基于Rank变换的农田场景三维重建方法

农田场景的三维重建对于研究远程监测作物的生长形态、预测作物产量、识别田间杂草等都具有重要作用。为解决农田场景图像三维重建困难、立体匹配精度较差等问题,该文提出了一种基于Rank变换的农田场景三维建模方法。该方法运用加权平均法灰度化图像,以保留农田场景的完整特征;以灰度图像的Rank变换结果作为匹配基元,采用基于归一化绝对差和测度函数的区域匹配算法获取场景的稠密视差图;根据平行双目视觉成像原理计算场景的空间坐标,并生成三维点云图;依据所得场景的三维坐标,对场景中感兴趣区域实现三维重建。采用标准视差计算测试图像验证立体匹配算法精确性,平均误匹配率较传统的绝对差和函数算法降低约5.63%。运用不同环境下的棉田场景图像测试三维重建方法,试验结果表明,在6.8 m的景深范围内,作物及杂草的高度、宽度等几何参数计算值与实际测量值接近,各项指标的平均相对误差为3.81%,验证了三维重建方法的可靠性及准确性。     

基于组件库的生鲜农产品冷链物流云服务系统设计与实现

为解决中国农产品冷链物流行业中信息化应用系统由于研发成本、个性化需求响应速度以及与第三方系统集成度低等因素造成的推广应用难等问题,该文对12家从事生鲜农产品冷链物流相关业务的企业信息化需求进行深入调研分析,基于云服务及组件集成技术设计了生鲜农产品冷链物流云服务系统。通过设计标准的数据通讯协议实现异构物联网监测设备的统一接入;采用组件库为系统提供独立的功能单元,复用软件资源;通过云服务的方式对组件进行组装集成,快速响应用户需求。系统在北京、上海、新疆3个地区开展应用示范,涵盖生鲜果品、蔬菜、冷鲜肉等农产品生产加工、配送企业。应用结果表明,组件的按需定制与自由组合能够快速满足不同企业的个性化需求,云服务的应用模式能够有效减少研发投入,降低企业负担,系统的设计与服务模式为农业信息化应用系统的推广提供了很好的借鉴经验,具有良好的推广前景。     

基于融合多特征图切割的作物病害图像自动分割

为提高黄瓜叶部病害图像的分割性能,该文提出一种基于融合多特征图切割的病害图像自动分割方法。首先采用一种新的阈值化方法对原始病害图像的红色分量进行二值化处理;然后融合纹理、灰度、距离3个特征构建能量函数的边界项,描述像素间的相似性;再利用分割区域像素与区域边界像素的红色分量差值自动建立能量函数的区域项,反映像素归属于背景和目标的程度;最后运用最大流算法求解能量函数得到分割结果。将该方法应用于黄瓜3种病害(靶斑病、霜霉病和白粉病)叶部图像分割中,并与OTSU算法及半自动图切割算法的分割结果进行比较。试验结果表明,该方法的平均错分率为1.81%,低于其他2种算法,平均分割速度约为2.34 s并无大幅增加。该研究可为黄瓜病害的自动识别和诊断提供技术参考。     

以PDA为终端的便携式农产品智能配送系统

农产品配送是整个农产品供应链的重要环节,快速获取和精准管理农产品装货、运输、卸货过程中的信息及实现配送过程的有效监控是保证农产品物流配送过程中质量安全的重要措施。该文设计了便携式农产品配送系统的框架、功能及数据库,并根据系统数据的更新频率设计了不同的数据更新机制;在此基础上,着重探讨了基于RDA的数据同步开发和条码扫描装卸货实现流程;系统采用VS.NET开发平台在模拟器上实现了功能。由于便携式农产品配送系统运行需要GPS、GPRS/GSM、条码扫描等模块的支持,因此根据各模块的不同组合,制定3种系统运行测试载体方案,通过综合比较,PDA内置GPS和条码扫描模块、通过蓝牙接口连接GPS模块的方案在目前情况下比较适合农产品配送企业使用。     

鲜切蔬菜加工过程追溯的原料批次混合优化模型构建

为了保障鲜切蔬菜加工企业的产品质量安全,提高鲜切蔬菜生产加工效率,减少加工过程中因原料批次而导致的召回正本增加等问题,提出了一种鲜切蔬菜加工过程追溯的批次混合优化问题的解决方案。该研究通过分析鲜切蔬菜加工的基本工艺流程,根据中小规模鲜切蔬菜加工企业的实际生产需求,研究适用于单原料仓库、单成品仓库的生产加工过程,构建基于企业生产订单和多原料批次的生产加工模型。在模型构建上,综合考虑了加工过程中单个订单不可拆分,以及原料批次选取时应优先选取最近未用完批次原则等企业生产加工管理的实际因素。在此基础上应用遗传算法对订单的加工次序和原料批次的选取次序进行优化。采用北京某鲜切蔬菜加工企业的实际生产数据对模型进行验证,采用平均召回规模及平均出成率作为鲜切蔬菜加工的目标函数。结果表明,通过算法优化后的目标函数值与初始值相比提高了10.5%,能够有效减少平均召回规模并提高产品加工的综合出成率,该模型为中小规模鲜切蔬菜加工企业的原料批次分配及生产流程的优化提供参考。     

多重群体遗传算法优化树状给水管网

该文提出一种以管网年费用为目标函数，以管长、标准管径和水泵扬程为决策变量的机压树状给水管网优化数学模型，并给出其多重群体遗传算法求解方法，该算法以目标函数加模拟退火约束惩罚函数为适应值的评价函数，采用跨世代选择策略，更好地保持进化过程中的遗传多样性。仿真结果表明，该模型与算法在求解机压树状管网优化问题上的表现是良好的。     

重庆市农产品物流配送体系中存在的问题及其对策

农产品物流配送体系作为农业物流活动的主要内容之一,是以物流配送为主体功能的重要流动节点.为形成发达、科学、稳定的农业物流配送系统,阐述了重庆市农产品配送的总体特点,分析重庆农产品物流配送体系所面临的问题,提出了加强乡村物流体系建设、加大资金投入、跟进物流技术需要及制定最优配送路线等改善对策.     

基于地面激光雷达的田间花生冠层高度测量系统研制

在花生育种研究中对于冠层高度的获取主要依靠人工测量,不但费时费力,而且存在一定的主观性。为解决这一问题,该文构建了一个田间花生冠层高度特性表型信息获取系统,利用地面激光雷达Li DAR对花生冠层结构进行扫描,获取其三维点云数据;采用多项式曲线拟合算法对点云数据进行分析,描绘冠层的大致轮廓并确定其边界,以得到目标冠层的有效数据集;通过对有效点云数据集生成的冠层高度矩阵分析,得到冠层的高度特性。试验结果表明,利用该系统获取的花生冠层平均高度与手工测量值最小偏差为2%,最大偏差为32%,最大偏差受地形影响和植株早期冠层本身的低高度所致,平均测量偏差约为11%,位于15%的可接受范围之内。该系统可以实现田间花生冠层高度信息的快速自动化获取,减少了人力成本的投入,该研究可为花生育种研究提供参考。     

用基于遗传算法的BP神经网络识别牛肉肌肉与脂肪

利用遗传算法的全局搜索能力,改进标准BP算法随机选取初始权重的不足,并构建了3-12-1的三层遗传BP神经网络,进行了3次牛肉肌肉与脂肪像素的分类试验,研究用BP网络对牛肉肌肉与脂肪两类像素点进行识别的可行性。以像素点的RGB值作为BP网络输入向量,每次训练集样本数62,测试集样本数43。测试的最终结果为：训练集的样本识别率分别为100%、100%、98.3871%;对应测试集的样本识别率分别为97.6744%、97.6744%、100%。试验结果表明,尽管基于遗传算法的BP神经网络对训练样本集以及测试样本集的肌肉和脂肪的识别率均在97%以上,但由于牛肉图像像素值在颜色空间中比较分散,有利于聚类的规律性不明显,因而是否可用BP网络来完成肌肉与脂肪的识别,还需要在网络拓扑结构、训练样本集等方面进一步研究。     

采用轻量级网络MobileNetV2的酿酒葡萄检测模型

为提高高分辨率田间葡萄图像中小目标葡萄检测的速度和精度,该研究提出了一种基于轻量级网络的酿酒葡萄检测模型（Wine Grape Detection Model,WGDM）。首先,采用轻量级网络MobileNetV2取代YOLOv3算法的骨干网络DarkNet53完成特征提取,加快目标检测的速度;其次,在多尺度检测模块中引入M-Res2Net模块,提高检测精度;最后,采用平衡损失函数和交并比损失函数作为改进的定位损失函数,增大目标定位的准确性。试验结果表明,提出的WGDM模型在公开的酿酒葡萄图像数据集的测试集上平均精度为81.2%,网络结构大小为44 MB,平均每幅图像的检测时间为6.29 ms;与单发检测器（Single Shot Detector,SSD）、YOLOv3、YOLOv4和快速区域卷积神经网络（Faster Regions with Convolutional Neural Network,Faster R-CNN）4种主流检测模型相比,平均精度分别提高8.15%、1.10%、3.33%和6.52%,网络结构分别减小了50、191、191和83 MB,平均检测时间分别减少了4.91、7.75、14.84和158.20 ms。因此,该研究提出的WGDM模型对田间葡萄果实具有更快速、更准确的识别与定位,为实现葡萄采摘机器人的高效视觉检测提供了可行方法。     

中国区域畜禽粪便能源潜力及总量控制研究

为了评估中国畜禽粪便资源总量及其对环境的影响,以环保部、统计局和农业部发布的区域畜禽产排污系数为基础,利用2010年的统计数据,研究了中国及各省的畜禽粪便资源总量、能源潜力及农地的氮磷负荷,并以欧盟的农地氮磷施用标准对中国畜禽养殖的环境容量和污染风险进行了初步评估。结果表明,2010年,中国畜禽粪便总量达22.35亿t,可产沼气1072.75亿m3,山东等6省市粪便资源超过1.00亿t;全国单位面积农地氮磷平均负荷为43.73kg/hm2(TN)和9.16kg/hm2(TP),北京等6省市农地氮磷负荷超标;全国畜禽养殖环境容量为129.56亿头猪当量(以N为基准),159.74亿头猪当量(以P为基准),实际养殖总量约占环境容量的1/4,考虑化肥施用的影响,约有20个省超过本省50%环境容量。研究结果为区域畜禽养殖总量控制、合理布局和粪污的综合利用提供决策依据。     

农机跨区作业紧急调配算法适宜性选择

目前农机跨区紧急作业中供需信息不对称,农机部门缺乏科学合理的紧急调配方案,无法在紧急状况下指导农机进行及时有效的调配。针对上述问题,该文研究了农机跨区作业紧急调配模型和算法。首先分析了多机多任务紧急调配过程,建立了以最小化调配成本和损失为目标的紧急调配模型,提出了基于距离最近优先的多机多任务紧急调配算法(shortest-distance first algorithm,SDFA)和基于贡献度最大优先的多机多任务紧急调配算法(max-ability first algorithm,MAFA),前者是搜索当前距离最近的农田和农机,进行优先分配,后者是搜索当前贡献度最大的农田和农机并进行优先分配。采用该文算法对河北省邯郸市2017年的真实数据以及随机生成的农田和农机实例库进行计算与分析可知,当农机数量充足时,算法MAFA的平均调配成本要比SDFA的平均调配成本降低4.34%。当农机不足时,SDFA的平均损失和平均调配成本要比MAFA的平均损失和平均调配成本分别下降了12.79%和4.11%。进一步验证可知,当农田数量为6时,上述2种算法比笔者之前提出的基于非合作博弈紧急调配算法(non-cooperative game algorithm,NCGA)的平均运算性能均提升25%以上,当农田数量为30时,性能均提升41%。该研究可为农机管理部门紧急调配与决策分析提供科学依据。     

负荷对渗滤系统控制农业径流污染物的影响

为了考察负荷变化对渗滤系统拦截削减农业径流污染物性能的影响,在重庆市万州高峰镇鹿山河旁建立多级渗滤系统,开展了农业径流污染物净化效果的试验研究。结果显示,系统对污染物具有较好的去除效果,对化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的平均去除率分别为35%、73%、37%和54%。污染物出水浓度随进水负荷的升高而升高,具有明显的线性关系。单位面积污染物去除负荷与进水负荷近似服从对数关系,低进水负荷时系统运行稳定,高进水负荷时系统污染物去除负荷波动较大。随着渗滤系统级数的增加,污染物出水负荷和去除负荷沿程上均体现出逐渐降低的趋势。渗滤系统沿程污染物负荷的变化兼具滨岸缓冲带、植被过滤带和生物接触氧化池的特点。     

基于TOF深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法

为提高植物三维重建的精度,更好地实现植物数字化研究,提出了基于TOF(time of flight)深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法。首先通过TOF深度传感来获取植物点云数据,采用直通滤波器对点云数据进行预处理,减少背景噪声;其次采用改进密度分析的离群点去噪算法,该算法通过结合邻近点平均距离和邻域点数数量2个特征参数,对点云数据中的离群点噪声进行检测和去除;最后采用双边滤波算法对点云内部的小尺寸噪声进行检测和去除。以番茄植株进行相关试验,试验结果表明:与传统双边滤波算法比较,该文算法最大误差降低了11.2%,平均误差降低了23.2%;与拉普拉斯滤波算法比较,最大误差降低了20.6%,平均误差降低了39.2%,表明该文提出的算法在保持点云特征的情况下,能简单高效地去除植物三维点云数据中的不同尺度噪声。     

气候变化背景下武川主要作物生产水足迹变化分析

生产水足迹(WFP)是指生产单位产品所消耗的水资源,一般用单位质量农产品所需要的水的体积来表示作物生产水足迹。气候变化对生产水足迹的影响是农业生产者关心的重要科学问题。本文以内蒙古自治区武川县主要作物马铃薯、春小麦为例,基于1983-2010年气象数据及生育期资料,修正作物系数,应用CROPWAT模型,计算作物生产水足迹,分析气候变化对作物生产水足迹的影响。结果表明：（1）近28a来,武川县气候呈干暖化变化趋势,马铃薯和春小麦生产水足迹呈显著下降趋势（P<0.05）;（2）气候变化对作物生产水足迹影响显著,生育期平均相对湿度、平均气温和平均日较差对马铃薯生产水足迹影响较大,生育期平均风速和平均日较差对春小麦生产水足迹影响较大;（3）1983-2010年马铃薯平均生产水足迹为1.37m3·kg-1,春小麦平均生产水足迹为2.51m3·kg-1,说明在当地生产单位质量的干物质,春小麦比马铃薯消耗更多水分。在该地区适当增加马铃薯播种面积,对提高水资源利用效率,促进地区农业发展具有重要作用。     

基于近邻传播算法的茶园土壤墒情传感器布局优化

针对节水灌溉的土壤墒情传感器布局问题,提出了基于近邻传播算法(affinity propagation,AP聚类算法)的优化布局策略。策略在保证茶园传感网络全覆盖的基础上,实时采集试验区各节点的土壤墒情数据,构建节点土壤含水率的相似度矩阵,并迭代计算各节点的吸引度和归属度值,得出聚类数和聚类中心。结果表明,采用AP聚类算法对试验区域传感器进行优化布局,优化了传感器数量和位置,使传感器数量由25个减少到2个。在试验区随机采集土壤相对含水率,经验证,聚类中心节点的土壤相对含水率与试验区平均值相近,相对偏差近为0.76%,表明聚类中心节点的土壤墒情数据具有代表性。该方法有效降低了数据的冗余度,节约了系统成本。     

球形水果塑料发泡网套包装机设计与试验

塑料发泡网套能有效降低运输过程中水果发生机械损伤的概率。为了解决球形水果塑料发泡网套自动包装的问题,在分析苹果和脐橙等主要球形水果生物力学特性的基础上,提出一种柔性扩膜锥体扩膜、倒刺卡筒下膜的球形水果网套包装工艺方案,并确定了机器关键部件结构参数,设计了部件组合运行控制时序,加工了试验样机。30个苹果样本包装试验,包装成功率100%,损伤率0,平均单果包装时间25 s,工作效率35 kg/h,下膜长度主要分布在104～110 mm范围内,约占样本总数的76.6%。试验结果表明,样机机构设计合理性,结构紧凑,球形水果果面包覆完整,可实现连续包装功能,但是机器作业效率低于人工效率,需要优化包装流程,采用多组同时包装的方式提高效率。研究结果可为后续球形水果网套包装设备的研制和优化提供参考。     

双碳目标下退役农机产品拆解规划与EOL决策集成优化

退役农机产品回收再利用,不仅是对其剩余价值的再利用,也是实现可持续发展和循环经济的客观要求,对实现碳达峰、碳中和目标有重要意义。该研究基于双碳目标要求剖析退役农机产品拆解规划和EOL (end-of-life)决策集成优化问题,考虑拆解再制造过程中碳排放成本,以实现经济环境效益的最优化。首先,构建拆解再制造集成优化模型(disassembly remanufacturing integrated optimization, DRIO);其次,提出一种改进的人工蜂群算法(improved artificial bee colony algorithm, IABC)对构建的数学模型进行迭代求解,引入logistic映射生成初始解,雇佣蜂阶段和守望蜂阶段加入邻域搜索机制,侦察蜂阶段采用了轮盘赌方法,以获得利润高且碳排放成本低的拆解再制造帕累托方案;最后,通过联合收获机电机拆解再制造实例验证所提模型的有效性和改进算法的可行性。结果表明,所提DRIO模型的经济效益相较于DRIO-D和DRIO-R模型分别提高了62.1%和54.8%,碳排放成本比DRIO-D模型减少约50%。IABC算法相比于经典...     

滇东农田土壤铅污染健康风险评价及基准研究

农田土壤重金属污染造成农产品中重金属含量超标进而通过食物链对人体健康的风险和隐患不容忽视,滇东农田土壤同时受到高地质背景与矿业活动叠加的双重影响,铅污染的问题开始受到广泛关注。为了掌握滇东地区土壤-作物系统铅累积规律及其健康风险以及农田土壤铅健康风险基准,通过对滇东6个市(州)农田土壤和农产品点位协同采样,探讨滇东土壤及其种植农作物中铅的累积特征及健康风险状况,并基于物种敏感分布模型(Log-logistic)反推滇东农田土壤铅安全基准值。结果表明:1)滇东不同市(州)农田土壤中铅含量平均值从大到小依次为红河州、曲靖市、昭通市、文山州、玉溪市、昆明市,其中,昭通市、曲靖市、文山州和红河州农田土壤均存在轻微程度的铅超标问题;2)滇东6个市(州)农产品总的点位超标率为11.9%;不同类别作物吸收富集铅的能力不同,豆类的豌豆和花生对铅具有较高的富集能力,其次是根茎类的莴笋、叶菜类的油菜和谷物类的小麦。3)健康风险评价结果表明,滇东各区域农田土壤重金属铅对居民不存在明显的非致癌风险和致癌风险,铅在不同区域对儿童产生的非致癌风险大于成人,不同暴露途径非致癌健康风险指数从大到小依次为手-口摄入、皮肤接触、呼吸吸入;4)基于物种敏感性分布模型反推滇东农田土壤铅健康风险基准值,种植根茎类、茄果类、叶菜类、豆类、谷物类物时,其临界值分别为13.0、19.7、35.1、11.3、18.1 mg/kg;其警戒值分别为269.5、481.3、500.7、367.5、560.3 mg/kg。研究结果可为滇东以及类似区域铅高背景区农田土壤制定更为精准的地方标准、实现铅污染土壤安全利用提供科学依据。     

基于聚类的农产品流通物联网感知数据时空可视化技术

农产品在流通过程中对运输环境的要求相对严格,借助物联网技术可以实时感知农产品流通过程中的环境数据以及车辆位置数据,通过对这些数据进行有效地可视化,能够实现对整个运输环节的环境监控和位置追踪。但是,流通过程中往往会产生大规模的环境感知数据和车辆位置数据。直接将这些数据进行可视化映射将面临如下挑战:感知点会显得很繁杂错乱,容易出现视觉混淆问题;关键位置点会被湮没在密集的点群之中,难以发现数据中蕴含的有价值的信息;大规模数据的渲染会占用大量的系统计算资源,导致浏览器卡顿等现象,影响用户的使用体验。针对这些难题,该文提出了一种基于聚类的农产品流通过程感知的时空数据可视化技术,该技术首先综合考虑地理空间分布、时间连续性、语义特性对采集到的大规模数据进行聚类分析,挖掘出流通过程的关键位置;然后基于这些关键位置绘制运输轨迹,以实现对流通过程感知数据的时空可视化;最后,将此技术应用到农业物联网地理空间分析与可视化系统中,该系统成功应用到浙江省多个农业基地,针对农业物流环节进行应用示范,应用表明该技术方便了对农产品流通过程进行直观地时空可视化分析。