基于相位相关的温室番茄植株多模态三维重建方法

为实现温室番茄植株多模态三维重建,解决多光谱反射率配准和多视角点云三维重建问题,基于相位相关原理将多光谱反射率配准至RGB-D图像坐标系中,建立了基于Kinect传感器测量位姿自主标定的多视角RGB-D图像三维重建方法,实现植株RGB三维点云模型和多光谱反射率点云模型重建,通过归一化灰度相似系数、配准区域光谱重叠率、互信息值3个指标客观评价二维多光谱图像配准质量,采用豪斯多夫距离客观评价植株三维点云重建精度。结果表明:30株温室番茄,每株4个重建视角,视角间隔为90°,配准区域光谱重叠率和归一化灰度相似系数的平均值分别为0.920 6和0.908 5,异源图像配准后互信息值比配准前互信息值平均提升了9.81%,植株冠层多光谱图像能够准确配准至深度坐标系,番茄植株三维重建点云距离集小于0.6 cm的比例为78.39%,小于1.0 cm的比例为91.13%,番茄距离集均值的平均值为0.37 cm,表明植株三维点云模型重建精度较高,能够应用于温室番茄植株多模态三维重建。植株多模态三维模型是实现三维形态测量与生理诊断的关键要素,为高通量植株表型测量提供高效精准的测量方法,对植物表型组学等研究领域的发展具有重要的意义。     

肥液浓度对浑水膜孔灌多点源入渗水氮运移的影响

为了探究浑水膜孔灌多点源入渗多向交汇下水氮运移特性,利用浑水膜孔灌入渗装置进行了室内试验,研究了不同肥液浓度(0,1,2,3,4 g/L)的硝酸铵钙溶液对浑水膜孔灌多向交汇入渗规律、单向交汇和多向交汇发生时间、膜孔中心和各交汇点(植株交汇中心、行间交汇中心和4点源交汇中心)垂直方向的含水率和NO_3~-—N的分布规律等的影响。结果表明:各肥液浓度下膜孔单位面积累积入渗量与入渗时间呈幂函数关系,入渗参数a随肥液浓度的增大而减小,入渗参数b随肥液浓度的增大而增大;随着肥液浓度的增加,单向交汇和多向交汇发生时间均提前;10 cm土层深度处,肥液入渗各中心含水率较0 g/L处理分别增加10.42%,13.94%,16.38%,24.74%;各中心垂直方向含水率随土壤深度呈现不同的变化规律;NO_3~-—N在土壤上层分布均匀,而在湿润锋处出现峰值;4点源交汇中心处NO_3~-—N含量高于其他3个中心。研究结果可为浑水膜孔灌的技术研究奠定科学基础。     

膜孔直径对浑水膜孔灌土壤水氮运移特性的影响

通过对西安粉壤土进行4种膜孔直径(6,8,10,12cm)的浑水膜孔肥液自由入渗室内试验,观测并分析了湿润锋运移距离、累积入渗量、湿润体内水分分布以及NO_3~--N和NH_4~+-N运移特性的变化规律。结果表明:膜孔直径对浑水膜孔灌土壤水氮运移特性具有较为显著的影响。不同膜孔直径的浑水膜孔灌肥液自由入渗累积入渗量符合Philip入渗模型;湿润锋运移距离与入渗时间呈极显著的幂函数关系;在相同的入渗时间内,膜孔直径越大,湿润锋运移距离越大,单位膜孔面积累积入渗量越小,同一位置处土壤NO_3~--N和NH_4~+-N含量越大。入渗400min内,在膜孔中心附近区域NO_3~--N和NH_4~+-N含量较高,湿润体内土壤NO_3~--N主要集中分布在距膜孔中心15cm范围内,而NH_4~+-N主要集中分布在距膜孔中心8cm范围内。     

暴雨条件下典型红壤区不同恢复方式侵蚀过程与特征分析

采用空间替代时间的方法,探究暴雨条件下典型红壤区不同恢复方式侵蚀过程与特征。选取不同恢复年限的低效林改造(R1)、乔灌草结构(R2)、自然恢复(R3)和对照(DZ)样地,设计1.5mm/min雨强,进行野外模拟降雨试验,分析坡面初始产流时间、径流率、侵蚀率、累积产沙量、入渗率等特征。结果表明:(1)3种恢复方式初始产流时间表现为R2R1R3,且R1、R2样地初始产流时间随治理年限的增加而延长;(2)3种恢复方式径流率、侵蚀率、累积产沙量均表现出R3R1R2,且R1、R2样地径流率、侵蚀率、累积产沙量随治理年限增加呈下降趋势;(3)同一恢复年限,3种恢复方式初始入渗率、累积入渗量、减流减沙效益均表现出R2R1R3;(4)3种恢复方式,恢复年限对侵蚀过程的影响表现为R1R2R3;累积产沙量与累积产流量成幂函数关系。研究结果为揭示典型红壤区不同治理方式的侵蚀过程研究提供参考,为典型红壤区水土流失治理提供科学依据。     

亮蓝示踪土壤水分运移的适宜浓度研究

尽管亮蓝是一种广泛用于研究土壤水分运移的染色剂,但其自身的吸附作用是否影响水分自由运移、如何选择适宜的染色浓度等尚需研究。此次使用5种浓度的亮蓝溶液在3种土壤中进行土柱入渗试验,对比不同亮蓝浓度下的稳定出流速率、水分穿透时间、湿润锋与染色峰偏离情况,寻求亮蓝染色剂在土壤水分运移示踪研究中的适宜浓度。结果表明:(1)在0~2.0g/L浓度范围内,亮蓝染色剂的添加未影响到水向土体入渗行为,即亮蓝染色剂示踪土壤入渗是可行的。(2)染色剂浓度为1.5g/L时,水分穿透土柱的时间、稳定出流速率最接近对照(0.0g/L),但各浓度之间差异很小;而以染色锋面与水的湿润锋面之差计算的迟滞系数值判断,黑垆土适宜的亮蓝溶液为1.5g/L,黄绵土1.5~2.0g/L和砂土2.0g/L浓度。(3)迟滞系数与土壤黏粒含量存在极显著正相关关系,有一定吸附能力的亮蓝溶液更适合黏粒含量低的土壤。综合考虑,三类土壤采用1.5~2.0g/L染色浓度研究土壤水分运移是可行的。     

NaCl溶液添加湿润剂灌溉对土壤入渗过程的影响

为进一步认识微咸水的入渗规律,采用室内土柱入渗试验,对比分析了不同矿化度(0,1,3,5g/L)的NaCl溶液加入湿润剂进行灌溉后盐碱土累积入渗量和入渗率随时间的变化,验证了在盐碱土中微咸水加湿润剂情况下不同公式描述入渗过程的适应性,并分析了全盐量和氯离子的剖面分布。结果表明:NaCl溶液添加湿润剂灌溉后,盐碱土的入渗能力随NaCl溶液矿化度的增加呈先增加后减小的趋势,入渗能力在NaCl溶液矿化度为3g/L时达到最大,超过3g/L后随NaCl溶液矿化度的增大而减小。湿润土层剖面含盐量及Cl-浓度在相同湿润锋随NaCl溶液矿化度的增加而增大,在湿润锋前达到最大。NaCl溶液矿化度为3g/L时,剖面含水率最大,其次是5,1,0g/L。4种不同矿化度NaCl溶液添加湿润剂条件下,Kostiakov公式的入渗率拟合值和实测值最为接近。     

地表下纳米碳混合层对土壤入渗过程的影响

以黄绵土为研究对象,将纳米碳在土壤表层以下20cm处均匀混合,研究了不同纳米碳含量(质量含量分别为0,0.001,0.005,0.01g/g),不同纳米碳-土壤混合层厚度(1,2,3,4,5cm)对土壤水力特性的影响,结果表明:(1)土壤表层20cm以下纳米碳层可以增加土壤累积入渗量,当纳米碳含量增加到0.5%时,累积入渗量显著增加。(2)纳米碳层厚度为3cm时累积入渗量明显增大,随纳米碳层厚度继续增加,累积入渗量无显著变化。(3)Philip方程能较好的模拟含有纳米碳层的黄绵土入渗过程,纳米碳含量为0.5%和1%时,吸渗率明显高于对照土壤,纳米碳层厚度为3cm、含量为0.5%为合理施碳厚度与比例。(4)对照土壤不同深度处含水量的变化很小,土层深处含水量亦很高,而含纳米碳层的土壤表层20cm以下的土壤含水量明显变低,当纳米碳层厚度为3-5cm时,效果尤为明显。因此将纳米碳作为土壤改良剂施入地表以下,对于改善黄土高原土质水土流失具有重要意义。     

晋西黄土区切沟断面特征及体积估算模型

断面特征不仅能反映切沟发育环境因子,亦有助于揭示切沟侵蚀规律;体积是表征切沟侵蚀量的关键参数,建立体积估算模型对大空间尺度切沟侵蚀定量研究有重要意义。该文选取晋西黄土区蔡家川流域为研究区,利用三维激光扫描全站仪获取31条切沟地形数据,构建切沟高精度地面高程模型(DEM),分析切沟断面特征,建立体积估算模型。研究结果表明:(1)切沟顶宽、底宽、沟深和断面面积的均值分别为9.0 m、3.8 m、6.2 m和41.8 m2,切沟断面参数值从沟头、沟中到沟口均逐渐增大,仅沟深差异不显著;断面顶宽与沟深之比的均值为1.55,说明切沟横向侵蚀速率大于沟底下切速率;与沟中、沟口相比,沟头宽深比最小。(2)回归分析显示,晋西黄土区切沟体积(V)与沟长(L)及面积(A)之间均具有显著的幂函数关系,方程的决定系数分别为0.68和0.85;平均相对误差和纳什系数显示,与V–L模型相比,V–A在预测切沟体积上更具优势。因此,建议将回归方程V=1.7097A1.1356作为晋西黄土区切沟体积估算的模型。该研究结果可为大空间尺度切沟侵蚀定量模拟、空间分布制图等提供方法和依据。     

三维土工网防护边坡侵蚀特性的试验研究

为了揭示三维土工网防护坡面侵蚀规律,利用室内模拟放水冲刷试验,定量研究了不同坡度（5°,10°,15°,20°,25°,30°）、不同流量（1 m³/h,1.5 m³/h,2 m³/h）条件下,三维土工网防护坡面的侵蚀过程及侵蚀特征。结果表明:（1）累积侵蚀量随坡度和流量的增大而增大,且冲刷最初10 min内得到的侵蚀量占侵蚀总量的70%左右,而冲刷末期的坡面流含沙率仅在0.01～0.04 g/cm³内波动;（2）随着坡度增大,累积侵蚀量的贡献率增大,流量对累积侵蚀量起主导作用,在大流量冲刷的条件下,流量对累积侵蚀量的贡献率比流量较小时更加显著;（3）累积侵蚀量与坡度呈正相关的幂函数关系,相关性显著;（4）三维土工网防护边坡的坡面流为紊流,累积侵蚀量与雷诺系数的关系可以表示为:M=0.186Re^0.672,相关系数R²=0.9429。     

米字型人工鱼礁流场数值模拟与水槽实验的比较

采用LES(大涡模拟)紊流模式,对定常来流速度下按实际尺寸缩小10倍的米字型人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟,同时利用相同尺寸的水槽实验验证该数值计算方法的可行性。在数值模拟与水槽实验中分别设置了0.2、0.4、0.6、0.8、1.0以及1.2 m/s 6种来流速度,并比较礁体附近三个方向上流速变化的情况。结果表明,数值模拟中约80%的测点速度与水槽实验结果吻合。而且,具有较大差异的值都发生在礁体上方开口中心位置附近的测点,该位置流场变化强烈且水槽实验测量有一定难度,易产生误差,因此对比结果差异较大是可允许的。综合比较结果,初步认为利用三维数值模拟计算方法模拟人工鱼礁的流场变化是可行的,今后可利用该数值计算方法替代复杂的水槽实验,甚至可以对实际投放礁体的原始规格以及所放置的海域进行等比例模拟,更清晰准确地对人工鱼礁周围流场变化进行详细研究。同时对不同结构的人工鱼礁和人工鱼礁群周围的流场进行系统分析,从而实现人工鱼礁的优化配置。