基于信息熵的耕地土壤养分与环境影响因子空间相关性研究

[目的] 探究耕地土壤养分含量空间格局及与环境因子的空间相关性,为区域耕地土壤施肥管控及农业生态环境保护等相关工作提供理论依据。[方法] 以湖北省枣阳市耕地为研究对象,选取土壤有机质、全氮、速效钾、缓效钾和有效磷5种土壤养分指标,并收集整理成土母质、土壤类型、土壤pH值、高程（DEM）、地表起伏度、坡度、植被覆盖度指数（NDVI）、平均气温、平均降水量和土地利用方式10种环境影响因子,利用普通克里金插值和信息熵原理,分析每种土壤养分的空间分布特征以及每种土壤养分空间分异特征与环境因子的相关性。[结果] 枣阳市土壤缓效钾空间异质性不明显,全域含量水平较高;其他4种养分均表现出不同程度的空间异质性。信息熵结果表明,5种土壤养分含量空间格局与成土母质、土壤类型和气候因子相关性均较强但相关程度存在差异;地形因子与全氮和有机质含量空间相关性较强,土壤pH值与土壤速效钾、缓效钾和有效磷相关性较强。[结论] 枣阳市土壤养分格局受自然因素影响较强,但相关性指数K值都较低,说明受到人为施肥与农作物消耗以及灌溉排水导致的土壤水化学反应及养分流失的影响。     

无人机机载激光雷达提取果树单木树冠信息

定株管理是未来果园精准生产管理的趋势,果树单木树冠信息的提取是定株管理的关键。该研究利用无人机采集的苹果园激光探测与测量数据（Light Detection and Ranging,LiDAR）检测和测量每棵果树的树冠面积和树冠直径,并评价空间分辨率对于果树单木树冠检测与提取的影响。该方法主要包括使用反距离权重插值法间接生成冠层高度模型（Canopy Height Model,CHM）;使用局部极大值滤波算法和标记控制分水岭分割算法（Marked-Controlled Watered Segmentation,MCWS）对果树进行单木树冠检测与提取,通过与参考数据的比较,评估了该方法的精度,并定量分析了空间分辨率对于单木树冠检测与信息提取结果的敏感性。结果表明,该方法有效地实现果树单木树冠检测与信息提取,代表果树检测精度的F1得分为94.86%,树冠轮廓提取准确率为86.39%,树冠面积的提取数据集和参考数据集的线性拟合结果决定系数和归一化均方根误差分别为0.81和20.56%,树冠直径的提取数据集和参考数据集的线性拟合结果决定系数和归一化均方根误差分别为0.85和14.79%,树冠面积和直径不同程度地被高估。此外,冠层高度模型的空间分辨率接近果树平均树冠直径的1/10时精度最高,可以有效检测果树单木树冠及提取树冠轮廓,从而准确提取果树单木树冠信息。     

连续投影算法融合信息熵选择霉变玉米高光谱特征波长

运用高光谱技术鉴别玉米霉变等级时,因光谱波段数多、数据量大、信息冗余度高,使鉴别工作难度加大。为了减少数据量,获得最有利于鉴别的高光谱信息特征波长,本研究提出了一种连续投影算法(SPA)融合信息熵的特征波长选择方法。首先,对霉变玉米样本高光谱数据运用多元散射校正(MSC)进行光谱预处理以消除噪声,然后利用SPA对处理过的光谱进行波长初选,得到8个初选特征波长,再通过信息熵原理处理初选特征波长下的图像信息,获得最佳特征波长。结果表明,运用SPA融合信息熵法得到有利于霉变玉米鉴别的最佳波长为819 nm,提取该波长下霉变玉米图像的纹理特征后,采用Fisher判别分析(FDA)进行鉴别,6个等级霉变玉米的鉴别正确率高达98.6%,充分证明所给出的特征波长选择方法是有效的。本研究特征波长选择方法可为更好地运用高光谱技术鉴别玉米霉变等级提供指导。     

5HP-25型粮食干燥机设计与试验

为了提高干燥系统的能量利用效率,增强干燥机的通用性、可靠性、作业效率和年利用率,该研究围绕增大干燥动力系数和工艺能力指数,基于粮食的物性特征,从干燥工艺方式、机械结构参数和运动参数间的内在关系入手,把几何因子和运动参数有机结合,揭示了粮食在干燥机内流动特性;按照引风降压,连续闪蒸降温,强化传热传质,自适应排粮的设计思想,研制了一款粮食通用的干燥机,实现了粮食在干燥机内连续流动过程中,自发地改变流态、连续回转换位,强化了传热传质,改善了干燥的均匀性。设计的升角为6°的变截面角状盒,与传统的横流方法相比,可使干燥动力系数增大2～4倍,干燥稻谷时的爆腰增率可控制在1%以内,发芽势提高76%以上,发芽率达到95%;设计往复式差速排粮机构,实现了自适应无损排粮,有效解决了粮食架桥、堵塞问题,避免了粮种的机械损伤。设计的5HP-25型粮食干燥机,实际应用效果显示,在粮食平均干燥强度为1.37～2.70%/h的条件下,干燥水分单位热耗为2 900～4 300kJ/kg,与国标7 400 kJ/kg相比,降低了单位热耗量。研究结果为实现优质、高效、节能干燥工艺及装备设计提供了参考。     

系统论、信息论和控制论与我国农业生态学的发展

我国构建农业生态学的学科体系中,不仅把生态系统生态学作为其学科基础,而且把系统论、信息论和控制论同样作为其重要的学科基础。因此,在我国的农业生态学的学科体系中不仅像国外的农业生态学学科体系那样重视包括物种、种群、群落、生态系统和景观层次的农业生态系统的能流物流结构和相互关系;而且还十分重视系统的信息流和资金流,包括自然信息流,以及人们主动收集、传输和利用的人工信息流,劳动所体现的价值流,及其以货币形式反映出来的资金流。我国的农业生态学不仅像国际上农业生态学体系那样很重视包括生产者、消费者和分解者在内的农业生态系统的能流和物流转换结构,而且十分重视农业生态系统的调节与控制机制,包括自然调控机制和人为调控机制,其中人为调控机制又包括了如农业经营者在种植业与养殖业中各种操作所代表的人为直接调控,也包括如市场需求、政府政策、国家法律、社会习俗、教育宣传、信息传播等能够影响农业经营者行为的人为间接调控。在系统论、信息论和控制论基础上构建的农业生态学体系有利于更好地深入剖析我国优秀的传统农业实践,启迪农业生态学相关的基础研究和应用研究,开拓信息时代农业生态转型的创新途径。     

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。     

烟台市海岸带土地利用空间结构分形特征

为深入刻画烟台市海岸带土地利用空间结构特征,以烟台市农村土地利用详查成果数据为基础,利用分形理论和GIS空间分析方法,选取边界维数、计盒维数、信息维数和半径维数4个特征参数,对海岸带各土地利用类型的斑块复杂性、空间占比、空间分布的均衡性和向海聚集性进行了分析。研究结果表明:受人为干扰强的建设用地、耕地、园地和其他土地边缘相对比较规则且简单,而自然性较强的草地、林地、水域及水利设施和滩涂在人类活动干扰下正处于运动变化的随机状态,斑块边缘相对复杂;海岸带土地利用是以建设用地和耕地为主,其他用地类型为斑块镶嵌体的景观结构模式;土地利用空间分布的均衡性与空间占据能力表现出一定的正相关性;各用地类型斑块密度在海陆梯度上均呈现衰减的趋势,向海聚集程度的强弱,使得土地利用形态在海陆梯度上呈现似圈层状空间分异规律。分形理论的引入,为定量分析海岸带土地利用的合理性和科学性提供了新的研究方法。     

基于矩阵变换的车载玉米叶绿素含量快速预测系统偏差分析

为了对车载玉米叶绿素含量快速预测系统偏差进行分析,优化车载系统测量结果,该文提出一种空间插值和多维矩阵分析相结合的思想,阐述了基于矩阵变换和GIS空间分析手段的预测偏差分析策略,提高了车载系统快速预测空间分布的预测效果。研究结果表明：使用BP神经网络模型和RBF神经网络模型对车载系统动态预测单点位置叶绿素含量具有一定预测效果,平均决定系数R2约为0.8,2类模型的预测效果相近。RBF神经网络预测结果矩阵经反距离加权法插值后,其空间分布预测偏差度小于10%的数据量占总数据量的85%。表明该方法具有较好的空间预测效果,可以为车载系统动态测量平台预测玉米冠层叶片叶绿素含量的提供决策支持。     

基于改进生态足迹模型的市域主体功能区划

市域主体功能区的合理划分,有利于市域主体经济的形成和社会经济的可持续发展。生态足迹模型是一种评价人类对资源环境开发利用影响程度和区域可持续发展程度的方法。该文以改进的生态足迹模型作为市域主体功能区划的技术方法,设计主体功能区划评价指标体系,与GIS的空间分析功能相耦合,对以县为评价对象的评价单元进行赋值、加权求和测算主体功能指数,确定开发与保护的阈值,并与建设用地适宜性评价、自然保护区等叠置分析,修正主体功能区的空间布局。结果表明：1）生态压力和开发潜力有明显的空间分布规律,除长清区外,市区其他区域生态压力大,开发潜力小;商河县、章丘市开发潜力大,生态压力较小。2）各评价单元主体功能指数界限明显,以此作为除禁止开发区外的主体功能区初步划分的依据。3）将主体功能初划结果与济南市建设用地适宜性评价、自然保护区、重要生态功能区进行叠置分析,修正功能区初划结果,商河县由重点开发区调整为限制开发区。生态足迹法和地理信息系统空间分析功能耦合的技术方法在市域主体功能区划中取得较好应用。     

油料冷态预榨过程的油脂径向渗流模型及验证

为量化考察油料一维压榨过程中油脂的流动状态,针对直筒式冷态压榨制油过程,通过简化假设建立了一维压榨模型,并对油料微元进行受力分析;利用Darcy渗流定律与Terzaghi固结理论建立了油料压榨过程中的渗流模型,确定了影响压榨出油效果的因素主要为料筒内径、物料层高度、压榨压力、压榨时间、油脂黏度和物料孔隙度。在实际压榨过程中,压榨压力和压榨时间易控制,油脂黏度和孔隙度也可以通过设置压榨参数而改变,而压榨机的料筒规格不易改变,因此料筒半径的选取尤为重要。基于此,根据渗流模型推导出油率模型,分析了料筒半径对出油率的影响关系,指出料筒内径不宜过大。开展不同筒径时的出油率试验,并与模型预测值对照,其最大误差为2.10%。研究结果为油料直筒式低温预榨制油设备制造及工艺参数的优化及选取提供了参考。