基于深度学习与激光点云的橡胶林枝干重建及参数反演

树木的几何建模在林木性状评价、森林动态经营管理与可视化研究中具有重要意义。现今,从激光雷达（Light Detection And Ranging,LiDAR）数据中重建树体三维模型并精准获取林木空间枝干结构参数是数字林业发展的必然趋势。该研究提出了一种深度学习与计算机图形学相融合的树木骨架重建与参数反演方法。该方法以PR107、CATAS 7-20-59、CATAS 8-79三个品种的橡胶树为实验对象,首先,采用背包移动激光雷达获取三个橡胶树品种的样地数据,并通过体素剖分和数据增广策略来构建橡胶树训练样本集。其次,构造由四层特征编码层和特征解码层所组成的点云分类深度学习网络,并包含优化的PointConv模块与不同尺度的特征插值模块,以实现在多尺度条件下,全面考虑点云的全局和局部优化特征,引导网络实现枝叶点云的精确分类。最后,面向分类后的枝干点云,运用计算机图形学的空间连通性算法与圆柱拟合策略,重建树木骨架模型,并自动解决叶子点云与对应的一级枝干归属问题,进而在叶团簇尺度下开展对单株树的精细描述与参数反演。通过对三块橡胶树测试样地的验证和与实测值的比对表明,该研究提出的深度学习网络枝叶分类总体准确率在90.32%以上。骨架重建与叶团簇分析结果显示,PR107品种橡胶树具有较为发散的树冠、最大的分枝夹角和叶团簇体积;CATAS 7-20-59品种橡胶树冠呈花瓶型,分枝夹角和叶团簇体积较小;而CATAS 8-79品种橡胶树尽管胸径最粗,但不耐寒害处于落叶期导致冠积最小。同时,反演得到的橡胶树一级枝干直径与实测值比对为：决定系数R2不低于0.94,均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）小于3.01 cm;主枝干与一级枝干的分枝角为：决定系数R2不低于0.91,均方根误差RMSE不高于4.94°。同时发现橡胶树一级枝干的直径与对应的叶团簇体积呈正相关分布。该研究将人工智能的理论模型应用于林木的激光点云数据处理中,为林木激光点云的智能化分析与处理提供了新颖的解决思路。     

基于日光诱导叶绿素荧光的柑橘黄龙病原位诊断

柑橘黄龙病（Huanglongbing, HLB）是柑橘生产中的毁灭性病害,柑橘植株遭到黄龙病菌侵染后光合能力发生变化而后表现出相应的黄化症状。及早实现HLB的原位快速诊断是防控HLB的重要手段。为探究黄龙病菌侵染柑橘叶片的光合响应机制并实现HLB的原位诊断,该研究分析了健康（Healthy）、未显症HLB（asymptomatic HLB, aHLB）、显症HLB（symptomatic HLB, sHLB）以及黄斑病（Macular,症状与黄龙病相似）柑橘叶片的光合参数与光合色素含量差异。利用光谱技术与日光诱导叶绿素荧光（Sun-induced Chlorophyll Fluorescence, SIF）技术分析了4种类型柑橘叶片的反射率光谱与SIF光谱差异。采用竞争自适应重加权采样（Competitive Adaptive Reweighted Sampling, CARS）算法结合反射率光谱筛选出特征波段,采用SIF光谱的峰值位置（687和741 nm）构建了上行（Upward, Up）和下行（Downward, Dw）SIF产量指数（Up687, Up741, Dw687, Dw741, Up687/741, Dw687/741）。进一步分别利用特征波段的反射率和SIF产量指数,结合K最邻近（K-nearest Neighbor, KNN）分类算法构建了柑橘黄龙病的诊断模型。结果表明,黄龙病菌的侵染使柑橘叶片的光合作用明显减弱,在未显症时期已经表现出来,证明了SIF技术在诊断早期HLB的优势。基于特征波段反射率的KNN模型对未显症HLB和显症HLB的诊断精度为72.7%和75.6%,健康叶片和黄斑病叶片分别为82.2%和64.1%,而基于687和741 nm波长处的上行比值SIF产量指数Up687/741构建的KNN模型对未显症HLB和显症HLB的诊断精度为84.8%和91.1%,健康和黄斑病叶片分别为88.9%和82.1%,均优于反射率光谱模型。结果证明了SIF技术用于诊断柑橘HLB的潜力,为实现柑橘HLB的田间原位、快速、早期诊断提供了可能。     

干燥致密土壤在沙粒流冲击下的磨蚀规律

在土壤风蚀过程中,跃移颗粒对表土的冲击磨蚀是公认的一种重要起尘机制。磨蚀体现了跃移沙与土壤相互作用,受沙粒跃移运动参数和土壤力学性质共同控制。然而,现有风蚀模型尚未充分考虑土壤力学性质的地位与作用,缺少磨蚀速率计算公式,亟需从固体力学角度探讨土壤磨蚀规律。该研究借鉴岩石磨蚀模型,针对含水率小于1.5%、体密度大于1.60×103 kg/m3的干燥致密土壤,提出了代表单位时间内的碰撞次数、土壤抗压强度和杨氏模量、入射沙粒动能和密度等综合效应的磨蚀变量;通过标准压缩试验测得黏土、砂土、壤土、砂质黏土、壤质黏土共5种人工均质土壤的抗压强度和杨氏模量的范围分别为0.823～4.092 MPa和0.043～0.149 GPa;利用自行设计的冲击磨蚀试验得到了干燥致密土壤在沙漠沙颗粒流冲击作用下的磨蚀规律,即磨蚀速率是磨蚀变量的线性函数,其斜率与截距分别为3.27×104和-0.027 kg/s。研究结果有助于恰当描述风蚀模型中的土壤力学性质、准确计算风蚀速率,进而服务于农田防护和水土保持工程,并为中国西北干旱区天然地貌和人工建筑风蚀现象的研究提供理论依据与数据支撑。     

基于星载ICESat-2/ATLAS数据的森林地上生物量估测

为探讨星载激光雷达数据ICESat-2（Ice,Cloud,and land Elevation Satellite-2）在山地森林地上生物量（Aboveground Biomass,AGB）的估测可行性和方法。以ATLAS（Advanced Terrain Laser Altimeter System）光子点云数据为主要信息源,以滇西北典型山地香格里拉为研究区,结合地面54块实测生物量遥感样地,在前期进行点云数据去噪、分类预处理基础上,对研究区74 873个林地光斑进行冠层参数及地形因子的提取（共计53个变量）,采用非参数模型随机森林回归和超参数优化后的随机森林进行建模,以均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）、决定系数（R2）、总体估测精度（P1）作为模型的评价指标,建立研究区AGB模型。研究结果表明：1）分析以ICESat-2/ATLAS提取的冠层参数、地形因子与生物量的相关性可知,冠层光子总数与生物量具有极显著相关性（P<0.01）,基于陆地卫星的乔木冠层百分比、冠层光子比率、坡度、光子总数、表观反射率与生物量具有显著相关性（0.01相似文献   

制备工艺参数对菌丝体生物质材料性能的影响

为获得菌丝体生物质材料优化性能的最佳工艺参数,该研究以最小缓冲系数和弯曲强度为评定指标,通过3因素3水平正交试验研究了菌种接种量、基质颗粒度和水添加量对平菇菌丝体材料性能的影响。研究结果表明,正交试验9组菌丝体材料中菌丝平均直径最大为1 641 nm,最小为520 nm,前者约为后者的3倍,表明不同工艺参数显著（P<0.05）影响菌丝生长状态。影响菌丝体材料力学性能的最大因素是颗粒度,其次是水添加量和接种量。最佳工艺参数为接种量10%、颗粒度10 mm和水添加量60%,对应菌丝体材料的最小缓冲系数最低为4.17、弯曲强度最大为417.43 kPa,与发泡聚苯乙烯泡沫的弯曲强度相近。研究结果可为菌丝体材料制备工艺参数与性能的优化提供基础。     

2001-2020年南盘江流域植被物候时空变化及其对气候的响应

植被物候对气候敏感易观测,是观测生态变化与全球气候变化的重要指标,研究植被物候变化及其对气候的响应对于了解全球气候变化与植被之间的复杂关系具有重要意义。为揭示近20年来南盘江流域植被物候时空变化及其对气候的响应特征,基于2001—2020年增强型植被指数(MOD13Q1-EVI),运用S-G滤波、动态阈值法、Sen斜率分析法、相关性分析法等方法,获取了南盘江流域植被物候参数,分析其时空分布特征,利用偏相关系数分析了气候变化对SOS,EOS的影响。结果表明:(1)2001—2020年,南盘江流域物候特征变化较大,SOS(Start of the growing season)呈提前趋势,EOS(End of the growing season)和LOS(Length of the growing season)呈推迟延长趋势,物候变化具有空间异质性,不同子流域植被物候存在较大差异。(2)植被物候变化受到地形的影响,EOS随海拔升高,结束时间提前; SOS随海拔变化的规律与LOS的规律相反,都存在1 000 m,2 000 m和2 600 m分界线。(3)南盘江流域SOS变化与气温、降水呈正相关关系,EOS与气温呈正相关关系、与降水呈负相关关系。该研究可为南盘江流域的生态环境保护与植被资源可持续发展提供科学依据。     

夹持式鲜菱角脱壳机设计与试验

针对鲜菱角手工脱壳率低、菱仁损伤率高等问题,该研究以湖北省浠水县两角菱为对象,设计了一种夹持式鲜菱角脱壳机。对鲜菱角外形尺寸和力学性能参数进行了测量,确定采用夹持板与链条夹持输送、圆形齿刀横切菱角两侧弯角、对辊挤压碾搓脱壳的技术方案。对夹持板、弹性压紧装置、横切刀片和脱壳装置等主要部件结构进行设计和分析,确定了结构和运动参数。运用ANSYS Explicit Dynamics模块对横切过程进行仿真,根据理论分析和仿真结果试制了脱壳样机,开展了横切试验和脱壳试验。横切试验表明,成熟度、输送速度和刀片转速均对切壳率影响显著（P<0.05）,对菱仁损失率影响不显著（P>0.05）。运用Design Expert 12优化得横切装置最优工作参数为：脆熟菱角、输送速度0.1 m/s、刀片转速1 000 r/min,该参数下的平均切壳率为79.41%,平均菱仁损失率为9.82%。采用Box-Benhnken试验设计开展三因素二次回归正交组合试验,优化得到脱壳装置最优工作参数为：脆熟菱角、慢辊转速59 r/min,线速比1.5,验证试验的平均脱壳率为66.52%,平均菱仁破损率为12.83%。研究结果可为鲜菱角脱壳装备的研发提供参考。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

泵站侧向进水前池几何参数优化

为了减少泵站侧向进水结构内的不良流态,提高泵组运行效率,基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和响应面法（Response Surface Method,RSM）对泵站侧向进水前池进行几何参数优化。采用参数化设计对泵站侧向进水前池进行建模,通过与Workbench关联以对侧向进水前池的扩散角α、坡度β以及转向角γ实现指定值,采用典型Box-Behnke设计（Box-Behnke Design,BBD）方法得到17组三因素三水平试验方案,利用响应面法建立喇叭管出口断面流速分布均匀度与侧向进水前池扩散角α、坡度β以及转向角γ的回归方程,以最大出口断面流速分布均匀度为响应目标,确定最优参数组合,并将最优侧向进水结构的内部流动特性同原模型进行对比分析。研究结果表明,扩散角α、坡度β以及转向角γ对喇叭管出口断面流速分布均匀度具有显著影响（P<0.05）,扩散角α与转向角γ的交互项对出口断面流速分布均匀度耦合作用显著,扩散角10°~13°、坡度8°~9°、转向角74°~75°时喇叭管出口断面流速分布均匀度达到最优。同原模型相比,优化后的侧向进水结构在设计水位下,断面流速分布均匀度至少提高23.41个百分点,流速加权平均偏流角提高13.95°,在低水位下断面流速分布均匀度至少提高18.30个百分点,流速加权平均偏流角提高14.79°,流道内没有偏斜流和大面积回流产生。该研究对于促进泵站侧向进水结构的优化设计具有一定的参考意义。     

基于EDEM-RecurDyn的指夹式取苗爪仿真优化与试验

为了实现自动移栽机高效、高质量取苗,提出整排取苗、同时投苗的工作方式。以指夹式取苗爪为研究对象,阐述了取苗爪的结构组成及工作原理。建立了取苗爪的运动数学模型,结合钵体力学特性及根系分布特点,对组成取苗爪的各构件进行尺寸参数优选,并在RecurDyn中建立其虚拟样机模型。通过试验进行钵体力学性能测量,对试验所得数据进行处理,得出钵体物理特性参数,进而在EDEM中建立钵体颗粒模型。通过EDEM-RecurDyn耦合仿真取苗爪插入、夹取、提离过程。分析取苗爪插入钵体苗深度、开始夹苗深度对取苗时钵体的影响,仿真优化得到当取苗爪插入钵体深度I_d=34 mm,插入钵体平均速度I_v=280 mm/s,开始夹苗深度C_i=4 mm,夹苗平均速度C_v=250 mm/s时,可以获得较好的钵体完整性。在16、20、24次/min的取苗速率下进行取苗爪取投苗试验,结果表明,所设计的指夹式取苗爪取苗成功率均在96%以上,钵体破碎率小于1%,具有良好的取苗、投苗效果,在取苗作业中可以保持良好的钵体完整性。