改进Mask R-CNN的温室环境下不同成熟度番茄果实分割方法

基于深度神经网络的果实识别和分割是采摘机器人作业成功的关键步骤,但由于网络参数多、计算量大,导致训练时间长,当模型部署到采摘机器人上则存在运行速度慢,识别精度低等问题。针对这些问题,该研究提出了一种改进Mask R-CNN的温室环境下不同成熟度番茄果实分割方法,采用跨阶段局部网络（Cross Stage Partial Network,CSPNet）与Mask R-CNN网络中的残差网络（Residual Network,ResNet）进行融合,通过跨阶段拆分与级联策略,减少反向传播过程中重复的特征信息,降低网络计算量的同时提高准确率。在番茄果实测试集上进行试验,结果表明以层数为50的跨阶段局部残差网络（Cross Stage Partial ResNet50,CSP- ResNet50）为主干的改进Mask R-CNN模型对绿熟期、半熟期、成熟期番茄果实分割的平均精度均值为95.45%,F1分数为91.2%,单张图像分割时间为0.658 s。该方法相比金字塔场景解析网络（Pyramid Scene Parsing Network,PSPNet）、DeepLab v3+模型和以ResNet50为主干的Mask R-CNN模型平均精度均值分别提高了16.44、14.95和2.29个百分点,相比以ResNet50为主干的Mask R-CNN模型分割时间减少了1.98%。最后将以CSP- ResNet50为主干的改进Mask R-CNN模型部署到采摘机器人上,在大型玻璃温室中开展不同成熟度番茄果实识别试验,该模型识别正确率达到90%。该研究在温室环境下对不同成熟度番茄果实具有较好的识别性能,可为番茄采摘机器人精准作业提供依据。     

机器人采摘中番茄力学特性与机械损伤的关系

为了减小机器人采摘中番茄的夹持损伤,通过加卸载正交试验对不同结构番茄力学特性与机械损伤的关系进行了研究。试验因素包括加载位置、探头类型、指面材料、压缩率和加载速度。试验结果表明：对番茄5个力学参数影响都显著且最大的因素为压缩率,并且番茄的力学特性参数之间存在一定的相关性。压缩率每增加1%,应变能、塑性应变能、峰值力和压缩斜率约分别平均增加26.16 mJ、19.04 mJ、4.62 N和0.16 N/mm,而弹性度平均减小0.88%。对番茄机械损伤度影响显著的因素依次为压缩率、球度、加载位置和加载速度。压缩率每增加1%,番茄的机械损伤度平均增加2.98%。番茄的机械损伤度与力学参数之间的回归系数为0.7214,其中与番茄机械损伤度最相关的力学参数是峰值力。该研究为采摘机器人夹持机构的设计和稳定夹持控制策略的实现提供了理论依据。     

基于电子鼻的番茄成熟度及贮藏时间评价的研究

该文探讨了采用电子鼻系统对不同成熟度的番茄进行评价和对不同成熟度番茄在贮藏期间气味变化的电子鼻检测进行了研究。在按颜色进行成熟度区分时,从主成分分析(PCA)和线性判别式分析(LDA)中可以得到,电子鼻可以较好地区分半熟期和成熟期、完熟期的番茄,但成熟期、完熟期的番茄有部分区域发生重叠。按坚实度指标对番茄成熟度进行重新评价后,分析显示电子鼻可以区分坚实度的差异,当采用PCA方法分析时,电子鼻可以100%地区分不同成熟度的番茄。对不同成熟度番茄在贮藏期间电子鼻检测的研究表明:成熟期的番茄在贮藏1～6d、7～11d、14～17d之间可以较好地进行区分;完熟期的番茄采用LDA法在1～5d、6～11d、14～17d之间可以较好地进行区分。     

用遗传算法训练的多层前馈神经网络对番茄成熟度进行自动检测的研究

建立了计算机视觉系统获取番茄的图像，并将RGB值转换成HIS值，通过H值提取番茄表面颜色特征。采用遗传算法训练的多层前馈神经网络实现番茄成熟度的自动判别。实验表明：该方法准确率达到94%。     

基于电子鼻信号判别番茄苗机械损伤程度

番茄苗产生的挥发物易受到病害、虫害、损伤等多种因素影响。该文利用电子鼻系统测试机械损伤番茄苗挥发性物质的变化,通过主成分分析、线性判别分析对4种不同处理机械损伤的番茄苗进行分析,结果表明主成分分析各处理样本间均有重叠,区分效果不理想,线性判别分析各处理样本基本可以分开;用逐步判别分析和BP神经网络对各处理样本进行判别,测试集的准确率分别达到84.4%和93.8%以上,神经网络模型的预测结果更好。该研究可为番茄苗机械损伤快速在线监测提供参考。     

不同LED光源对番茄果实转色期品质的影响

采用新型半导体光源发光二极管（LED）精量调制光质（红光、蓝光和红蓝组合光）,以普通日光灯（白光）为对照,研究不同光质对番茄果实转色期品质的影响。结果表明,红光处理下番茄果实番茄红素含量最高,显著高于对照和其他处理,但Vc含量最低。蓝光处理下番茄果实维生素C（Vc）含量、可溶性蛋白含量均显著提高。红蓝组合光处理番茄果实Vc含量与对照差异不明显,但可溶性蛋白的含量显著提高。红光和红蓝组合光处理能够显著提高番茄果实糖、酸含量;各处理糖酸比均显著高于对照,且红蓝组合光处理番茄果实的糖/酸值最高。红光和蓝光是影响番茄果实转色期品质变化的主要光质。     

热处理条件对番茄采后冷害的影响

研究了绿熟番茄采后在３３℃和３８℃加热２，５，８ｄ及２±１℃下冷藏后的果实品质、冷害程度和生理变化。结果表明，适宜的热处理可降低果实呼吸强度、细胞膜电解质渗出率和丙二醛含量，增加游离脯氨酸含量，减轻果实冷害，且对果实硬度和可溶性固形物含量无显著影响。其中以处理温度时间组合３３℃、５ｄ和３８℃、２ｄ的效果最好；３３℃、２ｄ的处理温度较低、时间较短，因而效果不明显；８ｄ的处理时间过长，使细胞受到伤害，丙二醛含量和细胞膜电解质渗出率增加，果实明显变软，出现异味。番茄果实的冷害指数（ＣＩＩ）与细胞膜电解质渗出率呈正相关，相关系数ｒ＝０．９７４４。     

不同有机酸营养对不同成熟度烤烟内在品质的影响

田间试验研究了苹果酸、油酸和腐殖酸对烤烟不同成熟度烟叶各项品质指标含量的影响。结果表明,适熟时,3种有机酸能不同程度地提高烟叶中钾和还原糖含量,钾氯比和糖碱比,同时降低蛋白质和烟碱的含量。其中,苹果酸和腐殖酸能明显提高上部叶和中部叶中钾含量,苹果酸和油酸能明显降低上部叶和中部叶中蛋白质含量以及中部叶中烟碱含量。与适熟时相比,过熟时腐殖酸处理烟叶中各项指标的化学成分协调,从而改善烟叶的品质;苹果酸和油酸处理的效果次之。     

基于区域亮度矫正的番茄成熟度定量分级方法

针对现有番茄成熟度分级标准不统一,泛化性有待提高等问题,该研究提出一种基于区域亮度矫正的果面红色着色区域提取的方法。采用R-G法增强番茄表面的红色区域,利用Otsu分割方法提取表面着色区域,判断各着色区域的轮廓树结构以计算着色区域面积占图像总面积的比例作为主要特征,构建多因子融合的随机森林模型以实现番茄成熟度的量化分级。同时,利用基于局部亮度均衡的图像快速修复方法以解决光照变化导致的番茄表面高亮度反射问题。结果表明：以番茄表面着色面积比成熟度评价指标的分级平均正确率为92.96%,相比传统颜色矩和颜色直方图作为评价指标时的分级准确率提高了6.53和20.6个百分点。高亮区域领域像素加权替代法可对番茄高亮区域亮度实现有效矫正,校正后的未熟、半熟和成熟番茄图像的果面着色区域面积占番茄图像总面积的比例较矫正前提高了0.06、0.15和0.11,分级精度分别提高了17.24、11.47和4.69个百分点。研究可为番茄成熟度的定量性分级提供决策基础。     

不同采收成熟度对烤烟香气质量的影响

采用大田试验,分别对比了各部位不同成熟度鲜叶对初烤烟叶致香物质含量和评吸质量的影响.试验结果表明:烟叶大田成熟标准以上中部烟叶9～10成黄、主脉全白,下部烟叶4～5成黄、主脉开始变白为宜,可改善烟叶香气质量,提高其工业可用性.     

面向机器人采摘的番茄力学特性试验

番茄果实及果梗的力学特性,是采摘机器人设计与控制的重要依据。对不同成熟期的番茄果实进行了纵向和横向挤压试验,对其果梗进行了折断和拉断试验。试验表明番茄果实的抗挤压能力具有明显的各向异性,且从青果期至绿熟期达到最大,而后随着成熟度增加而迅速减小。利用简化结构对这一规律的力学原理进行了分析。果梗拉断和折断试验发现,果梗均从离层处断裂,与拉断相比,折断方式更省力和易于实现机器人采摘。     

河套蜜瓜机械特性与静载损伤关系的研究

为解决河套蜜瓜在储运过程中因静载产生的机械损伤问题,通过对不同条件下完整形态的河套蜜瓜静载破坏时损伤体积的测定和分析,研究了河套蜜瓜机械特性以及各试验因素、机械特性参数对破坏损伤体积的影响.试验结果表明,屈服极限和变形能在随载荷速率增大而增加的过程中有极值现象存在,而破坏极限与破坏能则随载荷速率增大而持续增加;随果实硬度降低,屈服极限、变形能、破坏极限、破坏能等指标均明显降低;试验获得了完整近球形蜜瓜果实的应力-应变曲线,应力-应变曲线反映出完整形蜜瓜在受压初期载荷增长滞后于受压面积的增长.试验结果同时表明,河套蜜瓜准静载机械特性参数、影响因素如载荷速率、果实硬度、加载部位等对果实受压产生的机械损伤均有明显影响,缓慢加载使果实内部微观组织较早出现破坏,易扩大损伤体积,受压后果实的损伤体积较大;垂直受压使果实破坏后产生的损伤体积大于果实水平受压时的损伤体积.建立了完整形河套蜜瓜准静载机械特性参数、影响因素与蜜瓜果实损伤体积的回归方程.数据分析表明,所建立的回归方程是有意义的,可以用其预测和控制河套密瓜储运过程中的静载损伤.机械特性参数之间均存在一定相关性,其中生物屈服极限与变形能的相关程度最高(r=0.870),生物屈服极限与破坏极限的相关程度最小(r=0.366).     

不同钾肥对番茄幼苗酚类物质代谢作用的影响

采用水培试验,研究不同钾肥水平（K 0、4.0、8.0、1.6 mmol/L）、钾肥品种（KNO3、K2SO4）对中杂106（ZZ106）和毛粉802（MF820）两种番茄幼苗生长、酚类物质代谢作用的影响。结果表明,两种钾肥均在倍增浓度（8.0 mmol/L）处理中的番茄叶片、根部酚类物质代谢最活跃。施用K2SO4处理植株鲜重、干重、植株钾含量均显著高于KNO3,但KNO3处理番茄苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性、总酚、类黄酮、木质素含量均高于K2SO4。中杂106的代谢酶活性及代谢产物、鲜重、干重、叶片钾含量均显著高于毛粉802,但根系钾含量显著低于毛粉802。总之,施钾有利于番茄叶片和根系PAL、多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）活性的提高以及总酚、类黄酮和木质素的合成,供钾不足、过量均会降低代谢酶的活性以及影响酚类物质和木质素的含成。K2SO4比KNO3更能促进番茄植株生长发育,但施用KNO3的处理番茄植株酚类物质代谢能力优于K2SO4。中杂106的生长发育及酚类物质代谢能力均优于毛粉802。     

施用有机肥对番茄品质风味的影响

番茄的品质和风味是决定番茄口感的重要因素。以不施肥作为对照,在等氮投入条件下,分别以普通有机肥、沼渣及精制有机肥(中量)作为供试肥料,研究了有机肥对番茄品质和风味的影响,其中精制有机肥共设置了3个施肥水平(分别为19、38和57 t/hm~2的低、中和高量)。结果表明:施用有机肥后番茄产量增加了4.8%~14.4%,其中中量精制有机肥增产效果最好。施用有机肥尤其是中量精制有机肥可以显著增加番茄可溶性固形物、还原型维生素C、可溶性总糖等含量。番茄风味化合物主要以醛酮类、醇类及烷类为主。施用有机肥可以显著增加风味化合物的种类和数量,尤其是中量精制有机肥的施用,显著增加了番茄中醛酮类、酯类、酰肼、羟胺、有机酸等化合物。就番茄产量和品质而言,施用中量(38 t/hm~2)精制有机肥是最佳施肥方案。     

负水头灌溉施肥对日光温室番茄生长及产量的影响

通过日光温室番茄栽培试验,研究了3种负水头灌溉施肥模式对日光温室番茄生长及产量的影响。结果表明,基于负水头灌溉的常规基追施肥处理(CK)、按EC值调配的常规肥料处理(T1)和山崎番茄大量元素配方施肥处理(T2)的株高、叶片数和品质均无显著差异,但T2处理的茎粗显著高于CK处理和T1处理。叶片净光合速率、单果重和产量均以T2处理的最高,与CK和T1处理相比,T2处理可分别增产13%和11%。番茄生育期内,T2处理的氮素利用效率最高,比CK和T1处理分别提高了12%和10%。综合番茄生长、产量以及氮素利用等指标,采用基于负水头的营养液管理施肥模式能有效地控制水分和肥料适时供应,满足作物对养分的全面需求,是日光温室蔬菜生产中值得推广应用的一种灌溉施肥新模式。