信息物理系统(cyber-physical system)时空建模方法及在温室控制中的应用

传统农业采用人工方式对温室进行控制,但是随着现代农业的快速发展,这种人工投入大、精度低的控制方式已不能满足现代农业需要。该文基于分层有限状态机和事件晶格的概念,建立3层的信息物理系统模型,并提出一种基于分层有限状态机的信息物理系统时空建模方法,同时利用该建模方法开发了新的温室控制系统。该系统能够将物理层传感器感知到的温室物理环境数据通过物理-信息层汇聚节点融合后上报信息层决策节点得到决策信息,物理-信息层控制节点分析决策信息得到控制信息后下传物理层执行器进行控制。由于该系统模型考虑了各层状态机中事件的时空属性,能够将温室控制的正确率由传统基于物联网的温室控制方法的80.20%提高到87.20%,错误肯定率和错误否定率由7.50%和12.30%下降到3.60%和9.20%,保障温室环境满足作物生长对温度、湿度和光照的要求。     

基于CFD的温室气温时空变化预测模型及通风调控措施

夏季温室高温湿热,对作物生长产生重大危害,制定合理的夏季温室气温调控方案,是提高温室生产效益,降低温室气温调控能耗的关键问题。该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,结合气象预报信息,针对苏南地区大型连栋温室,建立了夏季温室气温时空变化预测模型,通过设置边界参数,对不同通风条件下温室气温的时空变化进行了预测,并通过试验验证了模型的有效性。试验结果表明,预测值与实测值吻合良好,均方根误差在1.2℃以内,最大相对误差在6%以内,平均相对误差在4%以内。不同通风降温条件下的试验结果显示,温室气温空间分布存在明显差异,湿帘-风机系统较自然通风降温效果显著,降温幅度在5℃左右,持续的湿帘-风机降温措施可将温室高温控制在较低水平。基于该文模型的预测结果和温室调控目标,选取合适的时间点、时间长度和不同类型的通风降温措施,可有效提高温室气温调控效率和效益。同时,该研究还可为优化传感器布局提供依据。     

基于注意力机制和边缘感知的田梗提取模型

田埂精确提取是数字化农业管理的重要前提。针对由于遮挡、斑秃等因素干扰,给基于语义分割方法提取田埂带来困难问题,提出一种基于注意力机制和边缘感知模块的U-Net网络实现田埂提取。首先,将多信息注意力引入U型分割网络的下采样中,增强相邻层之间的上下文信息,提升对田埂区域语义特征的表示能力。其次,将边缘感知分割模块应用至U-Net解码部分的每一层,在不同语义特征层提取田埂边缘信息,提高田埂区域语义分割精度。最后,联合边缘感知损失与语义分割损失构建联合损失函数,用于整体网络优化。通过对安徽省淮北市濉溪县小麦基地采集的无人机麦田数据集进行训练和模型验证,实验结果表明,本文模型语义分割像素准确率高达95.57%,平均交并比达到77.48%。     

利用FL-DGCNN模型估测绿萝叶片外部表型参数

为了能够低成本、自动化批量获取植物叶片的外部表型参数,同时解决自然生长条件下的植物叶片存在遮挡而无法获取完整的外部表型数据的问题,该研究以绿萝叶片为研究对象,基于曲面参数方程建立叶片几何模型,提出一种基于特征分层的动态图(Dynamic Graph CNN based on Feature Layering,FL-DGCNN)和堆栈编码器模型的绿萝叶片外部表型参数估测算法。通过多层组合的编码-解码器模型对残缺点云进行形状补全,将不同尺度下的点云通过多层感知机提取分组点不同层的特征向量融合后获取特征信息,以决定系数和均方根误差评价模型结果。结果表明:多层组合的编码模型对残缺点云补全的鲁棒性更高,特征分层的动态图模型估测结果的叶长、叶宽、叶面积的决定系数分别为0.92、0.93和0.94,叶长、叶宽的均方根误差分别为0.37、0.34cm,叶面积的均方根误差为3.01cm~2。该方法对叶类植物叶片的外部表型参数估测效果较好,具有实用性。     

基于SVC和过采样的类别非均衡农业高光谱数据分类

系统研究了农业高光谱数据中少数类的分类质量问题。为了提升少数类的分类质量,提出采用过采样SMOTE技术增加少数类新样本,同时研究了SMOTE技术中新样本生成策略和少数类采样倍率对高光谱数据中少数类分类结果的影响,以及不平衡数据集上分类器与模型的匹配度。在新的采样数据集上采用多类分类SVC技术对少数类分类,提升了非均衡高光谱数据集中少数类的分类质量。在真实数据集上进行了试验验证,并对不同的分类方法和系统参数进行了试验对比和分析,结果表明,本文方法能够显著地提高非均衡高光谱数据中少数类分类效果,平均分类精度不小于0. 82,平均召回率提升幅度为11. 11%～26. 15%,F1提升幅度为5. 81%～40. 85%。     

基于GAN网络的菌菇表型数据生成研究

生成式对抗网络是基于对抗过程生成数据模型的新框架,它能够生成高质量的图像数据,为解决小样本数据、非均衡数据分析等提供了行之有效的方法。菌菇作为重要的真菌之一,其种类繁多,数据长尾分布、非均衡性等为其表型智能化识别与分类带来了困难。针对蘑菇表型数据,设计了一个高效的蘑菇表型生成式对抗网络MPGAN。研究了菌菇表型数据生成技术,设计了用于菌菇表型数据生成的生成式对抗网络结构,系统分为模型训练和表型图像生成两个模块。为了提升生成质量,使用Wasserstein距离和带有梯度惩罚的损失函数。利用开源数据和私有数据集测试学习率、处理所需的批次数EPOCH与Wasserstein距离。系统生成的菌菇表型数据为后期菌菇数据分类与识别提供了大数据基础。     

基于光子传输模拟的苹果品质高光谱检测源探位置研究

光谱无损的检测方法是质检测最常用的方法之一。传统的光谱仪光源探头位置和源探距离相对固定,导致品质检测精度受限。为解决这个问题,提出基于蒙特卡洛的苹果多层组织的光子传输模拟,分析了光子入射最佳位置和源探距离,并用点光源高光谱仪实际拍摄红富士苹果进行验证。分析表明,光子在苹果赤道位置入射,具有73.12%概率到达更深的深度。源探距离与苹果的光学参数有关,形状为圆环,源探距离内外半径为1.5～10.15 mm。点光源高光谱仪采集红富士苹果的光谱信息,光子入射位置为赤道,源探距离为距离光源点半径2.7～11.7mm的圆环,与模拟数据分析结果基本一致。蒙特卡洛光子传输模拟方法为研究高光谱苹果品质无损检测开辟了新思路,分析结果可以为研究高光谱品质检测试验设计和苹果便携式品质检测光学仪器设计提供理论基础。     

一种面向农业领域垂直检索的研究与设计

为了改善农业领域海量信息的检索效率,采用垂直搜索技术利用混合学习方法的成员搜索引擎选择策略,构建一种元搜索引擎.利用正则表达式的方法,进行农业领域网页特征库的构建.基于农业领域网页特征库,对元搜索引擎初次检索结果集进行筛选排序处理,以此来达到去除非领域相关网页和按照规则重排序的目的,实现查准.利用此特征库对元搜索引擎检索结果进行结果处理操作,最终以统一格式将结果反馈给用户.     

基于卷积神经网络的菊花花型和品种识别

菊花作为国内十大名花之一,具有极为重要的观赏价值和经济价值,表现为种类丰富、花样瓣形繁多的特点,这些特征对其智能识别和高效的管理带来很大挑战。目前菊花的识别和管理主要靠人工方式,效率不高。本文基于端到端的卷积神经网络技术,直接作用于菊花的原始图像数据,通过逐层进行特征学习,进而利用多层网络获取菊花的特征信息,从而避免了人工提取特征的困难和问题,在此基础上使用优化目标函数实现菊花花型的高效、智能识别。针对菊花花型之间差别细微的特点,在细粒度上实现区分相同花型和不同花型的目标函数,系统不仅能够识别菊花花型,还能给出菊花所属的概率值和该花型涵盖的菊花品种。系统的实现分为离线训练和在线识别2个阶段,训练处的模型可以离线托管在云端以便在移动环境下使用。为了训练网络模型,采集了大量的菊花图像样本,并手工标注了相关的花型和类别信息,在此数据集上,与现有的典型系统进行了对比试验,试验表明:系统平均识别率可以达到0.95左右,部分达到0.98,系统识别精度得到明显提升,除此之外系统还能提供更加详细的菊花种类信息,实现了的菊花花型和品种智能识别和高效管理,具有重要的理论和应用价值,为菊花的自动化管理提供了有力的手段。     

基于光谱分形维数的水稻白叶枯病害监测指数研究

针对缺乏有效监测水稻叶片感染白叶枯病害光谱指数的问题，以分蘖期的水稻叶片为研究对象，采集了接种白叶枯病菌的水稻叶片和对照处理的水稻叶片各200片，利用高光谱成像装置获取373~1033nm波段的水稻叶片光谱数据，选取450~900nm波段的水稻叶片高光谱数据作为样本。从每个样本中选取一个感兴趣区域（Region of interest, ROI）并计算平均光谱，经过Savtzky-Golay平滑处理得到平均光谱曲线；为了定量描述水稻叶片是否感染病害，提出将光谱分形维数(Fractal dimension, FD)作为定量描述水稻白叶枯病害的监测光谱指数，实现对白叶枯病害的监测。通过分析光谱指数(Spectral index, SI)和FD，建立SI和FD之间的多元线性关系，同时比较了FD与其他常用监测指数对白叶枯病害监测的有效性。结果表明：水稻白叶枯病害在绿峰（510~560nm）和红谷（650~690nm）波谱内的响应较为敏感；针对健康和感病叶片，FD与SI之间存在较好的多元线性关系，说明FD与光谱曲线有较好的对应关系，可以作为定量描述叶片健康状况的光谱指数；与常用监测指数相比，本文病害监测指数与水稻染病具有更高的相关性，其相关系数达到了0.9840，指数分布稳定性更高。本研究结果说明基于光谱反射曲线的圆规分形维数对判断水稻叶片是否感染白叶枯病害是可行的，为水稻白叶枯病害的监测提供了一种新方法。