树木气候学及其研究方法——兼论欧洲赤松年轮宽度与太阳活动的关系

本文全面地介绍了国际上在树木年代学和树木气候学的理论和研究方法方面的研究概况,以及近年来取得的进展,并以沃罗涅什州欧洲赤松为例,阐明了年轮宽度与太阳活动的关系,为在我国进一步开展树木气候研究提供信息和借鉴。     

基于变论域模糊控制算法的树木年轮测量仪直流电机转速控制

为提高电机转速控制精度,分析了PID控制算法和变论域模糊控制算法原理,分别使用这2种控制算法控制年轮测量仪直流电机,并对落叶松、油松、云杉、山杨、白桦、红桦、辽东栎等7个树种圆盘进行测试,每个树种测试10次。变论域模糊控制算法电机转速在电机启动后约90 ms后进入稳定状态,PID控制算法约需要160 ms才进入稳定状态。在70组测试数据中,变论域模糊控制算法的误差标准差的总平均值是33.8r/min,PID控制算法的误差标准差的总平均值是40.3 r/min,模糊控制算法的控制精度比PID控制算法高0.21%。试验结果表明:变论域模糊控制算法与PID控制算法相比,变论域模糊控制算法响应速度快、鲁棒性好、稳态误差小。在变论域模糊控制算法的控制下,年轮测量仪对7个树种的平均年轮测量精度是84.38%,而PID控制算法下的平均测量精度是78.13%。因此,年轮测量仪直流电机控制算法选用变论域模糊控制算法。     

便携式高精度立木胸径测量装置研制与试验

立木胸径是森林资源调查中最重要的测量指标。为了实现高效、精准、简便地测量立木胸径,适应复杂树形和不同径级的树木,节省内外业勘测成本,该研究研制了一款立木胸径测量装置。基于隧道磁阻旋转编码器构建适合低成本、轻小型机电结构和高分辨力处理算法的方法,同时开发了由嵌入式软件、Android端应用和Web端应用构成的系统软件,通过多功能按键组合设计了特殊树形和大径级树木的作业流程。在单木勘查作业过程中,装置的机电结构会将立木胸径由机械量先转换为磁信号再转换成电信号,之后由嵌入式软件中集成的处理算法把电信号换算成胸径测量数据。完成所有单木勘查作业后,装置内的蓝牙将数据传输至Android端应用进行存储再上传到Web端的数据库中。为验证装置的测量精度和作业效率,选取包含多个树种的196株立木和一块包含42株立木的小样地进行试验。试验结果表明：该装置对不同径级的立木都具有较高的测量精准度（总平均绝对误差为0.08 cm、平均绝对百分比误差为0.37%、均方根误差为0.12 cm和相对均方根误差为0.54%）;人均每株立木测量耗时为9.3 s（约为传统围尺方法的1/3）,作业效率高。该装置解决了传统围尺在数据量测、记录和入库上的短板,降低了人力成本,比非接触式、卡测类、电子拉绳类仪器的制造成本低几百到上万元,造价仅为260元,且携带方便（质量仅为230 g）,符合国家森林资源连续清查技术规定的精度要求,在森林资源调查中具有宽广的应用前景。     

基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

典型的农业机械自动驾驶系统需要在车辆转向轮上安装角度传感器测量转向角度,存在安装不便与可靠性差问题.该研究提出一种基于GNSS模块和电机编码器组合的转向轮转向角度测量系统.该系统通过组合利用GNSS姿态测量值与运动模型得到转向轮期望角度,利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值,经卡尔曼滤波融合解算得...     

仿生减阻树木移植机铲片设计与试验

铲片是树木移植机的重要工作部件,其尺寸参数、形状以及数量分布决定着移植机的挖土性能和整机的能耗大小。为了有效减小铲片切削土壤时所受阻力、减小整机能耗,该文根据树木移植机的工作状况和特点,对铲片进受力分析并建立力学模型。仿照土壤动物步甲的掘土器官大颚的体表结构设计非光滑仿生铲片,运用动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对原型铲片和仿生铲片切削土壤过程进行数值优化,通过原型铲片的数值仿真确定最佳铲片切削角为83?,在相同的铲片结构和土壤条件下,数值优化得到仿生铲片最佳参数为表面凸起直径14 mm,凸起中心距28 mm,凸起高度4 mm。根据最佳参数研制仿生铲片,并安装在移树机上进行原型铲片和仿生铲片的作业对比试验,发现仿生铲片有效减阻11.11%,证明了仿生非光滑铲片具有较好的减阻特性,可为整机节能降耗奠定基础。     

组培苗光合速率测量系统的研制与试验

光合生长模型是组培微环境调控的依据，组培苗光合速率测量系统是定量研究生长模型所必备的实验装置。现有成熟的植物光合速率测量系统，如Li-6400不能适用于组培苗的测量。该文在综合分析国外现有测量系统的基础上，兼顾国内在大型组培育苗设施类型选择上的经济可行性，采用CO₂传感器和自动控制技术，研制了半开放式组培苗光合速率测量系统。该系统自动化程度高，能够实现整个生长过程在线连续测量，测量误差小，不干扰组培微环境，数据真实性好，所建立的光合模型可以直接应用于半开放式组培设施环境的调控系统。以阶段Ⅲ甘薯组培苗为实验材料，采用本测量系统对其第8 d的光合速率进行了测定，并建立了CO₂浓度和光合光量子通量密度的2因子光合生长模型。     

高精度温压检定系统的研制与试验

目前在低温（＜0℃）状态下尚无能同时对温度、压力、湿度进行标定的现成产品,基于双温双压原理该文研制了一套温、压检定系统,以实现对传感器和仪器设备同时进行温度和压力的标定;在给出系统结构、工作原理的基础上,建立了温度系统和压力系统的数学模型,给出了bang-bang控制和改进PID（proportional-integral-differential）的复合控制方法,最后进行了现场试验,试验结果表明：在系统的绝对压力为30～130 kPa,温度为-70～80℃时,温度测量绝对误差＜0.02℃,压力测量绝对误差≤15 Pa,温度控制绝对误差＜0.03℃,压力控制绝对误差≤18 Pa,温度和压力的目标确定度分别为0.06℃和10 Pa,结果表明该检定系统具有控制精度高、稳定性强和可靠性高的特点,可用于检定、地面仪器考核、探空仪器考核。该研究为进一步研究温、湿、压综合检定系统提供技术手段和试验数据。     

日光温室薄膜全自动清洗机研制与试验

针对日光温室薄膜人工清洗劳动强度大、自动化清洗设备缺乏的现状,该研究设计了一种日光温室薄膜全自动清洗机。为减小整机质量并降低成本,采用双蜗轮蜗杆电机分别驱动清洗主机的毛刷与爬升轴;设计地面移位换行装置,用以承载清洗主机沿温室长度方向移动;为实现自动换行清洗,设计棚顶移位换行装置,调整棚顶吊绳安装高度,避免吊绳在换行作业时与棚面产生干涉而影响换行质量或损伤薄膜。基于多传感器融合与数据校验技术,保证清洗主机、棚顶与地面移位装置间的协作实时性、一致性及可靠性。为验证设计方案的合理性与可行性,以参照日光温室跨度、脊高、肩高参数10:1制作模型温室,按外形尺寸5:1加工清洗样机,并进行对齐、倾斜偏移及清洗效果验证试验。结果表明,清洗主机升降时的水平偏移量在±3°以内,左右偏移量在±7 mm以内（换行操作时各偏移量无累积）;地面与棚顶移位换行装置的单次换行误差与多次换行累计误差均在1 mm左右;毛刷材料选型与关键参数设计合理,可对薄膜表面灰尘进行有效清洗,洗净率为95.4%,清洗效果明显该清洗机在丰富国内日光温室清洗装备类型的同时,有效解决了团队前期研发清洗机质量大易伤膜、自动化水平低等问题,为温室大棚薄膜相关清洗设备的设计研发提供了参考。     

高地隙施药机自动驾驶系统研制与试验

针对农业自动导航、电动自动转向、农机自动控制、精量施药控制等关键技术的集成应用问题,该研究以高地隙喷杆喷雾机为平台,基于机电液一体化控制与软硬件标准化,研制了用于高地隙施药机的自动驾驶系统.根据底盘机构和工作原理设计了电控执行机构,实现发动机启停、转向、油门调节、车速调节、液泵启停、喷杆伸缩的自动控制.设计了基于CAN...     

手持式数字化多功能电子测树枪的研制与试验

为了实现森林的数字化、多功能、精准计测,该文研制了一种数字化多功能电子测树枪,该设备以MEMS(micro-electro-mechanical systems)测角传感器、激光测距传感器、电子罗盘等主要硬件为基础,通过测量距离、倾角、磁方位角3个参数,基于三角函数原理,嵌入操作软件,实现了树高测量、林分平均高测量、株数密度测量、角规绕测、任意高度直径测量、基本测量6项功能。并将该设备在河南省、内蒙古等地林场进行了试验,试验结果表明,树高测量精度最高,达99.39%,林分平均高测量精度最低,为94.97%,其他功能精度都在95%以上,可以满足林业外业调查的需要。     

杨树人工林无损年轮计量特征气象响应分析

为了掌握树木年轮计量特征,探究植被径向生长以及其对气候因子的响应,研究以多密度杨树人工林为对象,采用无损测定技术获取年轮计量特征,选用多种径向生长模型拟合树轮生长,并整理树木生长时期的气候因子进行响应分析,结果表明：1）三维点云定量、精准描述活立木干形,随着株行距缩小密度增大立木干型通直饱满,形率可达到0.57;2）阻力仪无损测定年轮宽度和密度,反应了树轮气候敏感性,方形种植配置更易受气候因素的影响;3）研究区杨树的径向生长采用logistic模型拟合,R²均达到0.94以上;4）四种种植配置年轮宽度对年度气候因子的响应存在明显差异,对年平均风速响应均呈显著正相关(最高为6 m×6 m种植配置的早材年轮宽度达到0.85),年轮密度与年度气象因子的响应均为负相关,其中年均相对湿度呈较显著相关性（最高为3 m×8 m种植配置达到?0.82）;5）月度气象因子响应表现为季节性,春季温度因子与年轮计量特征呈负相关,而湿度因子对年轮宽度呈现正相关,风速因子和年轮计量特征的相关性在春季最大,随着种植配置的稀疏风速和年轮计量特征的相关性逐渐增大。该研究为准确评估树木生长以及分析年轮对气象因子的响应提供了新思路,为森林可持续经营管理提供理论依据。     

模糊故障树分析方法在HACCP中的应用研究

危害分析与关键控制点(HACCP)是一个复杂的系统工程,对于农产品加工企业或食品企业而言,制定一个产品的HACCP计划有很大的难度,特别是对于关键控制点的正确选取更需要领域专家的帮助。该文介绍了故障树分析方法在HACCP体系第一原则和第二原则上的应用,并引入模糊数学理论中的模糊算法和非模糊化方法与故障树分析方法相结合,分别适用于计划的制定和计划的变更,并可根据该方法开发出制定计划的软件工具,使得计划的制定趋于简单化和自动化。     

故障树分析在水产养殖监控系统可靠性设计中的应用

简单介绍了水产工厂化养殖计算机监控系统的组成及工作原理，该系统是一个由工业控制计算机作为上位计算机、单片机控制系统作为下位计算机的典型计算机集散控制系统。为保证系统工作的安全可靠性，增强系统的实用性，以鱼类因水体溶解含氧量严重超限而死亡作为顶事件为例，进行了故障树分析，得到了提高系统可靠性的基本思路：即利用单片机和上位机的软硬件冗余资源来构成容错系统，通过改变故障树的拓扑结构来减少低阶最小割集数，以降低顶事件发生的概率。通过对故障树的评价，提出了提高系统可靠性的基本方法，主要有：减少人为操作失误；单片机系统硬件进行可靠性设计；单片机和上位机的控制系统软件中增加和完善纠错程序和故障诊断程序。理论分析和试验结果表明，采用文中所述方法能有效消除系统中由于部分硬件故障、软件缺陷、人为失误、以及受外界电磁干扰等不良因素所带来的不利影响，保证水产养殖的正常进行。     

全站仪测量立木胸径树高及材积的误差分析

立木材积表是常用的森林调查数表,胸径、树高和材积的测量精度直接影响到编制材积表的精度,该文以全站仪无损测量立木的原理和误差传播理论为基础,推导了测算胸径、树高、材积误差的数学模型,研究了各立木因子间的相关性及其误差变化规律。结果表明：树干各分段高度与分段直径间存在弱相关性,树干总材积的误差受各分段材积的方差和相邻两段材积间的协方差影响。全站仪立木因子测量理论误差材积大于树高和胸径,其中胸径、树高和材积的平均相对误差分别为0.070%、0.023%和0.235%,说明全站仪无损测量立木的理论精度均远高于不同目标的林业调查及编制材积表的精度要求,对大范围的林业生产实践有着现实意义。     

基于决策树和图层叠置的精准农业产量图分析方法

作物产量限制因子的提取是精准农业变量施肥的重要环节之一。决策树和GIS图层叠置方法研究结果表明,土壤有机质始终占据决策树全部知识规则的第一次分支,起着重要的决定性作用,其次为速效磷和碱解氮;产量空间分布与有机质、碱解氮、速效磷高度吻合,平均吻合度分别达到91%、83%和49%。土壤有机质、速效磷和碱解氮含量是宁夏暖泉农场小麦产量主要限制因子,提高土壤有机质含量是提高单产的重要措施。结论得到生产实际验证,说明运用决策树和GIS图层叠置分析方法挖掘产量限制因子在技术上可行。     

树木年轮中养分元素含量的角分布及其环境信息

The effects of nitrogen,phosphorus and potassium application level,seed rate and transplanting density on the growth and development of rice plants were studied to find out nutrient status in high-yielding rice plants and to increase grain yield by adequate fertilization.There was an equilibrium relationship among nutrient elements for high-yielding rice plant populations.The equilibrium index of nutrient amount ,content and distribution in high-yielding rice plants should be generally greater than-2 but less than 2.The optimum nutritive proportion of nitrogen:phosphorus:potassium assimilated by the plants was about 10:2:9 at the ripening stage.But the content and the proportion varied with the growth stages,Therefore,the nutrient in rice plant populations should be in a dynamic equilibrium.So as to achieve high yield.     

基于光谱信息的柑橘树叶面积指数测试系统研制

叶面积指数可为精细农业生产提供作物生物量状态信息,通过光谱的分析,找出叶面积指数和光谱的关系,从而通过光谱反演出叶面积指数及叶干质量,可实现叶面积指数的快捷准确测量。该文以柑橘叶片为研究对象,通过扫描标定试验,得到叶片的精确总面积以及标定的LAI值。利用以FieldSpec-FR地物谱仪和计算机为主体的数据采集平台和以计算机和ViewSpecPro、SPSS等软件为核心的反演平台组成的测试系统,对柑橘叶光谱信息进行采集与分析。结果表明,LAI与光谱信息RVI的拟合方程相关系数R=0.891,显著水平Sig＜0.05,应用回归方程计算的结果相对误差为0.04%;LAI与叶干质量的拟合方程相关系数R=0.885,显著水平Sig＜0.05,应用回归方程计算的结果相对误差为0.30%,叶干质量与叶湿质量的拟合方程相关系数R=0.990,显著水平Sig＜0.05,应用回归方程计算的结果相对误差为2.27%。该系统可为果树LAI进行实时快速自动检测提供研究基础。     

基于组合型L-系统的单树建模工具的设计与实现

该文依据植物形态学和树木生长过程的生理生态学原理,提出由器官尺度上升单树尺度的L-系统文法规则组合拼接方法,该方法有利于L-系统树木形态和生长规则的重用,实现对树木形态拓扑结构的本真还原和科学模拟。该文设计了基于L-系统的单树建模工具软件的功能体系结构,并在VC++开发环境下采用OpenGL图形标准、VRML虚拟现实建模语言开发完成了单树建模工具软件-LSTree。LSTree具有模型输入输出、树木三维可视化、生长过程模拟等业务功能,以及良好的人机交互性能和灵活、科学的单树模型组织管理方式。该软件可用于精准农业,以及植物学和生态学方面的教研、宣教等专业研究与应用。     

基于ARIS的农业信息采集平台需求分析方法

需求分析是信息系统工程的关键,随着农业信息化的发展,农业信息系统工程的需求定义和分析也逐渐得到重视。该文针对农业软件系统研制中经常发生的需求无法得到准确描述的问题,在农业信息采集平台的研制过程中引入ARIS需求分析建模方法。通过对农业信息采集平台的需求建模,研究了ARIS 5种视图在农业信息系统建模中的应用,采用EPC建立流程模型。最后结合软件研制实例分析了ARIS需求分析建模方法在农业领域应用软件研制中的优势。