森林消防车微环境实时监测系统设计与开发

针对森林火险预测预报及林火扑救辅助指挥设计了一套森林消防车车载微环境实时监测系统,该系统可实现对消防车周边风速风向、空气温度、空气湿度、CO_2浓度、CO浓度、烟雾浓度、大气压力等微环境参数及地理信息的实时监测,采用北斗卫星通信技术可实现林区微环境信息的无死角传输。基于STM32微处理器的森林消防车微环境实时监测系统集成了多种高性能检测传感器,采用两级降压结构,保证了系统工作的稳定可靠。使用两对互相垂直安装的风速风向传感器,并用车速信息和车辆三维姿态信息进行校正,实现了消防车任意行驶状态下对水平风速风向的实时测量。数据传输采用北斗风GYT2015C数传终端,可满足系统所处林区环境的通信要求。     

基于LSTM的活立木茎干水分缺失数据填补方法

【目的】研究植物茎体水分数据,针对相同数据段上的缺失数据,对比不同数据填补方法,验证LSTM模型填补茎干水分数据的有效性及准确性。【方法】选取2017年6月份栽种在北京市海淀区的紫薇树茎体水分完整数据,人工删去部分数据作为缺失数据,分别使用插值方法、RNN神经网络、LSTM神经网络对缺失部分进行填补,填补结果与原始数据比对并分析结果。基于神经网络预测值误差随预测时刻推后而增大的误差分布情况,本文提出了在神经网络预测值基础上加入对数据后期处理的方法:从缺失数据的正向和反向进行预测,将2个方向的预测值各自乘以一组按照预测时刻递减的权重值并相加,结合2个预测方向的优势,进一步提高预测准确度。【结果】3种方法中,RNN与LSTM神经网络方法较传统的插值方法优势明显:插值方法准确度在缺失值增多时迅速下降;神经网络方法下降速度较慢。当填补值与真实值误差在2%以内作为准确时,插值方法的填补准确率不足50%,RNN方法达到50%且不足60%,LSTM方法达到80%以上;当填补值与真实值误差在4%以内作为准确时,插值方法填补准确率为60%,RNN方法准确度最高达到90%,LSTM方法准确率在95%以上。在此基础上加入权重处理,对LSTM预测结果处理后误差在2%以内准确率达到97%,误差在3%以内准确率达到100%。选取一组测试数据代入模型,预测结果比训练数据预测结果精度有所下降,但双向预测方式优势更加明显。【结论】采用基于LSTM模型的双向综合预测法,可显著减小长期预测中的累计误差对预测结果的影响,提升了预测数据的准确度。与其他两类数据填补方法相比,基于LSTM神经网络的数据填补方法在长期缺失的时间序列数据填补上有较大优势。     

基于铱星通信技术的土壤墒情远程监测网络研究

为了实现野外偏远、无GPRS信号地区土壤墒情、温度及降雨量的远程无线实时监测,设计了一套由土壤墒情及相关影响信息实时采集系统、铱星通信以及互联网技术构成的物联网架构式土壤墒情实时监测系统,围绕铱星SBD(Short burst data)终端模块9602开发了具有独立知识产权的数据采集系统。该系统实现了智能化、网络化的土壤墒情实时监测,以及历史数据的查询、下载,根据设定阈值进行短信报警、传感器和通信故障报警等功能。该系统自2011年8月在山东省、北京市等地运行以来,可以安全、稳定、可靠地获取监测土壤含水率、温度及降雨量信息。通过试验可知铱星通信在空旷地带成功率为97.2%,单个节点通信费用为每月200元(12 000字节),达到了对土壤墒情、温度和降雨量变化规律进行长期监测的目的。     

基于自适应滤波算法的树木年轮测量方法

为提高树木年轮测量仪的测量精度,提出了一种自适应低通滤波算法对年轮测量仪的直流电机电流信号进行滤波处理。普通低通滤波算法滤波系数固定,当树木年轮宽度发生变化时,既可能保留了部分噪声信号,又可能滤去部分有效的树木年轮信号,因此降低了年轮测量仪的测量精度。自适应低通滤波算法的滤波系数可随滤波器输入值和输出值的变化自动进行调整,提高了噪声滤除效果,减少了有效信号损失。使用自主研发的年轮测量仪测量了大、中、小3种径阶的60个落叶松圆盘,记录直流电机原始电流信号,分别采用自适应低通滤波算法和普通低通滤波算法对原始电流进行滤波处理,根据滤波后的电流波形图,预估圆盘年龄,并计算2种滤波算法的年轮识别正确率。结果表明,自适应低通滤波器年轮识别正确率的平均值为89. 66%,普通低通滤波器年轮识别正确率的平均值为75. 84%;当平均年轮宽度变窄时,自适应低通滤波器的年轮识别正确率从95. 61%下降到82. 02%,下降了13. 59个百分点,而普通低通滤波器的年轮识别正确率从86. 37%下降到62. 30%,下降了24. 07个百分点。表明自适应低通滤波器年轮识别正确率高,自适应能力强,年轮识别精度稳定。     

基于FDR原理的土壤氮含量检测方法的研究

设计一款基于土壤介电理论中的频域反射法(Frequency Domain Reflectometry)的土壤氮含量传感器,提供了一种用于土壤中氮含量的快速测定的新方法。试验装置以2个金属平行板为敏感元件、含氮土壤为电介质,设计试验在不同土壤含水率梯度下,探索土壤含氮量对土壤介电特性的影响,用平行板电极借助磁场来检测土壤中氮含量,建立传感器的输出频率和土壤质量含水率和氮含量的数学模型。试验结果表明,在土壤含水量一致的情况下,传感器的输出频率随着氮素含量的增加呈递减趋势。模型调整R2达到0.97,验证了模型的有效性。在前人研究的基础上,基于已经成熟的驻波比法(Standing Wave Ratio,SWR)土壤水分传感器间接测量含氮土壤的介电常数,使用烘干法得到土壤的容重,即可得到含氮土壤较为精确的含水量,通过建立的模型根据传感器输出频率与含水量得到土壤的氮含量。     

棉花冠层叶面积的动态模拟

根据试验资料,在系统分析棉花冠层叶面积时空分布规律的基础上,充分考虑叶面积空间垂直分布的异质性,以生育期内累积的每日相对热效应为预报因子,构建了棉花叶面积垂直分布和叶面积指数的动态模拟模型。利用不同年份不同播期的试验资料对模型进行了验证,累积叶面积指数L（z）的模拟结果与1∶1直线之间的R^2和均方根误差分别为0.969和0.257,叶面积指数LAI的模拟结果与1∶1直线之间的R^2和均方根误差分别为0.936和0.305。结果说明模型具有较好的预测性和实用性。模型的模拟结果可作为冠层结构参数,用于冠层辐射传输模型和光合作用模型。     

基于椭球函数的棉花叶倾角分布动态模

根据试验资料,在系统分析棉花冠层叶倾角时空分布规律的基础上,将整个生育期分为4个生长阶段,并利用高斯五点距离法将冠层分为5层,用椭球分布函数模拟不同生育阶段、不同高度层上的叶倾角分布密度.模型能较全面地反映整个生育期冠层不同高度上的叶倾角分布情况,且方便用于分层的光合作用模型.利用不同播期的试验资料对模型进行验证,叶倾角频率分布的模拟结果与1:1直线之间的决定系数R2和均方根误差(RMSE)分别为0.945和6.3%,表明模型具有较好的预测性和实用性.     

双针结构土壤水分传感器探针最优长度分析与试验

在两针平行式探针结构的阻抗模型的基础上,进一步理论推导了终端开路式和终端短路式两种类型土壤水分传感器探针长度与阻抗特性的关系.借助高频分析软件HFSS确定了两针平行式土壤水分传感器的最佳探针结构,并采用有机溶液模拟土壤体积含水率进行了试验,试验结果表明:终端开路式和终端短路式土壤水分传感器探针长度在0 ～8.3 cm时,其土壤体积含水率测量范围达到0～100％.     

基于径向基函数网络的垂柳茎体含水量日变化模型的研究

研究了利用径向基函数网络建立垂柳茎体含水量的日变化模型。以SWR乔木茎体水分传感器测量垂柳茎体含水量的日变化数据为时间序列。通过调整系数sce、g,改变径向基函数的输入向量维数,以达到模型的精确化。设置输入向量的维数分别为2、4、5,对输入向量按照不同的维数进行分组后,输入到神经网络中进行训练。为了得到模型的具体参数,选取另一组样本数据进行验证。结果表明,利用径向基函数网络建立的垂柳茎体水分日变化模型具有可行性,预测数据与观察数据具有很好的跟随性。同时试验结果也表明,输入向量的维数并不是越大越好,这次试验中,2维的要明显好于4维、5维的。     

基于电容法的非接触式土壤水分传感器设计与性能分析

针对接触式土壤水分传感器存在对土体破坏大及使用安装、更换困难等问题,设计了一种基于电容法的非接触式土壤水分传感器。借助网络矢量分析仪对传感器环形探头在不同介电常数的有机溶液中进行测量,确定了传感器环形探头电容变化范围为7.08~22.75 p F。选取11种不同电容值高频瓷片分别与102 n H的绕线电感进行并联谐振试验,得到的测试结果与仿真结果的决定系数达到了0.98,检测电路的测量精度能够满足传感器的设计要求。以北京地区粘壤土作为测试样本,对传感器输出与对应的测量值进行了多项式拟合,决定系数达到了0.995 9,系统的稳态与动态性能均能满足土壤水分的检测要求。通过试验分析了温度对传感器输出的影响,将传感器输出结果与温度进行线性拟合,决定系数达到了0.987 9。进一步提出了能量指数Ka,通过试验的方式确定了传感器的纵向影响范围为10 cm,横向影响范围为5 cm。最后对比试验表明,所设计的土壤非接触式水分传感器与国外同类产品性能相当,能够满足土壤非接触式测量的要求,但具有更高的性价比,为同类产品的国产化奠定了基础。