三维激振果品采收机构优化设计与试验

振动式采收因其能够快速有效地使果品脱落而成为目前常用的果品采收机构,但其采收效率仍然不高.本文提出通过三维激振载荷对果树同时施加沿树枝径向和轴向的激振作用,利用ANSYS建立果树模型,分析比较了一维、二维和三维激振载荷下果树上各点的加速度响应.根据三维激振位移载荷的生成方法及其果树动力学仿真结果,设计了三维激振采收机构,并基于遗传算法对该机构尺寸进行优化,以达到最大的输出加速度目标.最后加工了三维激振果品采收机构样机,并开展田间果树加速度响应试验,结果显示三维激振果品采收机构与偏心振动电机对果树激振的平均加速度变异系数分别为0.67和0.72,表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀,从而减少逐个树枝激振的次数,提高采收效率.     

基于三维点云数据的苹果树冠层几何参数获取

针对果园环境下苹果树冠层参数获取精度较低的问题,提出了基于地面三维激光扫描仪高精度获取苹果树冠层参数的方法.选用Trimble TX8地面三维激光扫描仪作为苹果树冠层三维点云数据采集设备,提出了基于标靶球的KD-trees-ICP算法,用于高精度配准苹果树冠层三维点云数据.研究了平均风速小于4.5 m/s时,距离地面三维激光扫描仪不同远近条件下的标靶球配准残差和拟合误差的变化规律,分析结果表明,标靶球平均配准残差为1.3mm,平均拟合误差为0.95 mm,低于大场景测量配准误差要求(5mm).为了提高有风环境下提取苹果树冠层参数的精度,研究了0.9～4.5 m/s区间平均风速影响下的苹果树冠层枝干、果实、叶片的三维点云质量,建立了风速与叶片侧面厚度的曲线拟合模型,分析结果表明,在果园平均风速小于1.6 m/s时可以从苹果树冠层三维点云数据中提取高精度冠层参数.利用地面激光三维扫描仪获取距离苹果树12 000 mm以内冠层参数,测量精度高于人工测量,相对误差小于4％,为果树高通量信息获取提供了技术支持.     

土壤侵蚀预警和决策支持系统的设计与应用

土壤侵蚀严重地影响了东北黑土区的土壤质量和粮食产量。利用GIS平台结合土壤侵蚀模型,以遥感数据、田间采样数据和农户调查数据为数据源,建立了侵蚀决策方案管理数字化地块图,实现了GIS支持下的土壤侵蚀预警和侵蚀防治信息化决策,可以根据不同地块的侵蚀程度,提供不同的治理措施决策建议,实现了田块尺度水土流失预警及水土保持决策的数字化管理,建立了侵蚀黑土农区水土流失综合治理信息化管理样板。     

基于机载激光雷达点云数据的河网提取方法研究

在介绍机载激光雷达数据的具体处理流程、分析机载激光雷达数据特征的基础上,结合高程数据和影像数据总结出了基于点云数据的大范围复杂流域的提取方案,同时设计了提取流程并应用该流程对实验数据进行了河网提取。将采用本研究方案提取的河网结果与全手工处理所得的结果进行对比分析后发现,本研究提出的基于机载激光雷达点云数据的河网提取精度误差为3.8%,符合实际生产要求。基于机载激光雷达技术提取河网不仅信息丰富而且提取精度和效率显著提高,同时它作为一种全新数据采集技术,为数字流域三维可视化提供了新的技术支撑。     

数字果树及其技术体系研究进展

果树是重要的农林植物。在万物智联时代,利用数字化、智能化、网络化技术建立数字果树技术体系,实现对果树生命、生产和生态复杂系统的高效感知、认知和智慧管控,对于果业实现数字化转型具有重要意义。该研究在数字植物技术范畴下,系统论述了数字果树的概念和内涵,提出了数字果树技术体系框架。重点在果树表型信息获取、环境数据获取、三维模型计算、数字育种、果树大数据和虚拟现实技术等方面综述了数字果树研究进展。从产业应用角度,综述了数字果树技术在树形管理、生长监测、种植管理、农技培训、品牌营销等方面应用效果和挑战。最后,展望了数字果树发展趋势、研究热点和技术突破方向,以期为数字果树的进一步发展提供思路与借鉴。     

基于点云配准的果树快速三维重建

旨在为果园生产管理提供果树三维可视化基础数据,该文提出了一种基于点云配准的自然光照环境下的果树三维重构方法。首先,利用RGB-D相机采集不同视角下的果树彩色图像和深度图像,并通过信息融合获取相应视角下果树的三维点云数据;第二,对果树原始点云进行去背景和滤波等预处理,利用归一化对齐径向特征NARF(Normal Aligned Radial Feature)算法计算每片点云中的关键点,并在关键点初运用快速点特征直方图FPFH(Fast Point Feature Histograms)描述子得到关键点的特征向量。通过计算比较两片点云的FPFH特征,寻找两片相邻点云之间的空间映射关系,利用随机抽样一致性RANSAC(RANdomSAmple Consensus)算法提纯映射关系并完成相邻两片点云的初始配准;第三,在初始配准的基础上,利用迭代最近点ICP(Iterative Closest Point)算法完成点云的精确配准;最后,利用上述点云初始配准和精确配准方法对果树多片点云进行全局配准并完整重构果树的三维点云图像。针对配准过程中时间消耗过大的问题,该文提出了基于OpenMP技术对配准进行加速的方法。结果表明,该文所提出的果树三维重构方法具有较高的准确性,配准的平均距离误差为0.0068 m;同时,在不影响配准精度和稳定性的前提下大幅提高了果树三维重建的效率。     

基于双轮廓同步跟踪的果树枝干提取及三维重建

自适应果实振动收获是利用机器视觉技术识别果树的几何参数,从而分析其动力学特性并用来自动调整振动设备的参数,达到高效低损伤的作业目的。该文以自然生长的无叶山核桃树为研究对象,根据果实自适应振动收获方式的需要,研究了一种基于双轮廓同步跟踪提取果树枝干并利用双目视觉技术进行三维重建的方法。首先结合自适应阈值分割算法和轮廓跟踪技术提取果树枝干区域,细化后得到枝干骨架并用二叉树结构描述。然后根据极线约束和拓扑结构建立双视图中树枝的对应关系。考虑到果树树枝形状的连续性,在三维重建过程中引入了曲率约束,从而提高了重建的效果。最后利用植物学的营养管道输送模型,结合线性回归方法参数化树枝半径。试验结果显示,重建的三维果树枝干形态与真实果树在视觉上很接近,估计的半径与测量半径之间的相对误差小于9%。该研究可为果树动力学模型的创建提供树体的3D结构参数,从而为果实的自适应振动收获技术提供参考。     

基于点云配准的果树快速三维重建（英文）

旨在为果园生产管理提供果树三维可视化基础数据,该文提出了一种基于点云配准的自然光照环境下的果树三维重构方法。首先,利用RGB-D相机采集不同视角下的果树彩色图像和深度图像,并通过信息融合获取相应视角下果树的三维点云数据;第二,对果树原始点云进行去背景和滤波等预处理,利用归一化对齐径向特征NARF(Normal Aligned Radial Feature)算法计算每片点云中的关键点,并在关键点初运用快速点特征直方图FPFH(Fast Point Feature Histograms)描述子得到关键点的特征向量。通过计算比较两片点云的FPFH特征,寻找两片相邻点云之间的空间映射关系,利用随机抽样一致性RANSAC(RANdom SAmple Consensus)算法提纯映射关系并完成相邻两片点云的初始配准;第三,在初始配准的基础上,利用迭代最近点ICP(Iterative Closest Point)算法完成点云的精确配准;最后,利用上述点云初始配准和精确配准方法对果树多片点云进行全局配准并完整重构果树的三维点云图像。针对配准过程中时间消耗过大的问题,该文提出了基于OpenMP技术对配准进行加速的方法。结果表明,该文所提出的果树三维重构方法具有较高的准确性,配准的平均距离误差为0.0068 m;同时,在不影响配准精度和稳定性的前提下大幅提高了果树三维重建的效率。     

基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测

果园精细管理中,苹果树冠层结构决定了叶幕期光照分布情况,而叶幕期光照分布又是关系到果实产量和质量的重要因素之一。该文以纺锤体苹果树为研究对象,提出了基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测方法。在冠层尺度内,按照网格法划分休眠期苹果树冠层三维点云数据,通过分析该数据构成的果树冠层空间结构,提出用计盒维数量化果树冠层结构的方法;通过分析休眠期冠层结构特征和叶幕期冠层相对光照分布特点,研究了休眠期苹果树三维冠层网格空间计盒维数与叶幕期冠层光照空间分布之间的关系,预测了叶幕成形期苹果树冠层光照分布。通过连续3 a的数据分析,叶幕期苹果树冠层阳面光照分布平均预测精度为76.11%,阴面平均光照分布预测精度为74.10%,该方法可为苹果树自动化修剪合理性评判提供技术支持。     

虚拟树木形态结构的交互式编辑技术及其实现

为解决传统田间管理中树木剪枝操作不可逆的问题,该研究提出了一种虚拟树木形态结构交互式编辑方法。首先采用参数化方法开展树木形态结构三维建模;然后基于后缓冲区技术提出一种结合树木层级拓扑结构的枝干交互式拾取方法,并利用OpenGL（Open Graphics Library）渲染技术实现整枝删除、枝段修剪、枝干长度或半径调整等交互式编辑功能。最后,以园林绿化树木中常见的特殊冠型为约束模型,快速、直观地模拟树木树冠综合整形过程。该技术不仅扩展了参数化单株植物建模系统的功能,还为树木栽培与养护管理中修型整枝或株型设计提供了一个数字化、可视化、智能化的新手段。     

基于点云的果树冠层叶片重建方法

精确的果树三维冠层结构是农业科研人员进行功能结构模型研究的重要载体,该文提出一种快速、精确、自动的果树冠层叶片重建方法。首先根据带叶果树点云的局部和全局特征,建立椭球分层的点云密度收缩方法实现器官点云分离,然后利用邻近传播主成分分析算法实现叶片特征参数的求解,利用Laplacian收缩算法实现冠层骨架点的连通,从而实现冠层叶片的快速自动重建。最后利用C++及Point Cloud Library(PCL)点云库,开发果树叶片点云冠层自动重建系统,对苹果树、柑橘树等不同类型果树进行算法验证,结果表明该方法能够正确识别出的叶片数占冠层总叶片数的90%以上,叶面积指数的正确率大于95%,叶片倾角偏离5?以内的叶片数占总叶片数的90%以上。该方法得到了较好的可视化效果和叶冠三维重建精度,可为后期树体冠层内光合作用的研究、整形修剪、农业仿真试验等提供参考。     

苹果枝条往复式切割剪枝参数分析与试验

为探究苹果枝条剪切力学特性,寻找最优切割参数组合,支撑后续剪枝装备的开发,该研究利用自制的往复式枝条切割试验台,通过单因素试验研究枝条直径、平均切割速度、切割间隙和刀具滑切角对枝条峰值切割力的影响。在单因素试验基础上选取平均切割速度、切割间隙和刀具滑切角为影响因素,以峰值切割力为目标进行多因素试验,并建立回归模型。试验结果表明,峰值切割力与枝条直径呈线性增长关系,随着平均切割速度和滑切角的增大而减小,随着切割间隙的增加先减小后增大。对回归模型进行优化分析,得到最优切割参数组合为平均切割速度0.4m/s、切割间隙1.5 mm、刀具滑切角20°,该组合下的峰值切割力为560.97 N。峰值切割力的预测值与实测值的偏差小于4%,切割参数优化结果可靠。该研究可为后续苹果枝条修剪装备的研发提供数据支撑。     

基于改进YOLOv4模型的全景图像苹果识别

苹果果园由于密植栽培模式,果树之间相互遮挡,导致苹果果实识别效果差,并且普通的图像采集方式存在图像中果实重复采集的问题,使得果实计数不准确。针对此类问题,该研究采用全景拍摄的方式采集苹果果树图像,并提出了一种基于改进YOLOv4和基于阈值的边界框匹配合并算法的全景图像苹果识别方法。首先在YOLOv4主干特征提取网络的Resblock模块中加入scSE注意力机制,将PANet模块中的部分卷积替换为深度可分离卷积,且增加深度可分离卷积的输出通道数,以增强特征提取能力,降低模型参数量与计算量。将全景图像分割为子图像,采用改进的YOLOv4模型进行识别,通过对比Faster R-CNN、CenterNet、YOLOv4系列算法和YOLOv5系列算法等不同网络模型对全景图像的苹果识别效果,改进后的YOLOv4网络模型精确率达到96.19%,召回率达到了95.47%,平均精度AP值达到97.27%,比原YOLOv4模型分别提高了1.07、2.59、2.02个百分点。采用基于阈值的边界框匹配合并算法,将识别后子图像的边界框进行匹配与合并,实现全景图像的识别,合并后的结果其精确率达到96.17%,召回率达到95.63%,F1分数达到0.96,平均精度AP值达到95.06%,高于直接对全景图像苹果进行识别的各评价指标。该方法对自然条件下全景图像的苹果识别具有较好的识别效果。     

黄土高原不同林龄苹果树根系吸水策略对降水的响应

在黄土高原陕西省长武塬区选取品种和管理手段均相同的3种林龄果园(尚未结果的5年幼龄果园、已结果的8年初果园和13年壮果园)苹果树,采用空间换时间的试验设计,分别于2015年7月12日和8月19日对0—500cm深度土壤及对应取样处的苹果树枝条取样,测定土样和枝条样中水分的稳定氢氧同位素,并利用贝叶斯模型量化降水前后不同土层对苹果林耗水的贡献。结果表明:(1)不同林龄苹果树降雨前后的主要水分来源深度不同。干旱时,13年壮龄果树的主要吸水深度比5年和8年果树深;而生长旺季,雨季降水只能补充未挂果的5年幼龄果园土壤水分消耗,即使降水量很大,也无法满足已经开始挂果的8年和13年果园土壤水分消耗。(2)在干旱期,5年和8年果树50%以上的水分来自表层0—100cm土壤,而13年果树50%的水分来自100—300cm土层。而降水后,5年和8年果树的主要水分来源变为100—300cm土层,贡献值在40%左右;13年果园的主要水分贡献层为0—100cm土层,贡献了近50%的水分。(3)3种林龄果树根系对300—500cm土层土壤水分的吸收对降雨的响应非常弱,降雨前后贡献率始终保持在30%。     

基于相机位姿恢复与神经辐射场理论的果树三维重建方法

针对传统立体视觉三维重建技术难以准确表征果树多尺度复杂表型细节的问题，该研究提出了一种基于相机位姿恢复技术与神经辐射场理论的果树三维重建方法，设计了一套适用于标准果园环境的果树图像采集设备和采集方案。首先，环绕拍摄果树全景视频并以抽帧的方式获取果树多视角图像；其次，使用运动结构恢复算法进行稀疏重建以计算果树图像位姿；然后，训练果树神经辐射场，将附有位姿的多视角果树图像进行光线投射法分层采样和位置编码后输入多层感知机，通过体积渲染监督训练过程以获取收敛且能反映果树真实形态的辐射场；最后，导出具有高精度与高表型细节的果树三维实景点云模型。试验表明，该研究构建的果树点云能准确表征从植株尺度的枝干、叶冠等宏观结构到器官尺度的果实、枝杈、叶片乃至叶柄、叶斑等微观结构。果树整体精度达到厘米级，其中胸径、果径等参数达到毫米级精度，尺度一致性误差不超过5%。相较于传统的立体视觉三维重建方法，重建时间缩短39.50%，树高、冠幅、胸径和地径4个树形参数的尺度一致性误差分别降低了77.06%、83.61%、45.47%和62.23%。该方法能构建具有高精度、高表型细节的果树点云模型，为数字果树技术的应用奠定基础。     

生长模型和15N示踪评价施肥处理对苹果树氮肥利用的影响

为提高果树氮肥利用率,探索一种简便易行的氮肥利用评价方法,该研究以田间5年生延长红（"长富2号"芽变品种）为研究对象,分别采用生长模型和15N示踪技术对比分析不施氮肥（CK）、常规高氮（N800）、优化减氮（N400）和有机无机配施（N200+O200）处理下苹果树对氮肥的吸收利用情况以及各器官氮素的分配特性的差异,结果表明：不同施肥处理对苹果的产量没有显著性的影响（31.7～37.3 t/hm2）;各施氮处理基于生长模型和15N示踪技术的果树氮肥利用率分别为13.13%～31.94%和11.64%～32.40%;基于生长模型,N400和N200+O200处理果树的氮肥利用率比N800处理高84.92%和143.26%;基于15N示踪技术,N200+O200处理的果树氮肥利用率比N800和N400高178.35%和69.28%;不同施肥处理对各器官氮素分配没有显著性的影响。两种评价方法对于果实和叶片的氮肥利用率、各器官氮素的分配情况分别存在显著差异（P<0.05）和极显著差异（P<0.01）,但对植株总体氮肥利用率的评价结果无显著差异,平均仅相差3.10%。基于本试验的研究结果可以得出,利用生长模型可以估算苹果树的氮肥利用率。研究结果可为农田管理措施改善以及果树氮肥利用率评价提供理论参考。     

图像拼接重建苹果树冠层器官三维形态

为重建苹果树年生长期冠层器官三维形态,以休眠期、疏花期、成熟期苹果树冠层为研究对象,分别针对基于光合混合探测技术(photonic mixer detector,PMD)的摄像机与彩色摄像机获取的强度图像与彩色图像开展冠层图像拼接技术研究。利用Scale invariant feature transform算法的尺度不变特征,并结合Random sample consensus算法精确确定图像映射模型,避免了果园非结构光及图像尺度变换的影响。以此为基础,应用拉普拉斯金字塔分解与重构算法、分层确定融合规则,实现了不同生长期的冠层图像拼接,有效克服了传统融合算法反映细节信息能力差、拼接痕迹明显等缺点。果园不同环境下(晴天顺光、晴天逆光、阴天)的试验表明:提出的拼接方法适合于苹果树年生长期的冠层器官图像拼接,且算法的鲁棒性、速度及拼接精度均能满足冠层三维重建工作的要求,研究成果对提升剪枝、疏花、测产、采摘等果园管理的信息化水平具有重要意义。     

灰枣不同枝龄二次枝果实品质综合评价

为了明确灰枣不同枝龄二次枝果实品质差异性，比较同一树龄灰枣树不同枝龄二次枝的果实品质指标并对其进行因子分析和综合评价，为灰枣不同枝龄果实品质形成机理研究及科学整形修剪管理提供理论依据。该研究以新疆红枣主栽品种“灰枣”作为研究对象，测定枝龄不同的二次枝果实21项品质指标，对其进行因子分析，建立综合品质评价模型，并根据综合品质得分进行优良度排序。灰枣不同枝龄二次枝果实21项品质指标的变异系数（CV）均有所差异，其中P、Mn、Cu和总酸含量的变异系数均大于15.0%，其中果实P含量的CV最大，为19.2%；Vc、Ca和Fe含量及色差值b*的CV均在10.0～15.0%之间；总黄酮和Zn含量、色差值L*和a*的CV均在5.0～10.0%之间；其余品质指标的CV均小于5.0%。经因子分析提取特征根值大于1的3个公因子，其累计方差贡献率达100.00%，第1公因子（f₁）的贡献率为44.81%，主要由果实表面色差值L*、a*、b*、果实纵径、果实横径、果形指数、单果质量和Mg含量8个因子决定，主要反映了果实表面颜色、果实大小等果实外观品质指标。第2公因子（f₂）的贡献率32.21%，由蛋白质、总黄酮、可溶性固形物、总糖、K、总酸和Cu含量7个因子决定，主要反映了果实酸甜口感品质及部分矿质元素含量的高低水平。第3公因子（f₃）的贡献率22.99%，由P、Zn、Ca、Mn、Fe和Vc 含量6个因子决定，主要反映了大部分果实矿物质元素和Vc含量的高低水平。总之而言，灰枣4种枝龄二次枝果实综合品质优良度排序为3年生二次枝果实>4年生二次枝果实>2年生二次枝果实>1年生二次枝果实，在灰枣生产过程中，可以根据不同枝龄二次枝果实的不同优势，形成因地制宜的灰枣栽培模式，整形修剪中多留2年生以上的结果枝，应尽量减少1年生二次枝上结果。