负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。     

红枣经济林不同植被覆盖土壤水分入渗特征

【目的】模拟不同植被覆盖土壤水分入渗过程并选择该研究区的最适模型。【方法】采用野外双环入渗试验方法,测定了不同植被覆盖下土壤水分入渗特征,采用Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型对不同植被覆盖区土壤水分入渗过程进行拟合。【结果】①不同植被覆盖区土壤水分入渗速率均表现为初始入渗速率最大,平均入渗速率次之,稳定入渗速率最小;②自然生草区土壤初始入渗速率最大,清耕区土壤的平均入渗速率和稳定入渗速率最大,且清耕区与自然生草区土壤初始入渗速率、平均入渗速率和稳定入渗速率均差异显著;③Horton入渗模型对不同小区土壤入渗过程拟合效果最好,Philip入渗模型拟合效果次之,Kostiakov入渗模型拟合效果最差。【结论】红枣经济林不同植被覆盖下土壤水分入渗特征具有显著差异,Horton入渗模型更适合研究该区域红枣经济林土壤水分入渗过程。     

非对称体边界下三维紊流模型的建立和验证

对于斜向进水、侧向泄水条件下的圆形消力井,基于井内水流紊动射流分区的半经验公式法,可以对淹没射流条件下的水股作用力进行机理分析,并推导得出射流沿程最大流速及冲击区井壁时均作用力表达式,但尚不能完全揭示其内部复杂的紊动水力特性。利用紊流理论的数值模拟可以更好地描述圆形消力井流场内部各处的时均流及紊动特性:根据区域形状特点,对流场的空间域和时间域进行剖分离散,由不规则边界紊流Navier-Stokes方程掺气影响统计演化建立了三维封闭可求解雷诺应力方程组。基于实际工程的数值分析成果表明,三维紊流模型可行有效,能够用于非对称体边界条件下的空间流场计算。      

基于球坐标的植物果实重建

针对植物果实形状特点,提出基于坐标变换的点云快速重建方法。对于生长在茎干上的果实,首先计算茎干方向即果实的中心轴方向,将点云直角坐标转为球坐标,利用中值滤波沿半径方向对点云数据去噪,判断果实的长扁特征,计算果实中心轴的经纬度;然后以果实的中心轴作为球坐标的中心轴再次对原始点云进行坐标变换,进行去噪和填空点处理,最后采用B样条曲面对果实进行重建。本文方法的计算效率高于传统方法的2.5倍以上,随着点云数据量的增加,计算速度可加快几十倍,而且重建结果与实际点云误差小于2.2%。     

梭梭林下土壤结皮发育对降水入渗动态的影响

研究梭梭林下土壤结皮发育对降水入渗、土壤水分动态的影响,旨在掌握梭梭林地管理和促进林下植被发育的关键技术。结果表明:1）土壤结皮发育对各层土壤含水率的变化具有显著影响（P<0.05）,0~0.5 cm土层土壤含水率的变化随土壤结皮发育逐渐增大,而其余土层逐渐减小。随土壤深度增加,无结皮沙地（NSC）和物理结皮沙地(PSC)土壤含水率先增加后减小,生物结皮沙地(BSC)逐渐减小。2）土壤结皮发育对林下土壤水分动态产生显著影响（P<0.05）,随着土壤结皮的发育,0~0.5 cm土层土壤水分波动幅度逐渐增强,而其余土层则逐渐减弱,表现为NSC>PSC>BSC。NSC和PSC样地水分波动频度较大,BSC样地没有明显的波动。3）高强度降水下(区间降水39 mm),三者降水的入渗强度和入渗深度较大,而中（区间降水19 mm）、轻（区间降水8 mm）强度降水下,NSC和PSC样地产生轻微的浅层入渗,BSC样地保持在稳定的水平,表现为NSC>PSC>BSC,可知梭梭林下土壤结皮发育对降水的截留作用逐渐增强,限制了降水的入渗,但在稳定深层土壤水分和限制深层土壤蒸发方面具有积极的作用。     

基于改进动态时间规整算法的奶牛步态分割方法

为准确提取步态特征、识别奶牛跛行,利用三维加速度传感器采集30头奶牛后趾加速度信号,针对奶牛步态人工分割的不足,提出基于改进的动态时间规整算法对奶牛步态进行分割,提取特征值并利用逻辑回归法建立跛行识别模型。采用本文方法得到的步态分割精确度、灵敏度、准确率平均值分别为89.53%、95.51%、87.49%,比常规动态时间规整算法分别提高了5.31、4.48、8.43个百分点,总体准确率达到90.57%,相较自相关函数法和峰值检测法分别提高了1.75、3.13个百分点。以支撑时间、步幅长度、平均强度、信号幅度面积、前进方向加速度均值和运动变化量为自变量的跛行识别模型识别率分别为83.44%、81.72%、86.15%、86.81%、89.45%和85.71%。本研究结果可为奶牛步态分割、跛行识别提供技术支持。     

基于结构光视觉的联合收获机谷粒体积流量测量方法

针对谷物联合收获机工作过程中需要实时测量谷粒流量的问题,提出应用结构光视觉测量技术实现谷物联合收获机测量系统谷粒体积流量的测量。采用普通滑槽作为测量谷粒体积流量的输送器,应用滚轮与编码器测量谷粒在滑槽中的流动速度。根据激光三角法测量原理构建结构光三维视觉系统,测量滑槽中流动谷粒的截面轮廓,应用试验参数标定法建立物长与像素偏移值的关系。在对结构光图像进行预处理的基础上,通过阈值判定法获取谷粒流截面轮廓;采用梯形微元求和法分别建立谷粒流截面计算模型与体积计算模型。试验研究了滑槽倾角和图像采集帧率对谷粒体积流量测量误差的影响,结果表明,当滑槽倾角在15°～30°、结构光图像采集帧率在40～100 f/s时,4种谷粒体积流量的测量误差小于等于5.2%,重复试验变异系数小于等于0.021,均方根误差小于等于1.268 L;当测量体积为17.6 L、滑槽倾角为30°、结构光图像采集帧率为100 f/s时,测量误差最小,为0.74%;当测量体积为39.2 L、滑槽倾角为20°、结构光图像采集帧率为40 f/s时,测量误差最大,为5.2%。采用结构光三维视觉测量系统,应用梯形微元积分求和法建立谷粒流体积计算模型,可以实现滑槽输送谷粒体积的在线测量。     

秸秆复合管水力性能初探

简述了秸秆复合管的制作方法,进行了秸秆复合管地下灌溉田间测试,研究了秸秆复合管地埋后的灌水效果。试验以秸秆复合管的秸秆掺量和管长为主要因素,分析了出流量、入渗速率和灌水均匀度等灌水指标。结果表明:在秸秆掺量为5%、7%、9%水平下,管长为3.5 m的秸秆复合管单位长度累计出流量比管长为1.0 m的秸秆复合管分别高出71.66%、77.52%、8.14%,灌水均匀度分别减小3.60%、5.45%、13.72%。在管长为1.0 m和3.5 m水平下,秸秆掺量为7%和9%的秸秆复合管单位长度累计出流量分别比秸秆掺量为5%时减少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%。秸秆掺量为7%时,不同管长的秸秆复合管入渗速率的波动程度最小,出水性能相对稳定。秸秆掺量为7%时,管长为1.0 m秸秆复合管的灌水均匀度达到85.00%,秸秆掺量为5%时,管长为3.5 m秸秆复合管的灌水均匀度达到81.38%。综合考虑出流量、入渗速率、均匀度等试验指标,认为秸秆复合管具备作为灌水毛管用于田间灌溉的条件,秸秆掺量在5%～7%时,秸秆复合管的水力性能最优。     

由膜孔灌水流推进和消退资料推求点源入渗参数

根据膜孔灌大田灌水试验实测资料,研究了膜孔灌膜上水流推进和消退规律,提出了利用膜孔灌大田水流推进和消退资料推求充分供水条件下单点源入渗参数的方法。实例计算表明,这一方法能简单而有效地求得大田膜孔平均入渗参数。研究成果为膜孔灌技术要素设计和灌水质量评价奠定了基础     

基于“双毯法”的植物叶态萎蔫辨识研究

为实现植物生命需水状况的无损检测,通过定量辨识植物叶态萎蔫特征反映植物亏水胁迫状况,基于分形理论"双毯法"定义了萎蔫指数LDBM,利用基于激光三角原理的三维激光扫描仪获取植物叶片表型点云数据,以西葫芦、秋葵、葫芦、南瓜4种植物为研究对象,结合饱和水汽压差与光合有效辐射2种微环境参数,进行了植物叶态萎蔫定量辨识研究。试验分析了4种植物萎蔫指数LDBM的日变化曲线,证明LDBM用于表征叶态萎蔫状况是合理和可行的;分析了萎蔫指数LDBM与微环境参数的相关性,4种植物LDBM与饱和水汽压差相关系数均大于0.81,与光合有效辐射相关系数均大于0.71,与2种参数都有很强的正相关性;并且与基于离散时域傅里叶变换定义的萎蔫指数L2DFT进行了对比,LDBM与L2DFT呈负相关性,4种植物的相关系数均大于0.82,表明LDBM能够准确地定量表征叶态萎蔫。