡管与渠道轴线夹角、涡管开口长度和涡管纵向坡度等参数对涡管内流速分布的影响,对于明渠涡管螺旋流排沙设计具有一定的参考意义。     

旋风分离式集沙仪设计与试验研究

根据旋风分离原理,以集沙仪的关键参数(本体直径、入口截面宽度和锥体段高度)为结构参数进行了设计.为了提高集沙效率,本体直径设计为50mm,入口截面宽度和锥体段高度均按旋风分离性能指标和比例要求设计.在风蚀风洞内的沙尘采集试验表明,该集沙仪对0.3～0.076mm的土样进行收集,不同风速下其集沙效率均在83%以上.旋风分离式集沙仪可用于保护性耕作抗风蚀效果的测试,为其有效实施提供科学依据.     

分流对冲式集沙仪设计与性能试验

集沙仪是观测风沙流结构和研究风沙移动规律的必备仪器。针对强风环境下集沙仪内部风沙的有效分离问题,提出了分流气体对冲法,设计了分流对冲式集沙仪,阐述了分流气体对冲法的设计原理和分流对冲式集沙仪的参数分析理论,并在利用Fluent软件对其风沙分离器进行数值模拟的基础上进行了风洞试验验证和性能分析。结果表明,采用该方法的分流对冲式集沙仪具备了较高的降速性能和抗强风性能,排气口风速降幅达88.44%,排沙口风速降幅达90%,保证了集沙仪内部风沙的有效分离,平均集沙效率达90.15%,等动力性达93.27%,符合集沙仪设计的基本原则,制作成本低,能较好地满足风洞试验和风蚀观测要求。     

Influence of vertical sand column and supplemental irrigation on barley yield in arid soils affected by surface crust

A field experiment was conducted during the 1996/1997 season at the University of Jordan Research Station near Al-Muwaqqar village to investigate the effects of sand columns, sand column spacing, soil ridges, and supplemental irrigation on soil water storage, redistribution, and barley yields. The experimental site represents a typical Jordanian arid environmental soil suffering from surface crust formation overlaying impermeable material. In the 600-mm-depth soil profile, soil water storage was improved significantly by 59%, 45%, and 38% in the 1-m, 2-m, and 3-m sand column spacing treatments, respectively, compared with soil water storage in the control treatment (no sand columns). Sand columns increased the moisture stored in all four soil layers (0–150, 150–300, 300–450, and 450–600 mm). Moisture stored in the 450–600 mm soil layer increased significantly by about 188%, 147%, 88%, and 29% in the 1-m, 2-m, 3-m, and 4-m sand column spacing treatments, respectively, compared with moisture stored in the same soil layer of the control treatment. Increasing soil water storage also increased barley consumptive use significantly from 130 mm in the control treatment to an average of about 185 mm in sand column treatments. Without supplemental irrigation, barley grain and straw yields were negligible and almost zero. Barley yields in the control treatment, with 167 mm supplemental irrigation were low, being 0.19 ton/ha and 1.09 ton/ha of barley grain and straw, respectively. Sand columns increased barley grain and straw yields significantly compared with the control treatment to a maximum of 0.68 ton/ha and 3.97 ton/ha, respectively, with the 1-m sand column spacing. Soil ridges perpendicular to the land slope had no significant effect on increasing soil water storage due to lateral runoff and loss along the ridge. In general, sand columns minimize surface runoff and evaporation by allowing water to infiltration through the strong surface crust. Sand columns act as a sink for surface water, enhance subsurface lateral water movement, and reduce the possibility of surface crust formation in the vicinity of the sand column opening by preventing surface ponding. Received: 3 October 1997     

风蚀风洞排沙器设计与性能试验

排沙器是利用风洞研究土壤风蚀问题时的重要装置。为此,针对0FDY-1.2可移动式风蚀风洞设计了排沙器,通过试验确定排沙器最小排沙量为0.53g/s。通过排沙器排沙一致性和排沙稳定性试验得出,其变异系数分别在3.65%～6.68%和3.52%～8.67%的范围内。同时,探索了排沙量在风洞流场内的分布均匀性情况,发现在风洞试验段入口6m风洞中央位置趋于风洞壁面处输沙量有减少的趋势。     

基于粒子群算法的农用轮胎柔性环模型参数辨识方法

轮胎柔性环模型能准确表达轮胎变形,但模型的刚度参数无法直接测定,因此模型刚度参数的辨识成为建模过程中的关键。本文基于轮胎柔性环模型运动学方程,分析农用轮胎固有频率与刚度参数之间的关系,提出基于粒子群算法的柔性环模型刚度参数辨识方法。通过轮胎模态试验获取轮胎固有频率,采用粒子群算法对柔性环模型刚度参数进行辨识。将固有频率的试验值与预测值的平均误差作为评价指标,对比粒子群算法与传统算法及遗传算法辨识结果,结果表明粒子群算法的参数辨识结果精度较高,平均绝对误差为1.67Hz,平均相对误差为1.66%,相较于遗传算法,平均相对误差降低16.16%,运算时间减少93.19%。通过接地印痕试验获取农用轮胎接地角度,结合辨识所得刚度参数,估算轮胎所受到的垂向力,对比垂向力的试验值与预测值,结果表明粒子群算法的参数辨识结果精度较高,垂向载荷估算平均相对误差为1.97%,相对于遗传算法,平均相对误差降低12.05%。     

Effects of sand column, furrow and supplemental irrigation on agricultural production in an arid environment

The effects of supplemental irrigation, sand columns and blocked furrows on soil water distribution and barley yield were studied on arid soils affected by surface crusts. The sand columns were 50 mm diameter, 600 mm deep, and filled with sand of 0.375 mm mean diameter. The blocked furrows were trenches about 250 mm deep, 300 mm wide, and 6 m long established perpendicular to the slope direction. Sand column and furrow treatments significantly increased soil water storage compared with natural or control treatments. Soil water storage significantly increased by about 210% and 230% near the center of the sand column and the furrow treatments, respectively, relative to the control treatment. For sand column treatments, soil water storage decreased linearly with distance from the center of the sand column to about 2.5 m, while for the furrow treatment soil water storage decreased logarithmically to a distance of about 1.0 m, beyond which the soil water storage was not significantly different from the natural or control treatments. The furrow and sand column treatments significantly increased the water application efficiency, seasonal consumptive use and barley grain and straw yields compared with natural and control treatments. Increasing furrow spacing increased the catchment area and consequently crop production per furrow, but decreased crop production per unit total (cultivated and catchment) area. Decreasing sand column spacing reduced surface runoff and increased soil water storage and consequently barley grain and straw yields. Supplemental irrigation is essential for grain production in limited rainfall areas. Soil management is also required to overcome the problems of the soil surface crusting and the low permeability of subsurface soil layers for maximum rainwater efficiency, and for optimal crop production with minimum supplemental irrigation water. Where agricultural land is not limited, furrowed soil surfaces appear to be the most suitable technique for barley grain production. Sand columns with sprinkler irrigation might be more suitable for growing barley as forage crop where agricultural land is limited. Received: 19 October 1998     

4QX-12型玉米青贮收获机的切碎性能分析与试验

针对目前玉米青贮收获机普遍存在的秸秆切碎性能差和切碎长度不均匀等问题,对4QX-12型玉米青贮收获机的切碎性能展开研究。通过对收获机拨禾过程和切碎过程的理论分析表明:拨禾圆筒安装多层拨禾轮可实现倾斜拨禾,使秸秆以倾斜接近水平状态喂入至切碎装置,提升收获机切碎长度的均匀性;根据饲喂不同牲畜的需要,通过改变动刀转速,调节秸秆切碎段长度,该调节方法简单可靠。同时,进行了收获机性能试验,结果表明:该收获机合格切碎长度属于20~30mm区间的切碎长度合格率为96.7%,损失率为4.0%,割茬高度为1 1 6.1 mm;合格切碎长度属于3 0~5 0 mm区间的切碎长度合格率为9 8.1%,损失率为4.6%,割茬高度为113.7mm;各项作业指标均优于国家标准的相关规定,该收获机能满足青贮玉米收获作业要求。     

压砂条件下水分一维垂直入渗试验研究

为研究压砂对土壤水分垂直入渗规律的影响,选取沙土和壤土这2种土壤作为研究对象,采用土柱试验模拟压砂条件下沙土和壤土的水分入渗垂直运动的影响规律,并分别设置2种土壤无压砂处理的对照试验,分析压砂对2种土壤的水分入渗垂直运动的影响规律.结果表明:压砂提高了包含砂层在内的土壤入渗能力,但抑制了砂层下土壤的入渗性能;通过函数拟合得到了累积入渗量随入渗时间变化的经验方程式,拟合程度较高;压砂条件对土壤初渗速率有较大影响,压砂条件下的沙土的初渗速率为不压砂的1.67倍,壤土为2.37倍,压砂对壤土初渗速率影响更为明显;稳渗速率均较小,且压砂对2种土壤的稳渗速率无明显影响;压砂对2种土壤的湿润深度随累积入渗量的变化均起到抑制作用,且对壤土抑制作用更强,2种土壤去除砂层影响后土层的湿润锋深度与累积入渗量的关系均近似呈线性规律.