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2018年  40卷  第12期

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林学
毛乌素沙地油蒿灌丛Priestley-Taylor模型系数研究
梁椿烜, 马景永, 杨睿智, 吴雅娟, 田赟, 贾昕, 查天山, 杨林
2018, 40(12): 1-8. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180145
摘要:
目的基于半经验半理论的Priestly-Taylor模型(PT)估算蒸散发(ET)时,主要依赖于精确确定该模型系数α在特定研究区内的适宜值,本研究就该模型系数α的适用性进行了本地化研究,以便更准确地估算干旱半干旱区的蒸散发。方法在中国西北干旱地区毛乌素沙地的一个生长季内,采用涡度协方差技术并结合气象数据信息,监测研究区典型油蒿灌丛地的水、热交换传输过程,以分析PT模型系数α的季节变化特征并确定其本地化估算参考值。结果在季节变化过程中,实际PT模型系数α整体变化较明显,展叶期内α系数呈单峰型变化趋势,完全展叶期和叶变色期内的α系数变化不明显;日均α系数最大值为0.66,最小值为0.03,全生长季α系数均值为0.23。油蒿生长季内α系数与冠层导度和饱和水汽压差呈对数正相关;土壤含水量(30 cm处)以及叶面积指数与α系数均为正相关关系。在季节变化过程中,PT模型常规系数α=1.26确定的蒸散量(ET1.26)估算值以及根据逐日温度和2 m高度处风速资料计算的PT模型系数α=0.50确定的蒸散量(ET0.50)估算值均显著大于实测蒸散发。改进的PT模型系数的本地化推荐适宜值为0.23,并且通过修正后的PT模型估算ET与实测值之间存在较好的一致性,线性斜率为0.72,R2为0.57。结论因此,修正的PT模型显著提高干旱半干旱区植被蒸散发估算精度,为区域植被水文过程模型提供支持。
小兴安岭南部臭冷杉红松林树轮指数记录的7月NDVI变化
张旭, 宋文琦, 赵慧颖, 朱良军, 王晓春
2018, 40(12): 9-17. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180295
摘要:
目的归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)是应用最广的遥感数据之一,已被广泛应用于森林生态系统净初级生产力(Net primary productivity, NPP)的估算。但其缺点是实测数据时间较短,而基于树轮资料重建NDVI序列可在一定程度上弥补NDVI时间序列短的问题。方法本文研究了小兴安岭南部黑龙江省依兰县丹青河林场内红松、臭冷杉和蒙古栎的树轮宽度数据与NDVI的潜在关系,重建了小兴安岭南部地区过去的NDVI变化。结果红松、臭冷杉和蒙古栎树轮指数与当年7月的NDVI显著正相关,3个树种合成的样地年表与7月NDVI的相关性高于单个树种年表。样地年表和7月NDVI对气候因子(温度和降水)的响应一致;均与上一年10月至当年3月温度呈正相关,与当年4—7月温度呈负相关,与当年3月降水呈负相关,与4—7月降水呈正相关。因此,基于样地年表与7月NDVI的关系,利用一元线性回归模型建立二者之间的拟合方程,重建了过去115年的NDVI数据,方程的方差解释量达42.6% (Radj2=0.401, F=17.08, P < 0.000 1)。重建结果显示,自1900年以来NDVI序列存在2个高值时期(1967—1978、1986—1995)和3个低值时期(1920—1925、1949—1954、1999—2004),NDVI的低值时期与该区域旱灾历史记录相吻合,因此干旱可能是导致该区域NDVI低值的主要原因;此外,砍伐、林火等因素也会导致NDVI值下降。结论建立树木年轮与NDVI的关系时应综合考虑NDVI投影范围和样地多树种组合以减少重建误差。
吉林北部山区长白落叶松林径向生长对气候干暖化的响应
陈彬杭, 温晓示, 张树斌, 柴世品, 孙晗, 王襄平
2018, 40(12): 18-26. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180333
摘要:
目的中国东北地区的气候干暖化对长白落叶松林构成了严重威胁,有待进一步探究林分因子(如林龄、密度、蓄积量等)如何与气候条件共同作用、影响树木径向生长对气候变化响应的相关机制。方法本研究基于吉林长白山北部余脉至老爷岭间的长白落叶松林的树轮宽度标准年表,分析了气候条件及林分因子对长白落叶松林的年轮—气候关系中的相对作用大小,以研究长白落叶松在气候变化下的响应机制。结果近30年来,研究区气候干暖化趋势显著,长白落叶松的生长明显受到气候变化的影响,气候条件和林分因子共同作用于年轮—气候关系,但前者的影响要大于后者。Palmer干旱指数对主成分第1轴的解释力为50.27%,表明水分条件的影响更为重要;林分因子中的林龄有显著作用,林龄大的林分更易受到温度升高的限制作用,其余林分因子则在本研究中没有表现出显著影响。结论在未来气候干暖化情境下,林龄较小的长白落叶松的生长会得到一定促进,但若林龄过大则会受到温度上升导致水分亏缺的限制作用,所以有必要采取经营措施以减小升温对林分的不利影响,以保证林分的持续发展。
不同产地东北红豆杉幼苗迁地保护的生长稳定性分析
吴世雄, 刘艳红, 张利民, 尚福强, 谭成权
2018, 40(12): 27-37. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180331
摘要:
目的通过控制试验研究东北红豆杉宽甸、本溪、和龙、汪清、穆棱5个产地幼苗的生长特征,旨在探讨东北红豆杉在潜在分布区的引种适应性,为其迁地保护提供理论基础。方法试验分别在山东、北京、辽宁、吉林4个试验点观测3年生苗,对其苗高、地径、冠幅等7个性状进行多地点联合分析和多重比较。另外,用AMMI模型对东北红豆杉苗高进行基因型(G)、环境(E)和基因型与环境(G×E)互作分析,比较不同产地东北红豆杉幼苗在不同生境下生长的稳定性。结果(1) 山东试验点各产地幼苗地径、侧枝数、最长侧枝长和当年抽梢长生长量表现最好,分别高于北京试验点的3.77、1.88、10.35和1.30倍。各试验点内的表型性状变异系数平均高达30%以上,说明幼苗更具有很高的遗传分化。(2)从方差分量来看,苗高、地径、冠幅、当年抽梢长生长量在地点间的方差分量分别为62.89%、64.37%、32.65%、52.34%,远大于其他差异来源,说明地点效应对东北红豆杉生长影响最大。平均保存率由高到低分别为97.49%(吉林)>92.16%(辽宁)>89.92%(山东)>85.64%(北京)。结论(1) 东北红豆杉生长性状除地径生长量在产地与试验地互作效应上差异不显著外,其他都具有极显著的产地、地点以及产地×地点的互作效应。山东、北京、辽宁试验点生长较好的是汪清产地幼苗;吉林试验点生长较好的是本溪产地幼苗。(2)和龙产地幼苗生长良好且稳定,适合在4个试验点进行大面积迁地保护;宽甸产地幼苗在4个试验点都表现最差且保存率低,不适合迁地保护。山东生长比北京好,表明可以对东北红豆杉进行往南迁地保护,前提必须做好产地幼苗筛选试验。
多时相高分辨率遥感影像的森林可燃物分类和变化分析
陈冀岱, 牛树奎
2018, 40(12): 38-48. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180269
摘要:
目的本文针对国内外利用多时相高分辨率遥感影像进行森林可燃物分类研究匮乏的情况,探索高分辨率影像的分类方法,并研究多时相森林可燃物分类结果的差异,以及与海拔、坡度变化的关系。方法以鹫峰林场为研究区,针对鹫峰林场内植被状况及以往研究成果,主要依据植物群落、林型和燃烧特性划分可燃物类别,研究对比不同森林可燃物类型的光谱特征曲线,建立遥感图像与森林可燃物的联系。选用GF-1号5、8、10月的遥感影像为原始数据,利用EnMAP-box中的支持向量机(SVM)算法、随机森林(RF)以及基于CART的决策树分类方法进行森林可燃物分类,将可燃物类别最终划分为:针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木林和非林地5种类别,并分别对其特征进行描述,之后将最优分类方法应用到多时相的遥感影像中,并使用变化检测算法来确定非防火期(5—10月)森林可燃物类型之间土地面积的变化情况。同时,我们将数字高程模型(DEM)分为4类(1类(< 250 m)、2类(250~500 m)、3类((500~750 m)和4类(>750 m)),坡度分3类:缓坡(< 15°)、斜坡(15°~35°)、陡坡(>35°),并使用Jenks方法分别对海拔和坡度每个类别土地面积变化计算百分比,研究随着海拔和坡度变化,森林可燃物面积的变化规律。结果划分的5种森林可燃物类别的光谱特征具有很好区分性,SVM分类最为准确,取得惩罚参数(C)为1 000和核参数(g)为10使得SVM分类模型达到最优,其总体分类精度为91.88%,Kappa系数为0.89,精度相对RF和CART分别提高了2.72%和9.36%。非防火期内(5—11月)森林可燃物类型变化有一定的规律,针叶林、混交林属于中等稳定类别,没有显著变化,分别保持93.74%和94.87%不变。相比之下,阔叶林和灌木林发生了较大变化,分别发生14.64%和13.36%。随着海拔的增加和坡度的变化,森林可燃物类型土地面积也发生了变化,海拔500~750 m和坡度16°~35°的土地上面积变化最大,达到了20%以上。结论多时相高分辨率遥感影像的森林可燃物分类中,基于SVM分类方法能够将可燃物更好地分类,且随着时间、海拔和坡度的变化,森林可燃物面积的变化有一定的规律,5—10月阔叶林和灌木林在海拔500~750 m和坡度16°~35°变化最大。
胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析
王平, 王东洋, 王晶, 姜立波, 邬荣领
2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
摘要:
目的幼苗期是植物生长发育的重要阶段,幼苗生长相关性状的研究对改善农作物以及林木的生产以及提高抗逆性具有重要意义。目前尚无研究对胡杨幼苗生长阶段相关表型的上位互作机制进行解析。方法本研究以包含408个单株的胡杨×胡杨杂交的F1代群体为实验材料,获取茎高、主根长、总侧根长和侧根数量4种表型动态生长数据;基于该群体所构建的高密度连锁图谱,通过功能作图和2HIGWAS对基因之间的上位互作进行定位。结果共侦测出QTL-QTL互作83对,包含83个SNPs。其中主根长、茎高、侧根总长、侧根数量分别检验出24对、20对、24对、15对显著QTL互作;主根长、茎高以及侧根总长较大比例的上位互作分别集中分布于连锁群1、19和17。另外对4个表型显著上位互作的QTLs进行功能注释,19个QTLs注释到候选基因。结论影响侧根总长的显著互作具有较高的遗传力,在连锁群17集中分布,可能是重要的候选基因区域,能够为胡杨以及林木分子标记辅助育种提供重要的借鉴。
落叶松毛虫对茉莉酸甲酯处理长白落叶松苗的行为反应
孟昭军, 林健, 王琪, 鲁艺芳, 王雷, 严善春
2018, 40(12): 60-67. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180036
摘要:
目的通过外源茉莉酸甲酯(MeJA)处理长白落叶松对落叶松毛虫寄主选择行为影响的研究,明确外源茉莉酸甲酯的诱导落叶松抗虫作用,为生态防治落叶松食叶害虫提供理论依据。方法本实验利用昆虫行为测定法,研究落叶松毛虫对不同浓度茉莉酸甲酯处理2年生长白落叶松苗的行为反应。结果茉莉酸甲酯诱导处理的松苗对落叶松毛虫雌虫具有很强的驱避作用,迫使其将大量卵产在对照处理松苗上;落叶松毛虫在用1、5或10mmol/L MeJA处理松苗上产卵量与对照相比分别减少47.21%~77.03%、43.18%~55.46%或71.80%~80.08%;落叶松毛虫雌虫对1、5或10mmol/L MeJA处理松苗的嗅觉反应率分别比对照降低49.24%、59.71%或43.68%~61.24%;而高浓度茉莉酸甲酯处理对落叶松毛虫嗅觉及产卵选择的影响更强。结论茉莉酸甲酯处理的长白落叶松明显影响落叶松毛虫雌虫的产卵和嗅觉选择行为,且存在浓度依赖关系,诱导影响持续3~5d。
粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03侵染楚雄腮扁叶蜂幼虫的扫描电镜及透射电镜观察
芦俊佳, 徐荣, 李永和
2018, 40(12): 68-75. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180230
摘要:
目的了解粉红粘帚霉对楚雄腮扁叶蜂幼虫的侵染过程,为粉红粘帚霉对楚雄腮扁叶蜂的致病机理研究提供参考。方法利用扫描电镜和透射电镜技术对粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03孢子侵染楚雄腮扁叶蜂幼虫体表过程及其超微结构的变化进行观察研究。结果扫描电镜结果显示,接种6 h后,粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03分生孢子成功附着于幼虫体壁的气门、节间膜等部位;接种14 h后,粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03孢子萌发出芽管,并侵入体壁;接种26 h后,孢子和菌丝穿透楚雄腮扁叶蜂幼虫体壁,且菌丝迅速生长;接种72 h后,菌丝穿出虫体表面,并长出产孢结构。透射电镜观察发现粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03菌丝在穿透幼虫体壁过程中,会伴随酶的参与和组织溶解现象;接种6 h后,粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03分生孢子附着于幼虫体壁的两个节间褶间的部位;接种14 h后,分生孢子萌发并进入表皮细胞层分泌物中;接种26 h后,菌丝侵入表皮并扩展蔓延,且在菌丝周围出现电子密度很低的光晕;接种38 h后,皮细胞层细胞排列松弛变成空泡;接种48 h后,菌丝充满虫体,表皮层出现大量菌丝。结论粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03孢子及菌丝能寄生楚雄腮扁叶蜂幼虫,并可致其死亡。观察结果准确反映了粉红粘帚霉SWFUYHL 02-03对楚雄腮扁叶蜂幼虫的侵染过程,并证实了侵染过程中酶与代谢产物的存在。
复配芽孢杆菌对撑绿杂交竹枯萎病的生物防治效果研究
李凤, 刘会涛, 田莎, 刘应高
2018, 40(12): 76-84. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170320
摘要:
目的通过对比单一芽孢杆菌和复配芽孢杆菌对撑绿杂交竹枯萎病的防治效果,为开发防治撑绿杂交竹枯萎病的稳定高效、低成本的复合菌剂提供理论基础。方法本文制备了解淀粉芽孢杆菌B01-2、枯草芽孢杆菌B23-1以及二者的复配菌株的发酵滤液,并采用菌丝生长速率法、孢子萌发法和盆栽试验法,研究了各菌株发酵产物对病原菌尖孢镰刀菌菌丝生长、孢子萌发以及对杂交竹抗性生理指标的影响。结果复配芽孢杆菌处理对病原菌抑制效果显著高于单一菌株。复配芽孢杆菌菌落直径和孢子萌发率分别为1.9 cm和8.8%;单一菌株B01-2和B23-1的菌落直径与孢子萌发率分别为3.4 cm、4.1 cm和17.8%、31.0%;盆栽防效试验中,芽孢杆菌处理组的枯萎病发病率比对照低。复配芽孢杆菌的发病率(50%)较单一菌株B01-2(60%)与B23-1(60%)更低;复配芽孢杆菌对撑绿杂交竹枯萎病的防治效果达到81.5%,高于单一菌株B01-2(70.4%)与B23-1(63.0%)。杂交竹叶片生理指标测定表明,3种处理的发酵液都能诱导激发杂交竹体内的过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)防御酶的活性,降低杂交竹叶片叶绿素的分解和减少丙二醛(MDA)的生成,触发植物的系统抗病性,增强植株免疫能力。此外,复配菌株较单一菌株对杂交竹叶片的生理指标的影响更明显。结论复配芽孢杆菌具有强大的拮抗活性,在室内盆栽苗条件下能够有效防治撑绿杂交竹枯萎病,具有潜在的应用开发前景。
园艺学
基于SSR标记和单拷贝核基因的蔷薇属植物系统发生分析
杨晨阳, 于超, 马玉杰, 罗乐, 潘会堂, 张启翔
2018, 40(12): 85-96. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180088
摘要:
目的通过深入分析中国产野生蔷薇属植物的遗传背景,为其品种演化、系统分类提供分子学依据,也为种间杂交亲本的选择提供一定的指导,从而为进一步开发我国丰富的野生蔷薇属植物资源提供理论基础。方法本研究以50份蔷薇属植物样本、42个种或品种为研究对象,运用SSR标记及单拷贝核基因GAPDH对其遗传多样性进行分析。利用MAC-PR理论预测不同倍性蔷薇属植物的SSR基因型。结果在29个SSR位点上共计检测出382个等位基因变异,多态性信息含量介于0.413 9至0.934 0之间,平均值为0.798 9。计算Bruvo遗传距离并构建了邻接树,解决了SSR标记在不同倍性样本之间应用困难的问题。同时基于GAPDH基因序列片段构建了50个样本的贝叶斯树。基于SSR标记构建的系统发生树显示,50个样本聚成了6个分类群,月季组、桂味组样本聚类效果较好,而其他种类与现有分类系统差异较大。通过测序及克隆成功获得了所有样本的GAPDH基因序列片段,其中,比对后的序列长度为841 bp,变异位点数164个;基于GAPDH基因的聚类结果与现有的分类系统也有较大的差异。结论蔷薇属植物基于遗传关系的分类体系与现有的植物学分类系统有较大的差别。月季组、合柱组间遗传关系十分紧密;芹叶组、桂味组没有形成单系类群,这两组间可能存在着基因交流事件;小叶组中两个种没有很近的亲缘关系。
风景园林
基于SWMM模拟的首钢西十地块低影响开发系统雨洪调控效果研究
于淼, 戈晓宇
2018, 40(12): 97-109. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180324
摘要:
目的根据《新首钢高端产业综合服务区控制性详细规划》要求,首钢西十项目以消纳北京市3年一遇24 h降雨量(108 mm)为目标进行低影响开发系统设计,从雨水渗透滞留与储存利用两个角度考虑,以西十地块的现状特征为依据制定相应的设计策略。方法针对渗透滞留系统,通过SWMM建立低影响开发模型和传统开发模型,模拟不同重现期(1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇)24 h降雨条件下的径流排放过程,对比分析两种开发模式的径流总量、峰值流量和峰现时间;针对储蓄利用系统,通过SWMM模拟2017年全年降雨过程,以周为单位统计外源雨水调蓄池收集的径流总量,与西十地块植物灌溉需水量相比较,分析雨水调蓄池中收集径流的利用情况。结果(1) 依据场地现状在其内部设计绿色屋顶、透水铺装、下凹绿地、植草沟、生物滞留池、雨水调蓄池6种LID设施,在1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇的降雨条件下,西十地块低影响开发系统对径流总量的削减率为100%、100%、100%、78.79%、50.41%、34.73%;对峰值流量的削减率为100%、100%、100%、70.12%、33.33%、19.44%,1~3年重现期峰值消失,其后峰值出现时间推迟375、310、240 min。(2)2017年,外源雨水地块雨水调蓄池接纳径流总量9 617 m3,径流收集主要集中在第25~35周,单周最大收水总量为2 078 m3,发生在第27周(6月初),第1~20周、43~52周收水量基本为0;2017年第25周、第27周、第29~32周、第34~35周、第41周雨水调蓄池收集径流量在满足本周灌溉需求后仍有余量,冬季雨水调蓄池空置率较大。结论(1) 低影响开发设施对雨洪问题具有良好的调控效果,可以减少径流总量、峰值流量和推迟峰现时间,但随着时间的推迟削减能力逐渐减弱。低影响开发系统的雨洪调控能力具有上限。(2)根据北京市2017年全年降雨量日值统计,外源雨水地块雨水调蓄池中径流收集的利用率为43.65%,有30周(210 d)雨水调蓄池空置率为100%,较为浪费。在进行低影响开发系统设计时,应综合考虑成本造价等因素。
林业工程
一种欠驱动双板分离式采摘器的研制
罗海风, 谭月胜
2018, 40(12): 110-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180374
摘要:
目的采摘是林果种植中的劳动密集型作业,果园中的果实采收环境较为复杂,我国采摘机具的行业研究相对薄弱,采摘机器人等高科技装备在当前果园采摘中的实际应用还具有一定的局限性,因此发展辅助人工摘果装备具有切实的社会和经济意义。方法针对球形带梗果实,以苹果为例提出了果梗锁定—枝果分离的采摘方法,并设计完成了相应采摘器。采摘器整体结构为欠驱动布局,以曲柄摇杆机构为原型设计了果梗锁定机构,构造了固定板、浮动板结构的双板枝果分离机构,利用摇杆滑块机构作为手持驱动单元,利用钢丝和绕线丝轮的传动方法将滑块的输出运动首先传递到曲柄摇杆机构,驱动结构和尺寸对称的两套果梗锁定机构对果梗进行锁定,果梗锁定后继续驱动浮动板向下移动与固定板分离完成摘果。结果分析了驱动单元和果梗锁定机构的几何参数,驱动单元的手柄转动5.5°即可使摘果器完成87°的果梗锁定和50 mm的双板分离动作,果梗锁定机构在锁定果梗时处于反向死点位置,保证了锁定的可靠性。应用Adams软件仿真了采摘器的果梗锁定和双板分离动作,验证了采摘器欠驱动结构的设计可行性,并对输出曲线在锁定果梗过程中的振动情况进行了解释;对采摘过程中的驱动力进行了仿真。采摘器样机实验顺利完成了锁定果梗—枝果分离的顺序采摘动作。结论枝果分离的采摘方法和欠驱动双板分离式采摘器在实际应用中具有可操作性,可用于发展人工辅助采摘机具。
三聚氰胺浸渍纸贴面中纤板气味释放分析
李赵京, 沈隽, 蒋利群, 李新兵, 董华君, 王启繁
2018, 40(12): 117-123. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180272
摘要:
目的为了探究贴面处理对中纤板气味释放浓度和强度的影响,比较分析贴面处理后的中纤板与其素板的TVOC及各组分的气味浓度和强度的差异。方法采用1 m3气候箱法对三聚氰胺浸渍纸贴面中纤板及其MDF素板进行气体采样,利用气相色谱-嗅闻-质谱联用仪确定气味特征化合物。结果三聚氰胺浸渍纸贴面中纤板的气味总质量浓度比其MDF素板降低了21.06%;贴面处理后板材释放的芳香烃、醛酮类气味特征化合物质量浓度分别增加了16.88%、3.08%,酯类、烯烃类、醇类和无气味化合物质量浓度分别降低了7.74%、4.34%、0.20%和7.68%;三聚氰胺浸渍纸贴面中纤板气味特征化合物释放的种类比其MDF素板增多,但其气味强度均比较弱;气味特征化合物的气味分为苦味、焦味糊味、清香味、烤甜味、芳香味、青草味这6种类型;邻苯二甲酸二丁酯、癸醛、2-乙基-1-己醇、苯在贴面与未贴面的板材气味释放中均被检测到, 且在素板中的质量浓度、气味强度均要高于三聚氰胺浸渍纸贴面中纤板中的质量浓度、气味强度;MDF素板经过贴面处理后,气味类型虽然增加,但气味强度均属于稍可察觉(气味等级≤2),对板材的整体气味强度贡献不大。结论三聚氰胺浸渍纸贴面会抑制气味特征化合物的释放,降低其质量浓度和气味强度,且同一种气味特征化合物的质量浓度会在一定程度上影响其气味强度的大小。
一种融合聚类和分类算法的树木图像多目标优化分割方法
王晓松, 杨刚
2018, 40(12): 124-131. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180160
摘要:
目的结合树木图像颜色和纹理特征,融合聚类和分类算法对树木图像进行多目标优化分割,从而提高自然背景下树木图像分割的准确性。方法首先,利用MSCC框架理论,解决聚类和分类目标函数同时依赖于聚类中心的问题。然后,分别选定聚类性能评价指标函数和分类性能评价指标函数。最后,采用多目标进化优化方法——NSGA-II算法进行优化,得到Pareto前端最优解集,并通过计算聚类有效性指数I的最大值,寻找最优解决方案。选择具有代表性的法国梧桐、侧柏、松树和杏树等自然背景下拍摄的4幅图像作为样本。分别采用K-means、Fuzzy C-means、对聚类目标函数进行单目标优化,采用MOPSO方法进行多目标优化,以及NSGA-II方法进行多目标优化等5种方法对样本图像进行分割比较。结果在聚类中心数量相同、种群大小相同、遗传代数相同的条件下,指数I的值表明本文提出的分割方法优势显著。对于4类不同样本图像分割的指数I值进行对比可知,以HF指数为单目标函数进行遗传优化的结果优于单一使用K-means和FCM算法;MOPSO多目标优化方法分割结果优于单目标优化结果;基于NSGA-II优化的多目标函数分割结果又优于MOPSO多目标优化结果。结论融合聚类和分类算法构建聚类性能评价指标函数和分类评价性能指标函数,并采用非支配排序遗传算法对多目标函数进行优化,能更好地保留树木图像的颜色和纹理特征,分割准确率显著提高。
基于双路卷积神经网络的植物叶片识别模型
于慧伶, 麻峻玮, 张怡卓
2018, 40(12): 132-137. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180182
摘要:
目的针对卷积神经网络识别植物叶片过程中,叶片边缘形状对卷积层的过度作用而导致相似边缘形状叶片识别错误的问题,提出了一种双路卷积神经网络的植物叶片识别模型。方法模型考虑了叶片信息的边缘形状与内部纹理特征,构建了双路卷积神经网路结构,其中形状特征路径运用7层卷积层的网络结构,前3层采用大尺寸11×11及5×5的卷积核提取大视野特征,完成叶片形状特征提取,另外4层卷积层采用3×3小尺寸卷积核提取叶片细节特征;纹理特征路径采用6个3×3卷积核的卷积层,提取叶片纹理图像细节特征;然后通过特征融合层将两类特征相加为融合特征,并利用全连接层对植物叶片种类进行识别。结果实验结果表明,双路卷积神经网络模型与单路卷积神经网络和图像处理分类识别模型相比,在Flavia叶片数据集与扩充植物叶片数据集上,Top-1识别准确率分别提高到了99.28%、97.31%,Top-3识别准确率分别提高到了99.97%、99.74%,标准差较其他识别与分类模型下降到0.18、0.20。结论本文提出的叶片识别模型能有效避免相似叶片边缘形状干扰而导致识别错误的问题,可以提高植物叶片的识别准确率。