收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

生菜生长信息快速检测方法与时域变量施肥研究

高洪燕  
【摘要】:我国是生菜生产与消费大国,生产量约占世界的1/2以上。而随着现代农业的发展,快速诊断生菜营养及水分的丰缺情况,充分了解生菜的生长规律,是实现生菜产业化发展的有效途径。本文利用光谱及图像技术,结合多种化学计量学算法及图像处理技术,建立了基于单传感及多传感信息融合的生菜冠层氮、磷、钾、水分含量检测模型。研究了生菜的生长规律,分析了养分含量、长势、产量三者间的关系,提出了根据长势进行时域变量施肥。具体研究内容及结果如下:(1)采用Savitzky-Golay滤波(SG)、Savitzky-Golay滤波结合一阶导数变换(SG+FD)、Savitzky-Golay滤波结合对数变换(SG+Log(1/R))和Savitzky-Golay滤波结合连续统去除(SG+CR)四种滤波方法对原始光谱进行去噪。SG+FD方法适用于生菜冠层氮、磷、钾光谱的预处理,SG+Log(1/R)适用于生菜冠层水分光谱的预处理。采用RS法、KS算法和SPXY算法对样本集进行划分,SPXY算法可有效地覆盖多维向量空间,优于RS和KS算法。综合使用间隔偏最小二乘法(iPLS)、联合区间偏最小二乘法(SiPLS)和后向区间偏最小二乘法(BiPLS)对与生菜冠层氮、磷、钾及水分相关的最优光谱区间进行提取。结果显示基于不同光谱模型的预测结果存在以下关系:BiPLSNSiPLSNiPLSN, SiPLSPBiPLSPiPLSP, BiPLSK SiPLSK iPLSK, BiPLSW SiPLSW iPLSW。使用遗传算法(GA)和连续投影算法(SPA)对与生菜冠层氮、磷、钾及水分相关的特征波长进行提取。氮素的最优波长为:482、513、522、569、641、691、704和821nm,磷元素的最优波长为:675、680、972、991、1476和2016nm,钾元素的最优波长为:463、551、652、683、729、987和1041nm,水分的最优波长为:967、1170、1221、1406、1484、1942和1985nm。多种算法联合运用大量去除了冗余及相关信息,光谱变量从2151个减少到了6-8个。分别利用多元线性回归(MLR)、径向基函数神经网络(RBFNN)和极限学习机(ELM)三种建模方法建立生菜营养及水分检测模型。ELM算法所建模型最优。氮元素模型的RMSEP=0.2842%, Rp=0.9218、磷元素模型的RMSEP=0.5164g/kg, Rp=0.8462、钾元素模型的RMSEP=0.1741%, Rp=0.8749、水分模型的RMSEP=197%, Rp=0.8243。(2)分别采用中值滤波、均值滤波和小波去噪等方法对原始图像进行降噪处理,结果表明小波去噪的效果最好。提取冠幅投影面积(TPCA)、冠幅周长(TPCP)、株高(PH)作为生菜冠层的长势特征,提取RGB和HSI空间的各颜色分量作为生菜冠层的颜色特征,提取RGB和HSI颜色空间中的CCMR,G, CCMR,B, CCMG,B,CCMH,S, CCMH,I, CCMS,I6个颜色共生矩阵的熵(ENT)、角二阶矩(ASM)、对比度(CON)和协同性(HOM)的平均值作为生菜冠层的纹理特征。建立基于ELM算法的生菜冠层氮、磷、钾、水分含量检测模型,得到氮元素模型的RMSEP=0.4651%, Rp=0.8217、磷元素模型的RMSEP=0.6083g/kg, Rp=0.7649、钾元素模型的RMSEP=0.2434%, Rp=0.8167、水分模型的RMSEP=238%, Rp=0.7794,光谱模型的检测精度高于图像模型。开发了生菜图像特征快速提取软件,可提取TPCA、TPCP、PH、R、G、B、H、 S、I、ENT、ASM、CON和HOM共13个特征。(3)对比分析了主成分分析(PCA)及核主成分分析(KPCA)的降维效果,结果表明使用KPCA得到的主成分累积贡献率明显高于PCA。利用RBFNN和ELM算法建立多信息融合模型,ELM模型最优。得到氮素模型的]RMSEP=0.2531%,Rp=0.9464、磷元素模型的 RMSEP=0.3679g/kg, Rp=0.9034、钾元素模型的RMSEP=0.1349%, Rp=0.9249、水分模型的RMSEP=169%, Rp=0.8918。氮钾模型的预测效果稍好于磷元素和水分,多信息融合的预测结果明显优于单一传感器的预测结果。(4)建立了TPCA、PH及TPCP的Gomportz、Logistic和灰色Verhulst模型。灰色Verhulst模型可很好地反映TPCA和TPCP的长势情况,Logistic算法可用于PH的预测。计算后得到生菜TPCA的理论生长上限值为692.8 cm2,速生点为第16.4天,速生期从8.2到24.7天。生菜PH的理论生长上限值为25.1cm,速生点为第16.1天,速生期从4.0到28.2天。生菜TPCP的理论生长上限值为123.3cm,速生点为第18.0天,速生期从4.2到25.8天。以此将生菜的生长期分为三个阶段,即对数期,直线期和衰老期。(5)计算了养分含量、长势、产量三者的灰色关联度,得到养分含量对TPCA、TPCP和PH的影响顺序为氮磷钾,养分含量对生菜产量的影响顺序为氮钾磷,长势对生菜产量的影响顺序为TPCAPH TPCP。建立了基于环境温度、氮磷钾含量的TPCA、TPCP和PH的预测模型,同时建立了营养液浓度与养分含量关系模型,提出了根据长势进行时域变量施肥。本研究为生菜营养及水分的快速精确诊断提供了重要依据,为生菜的精细化管理及产业化高效生产奠定了基础。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 孙裕晶,马成林,张书慧,张勇智;智能变量施肥技术初步试验研究[J];农机化研究;2003年04期
2 杨印生,吴才聪,马成林,张书慧;基于数据包络分析的变量施肥技术经济分析[J];农机化研究;2004年04期
3 王秀,赵春江,孟志军,陈立平,潘瑜春,薛绪掌;精准变量施肥机的研制与试验[J];农业工程学报;2004年05期
4 曲桂宝,田耘;变量施肥的实现过程及其发展前景[J];中国农机化;2005年04期
5 余泳昌;郭树满;周玉乾;李春杰;刘文艺;;实时监控变量施肥技术的初步研究[J];农业机械化与电气化;2006年02期
6 李富先;吕新;潘冬梅;王海江;;棉花膜下滴灌比例混合变量施肥装置的研发与应用[J];节水灌溉;2007年02期
7 李志红;李锦泽;侯桂凤;于玉真;;变量施肥机的设计[J];农机化研究;2008年08期
8 李爱传;王熙;汪志强;高飞;;电液驱动式变量施肥闭环控制系统研究[J];中国农学通报;2009年07期
9 吉建斌;王秀;张文爱;;半自动变量施肥控制器的研究与开发[J];农机化研究;2009年11期
10 齐江涛;张书慧;于英杰;徐岩;;基于蓝牙技术的变量施肥机速度采集系统设计[J];农业机械学报;2009年12期
11 张涛;赵洁;;变量施肥技术体系的研究进展[J];农机化研究;2010年07期
12 刘阳春;张小超;伟利国;李福超;李卓立;;一种变量施肥技术的实现及其台架试验[J];农业机械学报;2010年09期
13 杨星钊;杨富营;余泳昌;;智能控制变量施肥机械的试验设计[J];广东农业科学;2010年08期
14 于英杰;张书慧;齐江涛;徐岩;王薇;;变量施肥机在不规则田块的定位方法[J];农业机械学报;2011年02期
15 安静;李宁;余泳昌;;智能控制变量施肥机构的试验设计[J];当代农机;2011年01期
16 段洁利;李君;卢玉华;;变量施肥机械研究现状与发展对策[J];农机化研究;2011年05期
17 孟志军;赵春江;付卫强;冀永祥;武广伟;;变量施肥处方图识别与位置滞后修正方法[J];农业机械学报;2011年07期
18 怀宝付;梁春英;王熙;李爱平;张红霞;;变量施肥控制系统设计[J];黑龙江八一农垦大学学报;2011年04期
19 王登峰;单士睿;;一种智能控制变量施肥机构的试验设计[J];农机化研究;2011年12期
20 赵登峰;张立新;范子胜;;变量施肥装备的研究现状及展望[J];新疆农机化;2011年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 江发潮;彭彦昆;;精准变量施肥技术现状及其研究应用展望[A];中国农作制度研究进展2008[C];2008年
2 马旭;马成林;张书慧;;变量施肥机及其应用的研究[A];农业机械化与全面建设小康社会——中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
3 王秀;孟志军;白由路;;机械化变量施肥技术在我国的应用初探[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
4 薛绪掌;陈立平;潘瑜春;王秀;赵春江;;不同肥力水平下变量施肥尺度效应的理论研究[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
5 齐江涛;张书慧;于英杰;徐岩;;基于蓝牙技术的变量施肥机速度采集系统设计[A];走中国特色农业机械化道路——中国农业机械学会2008年学术年会论文集(下册)[C];2008年
6 王金武;;深施型液态变量施肥控制系统建模与仿真[A];中国农业工程学会2011年学术年会(CSAE 2011)论文摘要集[C];2011年
7 孟志军;王秀;田凯;李吉望;;一种变量作业模拟测试软件的设计与实现[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
8 苑进;;双变量施肥序列优化和相关向量机控制参数决策[A];中国农业工程学会2011年学术年会(CSAE 2011)论文摘要集[C];2011年
9 王熙;王新忠;;三种不同变量施肥执行机构比较研究[A];农业机械化与新农村建设——中国农业机械学会2006年学术年会论文集(下册)[C];2006年
10 马旭;马成林;张书慧;;变量施肥机及其应用的研究[A];中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 高洪燕;生菜生长信息快速检测方法与时域变量施肥研究[D];江苏大学;2015年
2 陈相芬;变量施肥的环境效率测算技术研究[D];吉林大学;2007年
3 张睿;智能型变量施肥关键技术研究[D];中国农业科学院;2012年
4 陈立平;精准农业变量施肥理论与试验研究[D];中国农业大学;2003年
5 于英杰;基于传感器定位的变量施肥控制系统研制[D];吉林大学;2010年
6 吴才聪;精确农业变量施肥决策研究与技术经济分析[D];吉林大学;2003年
7 张继成;基于处方图的变量施肥系统关键技术研究[D];东北农业大学;2013年
8 王熙;精准农业大豆变量施肥控制技术研究[D];黑龙江八一农垦大学;2010年
9 乔欣;基于光谱技术的大豆营养信息诊断及其变量施肥系统研究[D];吉林大学;2008年
10 梁春英;电液比例变量施肥系统参数模型辨识及滑模变结构控制研究[D];沈阳农业大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张丽颖;变量施肥技术的生命周期分析及实施变量施肥技术的影响因素辨识[D];吉林大学;2007年
2 齐江涛;蓝牙技术在变量施肥中的应用研究[D];吉林大学;2008年
3 张林焕;变量施肥机液压无级调速控制系统的研究[D];吉林大学;2009年
4 孙成;变量施肥机控制系统的研究[D];吉林农业大学;2008年
5 梁红霞;基于高光谱遥感技术的变量施肥算法及机理研究[D];安徽农业大学;2005年
6 千锦辉;推算定位变量施肥控制系统研究[D];吉林大学;2006年
7 曲桂宝;变量施肥机的试验研究[D];吉林农业大学;2006年
8 刘步玉;变量施肥控制方法研究[D];东北林业大学;2013年
9 张井柱;玉米精准变量施肥技术的示范应用[D];吉林农业大学;2013年
10 牛晓颖;精准农业变量施肥技术及其实施系统的研究[D];河北农业大学;2005年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 周铮;变量施肥系统让棉田节肥又增产[N];农民日报;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978