县域农业生态环境质量动态评价及预测

全面客观地评价和预测区域农业生态环境质量状况及发展趋势,对于维持农业可持续发展和生态平衡具有重要意义。基于2001-2010年临汾市尧都区农业生态环境质量相关数据,从农业自然环境状况、农业生产投入和农业生态环境响应3个方面构建农业生态环境评价指标体系,运用主成分分析法对评价指标进行了筛选,并采用灰色系统GM(1,1)模型对临汾市尧都区未来农业生态环境状况进行预测。研究结果表明:尧都区农业生态环境质量综合指数总体呈上升趋势,质量等级从2001年的"差"变为2015年的"优";尧都区农业生态环境质量状况空间差异明显,不同乡镇由于社会经济发展水平、农业发展方式、农业生态保护力度等因素不同,导致全区农业生态环境格局分布的差异性以及空间演化的异质性;农业生产投入子系统对农业生态环境质量的变化影响最大,表明了人类活动对农业生态环境质量变化的显著影响;针对农业生态环境质量不同影响因素的作用力度,尧都区应该开展植树造林活动以提高林地指数,根据区域水资源承载力状况合理加大水资源开发力度,改善农田排水系统,逐步加大生物农药施用量的比重。农业生态环境质量动态评价及预测研究能够有效地反映生态环境质量的演变趋势,为区域农业可持续发展和农业生态环境建设提供一定的决策参考。     

基于多源遥感数据的综合干旱监测模型构建

在全球气候变化越来越复杂的大背景下,准确监测华北粮食主产区的旱情对区域农业生产有重要的指导意义。以往的遥感干旱监测方法多侧重于监测土壤或植被等单一干旱响应因子,反映综合信息的能力较差,为此该研究使用中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)、热带降水测量计划(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星等多源遥感数据,在综合考虑干旱发生发展过程中的土壤水分胁迫、植被生长状态和气象降水盈亏等因素的基础上,利用空间数据挖掘技术,构建综合干旱监测模型,并以山东省为例进行了试验验证。结果表明,模型监测出山东省近年来所经历的重大干旱过程与实际旱情一致,模型输出的旱情指标-综合干旱指数(synthesized drought index,SDI)与小麦的标准化作物单产变量的相关系数均大于0.7(P0.05);在小麦和玉米的生长期,综合干旱指数与作物受灾面积的相关系数在-0.67～-0.85之间,与标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)的相关系数在0.44～0.67之间,且通过了P0.01的极显著检验(3月份除外)。研究结果为综合评估区域干旱提供了一种新的方法。     

主动型配电网日前调度策略研究

相对于传统配电网,主动型配电网可以合理利用其双向调度功能,充分发挥分布式发电容量,在保护环境的同时还可以提高电力公司的效益。以电力公司效益最大为调度目标,针对主动型配电网调度问题,该文计及输电和高压配电网网损的影响,提出了一种配电网日前优化调度模型,通过该模型对微电网电源交互功率和分布式电源进行优化调度,同时确定最佳渗透率,不仅可以有效地削峰填谷,还可以根据最佳渗透率调整分布式电源的功率,使电力公司效益最大化。算例研究表明,电网中接在距离电源点较近的节点下的主动型配电网,通过该文提出的优化调度模型,得出渗透率为21.14%时,电力公司效益最高。该研究可为主动型配电网日前调度策略以及分布式电源最佳渗透率的制定提供参考。     

农作物空间格局变化模拟模型的MATLAB实现及应用

Agent模型是研究农业土地系统复杂性与动态性的有效工具。在农作物空间格局变化模拟模型(CroPaDy,an agent-based model for simulating crop pattern dynamics)概念化设计的基础上,借助MATLAB平台开放性、矩阵运算能力强等特点,实现CroPaDy模型的数值模拟,并以黑龙江省宾县调查数据为依据,完成模型的区域实证研究。基于MATLAB的模型实现过程充分考虑了CroPaDy模型的多层次性(土地流转行为与作物选择行为)成功实现了3个子模块的动态嵌套模拟:1)Agent生成模块。基于已有的多源GIS数据、统计数据、典型调查数据、以及个体的通用规则,利用蒙特卡洛方法生成每一个个体Agent的属性信息;2)Agent分类模块。基于调查数据对受访农户进行态度聚类分析,然后借助人工神经网络方法确定所有生成的Agent所在的类型;3)Agent决策模块。利用概率方法,计算特定周期内每个Agent的决策行为。区域实证研究中,直接将空间耕地网格作为个体Agent,实现区域全覆盖(网格大小设置为114 m×114 m,约等于户均耕地面积),模拟结果表明,研究区2010年玉米、大豆、水稻、烤烟的模拟结果分别为2 6055.9、5 192.2、3 506.8、3 983.9 hm2,利用宾县统计年鉴(2010)进行验证,模型总体模拟精度达90%以上。CroPaDy模型的设计与实现科学合理,具有较强的理论性与可操作性,能够用以表达特定区域内的农作物空间格局及其动态变化过程。     

U形渠道圆头量水柱测流影响因素试验及模拟

为研究U形渠道圆头量水柱的测流规律及影响因素,基于绕流理论和RNG k-ε湍流模型,对18种体型圆头量水柱5种工况下的水力性能进行全流场数值计算,获得了时均流场、断面流速分布及柱后水流流态,并与实测值进行对比。同时,通过模型试验与数值仿真研究了V形尾翼对测流的影响。结果表明:水力参数的实测值与模拟值具有较好的一致性,渠道底坡为1/1 000,流量为45.01 L/s,收缩比及长宽比分别为0.50和2时,驻点处横断面最大流速模拟值与实测值相对误差为1.51%,水深15 cm位置剖面最大流速模拟值与实测值相对误差为0.45%。适宜长宽比的V形尾翼可以有效改善过槽水流:当收缩比为0.50~0.75时,建议长宽比为3/2~2;当收缩比0.50时,长宽比应相应增大,但不宜5/2。通过回归分析得到的圆头量水柱流量计算公式,在收缩比为0.63时最大测流误差为4.95%,平均误差仅为0.10%,该研究为圆头量水柱在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。     

基于水流模型的串联式水平潜流湿地除磷效果分析

为了探究串联式水平潜流湿地内部水流规律及其对水禽污水的处理效果,对三级串联式水平潜流湿地运行效果进行了连续监测,分析了单位面积总磷(total phosphorus,TP)去除率月变化,进水流量和水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)对出水TP质量浓度的影响,并通过推流式反应器模型(plug-flow,PF)、扩散流模型(dispersed-flow,DF)和串联反应器模型(tanks-in-series,TIS)对水流形态进行了描述。结果表明:单位面积磷去除率随处理单元(P1,P2,P3)增加而降低(P1:(0.11±0.09)g/(m2·d)、P2:(0.08±0.03)g/(m2·d)、P3:(0.05±0.01)g/(m2·d));进水流量小于55 m3/d时,增加进水流量可提高P1单位面积去除率,但会降低P2和P3单位面积去除率,P2和P3在HRT85 d时对HRT具有较强敏感性,各处理单元最佳进水流量和HRT分别为P1:55 m3/d,166 d;P2:3.4 m3/d,151 d;P3:9.5 m3/d,176 d;P1在6月单位面积TP去除量大于释放量,P2和P3在7月-9月均存在TP净释放过程;P1(k:0.663~0.751 cm/d)理化环境较P2(k:0.641~0.722 cm/d)和P3(k:0.429~0.458 cm/d)更有利于除磷;TIS模型(R2:0.567~0.883,P0.05)对出水质量浓度的拟合大于DF(R2:0.510~0.723,P0.05)和PF模型(R2:0.465~0.626,P0.05),表明实际水流形态更接近混合流。该研究对于深化水平潜流湿地内部水流规律认识,全面了解不同运作下磷迁移转化机制提供参考。     

利用SAR影像与多光谱数据反演广域土壤湿度

针对基于主动微波遥感途径开展广域土壤湿度反演的过程中,对植被和土壤粗糙度影响难以进行有效估算的问题,该研究联合多极化雷达和原始多光谱数据源,提出一种改进的卷积神经网络(Improved Convolutional Neural Network,ICNN)方法。该方法采用不同尺寸的卷积核对原始变量进行一维卷积运算,自适应提取能反映测区土壤湿度时空差异的高级特征维;同时,去除了传统卷积神经网络结构中的池化层,保证提取的特征信息完整。试验结果表明,在边长超过100 km的四川盆地研究区域内,模型预测值与样本数据相关系数达到0.934,预测值偏差服从均值趋近于0的正态分布,均方根误差为1.45%,误差分布范围小于6.3%,结果具有较高的可靠性。该方法可为精准农业、旱涝灾害等领域的广域监测研究提供一定的支撑。     

基于低场核磁共振的热风干燥猕猴桃切片含水率预测模型

为研究猕猴桃切片热风干燥过程中水分迁移规律,该试验通过对猕猴桃切片进行热风干燥,考察不同干燥温度(70、80、90℃)、切片厚度(3、4、5 mm)下的干燥特性。试验采用直接干燥法测定含水率,运用低场核磁共振技术(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance,LF-NMR)分析热风干燥过程中猕猴桃切片内部水分分布状态与变化规律,建立动力学模型,验证并预测。结果表明:猕猴桃切片热风干燥开始为外部控制,随后属于内部扩散控制,水分有效扩散系数范围为1.58×10-7～4.18×10-7 m2/s,扩散效率随温度升高而增大。升高温度能显著提高猕猴桃干燥速率,可加快结合水、不易流动水以及自由水的迁移。自由水和结合水先于不易流动水发生变化,自由水含量在干燥前期逐渐下降,此过程中不易流动水和结合水含量均表现为先升高后降低的趋势。当自由水被脱除后,不易流动水和结合水含量依次达到最大值;此后,随着干燥的进行,不易流动水逐渐被脱除,此时结合水含量开始下降直至干燥结束。整个干燥过程中,猕猴桃切片部分自由水先转化为不易流动水和结合水,结合水与不易流动水相互转化,循环往复伴随整个干燥过程。以干燥过程中的自由水、结合水、不易流动水的核磁峰值总和、切片厚度和干燥温度为自变量,猕猴桃切片含水率为因变量,进行多元线性回归分析,建立含水率预测模型,模型的拟合优度为0.982。结果表明,低场核磁共振技术结合数学模型可用于描述猕猴桃切片热风干燥过程,可实现对猕猴桃切片干燥过程中含水率的快速、无损检测,研究结果可为猕猴桃热风干燥工艺和过程设计提供理论依据。     

基于EDEM的猪粪接触参数标定

为准确快速获得畜禽粪便的接触参数,该研究通过物理堆积试验与仿真方法对猪粪接触参数进行了标定。测定了不同含水率下猪粪的堆积角,建立了含水率与堆积角的回归方程;基于Hertz-Mindlin with JKR球体粘结模型,进行了离散元仿真模拟;采用筛选试验设计(Plackett-BurmanDesign,P-BD)对10个初始参数进行了筛选,发现JKR(Johnso-Kendall-Roberts)表面能、颗粒间滚动摩擦系数、颗粒间碰撞恢复系数对猪粪堆积角影响显著;并根据响应曲面试验设计(Box-BehnkenDesign,B-BD)建立了堆积角与显著性参数的二阶回归模型,得到了3个显著性参数值分别为JKR表面能0.03J/m~2、颗粒间滚动摩擦系数0.27、颗粒间碰撞恢复系数0.54;将仿真所得堆积角与物理试验值进行对比验证,相对误差为4.27%。结果表明,该研究提出的标定方法能准确模拟物理堆积试验,可为畜禽粪便接触参数的标定提供参考。     

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。