黑土区田块尺度土壤有机质含量遥感反演模型

为了对田块尺度土壤有机质进行空间反演并提高模型精度和稳定性,该文以黑龙江省黑土带41.3 hm~2田块为例,获取2016年5月中下旬两期(受限于拍摄周期和天气原因而选择不同卫星影像,2016年5月17日Landsat 8影像和5月25日Sentinel-2A影像)裸土时期遥感影像和4 m分辨率DEM数据;分析单期影像与土壤有机质(soil organic matter,SOM)的关系,两期影像所包含的土壤含水量变化信息与地形因素对SOM预测模型精度的影响,建立基于BP神经网络的SOM遥感反演模型。结果表明:该田块内SOM含量差异较大;利用单期影像预测SOM时,基于红波段和785~899 nm波段建立的预测模型精度(建模均方根误差RMSE 1.033,检验RMSE 1.079)和稳定性(建模决定系数R2 0.677,检验R20.644)较高;两期影像时,基于红波段和1 570~1 650 nm波段建立的预测模型精度(建模RMSE 0.855,检验RMSE 0.898)和稳定性(建模R2 0.792,检验R2 0.797)显著提高;在两期影像模型基础上,加入地形因子作为输入量,模型精度(建模RMSE 0.492,检验RMSE 0.499)和稳定性(建模R2 0.917,检验R2 0.928)进一步提高。研究成果可为土壤碳库估算和农田精准施肥提供理论与技术支持。     

基于弹齿轨迹的滚筒式牧草捡拾器遗漏率及工作参数优化

该文基于弹齿的运动轨迹,建立了遗漏率理论模型并进行了仿真,利用MATLAB编程实现捡拾器凸轮机构的参数化设计。对凸轮轨道为正弦加速度规律运动的捡拾器进行遗漏率理论分析,并利用高速摄像系统进行试验,理论与试验的漏捡区高度线性拟合调整R~2为0.998 8,漏捡区面积线性拟合调整R~2为0.960 4。在捡拾器机器前进速度4~6 km/h,滚筒转速40~90 r/min时,应用遗漏率理论模型进行中心组合响应曲面法分析和目标优化,得到的理论工作参数最佳组合为前进速度4.0 km/h,滚筒转速54.299 r/min,此时,漏捡区高度0.796 cm,漏捡区面积6.369 cm~2。在前进速度4 km/h和滚筒转速55 r/min的条件下进行不同含水率牧草的捡拾试验,遗漏率均低于国家标准要求的25%。该研究为捡拾器设计提供了理论基础,且能更好地指导实际生产。     

引入时相信息的耕地土壤有机质遥感反演模型

土壤有机质(soil organic matter,SOM)是土壤质量评价的重要指标。监测SOM含量及其空间分布对土壤利用与保护、土壤有机碳库估算等具有重要意义。该文以松嫩平原典型区为研究区,采集4种主要土壤类型样本共147个,获取裸土期多时相MODIS地表反射率8 d合成产品,以单期、多期影像所构建光谱指数作为输入量,构建包含含水量变化与有机质含量信息的多光谱指数,建立SOM线性回归遥感反演模型,揭示SOM空间分布规律。结果表明:由于土壤含水量空间差异随时间变化,基于单期影像构建的模型主要输入量发生规律性改变,其中年积日137 d裸土条件最好,反演模型最优;比值光谱指数R61与SOM显著相关,而和含水量相关性极小,适于作为反演模型输入量;基于多期影像构建的模型引入时相信息后,精度与稳定性较单期影像模型显著提高,其中基于年积日137、105 d两期影像光谱指数所建立的多元线性模型最优;松嫩平原SOM呈现由东北向西南递减趋势。     

波浪高度及方向对桩柱式围网养殖系统网片水力特性的影响

浅海围网养殖是一种生态型养殖模式,桩柱式围网是其中最为典型的模式之一,主体由排桩和网片组成。围网网衣系统安全是决定围网工程安全的关键所在。针对桩柱式围网,采用数值模拟方法对其主要构成部件单元网片在波浪条件下的变形和受力等水力特性进行了研究,重点分析了波高(1、2、3、4、5 m)和波向(10°、30°、50°、70°、90°)条件下围网网片的网线张力分布、结节偏移和桩柱系缚点受力特性及影响关系。结果表明,桩柱式围网单元网片的网线最大张力部位主要出现在网片上端两侧位置,应用时建议强化顶部纲绳的设计考虑;波向为30°~70°时,网线最大张力有一段较小的增加量,而结节最大偏移随波向的增大而增大;网片与桩柱系缚点的最大受力呈现两端大中间小的现象,建议强化顶部和底部系缚点。以上研究结果可为桩柱式围网工程设计与安装提供参考。     

基于氨基酸组成的黄酒酒龄电子舌鉴别

该研究采用电子舌结合化学计量学方法用于黄酒酒龄的快速鉴别。为确证黄酒样品酒龄,采用氨基酸分析仪分析了1年陈、3年陈和5年陈黄酒中20种氨基酸,并利用主成分分析（principal component analysis,PCA）对氨基酸数据进行了分析。采用电位型电子舌采集了不同酒龄黄酒样品的味觉指纹信息,并采用判别分析（discriminant analysis,DA）方法结合味觉指纹信息建立黄酒酒龄快速鉴别模型。采用偏最小二乘法（partial least squares regression,PLSR）建立电子舌响应信号与氨基酸含量之间的相关关系。氨基酸数据结合PCA分析表明所有样品均标注正确;电子舌结合DA所建黄酒酒龄鉴别模型可将3个年份预测集样品正确区分;异亮氨酸（Ile）、天门冬氨酸（Asp）、酪氨酸（Tyr）和缬氨酸（Val）与电子舌相关性高,模型的相对分析误差（Residual predictive deviation, RPD）高于2。研究表明电位型电子舌结合判别分析是黄酒龄鉴别的稳健方法。     

仿生敲击式山核桃破壳机的设计与试验

针对目前国内山核桃破壳机实用机型少,破壳率较低,果仁损伤率较高等情况,提出了一种仿生敲击(即模仿人工加工山核桃的方式)破壳方式,研制一款仿生敲击式山核桃破壳机。根据山核桃的物料特性以及破壳时所需的各项力学特性参数,建立了破壳机构设计的数学模型。确定了敲击臂的结构尺寸,优化了凸轮结构,并最终得到了凸轮的实际轮廓曲线。该文阐述了破壳机的总体结构与性能,建立了整机的三维实体模型,并根据建模制造了样机。该样机通过现场试验,结果表明:山核桃的含水率为14.55%~16.35%,大小为直径18~22 mm(沿缝合线方向)时,破壳率为99.41%,果仁损伤率为6.25%,生产率为94.93 kg/h,满足生产要求。该研究丰富与完善了坚果类果实的破壳机理与方法,为含隔坚果类的破壳机具设计与开发提供系统的理论依据和应用基础。     

根系吸水模型模拟覆膜旱作水稻气孔导度

为构建覆膜旱作水稻根系吸水模型,进一步改进气孔导度模型,该文在湖北十堰开展包含3个水分处理(淹水、覆膜湿润和覆膜旱作栽培)的田间试验,分析覆膜旱作水稻蒸腾(根系吸水)与根长之间的关系,在此基础上建立覆膜旱作水稻根系吸水模型,并将其代替彭曼(Penman-Monteith,PM)方程来估算蒸腾强度,进而与脱落酸(abscisic acid,ABA)参与调控的气孔导度模型耦合,模拟覆膜旱作条件下水稻气孔导度的日变化过程。结果表明,水稻蒸腾与根长呈线性正比关系(R~2=0.96,P0.05),据此建立的根系吸水模型可以较好地模拟覆膜旱作水稻的蒸腾(根系吸水)规律,使蒸腾强度模拟值和实测值间的相对误差基本控制在15%以内;经改进后的Tardieu-Davies气孔导度模型(TD模型)可有效描述不同土层根系吸水流中的ABA浓度及不同根系层ABA的合成对木质部蒸腾流中总ABA含量的贡献,可较好地模拟气孔导度的日变化过程。改进TD模型大大提高了模拟精度,使相对误差不超过7.0%。该研究可为覆膜旱作水稻生理节水机理和水分利用效率评估提供一定的理论依据。     

木薯收获机土薯抖动分离装置性能仿真及试验

为了考察木薯收获机块根拔起时弹簧式土薯抖动分离装置的土薯分离机理和因素对分离性能的影响规律,优化性能影响因素,进行弹簧式土薯抖动分离装置动力学仿真试验.采用光滑粒子流体动力学和有限元的耦合方法及二次回归通用旋转设计方法,构建土壤-木薯-抖动分离装置系统的动力学仿真模型和影响土薯分离性能的回归数学模型,研究了木薯块根拔起时土薯抖动的分离机理及各影响因素对土薯分离性能的影响规律,同时,采用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数,对性能影响因素进行了优化.结果表明,因素的优组合为:长孔长度2.68 cm、弹簧刚度20.04 kN/cm、弹簧预紧力335.2 N,相应的干净度为0.778,碰撞力为320 N,试验验证的干净度为0.698,与理论结果的相对误差较小,约为10％,理论结果与验证结果较一致,表明建立的回归数学模型及优化结果合理.研究结果可为土薯分离质量高的挖拔式木薯收获机弹簧式土薯抖动分离装置的设计提供参考.     

引入地形因子的黑土区大豆干生物量遥感反演模型及验证

为了对田块尺度农作物地上干生物量进行估测,提高大豆地上干生物量反演模型的精度和稳定性,该文获取了研究区地块2016年7、8月份的SPOT-6多光谱数据,并测定不同地形坡位的大豆地上干生物量,以归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)为输入量,建立田块尺度大豆地上干生物量一元线性回归模型;加入与地上干生物量相关的地形因子,建立逐步多元回归和神经网络多层感知反演模型.结果表明:1)使用传统的单一植被指数模型预测大豆地上干生物量有可行性,但模型精度和稳定性不高.2)加入地形因子(海拔、坡度、坡向)的神经网络多层感知器模型,有较高的精度和可靠性,模型准确度达到90.4％,验证结果显示预估精度为96.2％.反演结果与地块的地形、地貌、气温和降水特征基本吻合,反映了作物长势的空间分布特征,可以为田块尺度大豆地上干生物量动态监测和精准管理,提供借科学依据.     

基于本构模型的颗粒饲料成型特性研究

为研究饲料原料挤压成型特性,构建了非线性黏弹塑性颗粒饲料成型本构模型,针对主要饲料原料小麦,通过分析成型试验因素对其本构模型系数及其表征的流变学特性的影响,研究物料特性、加工参数等对小麦原料成型特性的影响规律,并分析了模型系数与颗粒成型质量的相关性关系。黏弹塑性本构模型由牛顿黏滞体(Newton viscous dashpot element)、应变硬化弹簧元件(strain hardening spring element)和库伦摩擦元件(Coulomb friction element)构成,基于小麦原料的实际成型试验完成模型构建;模型验证结果显示:数值结果中各应力区间模型决定系数R2在0.99以上,模型值与试验值较为吻合,相对误差总平均值为3.378%,并通过χ2检验进一步证明模型有效性;应用本构模型对小麦原料成型特性的分析结果显示,表征其流变学特性的模型系数表现出明显的应力函数规律,黏性系数绝对值随着挤压过程的进行逐渐减小,弹性模量值逐渐增大,集成塑性系数值则表现为先增后降,而各成型试验因素对模型系数产生了显著规律性影响,与宏观试验现象比较吻合;通过Pearson相关性分析可知颗粒成型密度、颗粒成型率、颗粒成型硬度等成型质量指标分别与黏性系数、塑性模量与弹性模量间达到了最高的相关系数,数值皆在0.80以上且为极显著相关性水平(P0.001),为基于本构模型对颗粒成型质量进行分析和控制提供依据。研究结果为颗粒饲料挤压成型特性研究提供了一种新方法和新角度,也为颗粒饲料的高效低耗生产和产品质量的改善提供基础数据和理论参考。