应用高光谱成像技术对打蜡苹果无损鉴别研究

探讨应用高光谱成像技术快速无损鉴别不同苹果蜡的可行性。通过对分别打食用果蜡、工业蜡和未打蜡的126个苹果样品,采用380～1 024nm范围的高光谱图像仪获取三类苹果的高光谱图像信息,采用ENVI软件处理平台提取高光谱图像中对象的漫反射光谱响应特性。从126个样品中随机取出84个样品建模,其余42个样品作为独立的验证集。对光谱数据分别采用偏最小二乘(PLS)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和BP神经网络等建立高光谱响应特征与食用蜡苹果、工业蜡苹果、未打蜡苹果的关系模型,比较不同建模方法的效果。结果表明:采用MSC-SPA-LS-SVM模型可以较好的区分食用果蜡、工业蜡和未打蜡的三类苹果,预测结果的正确率分别为100%,100%和92.86%。

基于全谱数据挖掘技术的土壤有机质高光谱预测建模研究

可见/近红外高光谱技术与建模方法是当前土壤近地传感器研究领域的重要方向,可应用于土壤养分信息的快速获取和农田作物的精确施肥管理。以浙江省水稻土为研究对象,利用以非线性模型为核心的数据挖掘技术,包括随机森林、支持向量机、人工神经网络等方法分别建立了不同建模集和验证集的原始光谱与有机质含量的估测模型。结果表明:研究比较的1∶1,3∶1和全部样本建模并全部验证的三种样本模式划分对建模的结果有一定的影响。相较于目前常用的偏最小二乘回归(PLSR)建模方法而言,非线性模型RF和SVM也取得了较好的建模精度,三种模式下其RDP值均大于1.4。特别是采用SVM建模方法所得模型具有很好的预测能力,模式二下其RDP值达到2.16。同时引入ANN方法改进建立的PLSR-ANN方法显著提高了PLSR的模型预测能力。

应用近红外高光谱成像预测三文鱼肉的水分含量

应用近红外高光谱成像技术实现三文鱼肉水分含量的快速无损检测。采集来自不同部位的三文鱼肉共90个样本的高光谱图像,提取样本感兴趣区域(ROI)的平均光谱。随机取60个样本作为建模集,其余30个样本作为预测集。分别采用偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)对全波段和水分含量建立相关性模型,并对预测集样本的水分含量进行预测。再用一种新的变量提取方法random frog选择特征波长,并基于特征波长分别建立水分检测的PLSR和LS-SVM模型。特征波长模型的预测精度虽然稍逊于全波段模型,但是仅用12个变量代替了全波段的151个变量,大大简化了模型,更便于实际应用。PLSR和LS-SVM特征波长模型的预测相关系数(Rp)分别为0.92和0.93,预测均方根误差(RMSEP)分别为1.31%和1.18%,取得了满意的结果。研究表明,近红外高光谱成像与化学计量学方法结合可以准确预测三文鱼肉的水分含量,为鱼肉品质的快速监测提供重要的参考。

基于核磁共振的玉米根系3维可视化研究

以玉米根系为研究对象，采用核磁共振成像技术原位无损检测玉米根系，研究土壤体积含水率对根系成像效果的影响；依据获取的根系核磁切片图像，借助于计算机图形学技术和可视化工具包 Visualization Toolkit 5.4实现玉米根系模型的重构；对根系模型的几何参数进行测量，验证重构模型的精度.结果表明：土壤体积含水率在5%~20%范围内变化时不会对玉米根系的核磁共振成像质量造成显著影响；模型的几何测量值与根系真实值之间的误差均小于3%，与标准方法测定结果具有很好的一致性.本研究可以用于植物根系的原位无损检测，实现根系几何参数的精确测量，对于认知根系与周围土壤介质的相互作用规律具有十分重要的作用.

桥梁灾害可恢复性评价体系研究

极端事件和结构恶化导致的桥梁结构失效事故频发,造成的经济损失不可估量。针对桥梁结构选取结构的极限承载能力作为功能函数指标,提出基于经验调查的线性模型和基于力学比拟的拟合模型两种功能恢复函数,在此基础上建立灾害可恢复性指数来衡量桥梁结构灾害可恢复能力的大小;并给出桥梁灾害可恢复性的建议分级标准,为我国现阶段桥梁防灾抗灾设计提供新的思路和参考。

腕戴式低功耗无线心率监测装置的研制

研制新型的基于双通道脉搏传感的腕戴式无线低功耗心率实时监测装置.根据人体腕部生理解剖的特点,提出桡动脉、尺动脉双通道脉搏波及差分信号同步检测的新方法.研制了集传感器、调理电路、微处理器、通讯、自动增益算法和心率算法等软、硬件部件于一体的小型化装置.电路系统测试表明:在待机和工作模式下的平均工作电流分别约为10和300μA;对10名男性在休憩状态下的心率进行3h的连续动态监测,将测试结果与标准动态心电图记录的数据进行比较,结果表明,心率测量的算术平均误差约为0.3BPM.

基于野外Vis-NIR光谱的土壤有机质预测与制图

利用野外实时快速获取的土壤光谱进行土壤有机质(SOM)预测与制图是精确农业与土壤遥感制图的必然需要,利用ASD FieldSpec Pro FR野外型光谱仪实时快速获取的光谱数据,去除噪声较大的边缘波段后,进行倒数的对数转换(Log(1/R))为吸收光谱。在分析吸收光谱和光谱指数与SOM关系的基础上,采用偏最小二乘回归法进行SOM的建模预测并借助地统计学方法进行SOM空间变异制图研究。结果表明,建模效果好的指标分别为特征波段(R2=0.91,RPD=3.28),归一化光谱指数(R2=0.90,RPD=3.08),特征波段与3个光谱指数组合(R2=0.87,RPD=2.67),全波段(R2=0.95,RPD=4.36)。光谱指标的克里格制图与实测SOM制图表现出相同的空间变异趋势,不同的指标均达到了较好的预测效果。

基于省域尺度的农田土壤重金属高光谱预测

利用浙江省36个县市的643个农田耕层土样的可见-近红外反射率数据以及重金属与有机质含量数据,分析了Ni、Cu、As、Hg、Zn、Cr、Cd、Pb含量与有机质含量的相关性,对比了不同重金属元素与有机质敏感波段的位置,并建立了各重金属元素含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型.研究结果表明,Ni、Cr与有机质的相关性最优,As最差,相关系数分别为0.54、0.59、0.20,各重金属元素与有机质的相关系数与它在前三个主成份载荷图中与有机质的距离成反比;不同的重金属元素与有机质高光谱敏感波段的重叠度、回归系数的正负一致性具有明显差异,与有机质相关性越高的元素,其重叠度也越高、正负一致性也越好;在所有8种重金属元素的PLSR预测模型中,Ni、Cr的建模与预测效果较好,RPD值分别为1.94、1.80,模型具有一般的定量预测能力,其余6种重金属元素预测模型的RPD值均在1.00和1.40之间,模型只具备区别高值和低值的预测能力.该研究结果为大尺度区域土壤重金属污染的高光谱遥感监测提供了一定的理论依据与参考.

农作物冠层光谱信息检测技术及方法综述

相比传统的化学方法及主观视觉测定植物生理信息指标,通过光谱辐射仪对农作物冠层信息的评估更简单、快速和精确。本文结合近年来农作物群体信息的获取方法,综述了不同类型光谱仪尤其以国际上应用最广泛的Cropscan多光谱辐射仪在农作物群体叶面积指数、生物量、氮素及叶绿素的预测,病虫害的监测及产量预测中的应用。总结了不同类型的的植被指数(VIs)、冠层光谱的获取及光谱分析方法,比较了不同农作物建立相关模型的回归系数。总体上建立的数学模型的相关系数较高,能实现对农作物各种生理信息等的检测。此外,将多光谱辐射仪与多种传感器相结合所得到的综合信息对于全面评价农作物生长情况具有重要指导价值。

基于计算机视觉的大田害虫远程自动识别系统

为了实现大田害虫的快速实时识别和诊断,设计了一套大田害虫远程自动识别系统。该系统通过3G无线网络将害虫照片传输到主控平台中,在主控平台中实现远程自动识别。系统首先对害虫图像进行基于形态和颜色特征值的提取。害虫图像的形态特征由周长、面积、偏心率等以及7个胡不变矩共16个特征值组成,颜色特征值由9个颜色矩组成,然后建立支持向量机分类器。采用该系统对6种常见大田害虫进行了测试,平均准确率达到87.4%。考虑到不同的害虫姿态和大田中不同的光照条件,系统的分类效果是满意的。

基于核磁共振成像的农产品几何模型重构

为了提高农产品数值模拟的精度,需要为其提供精确的农产品几何模型。该研究以具有不规则几何特征的农产品芒果、香蕉和苹果为试验对象,利用核磁共振成像仪获取的断层切片图像,借助于计算机图形学技术和视觉化工具函数库Visualization Toolkit5.4(VTK),实现了其几何模型的重构。结果表明,3种农产品几何模型的体积值与其真实值之间的误差均小于3%,与标准方法测得结果具有很好的一致性。该研究为农产品几何模型获取提供了一种新的方法,能为农产品数值模拟、有限元分析以及品质检测等提供直接的几何模型支持。

高光谱成像技术的油菜叶片氮含量及分布快速检测

应用高光谱成像技术实现了油菜苗-花-角果整个生命期叶片氮含量的快速检测和氮素水平分布的可视化。采集三个生长时期共计420个叶片样本的高光谱图像信息(380~1 030nm),提取图像中感兴趣区域的平均光谱数据,经过不同光谱预处理后,利用连续投影算法(SPA)选择特征波长,将提取的12个特征波长(467,557,665,686,706,752,874,879,886,900,978和995nm)作为自变量,叶片氮含量作为因变量,分别建立偏最小二乘法(PLS)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)模型。SPA-PLS和SPA-LS-SVM模型对叶片氮含量的预测相关系数RP分别为0.807和0.836,预测均方根误差RMSEP分别为0.387和0.358。高光谱图像中的每一个像素点都有对应的光谱反射值,利用结构简单、更易提取回归系数的SPA-PLS模型,快速计算出12个特征波长下高光谱图像中每个像素点对应的氮含量预测值,结合像素点的空间位置生成氮素浓度的叶面分布图。可视化分布图详细且直观的反应出同一叶片内部或不同叶片之间氮含量的差异。结果表明,应用高光谱成像技术分析整个油菜生长期的叶片氮含量及其可视化分布是可行的。

基于局部加权回归的土壤全氮含量可见-近红外光谱反演

全氮是土壤肥力的重要指标,对作物产量具有决定性作用,采用土壤可见-近红外(Vis-NIR)光谱预测技术及时获取土壤全氮含量信息具有重要意义。采用来自5省的450个土壤样本来验证局部加权回归方法(LWR)结合Vis-NIR光谱技术预测大面积土壤全氮含量的适用性。结果表明,LWR模型的预测效果优于偏最小二乘回归(PLSR)、人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM),选取主成分数为5,相似样本为40时,模型验证的决定系数(RP2)为0.83,均方根误差(RMSEP)为0.25 g kg-1,测定值标准偏差与标准预测误差的比值(RPD)达到2.41。LWR从建模集中选取与验证样本相似的土样作为局部建模样本,降低了差别大的样本对模型的干扰,从而提高了模型的预测能力。因此,LWR建模方法通过大范围、大样本土壤光谱数据进行大尺度区域的全氮等土壤属性预测时能够发挥更好的作用。

基于小波总能量相对变化的拱桥吊杆损伤识别

为了识别拱桥吊杆损伤,提出基于小波总能量相对变化的损伤识别方法.以一典型钢管中承式拱桥为研究对象,通过对测点处的加速度动态响应信号进行离散小波变换,计算出测点处的小波总能量.以结构未损伤状态为基准,构造基于小波总能量相对变化的损伤指标.用提出的识别方法研究冲击类型、加载位置、噪音信号及损伤程度等参数对识别结果的影响.结果表明:提出的损伤指标可识别出不同位置设定下吊杆损伤,并对损伤程度具有较强的敏感性;对于不同的冲击类型及加载位置均能识别出拱桥吊杆损伤,且在不同信噪比(0,5,10和20)下鲁棒性好.

电场辅助离子迁移过程中离子迁移深度模型

考虑了焦耳热导致的玻璃基片温度升高效应,建立了玻璃基片上电场辅助离子迁移(FAIM)过程中离子迁移深度的计算模型。该模型首先通过求解玻璃基片的热平衡方程获得玻璃基片温度随时间的变化规律,在此基础上获得流过玻璃基片的电流密度以及电荷通量密度随时间的变化规律。最后利用电荷通量密度与离子迁移深度的正比关系计算离子迁移深度。利用该模型获得的模拟结果与实验结果的比较显示,在集成光学器件制作的实验参数下,利用该模型所获得的离子迁移深度变化的规律与相应的实验结果接近。分析表明,由于模型中考虑到了焦耳热导致的玻璃基片温度的升高,该模型用于研究FAIM过程中的迁移深度具有更好的普适性。

基于小波总能量相对变化的结构损伤识别

桥梁结构损伤伴随着服役期的增加而逐渐加深,寻找合适的损伤识别方法则是桥梁工作者必须面对的问题。通过对测点处动态响应信号进行离散小波变换,并计算各测点处的小波总能量,以结构未损伤状态为基准,提出了一种基于小波总能量相对变化的损伤识别方法,并以一两端固支梁为例,进行了损伤识别应用及有限元模型验证,结果表明,提出的损伤识别指标能够准确判断损伤的存在和定位损伤,且对损伤程度具有敏感性,对噪音污染、小波种类和分解尺度数有鲁棒性,并能够根据加速度、速度和位移信号的分析处理进行损伤判定,可用于桥梁结构的损伤识别。

考虑滑移效应的体外预应力钢-混凝土组合梁自振频率分析

为了研究滑移与体外预应力对钢-混凝土组合简支梁自振频率的影响,提出了适用组合梁自振频率计算的静力折减刚度法和动力刚度修正系数法.以一根跨径为5 m的钢-混凝土组合简支试验梁为研究对象,分别采用静力折减刚度法、动力刚度修正系数法及换算截面法计算梁的自振频率,并将计算值与试验实测值进行对比.结果表明,采用动力刚度修正系数法计算得到的体外预应力组合梁的自振频率更接近于实测值,采用静力折减刚度法和换算截面法计算得到的梁的自振频率与实测值之间存在较大误差.当体外预应力值为100 k N时,换算截面法和静力折减刚度法与实测值的误差分别为19.3%和7.9%,动力刚度修正系数法误差则仅为2.9%.

体外预应力钢-混组合梁长期滑移计算

针对现行规范中钢-混组合梁桥设计时界面滑移未计入混凝土收缩徐变效应的影响,在线性滑移和混凝土钢梁之间无掀起的假定下,推导综合考虑桥面板混凝土长期性能和施加预应力影响的体外预应力钢-混组合梁桥的滑移计算公式.通过对某一典型简支钢-混组合小箱梁黏结滑移的计算及结果比较,证明提出的方法及推导公式的正确性.参数研究结果表明,当考虑混凝土收缩徐变长期性能的影响时,钢-混组合梁的界面滑移会随着时间和预应力的增加而不断增加;简支组合梁的滑移量一般由中间向梁两端逐渐增大,在梁两端滑移量达到最大值.在预应力钢-混组合梁的设计中,除考虑预应力对组合梁变形有利的方面外,还应注意和控制预应力对组合梁界面滑移不利的影响.

一种基于微环的新型4×4非阻塞光路由开关

光互连技术因诸多特性优于电互连而成为片上多核互连最具前景的解决方案。为了提高片上光互连网络架构的性能,采取光器件模块搭建的方法,提出了一种基于微环的新型4×4光路由开关,仅用7个微环构建的拓扑结构便实现了4个双向端口的非阻塞交换,降低了功耗和面积;波导交叉的数量减少到6个,优化了插入损耗。结果表明,该结构相对于经典结构光器件的功耗节省了约8%,光互连层的插入损耗降低了约7%。

横向预应力下多梁式组合小箱梁长期性能

以一典型简支多梁式组合小箱梁桥为研究对象,将横梁近似视作支承在多片主梁上的多跨弹性支承连续梁,在混凝土板和钢梁间无相对滑移的平截面假定下,推导综合考虑混凝土收缩徐变作用的组合小箱梁在横向施加预应力下的横梁内力、横向长期应力和变形的计算公式,并将理论计算值和有限元软件MIDAS计算值对比分析。结果表明,两者吻合良好;在长期荷载作用下,结构挠度不断增加,预应力的施加能降低长期附加变形量以及横梁长期应力变化幅度;同时发现MIDAS会低估混凝土收缩徐变以及预应力筋松弛对这类组合梁桥横向长期附加应力的影响.