2021, 37(16):1-7. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.001
摘要:针对无人驾驶农机自主作业的应用需求,该研究设计了一种基于区块套行作业模式的路径规划方法,以生成含有速度指令和机具状态指令的可执行路径,重点解决田内作业的四边形地块适应性、无人驾驶农机适应性和农田作业路径完整规划等问题。该方法由农田信息处理模块和路径规划模块组成,农田信息处理模块将测绘产生的地块轮廓数据和障碍物数据处理为便于运算的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据形式,然后由路径规划模块利用用户输入的作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数,经过作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成和最终指令路径生成等子模块,最终生成无人驾驶农机的指令路径。仿真试验结果表明,相对于相邻法,该方法的作业面积比及作业路程比分别提升了10.0%和8.8%。播种作业田间试验结果表明,无人驾驶农机自主作业的横向偏差的均值和标准差分别为左偏0.002和0.027 m,满足作业要求。研究结果表明,该研究提出的方法适应不同的四边形农田和障碍物,可以结合不同的作业参数完成路径规划,能够满足无人驾驶农机自主作业的需求。
2021, 37(16):8-14. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.002
摘要:为了研究地下仓储粮期间粮堆的温度变化,该研究以湿基含水率为23%的高水分玉米为研究对象,首先采用试验方法对内径3 m,高5 m的地下筒仓在静态储藏条件下的仓内温度场的变化进行了分析。然后基于多孔介质传热理论,使用多物理场数值模拟软件COMSOL对试验仓进行了模拟研究。数值模拟基于实际堆粮高度,充分考虑了仓内谷物颗粒呼吸作用对粮堆内温度场分布的影响,研究了不同初始粮温、粮食种类和装粮季节对仓内温度场的影响。结果表明:静态储藏阶段,粮食的呼吸作用较强,粮堆首先在底部开始升温,并逐渐形成高温热芯,随后热芯位置逐渐向粮堆中上部移动,并最终稳定于距装粮线1 m处。初始粮温为35 ℃时,仓内粮堆温升最高,为6.1 ℃,温度达到峰值后出现下降趋势;在5种不同种类(玉米、油菜籽、大豆、小麦和稻谷)粮堆中,油菜籽堆平均温升最高,为1.6 ℃,玉米堆平均温升最低,为1.2 ℃;不同季节外部环境温度的变化对仓内粮堆温度变化影响很小,仓内粮堆温度在不同季节条件下表现出一致的变化趋势。该研究对地下仓高水分粮储藏期间的温度变化进行了研究,并拓展了数值模拟,可为实际工程提供参考。
2021, 37(16):15-23. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.003
摘要:环模制粒机的内部激励会引起整机振动,振动是导致环模与压辊使用寿命降低的主要原因。该研究针对环模制粒机振动大、关键部件使用寿命短等问题,以SZLH420型环模制粒机减速器为研究对象进行动力学分析与试验。首先基于累积势能法计算齿轮时变啮合刚度,建立斜齿轮传动动力学模型,采用解析法对传动系统进行模态分析和非线性动力学求解,求得最大振幅Y向(水平径向)为0.008 mm、Z向(轴向)为0.004 2 mm、转角为0.000 87°,并通过有限元仿真验证动力学模型和固有频率。最后进行主轴扭矩测试与斜齿轮振动加速度试验。结果表明,整机振动加速度频率与斜齿轮一致,故斜齿轮传动系统对整机振动具有重要影响,其主要振动频率在4.25、9.17、13.86、18.13、23.86、47.53 Hz附近;齿轮振动最大幅值Y向为0.006 mm、Z向为0.004 mm,与动态响应计算对应振幅最大差值不超0.002 mm,验证了理论计算的准确性。研究结果可为环模制粒机性能的提高提供理论与试验依据。
2021, 37(16):24-30. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.004
摘要:双管离子选择性微电极被广泛应用于植物细胞外离子流速和细胞内离子活度的测量,但双管离子选择性微电极(Ion-Selective Microelectrode,ISME)的制备过程繁琐,不可控因素多,制备成功率低。针对存在的问题,该研究提出了一种简易、快速的双管ISME制备方法。首先,介绍了双管微电极制备、硅烷化和电极尖端灌充液态离子交换剂(Liquid Ion Exchanger,LIX)的具体流程;其次,对制备的双管ISME的能斯特斜率和响应时间进行了测试。试验结果表明,使用蒸汽硅烷法对双管微电极进行硅烷化处理,最优硅烷化温度、二甲基二氯硅烷剂量和硅烷化时间分别为150 ℃、45 μL和90 min;制备的双管氢离子、钾离子、钙离子、氯离子选择性微电极的能斯特斜率分别为54.08、56.51、27.08和-58.80 mV/dec;4种双管ISME的响应时间介于0.20~0.42 s之间。研究结果表明,由该研究制备方法制作的双管ISME,可以满足植物细胞外离子流速和细胞内离子活度信息检测的要求。双管ISME的快速制备,降低了离子选择性微电极技术的应用难度,将有利于植物电生理检测试验的进行和离子选择性微电极技术在农作物育种、生理抗逆、植物营养吸收与同化等研究领域的应用。
2021, 37(16):31-38. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.005
摘要:为研究不同喷雾助剂的理化性质及喷雾助剂在玉米叶片上的沉积特性,该研究将6种喷雾助剂对药液表面张力、药液在玉米叶片上接触角以及无人机喷施6种不同的喷雾助剂对雾滴的沉积特性进行对比。结果表明:喷雾助剂可以显著降低(P=0.000)溶液的表面张力,与清水溶液的表面张力相比Starguar4A喷雾助剂对降低溶液表面张力的作用效果最好,降低了67.8%。喷雾助剂对溶液在玉米叶片上接触角的变化程度影响不同,随着时间的增加雾滴在玉米叶片上的接触角均逐渐降低,其中Ultimate喷雾助剂的雾滴在滴落到玉米叶片上90 s后接触角降低至0°。与清水溶液相比倍达通喷雾助剂的雾滴密度、覆盖率与沉积量作用效果最好,雾滴密度与覆盖率、沉积量分别提高了35.1%、93.8%、31.9%;添加喷雾助剂后除倍达通喷雾助剂外,其他喷雾助剂溶液的雾滴体积中径DV0.5均有所降低;添加喷雾助剂对雾滴谱宽的影响不明显。在田间进行无人机植保喷施作业时,可以优选使用倍达通喷雾助剂,虽然倍达通喷雾助剂的表面张力与接触角并不是最优,但是也能够满足田间使用植保无人机喷雾作业的要求。同时,该试验也为进一步提高农药的利用率提供数据参考。
2021, 37(16):39-46. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.006
摘要:快速准确的产量估算对油茶经营管理和可持续发展具有重要意义。该研究针对油茶快速估产的应用现状,提出一种基于无人机影像自动检测冠层果的方法用于油茶快速估产。首先借助无人机航拍影像,通过随机抽样选取120株油茶树进行无人机近景摄影和人工采摘称量;然后利用Mask RCNN(Mask Region Convolutional Neural Networks) 网络开展基于近景影像的油茶冠层果自动检测与计数;采用线性回归和K最邻近建立冠层果数与单株果数之间的关系,同时结合研究区典型样木株数和平均单果质量,构建基于冠层果自动检测的估产模型。结果表明:1)无人机超低空近景影像结合Mask RCNN网络能够有效检测不同光照条件油茶果,平均F1值达89.91%;2)同传统卫星遥感相比,基于无人机近景摄影的冠层果自动检测在作物产量估测方面显示出明显优势,Mask RCNN网络预测的冠层果数与油茶样木单株果数之间具有良好的一致性,拟合决定系数R2达0.871;3)结合线性回归和K最邻近构建的模型估产精度均较高,拟合决定系数R2和标准均方根误差NRMSE(Normalized Root Mean Square Error)分别在0.892~0.913和28.01%~31.00%之间,表明基于无人机影像自动检测冠层果的油茶快速估产是一种切实可行的方法。研究结果可为油茶快速估产和智能监测提供参考。
2021, 37(16):47-57. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.007
摘要:准确模拟水分胁迫并揭示其对作物生长发育过程的影响,是作物模型应用于田间研究和干旱影响评估的关键。该研究将3种主流水分胁迫算法整合到一个标准平台中,组成土壤含水率模型(average Soil Water Content,SWC)、土壤水分供需比模型(Water Supply to Demand ratio,WS/WD)和相对蒸腾模型(Actual to Potential Transpiration ratio,AT/PT)共3种水分胁迫模拟模型。利用河北吴桥2017-2019年冬小麦水分试验田间观测数据结合2008-2009和2013-2016年水分试验文献资料对模型平台进行参数校准与验证。结果表明,3种模型的模拟结果与实测值均吻合良好,地上部生物量、土壤含水率和产量的归一化均方根误差(Normalized Root Mean Squared Error,NRMSE)分别为14.0%~16.5%、5.1%~8.8%和5.4%~7.7%。3种水分胁迫模型模拟的生长季水分亏缺出现的时间和严重程度不同,但模拟的水分胁迫因子年际间变化一致。雨养条件下,生长季降水量分别决定了SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟的年际间水分胁迫因子变异的56%、56%和39%。灌水对产量具有促进作用,但灌水量增加会导致灌水利用效率下降。SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟枯水年灌四水(底墒水+起身水+孕穗水+开花水)处理的产量较不灌水分别高163%、132%和92%,灌四水处理的灌水利用效率较灌一水(底墒水)处理分别低26.8%、12.3%和40.0%。在吴桥县冬小麦水分管理决策中,WS/WD模型最优,SWC模型次之,AP/TP模型较差。研究结果可为提升作物模型在冬小麦干旱影响评估和水分管理方面的可信度提供参考。
2021, 37(16):58-64. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.008
摘要:为探明不同改良措施对设施蔬菜土壤及番茄果实品质的影响,该研究以陕西省太白县秦西蔬菜种植示范园大棚为研究试点,选取草木灰、生物炭、EM菌(Effective Microorganisms)3种改良剂,设置了EM菌(E)、生物炭(S)、生物炭+EM菌(SE)、草木灰(C)、草木灰+生物炭(CS)、草木灰+生物炭+EM菌(CSE)和不施加任何改良剂的空白对照(CK)7个处理。结果表明:各处理均能改善土壤理化性质,其中草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理在提高土壤 pH 值、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾含量方面效果最显著,与CK处理相比,分别提高了23.06%、130.94%、44.34%、52.78%、67.72%、126.71%、16.24%、119.48%;与CK处理相比,各种配施改良剂处理的植株全氮含量显著高于单施改良剂处理,草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理最显著,提高了25.17%;各处理的植株全磷含量较 CK 处理均显著增加,草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理效果最明显,且草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理是CK处理的2.09倍;除EM菌(E)处理外,其他5个处理均能显著提高植株全钾含量,草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理效果最显著,且草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理是CK处理的1.44倍;但6个处理均对植株灰分无显著影响;与 CK 处理相比,草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理的糖酸比最高,达69.23%;与CK处理相比,各处理的土壤综合肥力指数均显著提高,而草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理效果最显著;通过对各处理的综合得分均值进行比较,草木灰+生物炭+EM菌(CSE)处理得分最高。综合分析得出,施加草木灰+生物炭+EM菌能有效改善太白县高山设施蔬菜种植土壤的酸化、肥力等,提高西红柿的品质。
2021, 37(16):65-71. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.009
摘要:针对目前反渗透、膜蒸馏等众多高能耗的苦咸水淡化技术,该研究采用无需加压无需再生的肥料汲取液正渗透技术对苦咸水进行处理。对KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、(NH4)2SO4、NH4Cl进行肥料汲取液正渗透(Fertilizer Draw Forward Osmosis,FDFO)单因素试验,通过改变汲取液种类、浓度、温度及原料液浓度,分析正渗透过程的正向水通量和反向盐通量的影响因素。结果表明汲取液种类不同,其正向水通量和反向盐通量差别较大,6种汲取液的正向水通量从大到小依次为KCl、NH4Cl、NaNO3、NH4HCO3、(NH4)2SO4、KNO3,反向盐通量为NaNO3、NH4HCO3、KNO3、KCl、NH4Cl、(NH4)2SO4。KCl、NH4Cl的正向水通量最大,反向盐通量较小,因此优先选用KCl和NH4Cl作为肥料汲取液。改变KCl汲取液的浓度和温度进行正渗透试验。结果表明,2 mol/L的KCl汲取液其正向水通量是0.5 mol/L的3.56倍,55 ℃条件下的KCl汲取液其正向水通量大约是25 ℃条件下正向水通量的2倍,因此随着汲取液浓度的增加和温度的升高,正向水通量增加。改变NaNO3汲取液的浓度和温度进行正渗透试验,结果表明,汲取液浓度从0.5 mol/L增大到2 mol/L,反向盐通量增大了2.94倍,汲取液温度从25 ℃上升到55 ℃,反向盐通量增大了1.64倍,因此随着汲取液浓度的增加和温度的升高,反向盐通量增加。
2021, 37(16):72-79. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.010
摘要:为减弱低温灌溉水对中国西北地区作物带来的不利影响,减少农业灌溉中的能源消耗,该研究设计了一种基于太阳能光伏光热技术灌溉水增温系统。通过搭建测试平台,对该系统进行不同流量下的性能测试研究,分析初始水温和辐照度对系统性能的影响。结果显示,出水口水温和升温幅度与流量呈负相关关系,固定工况下,出水口水温及升温幅度最高可达20.9和12.5 ℃,光电、光热效率与流量呈正相关关系,最大分别为0.094和0.310,实际能量效率则先增后减,最大达到0.484。初始水温越低,光伏光热集热器内换热越剧烈,升温幅度越高,能量指标越大,但流量增加使得不同初始水温灌溉水升温幅度趋于一致,出水口水温变幅增大。辐照度越高,出水口水温及升温幅度越大,但流量增大会削弱辐照度对其产生的提升效果,光电、光热效率均与辐照度呈负相关关系,在流量小于0.06 kg/(s·m2)时,实际能量效率与辐照度呈负相关关系,在流量大于0.07 kg/(s·m2)时则相反。研究表明该系统总体性能良好,为不同工况下的流量选择提供了参考依据。
2021, 37(16):80-89. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.011
摘要:在全球气候变化背景下,深入研究中国西北地区降雨集中度时空演变规律具有重要的现实意义。该研究基于1960-2017年逐月栅格降雨数据,利用Mann-Kendall趋势检验方法、Mann-Kendall突变点检验方法、Morlet小波方法和冷热点分析方法分析了西北地区降雨集中度的时空变化特征,并通过交叉小波变换探讨大气环流因子变化与降雨集中度的关系,同时讨论地貌分布对降雨集中度的影响。结果表明:1)在1960-2017年,西北地区及其3个子区域的降雨集中度平均值呈现减少趋势,且存在显著突变点(P<0.05),降雨量年内分配不均,存在明显的季节性变化,部分区域降雨量年内异常集中且降雨集中度未来将会持续减少;2)整个研究区及其3个子区域在1960-2017年平均降雨集中度变化均存在一个40 a左右的主周期和一个24 a左右的次周期,各个子区域降雨集中度的变化与研究区整体的周期变化保持一致性;3)在1960-2017年,降雨集中度空间分布存在冷热点,冷点区域降雨集中度呈现显著减少趋势(P<0.05)。热点区域降雨集中度呈现不显著减少趋势,年际变化幅度高于冷点区域;4)北大西洋涛动和太平洋十年涛动指数等大气环流因子变化对降雨集中度的变化具有较强的影响,不同的大气环流因子对降雨集中度的影响存在差异。研究成果将有助于进一步深化对西北地区降雨年内分配变化的认识,为西北地区生态环境保护和水资源规划制定提供一定的科学依据。
2021, 37(16):90-98. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.012
摘要:为了探明二级泥沙处理设施--新型异向流沉沙池的泥沙沉降特性及其沉沙机理,该研究开展了不同流量和不同含沙浓度的系列试验,并对泥沙运动过程进行了力学分析,建立并求解了新型异向流沉沙池双向倾斜薄板上泥沙运动的一阶非线性微分方程。研究结果表明,对于中值粒径为0.021 mm的细颗粒泥沙的含沙水流,长96 cm、宽10 cm、高110 cm的新型异向流沉沙池对流量为45~360 L/h的泥沙截除率为40%~88.53%,约为相同体积的底板倾斜和底板水平的条形沉沙池的1.2~2倍;单位时间沉降至集沙箱的泥沙量是底板倾斜条形沉沙池的1.3~2.3倍;不同时刻双向倾斜薄板上的泥沙运动速度和加速度均大于单向倾斜斜板,倾角为锐角时,角度越大,速度越大。工程设计时,若地形高差满足要求,双向倾斜薄板的倾角(<90°)越大越有利于提高沉降效率,若高差不满足,倾角应不小于泥沙休止角。研究结果可为新型异向流沉沙池结构优化及应用提供参考。
2021, 37(16):99-107. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.013
摘要:干旱指数是评估旱情等级、制定防旱减灾对策的重要指标。该研究从干旱发生的物理机制出发,基于CRITIC(Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation)客观赋权法,综合考虑气象标准化降水蒸散指数(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)、植被供水指数(Vegetation Supply Water Index,VSWI)和日光诱导叶绿素荧光指数(Solar-induced Chlorophyll Fluorescence,SIF)在干旱发展过程中的作用机制,构建融合多源信息的综合干旱指数,探究其在不同草原类型干旱中的适用性和敏感性,进而分析干旱的时空分布及演化特征。结果表明:综合干旱指数既能敏锐捕捉气象干旱的早期开始,亦能从水文和牧业干旱角度综合反映旱情的持续过程和时间,相比单一干旱指数,具有综合表征多尺度干旱演化特征的优势;2007-2018年,内蒙古锡林郭勒草原干旱频率呈波动中下降趋势,干旱强度主要以轻中旱为主,重旱及以上干旱集中在春秋两季;空间分布上从西北向东南逐渐降低,呈现荒漠草原>典型草原>草甸草原,典型草原中北部旱情严重的特征。该研究对蒙古高原不同草原类型干旱事件精准监测及旱灾防御具有重要意义。
2021, 37(16):108-116. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.014
摘要:名贵中药材川贝母喜湿、怕高湿特性成为人工灌溉的难点,智能化精准灌溉系统可实现川贝母按需节水灌溉。该研究开发了基于无线传感器网络的川贝母分区变量灌溉系统。在人工种植试验过程中,采用电容法和土壤水分测定仪获得了川贝母生长需水及灌溉用水数据,建立了川贝母生长含水率模型和灌溉含水率模型。为了实现川贝母分区变量灌溉,建立了灌溉模糊控制决策模型,该模糊控制器为双输入单输出结构,利用遗传算法优化模糊控制量化因子、比例因子、模糊控制规则和隶属函数,实现遗传算法优化的模糊控制对川贝母灌用水进行精确决策和川贝母分区变量灌溉。在川贝母种植大棚内应用了该分区变量灌溉技术和系统,结果表明,模糊控制决策的灌溉有一定节水效果,遗传算法优化后的模糊控制每次灌溉土壤含水率增量主要分布在5%~7%,灌溉土壤含水率增量有明显下降。特定种植密度下灌溉试验结果表明,优化后川贝母变量灌溉误差能控制在±5%附近,满足川贝母按需灌溉需求,分区变量灌溉效果明显;随川贝母种植密度增加,所需灌溉用水也增大,二者基本呈线性关系(R2=0.975);川贝母分区变量灌溉节水率与种植密度比之间呈抛物线关系,优化后标准种植密度的年节水率为27.6%。该研究可为川贝母种植密度和灌溉节水提供参考和技术支持。
2021, 37(16):117-126. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.015
摘要:玉米根茬行的准确识别是实现玉麦轮作机器视觉式小麦自动对行免耕播种技术的前提。针对华北一年两熟区联合收获机玉米留茬收获后根茬行较难准确分割的问题,该研究以直立玉米根茬为研究对象,提出一种基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的玉米根茬行分割方法。首先,利用主成分分析(Principal Components Analysis,PCA)对提取的目标(直立根茬)与背景(行间秸秆及裸露地表)的颜色和纹理特征进行分析,优选出21个特征,构成特征向量作为训练直立根茬SVM识别模型的输入;然后,根据图像坐标设置图像中间包含完整玉米根茬行的矩形区域为感兴趣区域(Region of Interest,ROI);最后,使用训练好的直立根茬SVM识别模型以25×25(像素)的窗口在ROI内滑动检测,采用阈值法分割根茬行并通过形态学处理优化得到最终的玉米根茬行二值图像。利用在农业农村部河北北部耕地保育农业科学观测实验站采集的100幅玉米根茬行图像进行试验,结果表明,本文方法对于不同行间秸秆覆盖量和不同光照条件下的根茬行分割表现出较好的准确性和鲁棒性,直立根茬平均识别准确率、平均分割准确率、平均召回率、平均分割准确率与平均召回率的加权调和平均值(F1avr值)分别为93.8%、93.72%、92.35%和93.03%,每幅图像的平均分割时间为0.06 s,具有较好的实时性。基于SVM的分割方法可实现联合收获机玉米留茬收获后根茬行图像的分割,为下一步检测玉米根茬行直线并将其作为导航基准线进行视觉导航的研究提供良好基础。
2021, 37(16):127-135. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.016
摘要:为使采摘机器人能够全天候在不同光照、重叠遮挡、大视场等果园复杂环境下对不同成熟度的果实进行快速、准确识别,该研究提出了一种基于改进YOLOv3的果实识别方法。首先,将DarkNet53网络中的残差模块与CSPNet(Cross Stage Paritial Network)结合,在保持检测精度的同时降低网络的计算量;其次,在原始YOLOv3模型的检测网络中加入SPP(Spatial Pyramid Pooling)模块,将果实的全局和局部特征进行融合,提高对极小果实目标的召回率;同时,采用Soft NMS(Soft Non-Maximum Suppression)算法代替传统NMS(Non-Maximum Suppression)算法,增强对重叠遮挡果实的识别能力;最后,采用基于Focal Loss和CIoU Loss的联合损失函数对模型进行优化,提高识别精度。以苹果为例进行的试验结果表明:经过数据集训练之后的改进模型,在测试集下的MAP(Mean Average Precision)值达到96.3%,较原模型提高了3.8个百分点;F1值达到91.8%,较原模型提高了3.8个百分点;在GPU下的平均检测速度达到27.8帧/s,较原模型提高了5.6帧/s。与Faster RCNN、RetinaNet等几种目前先进的检测方法进行比较并在不同数目、不同光照情况下的对比试验结果表明,该方法具有优异的检测精度及良好的鲁棒性和实时性,对解决复杂环境下果实的精准识别问题具有重要参考价值。
2021, 37(16):136-144. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.017
摘要:为实现对群养环境下生猪个体目标快速精准的检测,该研究提出了一种针对群养生猪的改进型目标检测网络MF-CenterNet(MobileNet-FPN-CenterNet)模型,为确保目标检测的精确度,该模型首先以无锚式的CenterNet为基础结构,通过引入轻量级的MobileNet网络作为模型特征提取网络,以降低模型大小和提高检测速度,同时加入特征金字塔结构FPN(Feature Pyramid Networks)以提高模型特征提取能力,在保证模型轻量化、实时性的同时,提高遮挡目标和小目标的检测精度。以某商业猪场群养生猪录制视频作为数据源,采集视频帧1 683张,经图像增强后共得到6 732张图像。试验结果表明,MF-CenterNet模型大小仅为21 MB,满足边缘计算端的部署,同时对生猪目标检测平均精确度达到94.30%,检测速度达到69 帧/s,相较于Faster-RCNN、SSD、YOLOv3、YOLOv4目标检测网络模型,检测精度分别提高了6.39、4.46、6.01、2.74个百分点,检测速度分别提高了54、47、45、43 帧/s,相关结果表明了该研究所提出的改进型的轻量级MF-CenterNet模型,能够在满足目标检测实时性的同时提高对群养生猪的检测精度,为生产现场端的群养生猪行为实时检测与分析提供了有效方法。
2021, 37(16):145-152. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.018
摘要:准确识别水稻害虫对水稻及时采取防护和治理具有重要意义。该研究以自然场景中水稻害虫图像为研究对象,针对水稻害虫图像的颜色纹理与背景相近以及同类害虫个体间形态差异较大等特点,设计了一个由特征提取、全局优化以及局部优化模块构成的轻量型残差网络(Light Weight Residual Network,LW-ResNet)用于水稻害虫识别。在特征提取模块通过增加卷积层数以及分支数对残差块进行改进,有效提取自然场景中水稻害虫图像的深层全局特征并使用全局优化模块进行优化;局部优化模块通过设计轻量型注意力子模块关注害虫的局部判别性特征。LW-ResNet网络在特征提取模块减少了残差块的数量,在注意力子模块中采用深度可分离卷积减少了浮点运算量,从而实现了模型的轻量化。试验结果表明,所设计的LW-ResNet网络在13类水稻害虫图像的测试数据集上达到了92.5%的识别准确率,高于VGG16、ResNet、AlexNet等经典卷积神经网络模型,并且LW-ResNet网络的参数量仅为1.62×106个,浮点运算量仅为0.34×109次,低于MobileNetV3轻量级卷积神经网络模型。该研究成果可用于移动端水稻害虫的自动识别。
2021, 37(16):153-160. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.019
摘要:及时准确地获取苜蓿空间分布信息有利于对草业生产发展和管理提供科学数据支撑。该研究基于GF-1/WFV和Sentinel-2遥感影像,以甘肃省金昌市作为研究区,构建了苜蓿的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据集,并结合苜蓿光谱反射率随生育期的变化规律,提出一种利用MATLAB寻峰函数(Findpeaks)提取苜蓿遥感特征的方法,通过确定最小峰值突出(Minimum Peak Prominence,MPP)值实现金昌市苜蓿空间分布信息的提取。研究结果表明,基于Sentinel-2遥感数据的识别苜蓿精度优于GF-1/WFV,识别精度和Kappa系数在85%和0.7以上,主要是由于Sentinel-2数据的NDVI时间序列曲线密度较GF-1/WFV大,可以更好地识别苜蓿刈割前后的关键时间点;寻谷法的苜蓿提取总体精度、Kappa系数、用户精度、制图精度指标均比寻峰法高,基于Sentinel-2影像的寻谷法苜蓿遥感识别总体精度为92.25%,Kappa系数为0.81,位置精度为86.44%;2019年金昌市苜蓿空间分布整体呈现从北到南逐渐增多的趋势,统计得到苜蓿种植面积为15 449.07 hm2,其中金川区的苜蓿面积为1 353.42 hm2,占金昌市苜蓿总面积的8.76%;永昌县的苜蓿面积为14 095.65 hm2,占总面积的91.24%。研究结果证实,基于Sentinel-2遥感数据的寻谷法可以有效识别苜蓿空间分布,对于实现草牧场精准化管理和草牧业生产信息精准监测具有重要意义。
陈柯屹,朱龙付,宋鹏,田晓敏,黄成龙,聂新辉,肖爱玲,何良荣
2021, 37(16):161-168. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.020
摘要:针对田间密植环境棉花精准打顶时,棉花顶芽因其小体积特性所带来识别困难问题,该研究提出一种改进型快速区域卷积神经网络(Faster Region Convolutional Neural Networks,Faster R-CNN)目标检测算法实现大田环境棉花顶芽识别。以Faster R-CNN为基础框架,使用 RegNetX-6.4GF作为主干网络,以提高图像特征获取性能。将特征金字塔网络(Feature Pyramid Network,FPN)和导向锚框定位(Guided Anchoring,GA)机制相融合,实现锚框(Anchor)动态自适应生成。通过融合动态区域卷积神经网络(Dynamic Region Convolutional Neural Networks,Dynamic R-CNN),实现训练阶段检测模型自适应候选区域(Proposal)分布的动态变化。最后在目标候选区域(Region of Interest,ROI)中引入目标候选区域提取器(Generic ROI Extractor,GROIE)提高图像特征融合能力。采集自然环境下7种不同棉花总计4 819张图片,建立微软常见物体图像识别库2017(Microsoft Common Objects in Context 2017,MS COCO 2017)格式的棉花顶芽图片数据集进行试验。结果表明,该研究提出方法的平均准确率均值(Mean Average Precision,MAP)为98.1%,模型的处理帧速(Frames Per Second,FPS)为10.3帧/s。其MAP在交并比(Intersection Over Union,IOU)为0.5时较Faster R-CNN、RetinaNet、Cascade R-CNN和RepPoints网络分别提高7.3%、78.9%、10.1%和8.3%。该研究算法在田间对于棉花顶芽识别具有较高的鲁棒性和精确度,为棉花精准打顶作业奠定基础。
2021, 37(16):169-176. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.021
摘要:激光雷达是目前发展迅速的一种主动遥感技术,其发射的激光脉冲能穿透树林冠层,实现森林三维结构特征的获取。为验证机载激光扫描器提取森林单木参数的可行性,该研究以海南省博鳌机场周边人工林为研究对象,使用机载激光扫描器Mapper5000(中国)获取的点云数据,探索对人工经济林单木参数估测的可行性。根据研究区的地形和林木结构特征,分别对槟榔和橡胶2个树种进行单木参数提取,使用K-means分层聚类对不同样地的林木进行单木分割,提取样地内单木树高、冠幅、胸径、材积和地上生物量。结果表明,2个树种的单木分割正检率均在85%以上,总体平均正检率在89.98%以上;单木树高、冠幅、胸径、材积、地上生物量估测结果的决定系数均达到0.8以上,说明该点云数据对提高森林参数估测精度有积极作用,机载激光雷达技术在森林资源精细调查中有较大的应用潜力,同时也可应用于相关果树生长情况监测,为数字果园的发展提供技术支撑。
2021, 37(16):177-183. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.022
摘要:为探究孵化前期高浓度CO2调控对蛋鸡种蛋孵化的影响机制,该研究以京红1号蛋鸡种蛋为试验对象,在孵化前期(0~10 d)处理组通过补充CO2的方式保持CO2浓度1%,对照组CO2浓度小于0.25%,对比研究了1% CO2浓度处理对种蛋孵化的影响。结果表明,CO2处理组与对照组的受精蛋孵化率无显著性差异(P>0.05);第9天和第12天CO2处理组的胚胎质量和相对胚胎质量显著高于对照组(P<0.05);第3天、第6天和第9天CO2处理组的蛋白pH值显著低于对照组(P<0.05);第11天,CO2处理组和对照组尿囊绒毛膜(CAM,Chorioallantoic Membrane)血管发育密度无显著性差异(P>0.05);第0天、第6天、第12天两组的蛋壳和胚胎钙含量不存在显著差异。在蛋鸡种蛋孵化前期(0~10 d)保持1%浓度的CO2,降低了蛋白pH值,加速了胚胎发育,但未影响孵化率。
2021, 37(16):184-191. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.023
摘要:为了提高光伏/温差联合发电系统的效率,需要进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制。针对传统电导增量法步长固定不变导致跟踪速度慢和稳态误差大的缺点,该研究提出一种恒定电压法和双曲正切型自适应变步长算法结合的MPPT控制策略。该策略利用双曲正切函数单调递增、变化速度快的特点,使步长可以根据光强等外界环境条件的变化,自适应地快速调整,同时利用恒定电压法加快追踪的响应速度。Matlab/Simulink软件仿真和硬件试验表明,该研究所提方法在光照强度剧烈变化时,系统能够在15 ms内快速跟踪到最大功率点,同时稳态误差低于0.3%,实现了MPPT控制在跟踪速度和稳态精度方面的同步优化。
单春花,付伟,唐于寒,郭瑶,王强军,杜昊轩,李明勇,刘曼,刘中英,吴中红
2021, 37(16):192-198. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.024
摘要:为研究冬季饮用温水对断奶仔兔健康状况和生长性能的影响,该研究选择180只47日龄断奶仔兔(初始体质量(1.2±0.1) kg)随机分为2组,温水组通过在冬季塑料薄膜封闭的开放舍饮水管道上安装伴热线恒温加热系统,为仔兔提供35.5 ℃的温水,对照为无加热系统的冷水组,水温为5.8 ℃。试验期48 d。结果表明:1)在舍内平均气温8.9 ℃情况下,与冷水组相比,温水组家兔在47~58和47~94日龄范围的平均日增质量分别显著提高15.11和1.94 kg(P<0.05)。2)饮用温水显著降低47~58日龄范围家兔平均料质量比(18.2%)及47~94日龄范围家兔的腹泻发生率(25.6%)(P<0.05)。显著下调了70日龄家兔空肠中甲状腺激素受体α和β(THRα和β)的表达量(P<0.05)。3)随着日龄的增加,饮用温水显著提高了82日龄家兔血清中免疫球蛋白A(Immunoglobulin A , IgA)和总蛋白(Total protein, TP)含量(P<0.05),也显著提高了82日龄家兔盲肠菌属Roseburia的丰度,是58日龄的6.9倍(P<0.05)。因此,冬季开放舍安装恒温饮水系统可通过提高机体免疫和肠道消化吸收能力,进而促进仔兔生长,改善健康状况。
2021, 37(16):199-204. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.025
摘要:该研究在硫酸盐还原厌氧氨氧化(Sulfate-Reducing Anaerobic Ammonium Oxidation,SRAO)脱氮工艺的基础上,探究了SO42-浓度在100 mg/L的条件下,控制NH4+的投加量在不同N/S(NH4+-N/SO42-)浓度比下ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor)反应器的运行效果及其脱氮性能。N/S从1.0增大到3.0时,ASBR中氨氮的平均去除率从78.5%增加到94.4%,但体系内SAD(Sulfur Autotrophic Denitrification)菌的丰度及活性未受到明显抑制,SRAO作用和ANAMMOX(Anaerobic Ammonia Oxidation)作用始终是ASBR脱氮的主要途径。当N/S的浓度比由3.0增至4.0时,ASBR中氨氮的平均去除率由94.4%下降为69.2%。这表明随着N/S的增大,体系内ANAMMOX菌和SRAO菌活性的降低,抑制了体系脱氮性能。这时SAD菌的丰度及活性略有增加。硫的去除率随N/S比的变化趋势和总氮的去除规律类似,在N/S=3.0时达到最大74.2%。结合高通量测序结果,说明不同N/S下的脱氮微生物优势菌群会不断变化,改变体系脱氮除硫性能。
2021, 37(16):205-211. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.026
摘要:针对环路热管型太阳能光伏光热系统冬、夏季运行中的不利工况,该研究提出将空调排风引导至集热/蒸发器空气夹层的被动式调节方法,以进一步提升系统的太阳能利用效率。基于质量、动量和能量守恒定律,借助ANSYS Fluent软件建立了被动式调节模式下集热/蒸发器的数学模型,模拟分析了该调节方法对热管循环启动和系统性能的影响,通过室外试验验证了模型的准确性。研究结果表明,夏季工况,采用低档风速调节更有利于维持热管运行,而高档风速则更利于光电效率的提升;与调节前的系统相比,高、中、低档风速作用下的日均光电效率分别提高了8.4%、5.7%和3.5%,日发电量增加了8.0%,5.3%和3.5%。对不同调节策略的研究表明,第一阶段采用低档风速的运行策略可最大程度提升太阳能光热利用,同时保证较优的光电效率。冬季工况下,所提调节方法可有效缩短热管循环的启动时间,日出半小时内的有效集热量增加375.7%。因此,该调节方法对2种不利工况均有一定程度改善,调节策略对系统性能影响较大,应根据用户负荷需求进行选择与优化。
2021, 37(16):212-222. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.027
摘要:中国耕地利用正在发生转型,呈现耕地集约化与边际化同时存在的现象,而这种双向变化会引起耕地利用强度发生分化。该研究在对耕地利用强度分化过程进行理论解释的基础上,通过修正变异系数构建区域耕地利用强度分化测度模型,测度中国2000-2014年耕地利用强度分化演变特征及区域差异影响因素。研究结果表明:全国及区域尺度耕地利用强度分化时间上基本呈扩张趋势,仅中部地区呈收缩特征,空间上呈"中部低,四周高"的分布特征;省域尺度耕地利用强度分化特征在时间上表现为大部分省份分化扩张,少部分省份收缩,而在空间上省域耕地利用分化程度弱于全国与区域尺度分化程度,省际之间耕地利用强度分化差异显著;农药化肥要素投入分化扩张特征更明显,其均衡性发展有助于区域耕地利用强度的提高;省域尺度耕地利用强度分化区域差异主要受耕地流转、劳均耕地规模等经营管理因素的影响,受耕地质量、地形起伏等自然条件影响相对较弱,同时,社会经济状况因子的作用效应较耕地经营状况和自然基础状况空间分异特征更明显。基于研究结果该文认为一方面需加强农业基础设施建设和农药化肥等生物化学投入管控,另一方面应不断完善土地市场、培育多种经营本体,整合农业生产要素,提高农民收入水平。
2021, 37(16):223-232. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.028
摘要:南疆地区是中国棉花的重要产区。综合全面了解南疆地区棉花种植空间格局及其变化特征对各级政府部门制定相关决策、保障国家粮棉供给、促进中国棉纺织工业加速发展具有重要意义。该研究以MODIS EVI数据为基础,应用TIMESAT软件平台集成的Double-Logistic滤波对棉花生长曲线进行重构,根据曲线特点提取棉花生长阈值,进而提取南疆地区棉花种植信息,分析其种植空间格局及其变化特征。结果表明:1)南疆地区棉花主要分布在天山山脉南侧,形成以阿克苏地区为核心,喀什东北部及巴州北部为边缘的"核心-边缘"结构;2)近20 a南疆地区棉花种植面积增加103.17万hm2,年均棉花种植面积增长5.16万hm2,主要来源于耕地(76.85%)与草地(11.91%);3)棉花分布在空间上呈"东北-西南"走向,棉花种植重心近20 a总移动距离91.5 km,年移动速率4.58 km/a,基本稳定保持在阿克苏市境内;4)南疆地区棉花种植面积冷点主要分布在克州以及和田地区,2005年后逐渐向西南侧集聚;热点分布格局年际变化显著,2005年前主要分布在阿克苏地区,2005年后逐渐向南疆地区东北侧延伸,主要集中在阿克苏地区以及巴州地区北部。研究成果可为制定区域国土管理制度和涉棉企业科学决策提供参考,对调整和优化棉花结构布局具有积极作用。
2021, 37(16):233-241. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.029
摘要:探讨耕地景观格局对土壤重金属污染风险的影响有利于丰富耕地可持续利用和保护路径,对维护国家粮食安全和景观生态安全具有重要意义。该研究以经济发达地区县市为研究对象,基于土地利用数据、耕地分等成果和93个样点采样数据,测算耕地重金属镉(Cd)、铅(Pb)和汞(Hg)污染水平和耕地景观格局指数,采用逐步回归模型和空间回归模型分析耕地景观格局与重金属污染的关系。结果表明:1)研究区各土壤重金属因子污染指数及内梅罗综合评价指数的均值范围为0.22~0.42,Cd、Pb和Hg污染风险依次降低,整体污染风险较低,单个重金属污染指数变异系数均大于0.5,污染风险较高地区呈现团状聚集空间分布特征。2)耕地重金属污染与景观格局在城乡和道路梯度上存在明显的空间关联关系。3)耕地不同类型重金属污染与耕地景观格局各类指数呈现显著相关关系,耕地景观斑块规模、破碎度以及斑块形状复杂度与耕地重金属污染呈显著负相关关系,耕地景观聚集度与耕地重金属污染呈显著正相关关系。该研究进一步深化耕地景观格局与土壤重金属污染的定量关系,可为从景观格局优化路径控制土壤重金属污染提供参考。
2021, 37(16):242-250. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.030
摘要:区域"三生"空间的划定是其生态文明建设的重要组成部分,也是其国土空间规划与治理体系的基础。划定"三生"空间应以土地利用多功能性分析框架为指导,突出土地主导功能,并考虑其用地分布现状及功能特征的时空变化趋势。该研究以南京市溧水区为例,在土地多功能评价和"三生"空间适宜性评价的基础上,综合其土地多功能及变化趋势和"三生"空间适宜性划定研究区"三生"空间。结果表明:1)10 a间研究区生产与生活功能下降,生态功能提升,各功能高低值所在区域也有变化,生产与生活功能、生态与生产功能表现出一定的相关关系;2)研究区生产空间适宜性差异最大,与耕地的分布存在高度的关联。生活空间适宜性差异最小,但其均值最高,呈由镇中心向周围递减的分布。生态空间适宜性均值略低于生活空间,在各镇间较为平均;3)研究区各乡镇"三生"空间综合评价结果比适宜性评价结果的耦合协调度提升,据此划定的生产、生活、生态空间在研究区占比分别为39.63%、22.72%、37.65%,生产空间集中在研究区中部和西北部,生活空间主要分布在研究区中部,而生态空间则在研究区南部。综合土地多功能与适宜性的"三生"空间划定结果更精细,且三生空间的协调性也更高,可以为研究区进一步的国土空间规划提供参考。
2021, 37(16):251-259. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.031
摘要:显化耕地多功能价值的空间分异规律有助于完善耕地保护政策。该研究以2018年石家庄市遥感影像和统计年鉴为基础数据,分别计算基于地块尺度耕地的物质生产功能、生态维持功能和社会保障功能的价值,并引入梯度分析方法,以城市中心为原点分别设置梯次环和采样条带,对其价值变化进行梯度分析。结果表明:1)2018年石家庄市耕地总功能价值沿"城-乡"呈现出"上升-下降"的倒"U"型变化趋势,在第四环价值达到倒"U"型趋势的顶点。1~5环各项功能价值呈上升趋势,7~10环各项功能价值显著下降。2)基于梯次环的分析发现距离石家庄城市中心10~40 km的1~4环耕地各功能价值最高,其中物质生产功能在4环达到峰值,生态维持功能在3环达到峰值,6~10环呈显著下降趋势。3)基于条带的分析发现,在南北向条带上耕地各功能价值变化呈"上升-下降"的倒"U"型趋势,生态维持功能价值呈现出对称的"M"形,东西向样带上社会保障功能价值在西部变化显著,而生态维持功能价值在东部变化剧烈。
2021, 37(16):260-269. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.032
摘要:等离子体活化水(Plasma-Activated Water,PAW)具有广谱杀菌特性,可有效杀灭生鲜食品上的微生物,抑制其腐败变质。该研究基于介质阻挡放电等离子体发生原理设计了一套PAW发生设备,主要部件包括介质阻挡放电结构、通风散热通道、活化水流动通道、高压交流电源等。其中,介质阻挡放电结构采用圆柱形高压放电电极与平板形低压放电电极上下均匀间隙组配,不锈钢导流板与流动水膜一体化设计低压电极;圆柱形高压放电电极的散热采用双向逆流、内外散热通风双通道;高压交流电源的功率电路采用交流-直流-交流电路结构实现介质阻挡放电能量供给,控制电路可实现频率、电压、电流等参数监测与调控。将鲜切马铃薯片模拟感染大肠杆菌,并进行PAW杀菌保鲜试验,以验证所研制设备的应用效果。结果表明,在进水流量600 mL/min、电极空气间隙10 mm、物料与活化水质量比1∶20、电源电压137.4 V、杀菌时间4.72 min条件下,PAW对染菌马铃薯片的大肠杆菌杀菌率达(98.65±0.59)%,经过24 d 贮藏后,不清洗组、蒸馏水清洗组和PAW清洗组染菌马铃薯片硬度分别为(3.01±0.84)、(3.54±0.81)、(4.70±0.48)N,色差值分别为22.08±1.05、13.21±1.43、7.35±0.82,相对电导率分别为(28.00±6.43)%、(26.72±2.07)%、(17.19±2.26)%,可溶性固形物含量分别为(6.850±0.120)%、(5.430±0.006)%、(3.080±0.006)%,腐烂率分别为(87.04±1.63)%、(76.32±1.60)%、(52.09±1.41)%,PAW清洗组染菌马铃薯片品质优于不清洗组、蒸馏水清洗组,PAW杀菌保鲜效果良好。该研究可为等离体子活化水杀菌技术研发及产业化应用提供参考。
2021, 37(16):270-278. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.033
摘要:对密集圣女果遮挡、粘连等情况下的果实进行快速识别定位,是提高设施农业环境下圣女果采摘机器人工作效率和产量预测的关键技术之一,该研究提出了一种基于改进YOLOv4-LITE轻量级神经网络的圣女果识别定位方法。为便于迁移到移动终端,该方法使用MobileNet-v3作为模型的特征提取网络构建YOLOv4-LITE网络,以提高圣女果果实目标检测速度;为避免替换骨干网络降低检测精度,通过修改特征金字塔网络(Feature Pyramid Networks,FPN)+路径聚合网络(Path Aggregation Network,PANet)的结构,引入有利于小目标检测的104×104尺度特征层,实现细粒度检测,在PANet结构中使用深度可分离卷积代替普通卷积降低模型运算量,使网络更加轻量化;并通过载入预训练权重和冻结部分层训练方式提高模型的泛化能力。通过与YOLOv4在相同遮挡或粘连程度的测试集上的识别效果进行对比,用调和均值、平均精度、准确率评价模型之间的差异。试验结果表明:在重叠度为0.50时所提出的密集圣女果识别模型在全部测试集上调和均值、平均精度和准确率分别为0.99、99.74%和99.15%,同比YOLOv4分别提升了0.15、8.29、6.55个百分点,权重大小为45.3 MB,约为YOLOv4的1/5,对单幅416×416(像素)图像的检测,在图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)上速度可达3.01 ms/张。因此,该研究提出的密集圣女果识别模型具有识别速度快、识别准确率高、轻量化等特点,可为设施农业环境下圣女果采摘机器人高效工作以及圣女果产量预测提供有力的保障。
2021, 37(16):279-286. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.034
摘要:利用蛋白质和多糖构建纳米营养递送载体,是提高食品活性物质稳定性及利用率的重要手段。为了构建具有缓释特性的纳米营养递送体系,该研究以玉米醇溶蛋白(zein)为基材,构建玉米醇溶蛋白-壳聚糖纳米营养递送体系,以姜黄素(Curcumin,Cur)为营养模型,探究了壳聚糖分子量、zein与壳聚糖质量比对纳米粒子及其负载Cur性能的影响,通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)等方法表征其结构,阐明复合纳米粒子形成机制,探讨其稳定性和缓释性能。结果表明:不同分子量的壳聚糖对纳米粒子的粒径、多分散性指数和zeta电位有影响。高分子量壳聚糖的加入可使纳米粒子粒径减小,且更加稳定。在zein与高分子量壳聚糖质量比为8∶1时,制备的纳米粒子粒径较小(80.13 nm),其zeta电位为46.18 mV;在此条件下,当姜黄素添加量为1.0%时,其包封率和负载量分别为82.93%和8.29%;通过SEM观察,纳米粒子呈球形,分布均匀;氢键及静电相互作用是组装该纳米粒子的作用力;壳聚糖的引入提高了纳米粒子的pH值、离子及储藏稳定性,扩展了其应用范围;与游离的姜黄素相比,纳米营养递送粒子呈现明显的缓释特性。研究结果为构建具有缓释特性的营养递送体系提供了理论基础。
2021, 37(16):287-294. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.035
摘要:为充分利用猪肉光谱与图像信息,实现猪肉肌红蛋白含量的在线检测,该研究提出一种基于深度学习模型的猪肉肌红蛋白含量无损检测方法。采用高光谱设备采集冷藏过程中猪肉高光谱图像,通过ENVI5.3选择图像感兴趣区域(Region Of Interest,ROI),分别提取ROI平均光谱信息与主成分图像信息。利用卷积自动编码器(Convolutional Auto Encoder,CAE)提取光谱与图像信息深度特征,分别建立光谱特征、图像特征及图-谱融合特征与肌红蛋白含量之间关系的卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)预测模型。其中基于融合深度特征CNN预测模型准确度较高,该模型对脱氧肌红蛋白(DeoMb)、氧合肌红蛋白(OxyMb)、高铁肌红蛋白(MetMb)含量预测集决定系数分别为0.964 5、0.973 2、0.958 5,预测集均方根误差RMSEP分别为0.015 8、0.226 6、0.381 6。为进一步验证图-谱融合特征与猪肉肌红蛋白存在对应关系,分别建立偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)、支持向量机回归(Support Vector Regression,SVR)预测模型。结果表明:CAE能充分提取图像与光谱特征;基于融合特征建立回归模型能提高肌红蛋白含量预测精度,相比于光谱信息与图像信息,以MetMb为例,其分别提高5.42%、16.12%。该检测方法为肉类质量在线检测提供参考,具有好的应用前景。
2021, 37(16):295-302. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036
摘要:目前蓄冷冷藏运输车普遍采用车体和蓄冷装置一体化设计,存在重心偏高、控温范围窄、蓄冷剂充注量与运输时间难以合理匹配等问题。基于此,该研究设计并建造一款集标准托盘、蓄冷槽、蓄冷盒等装置于一体的冷链专用蓄冷托盘。蓄冷托盘适用于包括仓储、运输装备在内的全程冷链环境,该设备采用分体式设计,运用时利用夜间低谷电充冷,相变材料(Phase Change Material,PCM)种类和质量可根据运输货物实际情况灵活搭配,从而达到按需蓄冷、灵活控温、降低重心、节能降耗等多重目标。试验结果表明,使用水凝胶为PCM,质量为100、200、300 kg时,车厢控温时间可达1~3 d,基本满足中短途冷藏运输需要。同时,循环通风可将车内平均温度由9.3、6.9、6.7 ℃降至5.7、4.6、3.3 ℃。在车厢温度均匀性方面,无循环通风时,车厢温度场水平分层严重,截面间最高温差分别为2.8、2.8、3.2 ℃,截面内最大温差4.2、4.1、6.6 ℃;循环通风后,截面间和截面内最大温差分别降至0.4、0.4、0.5 ℃和0.8、0.9、0.7 ℃,降幅分别为85.7%、85.7%、84.4%和81.0%、78.0%、89.4%。与传统蓄冷冷藏车(300 kg PCM)相比,温度绝对不均匀度系数由2.5下降至1.2,下降52.0%;车厢重心高度由1.46 m下降至0.77 m,下降47.3%。研究可为冷链节能低碳发展提供借鉴,为蓄冷冷藏运输装备拓展应用及优化设计提供参考。