基于最小二乘支持向量机的中国粮食产量预测模型研究

粮食产量预测是制定农业政策的重要依据。针对农业生产系统的特征,在统计学习理论和结构风险最小化原理的基础上,建立了基于最小二乘支持向量机的时间预测模型。预测结果表明该模型具有较高的预测精度,为粮食产量预测提供了一条新的途径。     

基于最小二乘支持向量回归的鹅肉弹性的可见-近红外光谱测定

为简化鹅肉弹性的可见-近红外光谱模型和提高预测精度,采用联合区间偏最小二乘法(synergyinterval partial least square algorithm,siPLS)结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)提取可见-近红外光谱特征波长,用最小二乘支持向量回归(least square support vector for regression,LSSVR)建立鹅肉弹性的预测模型。试验以万能试验机获取恢复距离S作为鹅肉弹性实际值。在模型建立过程中,先利用sym8小波的2层分解对原始的可见-近红外光谱进行光谱预处理;然后用siPLS优选出4个特征光谱子区间(分别为第3、5、9、13子区间),在这4个特征光谱子区间内继续用GA优选出74个特征波长,并建立基于LSSVR的鹅肉弹性的预测模型。模型预测集的决定系数(R2)和预测均方根误差(root mean squarederror of prediction,RMSEP)分别为0.9096和0.0588。试验结果表明,siPLS结合GA法能够有效提取光谱中的鹅肉弹性对应的特征波长,有利于提高LSSVR模型预测鹅肉弹性的精度。     

基于遗传算法最小二乘支持向量机的耕地变化预测

针对耕地变化内部规律与模拟方法进行研究,提出最小二乘支持向量机耕地变化预测方法,有效构建耕地变化与耕地变化影响因子之间复杂的非线性关系模型。利用遗传算法全局寻优功能优化最小二乘支持向量机内部参数,提高最小二乘支持向量机耕地变化预测模型精度。利用该模型对江苏无锡市1987－2000年期间耕地变化进行预测,并与多元回归、GM(1,1)、BP网络、支持向量机（SVM）耕地预测模型和实际调查耕地变化数据进行比较分析。预测精度评价结果证实,该方法耕地预测精度远高于多元回归、GM(1,1),BP网络模型,略高于SVM模型,但算法复杂度和计算效率远优于SVM预测模型,是一种有效的耕地变化预测方法。     

利用阻尼最小二乘法求解Van Genuchten方程参数

土壤水分参数对于定量预报非饱和水流运动是非常重要的,该文运用阻尼最小二乘法,拟合了描述土壤水分特征曲线的Van Genuchten方程参数,同时与非线性单纯性法拟合结果进行了比较,结果表明：该方法拟合精度较高,可以作为计算Van Genuchten方程参数的一种方法。此外,用VB语言编写算法程序,便于对输入数据进行修改。     

基于最小二乘向量机土壤水分动态模拟与分析

土壤水分动态的模拟对水分循环与农业生产中水分的合理利用与管理具有重要的意义.应用最小二乘支持向量机对加入气象因子随机变量的红壤中土壤水分动态变化进行了训练、检验及模拟.结果表明,最小二乘支持向量机相比与神经网络方法不论是模拟性能指标还是建模的数学意义都有更好的可靠性和优越性;本研究应用最小二乘支持向量机对土壤水分动态日变化进行了模拟,并采用bior 3.3小波函数5层分解提取日变化趋势图进而把该研究区土壤水分日变化划分为4个阶段,其结果可为研究区水分合理利用和土壤墒情的预测预报提供科学依据.     

偏最小二乘法回归在水利工程安全监测中的应用

针对常规最小二乘法回归难以有效识别和消除自变量因子间的多重相关性影响这一不足,对偏最小二乘法回归在水利工程安全监测数据分析中的应用进行了研究。采用偏最小二乘法进行回归建模分析,将模型拟合与非模型式的数据内涵分析有机结合,同时实现回归建模、数据结构简化以及因子间的多重相关性分析,并通过交叉有效性检验来确保模型精度。对绕坝渗流地下水位实测资料的建模分析表明,偏最小二乘回归法能有效克服因子间的多重相关性影响,所分离出的因子变量对实测结果具有更好的物理成因解释能力,因而在水利工程安全监测及有关数据的统计分析方面具有广阔的应用前景。     

近红外光谱结合偏最小二乘法快速评估土壤质量

以长江中下游粮食主产区水稻土为研究对象,采集17种不同施肥处理下共136个土壤样品在350 ～2 500 nm范围的近红外光谱,利用偏最小二乘回归分析结合交叉验证法建立了近红外漫反射光谱与传统化学分析方法测得的全碳、全氮、碳氮比、速效钾、速效磷、电导率、土壤pH等土壤指标之间的定量分析模型。模型的决定系数（R2）以及化学分析值标准差（SD）与模型的内部交叉验证均方差（RMSECV）的比值RSC用于判定建立的模型的好坏。结果表明：全碳、全氮、碳氮比和pH模型的R2和RSC分别为：R2=0.94,RSC=4.31;R2=0.95,RSC=4.35;R2=0.97,RSC=5.60;R2=0.92,RSC=3.37,说明上述土壤指标的预测结果很好。速效钾模型的R2和RSC分别为：R2=0.87,RSC=2.23,表明预测结果尚好。而速效磷和电导率模型的R2和RSC分别为：R2=0.18,RSC=1.16;R2=0.37,RSC=1.31,说明两者的预测结果均很不理想。综上所述,水稻土的土壤质量相关指标（全碳、全氮、碳氮比、速效钾和土壤pH）可以通过近红外光谱结合偏最小二乘法（NIR-PLS）快速评估。     

基于蚁群优化最小二乘支持向量回归机的河蟹养殖溶解氧预测模型

养殖池塘溶解氧是河蟹赖以生存的重要指标,及时准确地掌握溶解氧浓度变化趋势是确保高密度河蟹健康养殖的关键。为提高溶解氧预测精度和效率,该文提出了蚁群算法(ACA)优化最小二乘支持向量回归机(LSSVR)的河蟹养殖溶解氧预测方法。采用蚁群算法对最小二乘支持向量回归机的模型参数进行优化,并以自动获取的最佳参数组合构建溶解氧与其影响因子间非线性预测模型。利用该模型对江苏宜兴市2010年7月20日～7月28日期间高密度养殖池塘溶解氧进行预测。研究表明,该预测模型取得较好的预测效果,与支持向量回归机和BP神经网络相比,模型评价指标均方根误差、相对均方误差均值、平均绝对误差和和决定系数和运行时间分别为0.0328、0.0016、0.0448、0.9916和3.3275s均优于其他预测方法,ACA-LSSVR模型不仅计算复杂度低、收敛速度快、预测精度高、泛化能力强,还能满足实际高密度河蟹养殖溶解氧管理的需要,为其他领域的水质预测提供参考。     

基于参数优化的最小二乘支持向量机触电电流检测方法

针对如何从低压电网总泄漏电流中检测出生物体触电电流信号的难题,提出了一种基于网格搜索和交叉验证的最小二乘支持向量机的触电电流信号检测方法。首先在剩余电流动作保护装置触电物理试验系统平台上通过故障录波器获得生物体在3个典型时刻(电源电压最大时刻、电源电压过零时刻及电源电压任意时刻)发生触电过程的总泄漏电流和触电电流波形,并截取触电前1个周期和触电后3个周期共800个采样点的信号数据作为触电试验样本数据;然后将触电试验样本数据进行滤波预处理,预处理后的多个样本采样点的总泄漏电流组合成特征向量输入最小二乘支持向量机(least square-support vector machine,LS-SVM),相应样本采样点的触电电流作为其输出,并通过网格搜索与交叉验证相结合的方法来优化最小二乘支持向量机参数,利用输出最优参数组合对触电电流与总泄漏电流的关系进行训练,从而建立了触电电流的检测模型;最后利用该方法对10组测试样本数据进行了检测,检测结果为:当训练样本数据为20组时,检测均方误差为14.0040,当训练样本数据为40组时,检测均方误差为11.7469,当训练试验数据为65组时,检测均方误差为11.1849。与径向基(radial basis function,RBF)神经网络方法相比,最小二乘支持向量机方法比径向基神经网络方法检测均方误差分别低3.7272、1.9132、0.1556,从而可较准确地从总泄漏电流中检测出生物体触电电流信号,为开发新一代基于生物体触电电流分量而动作的自适应型剩余电流保护装置提供理论依据。     

基于最小二乘支持向量机的泵性能分析

泵的性能曲线是泵选型、优化调度和泵站运行的重要依据,通常该曲线均是通过试验或是根据试验数据和性能图表上的数据进行曲线拟合而获得,但这些方法复杂昂贵,而且拟合精度不高。针对以上方法的缺点,提出了一种基于交叉验证最优参数选择的最小二乘支持向量机（LSSVM）泵性能预测方法。通过最小二乘支持向量机（LSSVM）学习算法网络的设计和构建,并应用网络搜索－交叉验证的方法对支持向量机参数进行优化选择,模拟得到复杂和非线性很强的泵的性能曲线,经优化模型输出值和试验值、同多项式拟合值以及径向基神经网络误差的比较,交叉验证最优参数选择的最小二乘支持向量机具有优良的非线性建模能力和泛化能力,在有限学习样本条件下仍获得了很高的精度,平均相对误差为0.02378%,为泵的性能分析提供了一种简便可行的智能方法。     

二维相关光谱结合偏最小二乘法测定牛奶中的掺杂尿素

为了检验牛奶中是否掺杂尿素并将其量化测定,配置含有尿素质量浓度范围为1～20g/L之间40个牛奶样品,以掺杂物尿素浓度为外扰,分别研究了掺杂尿素牛奶的二维相关(近红外-近红外,中红外-中红外,近红外-中红外)光谱特性,在此基础上,分别选择随浓度变化大的4200～4800cm-1和1400～1704cm-1为建模区间,采用偏最小二乘方法建立定量分析模型。研究结果表明:4200～4800cm-1建模分析效果优于1400～1704cm-1建模结果,其交叉验证均方根误差为0.266g/L,对未知样品集预测相关系数达到0.999,预测均方根误差为0.219g/L,这表明所建模型具有较好的预测效果。该方法无需样品处理,成本低,为快速判别牛奶是否掺杂提供了一种新的可能的方法。     

改进DeepLabV3+算法提取无作物田垄导航线

机器视觉导航是智慧农业的重要部分,无作物田垄的导航线检测是旱地移栽导航的关键。针对无作物田垄颜色信息相近、纹理差距小,传统图像处理方法适用性差、准确率低,语义分割算法检测速度慢、实时性差的问题,该研究提出一种基于改进DeepLabV3+的田垄分割模型。首先对传统DeepLabV3+网络进行轻量化设计,用MobileNetV2网络代替主干网络Xception,以提高算法的检测速度和实时性;接着引入CBAM（convolutional block attention module,CBAM）注意力机制,使模型能够更好地处理垄面边界信息;然后利用垄面边界信息获得导航特征点,对于断垄情况,导航特征点会出现偏差,因此利用四分位数对导航特征点异常值进行筛选,并采用最小二乘法进行导航线拟合。模型评估结果显示,改进后模型的平均像素精确度和平均交并比分别为96.27%和93.18%,平均检测帧率为84.21帧/s,优于PSPNet、U-Net、HRNet、Segformer以及DeepLabV3+网络。在不同田垄环境下,最大角度误差为1.2°,最大像素误差为9,能够有效从不同场景中获取导航线。研究结果可为农业机器人的无作物田垄导航提供参考。     

柑桔黄龙病近红外光谱无损检测

为探讨快速无损检测柑桔黄龙病的可行性,应用近红外光谱技术结合机器学习方法进行研究。在4000~9000cm-1光谱范围内,采集黄龙病、缺素和健康3类叶片样本的近红外光谱。采用一阶导数、平滑和多元散色校正组合的光谱预处理方法,消除光谱的基线漂移和散射效应。分别对偏最小二乘判别模型(PLS-DA)的主成分因子数和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的输入变量数量、核函数类型及其参数进行了优化,建立了PLS-DA和LS-SVM模型。采用预测集样本,评价模型的预测能力,经比较,采用11个主成分得分向量为输入、线性核函数和惩罚因子为2.25的LS-SVM模型预测效果最佳,模型误判率为0。结果表明采用近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机进行柑桔黄龙病无损检测是可行的。     

基于偏最小二乘投影的可见/近红外光谱猪肉综合品质分类

针对全波段光谱技术的生鲜猪肉综合品质快速无损分类存在光谱数据量大、样本数量较少时分类准确率较低等缺点。该文提出了一种基于偏最小二乘(partial least squares,PLS)投影分析算法和支持向量机的生鲜猪肉综合品质分类器。利用基于偏最小二乘投影分析算法对全波段光谱数据进行数据降维,选取了13个特征波长。利用粒子群优化算法优化支持向量机惩罚参数和径向基核函数参数,优化后二者最优为4.939和0.01。利用选取的特征波长和优化后的参数建立了生鲜猪肉综合品质支持向量分类器。研究结果表明,分类器对训练集中白肌肉(pale,soft and exudative,PSE)、正常肉(reddish-pink,firm and non-exudative,RFN)和黑干肉(dark,firm and dry,DFD)的回判识别率分别为为88.46%、94.11%和92.31%;测试集中PSE、RFN和DFD预测正确率分别为84.62%、94.11%和84.62%。该分类器满足模型简单、预测准确率高等优点,为生鲜猪肉综合品质在线分级提供参考。     

赣南脐橙园土壤全磷和全钾近红外光谱检测

为建立一种能够同时快速检测土壤全磷和全钾的定量估计模型,该文采用近红外漫反射技术对赣南脐橙果园的土壤进行研究,对56个土样风干、过筛,然后进行光谱采集和化学分析。光谱经过Savitzky-Golay平滑后再用一阶微分变换的方法进行预处理,分别应用偏最小二乘回归（partial least square regress PLS）、主成分回归（principal component regression PCR）和最小二乘支持向量机（least squares support vector machine LS-SVM）3种方法,在4 000～7 500 cm-1波数范围内,建立赣南脐橙果园土壤全磷和全钾快速定量检测模型。结果发现在建立土壤全磷模型时,PLS和PCR的预测模型效果均不理想,但LS-SVM建立的模型较为理想, 其预测相关系数（correlation coefficient of prediction RP）为0.884,预测集均方根误差（the root mean square error of prediction RMSEP）为0.341,预测相对分析误差（residual predictive deviation RPD）为2.59。在建立土壤全钾模型时,PLS、PCR和LS-SVM 建立3种模型效果均理想,其中以LS-SVM模型最理想,其预测相关系数（RP）为0.971,预测集均方根误差（RMSEP）为0.714,预测相对分析误差（RPD）为5.12。研究表明,采用LS-SVM建立的土壤全磷和全钾模型对实现土壤全磷和全钾含量快速检测具有可行性。     

最小二乘与分位数回归方法在河流水沙研究中的应用——以陕北延河流域为例

基于延河流域1956-2010年气象水沙数据,研究流域降水、径流和输沙量动态变化趋势及时间序列分布特征,并分别采用最小二乘法和分位数回归分析方法研究降水、径流及输沙三者间的相关关系.结果表明：1956-2010年流域年降水量、径流量、输沙量整体呈下降趋势,具有阶段性波动特征,并存在不同程度的异常值;最小二乘回归（OLSR）分析可以描述降水、径流和输沙量三者之间的平均相关关系,但当数据存在偏态、异常值或数据随机误差项为异方差时,最小二乘回归分析受到一定限制;分位数回归（QR）分析更加符合实际的气象、水文数据特征,特别是在分位数τ位于高分位部分,分位数回归拟合的有效性比最小二乘回归更好,可以更真实、准确地反映更多的局部信息.研究结果为河流水沙动态分析提供了一种新方法,可为客观准确地认识河流水沙关系提供参考.     

光谱指数筛选方法与统计回归算法结合的水稻估产模型对比

为了探寻高效的水稻产量估算方法,在获取2019年黑龙江省三江平原别拉洪河流域内水稻产量数据和MOD09A1遥感数据基础上,对比不同指数筛选方法和统计回归算法结合的建模估产效果,以得到其中最佳的产量估算模型.通过相关系数(correlation coefficient,r)分析法、变量投影重要性(Variable Imp...     

农业机器人视觉导航的预测跟踪控制方法研究

农用拖拉机的视觉导航技术可以帮助人员远离某些高温、高湿以及有毒害的作业环境，提高作业的自动化智能化程度，还能实现精确定点作业以促进农业可持续发展等。该文首先分析了轮式拖拉机跟踪引导路径的行为特点，建立起相应的非线性随机数学模型。而后，基于卡尔曼滤波的思想融合了各传感器的观测值给出预测跟踪控制方法。避免了视觉系统为主的计算耗时导致状态反馈滞后而产生的不利影响，改善了导航控制的鲁棒性和精度。仿真和初步试验结果都表明了此方法的有效性。