基于地面LiDAR数据的塔里木河下游胡杨林结构参数反演

以塔里木河下游天然胡杨林为研究对象,利用Riegl VZ-1000型地面激光扫描仪(Terrestrial Laser Scanning, TLS)获取离河道不同距离的8个样方内513棵胡杨的三维点云数据,通过建立冠层高度模型、Hough变换等方法获取单木株数和结构参数,并与传统的每木检尺实测数据和无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)低空影像进行对比,验证激光雷达方法的测树精度;对TLS获取的胡杨树形参数进行相关性分析,并建立关系模型;探讨不同水胁迫条件(不同离河道距离,不同地下水埋深)对胡杨单木结构参数的影响;最后按不同径级划分胡杨的年龄,得出各龄级胡杨所占比例。结果表明:(1)TLS能够高精度获取不同密度和长势的胡杨单木株数和结构参数,单株准确分割比率为94%—100%,相对于UAV低空影像更为准确;(2)TLS获取的胡杨树高(Tree height,TH)、胸径(Diameter at breast height, DBH)、冠幅直径(Crown diameter,CD)和冠幅面积(Crown area,CA)与传统实测值拟合度R~2较高,分别为0.95、0.97、0.77和0.84,表明实测数据和TLS获取数据无明显差异;(3)胡杨CD、CA分别与TH呈显著正相关,其相关性系数为0.73、0.67;基于此构建了胡杨TH与CD的关系模型,即TH=2.6274×CD~(0.706),R~2为0.64;(4)根据径级划分胡杨年龄段可知,DBH为15—30 cm的近熟林比例最大,占8个样方内监测胡杨总株数的47%,表明胡杨种群年龄结构相对稳定并总体态势良好,呈现了生态输水对塔河下游胡杨种群恢复有明显的促进作用。总之,激光雷达技术能够客观反映胡杨树形结构参数,可替代耗力、耗费、耗时的传统实测方法,为时时掌握胡杨林生长发育、长势动态以及多尺度、多时相生态耗水研究提供高精度信息,为干旱区荒漠河岸林的有效保护与可持续管理提供科学依据。     

迁飞昆虫生物学参数反演及种类辨识分析

虫害严重威胁着我国的粮食安全,迁飞昆虫中有许多是农业害虫,其远距离迁飞是导致虫害异地暴发的重要原因.昆虫雷达是观测昆虫迁飞最有效的工具,在迁飞昆虫的监测和预警中发挥着越来越重要的作用,但传统昆虫雷达不能准确获取昆虫的各项生物学参数,因此无法实现昆虫种类的精确识别.随着雷达技术的创新和发展,通过昆虫雷达获得较为准确的昆虫生物学参数成为可能,为基于昆虫雷达实现迁飞昆虫个体种类辨识提供了依据.本文综述了从雷达回波中提取多频和极化散射参量,然后基于不同的电磁散射反演昆虫生物学参数的方法,并对比分析了基于不同方法的昆虫体重、体长、体宽和振翅频率的反演精度.最后基于生物学参数,采用5种机器学习算法以高精度实现了 23种迁飞昆虫的种类辨识,并分析了昆虫生物学参数的测量误差对迁飞昆虫种类辨识精度的影响,初步验证了利用雷达实现高精度迁飞昆虫种类辨识的可行性.     

古田山亚热带常绿阔叶林粗根空间分布特征及影响因子分析——探地雷达途径

粗根在森林生态系统内扮演重要角色,粗根空间分布不仅与环境因素有关还受到生物因素的影响,根系密度可以在一定程度上反映森林群落地下生长及种间竞争情况.根系研究一直是生态学领域极具挑战性的工作,传统的挖掘法具有费时、费力、破坏样地、不能连续测定等缺点.在自然保护区,原则上禁止使用破坏性取样方法进行研究.因此,应用非破坏性方法进行森林粗根研究具有重要的实践意义.应用探地雷达技术,对古田山自然保护区24公顷监测样地内山脊、山坡、山谷3种生境及胸径大于50 cm优势树种甜槠、木荷的地下粗根密度进行研究.结果发现:(ⅰ)探地雷达探测3种生境粗根密度均值为88.04 roots/m2.粗根主要集中在地表0~40 cm土层范围,土壤深度增加,粗根密度迅速下降.粗根密度集中于树种周围,较开阔样地或距树木一定距离处粗根密度较低;(ⅱ)山脊、山坡、山谷间总粗根密度差异显著,山脊、山谷粗根密度大于山坡;优势种甜槠粗根密度大于木荷.直径>3 cm的粗根在山谷分布数量显著大于山坡、山脊,该部分粗根在20~40 cm土层密度值最大;(ⅲ)粗根密度随树种丰富度的增加而显著降低,优势树种甜槠、青冈、马尾松个体数对粗根分布有影响显著;(ⅳ)0~40 cm是粗根的"基础分布层",大部分粗根分布于此范围,粗根密度均值为84.18 roots/m2,与地形变化、树种丰富度、稀疏树种丰富度、地上树木密度均没有显著回归关系;40~60 cm土层,环境与生物因素均会影响粗根密度的大小,是森林根系减小空间重叠、邻根干扰、缓解竞争压力的"潜在分布层".研究表明,应用探地雷达技术可以实现对粗根空间分布及影响因子较准确、有效的非破坏性研究.     

基于非线性热扩散效应的亚衍射极限光声二次谐波显微成像技术

本文提出了一种基于非线性热扩散效应的光声二次谐波显微SH-PAM成像技术,用于实现亚衍射极限光声成像。生物组织受到强度调制的高斯激光束辐射时,组织吸收光子形成高斯分布的温度场,由于热扩散系数非线性热效应引起的非线性光声PA效应,从而产生光声二次谐波信号。模拟和试验结果均表明,重建后的光声二次谐波成像的横向分辨率超过了传统光学成像分辨率。本文通过仿体样品验证了该方法的可行性,并且对人表层皮肤细胞进行了成像,以证明其对生物样品的成像能力。该方法扩展了传统光声成像的范围,为超分辨成像开辟了新的可能性,为生物医学成像和材料检测提供了新的方法。     

水果形状的傅里叶描述子研究

水果的形状是水果分级的重要指标之一。本文研究了不规则物体形状的数学描述方法,认为在水果的分级过程中采用曲线拟合的方法来描述水果的形状是不合适的;提出了仅需利用物体的边界信息求物体的形心坐标和描述果形的新方法;发现用Fourier描述子的前4个谐波分量的变化特性就能较好地代表水果的形状,用前15个谐波分量来描述形状则可以达到相当高的精度。而且傅立叶描述子可以进行平移、旋转和缩放,并具有很强的水果外形重建功能,是一描述水果形状的非常有效的方法。     

生物组织背向SHG和TPEF的影响因素

由于生物组织的复杂性和多样性,以及样品制备等因素的影响,实验观察到的生物组织的背向二次谐波(second harmonic generation,SHG)和双光子激发荧光(two-photon excitation fluorescence,TPEF)效应的差异较大。以鼠尾组织作为实验对象,共40个切片,分为横向和纵向、HE染色和未染色四组,采用飞秒激光器作为激发光,用双光子激光扫描共焦显微镜(two-photon laser scanning confocal microscope,TPLSCM)观察和分析了样品在不同的制备方式、激发波长、激发功率、扫描深度等条件下的背向SHG和TPEF的变化曲线,讨论和比较了生物组织的背向SHG和TPEF的影响因素以及二者之间的异同,并尝试对实验现象做出了一定的解释。     

柑橘大实蝇成虫的翅载和额外负载能力

对柑橘大实蝇Bactrocera (Tetradacus) minax (Enderlein)的有效管理受阻于对其成虫运动行为的较少的认识。通过测定其成虫翅载能力和忍受额外负载重量的能力, 从而确定其成虫所携带不同的额外负载的电子标签重量对其正常起飞的影响程度, 为制作合适的昆虫谐波雷达的电子标签提供技术参数。其雌雄成虫的翅载能力并没有随着成虫个体重量增加而降低, 也没有因为性别不同而存在差异。成虫经过正常取食和饥饿（只喂清水）变化处理, 其成虫平均净载重量约为11 mg。来自网室成虫忍受额外负载试验结果表明, 成虫额外负载7.3 mg重量或为占其自身体重大约23%重量对于其向上起飞行为有较少或没有直接的影响。结果进一步表明, 在确定昆虫谐波雷达技术跟踪其成虫携带的电子标签适合性时, 选择的电子标签的重量不能超过7.3 mg。     

普氏蹄蝠下丘谐波内外神经元处理多普勒频移补偿信息的差异

为了探讨普氏蹄蝠下丘神经元在处理多普勒频移补偿后回声定位信号中的作用,实验采用双声刺激模式模拟蝙蝠不同飞行状态下产生多普勒频移补偿后的脉冲-回声对,即发声频率改变,回声频率维持恒定的情况下,研究下丘神经元对不同补偿值下的回声反应恢复率.结果发现:根据神经元在某一补偿值下对回声信号反应的恢复率是否超过70%,可将其分为具有选择性(S)和无选择性(NS)的两类神经元.且谐波内S神经元所占比例(68%)远超过非谐波内S神经元(39%).分析神经元的发放模式发现谐波内S神经元中相位型发放模式比例(44.3%)明显高于其他三种类型神经元.另外,虽然S和NS神经元的强度-潜伏期函数类型均以饱和型为主,但谐波内S神经元强度-潜伏期函数的最佳强度(best amplitude,BA)(95.3±14.0)dB SPL低于NS神经元的BA(104.1±10.2)d B SPL(P0.01),同时也低于非谐波内S神经元的BA(109.7±7.9)dB SPL(P0.01).以上实验结果表明,在下丘水平,神经元就已对多普勒频移补偿后回声定位信号的处理有了分工,集中在谐波内的S神经元通过提高对某一补偿值下回声信号反应的恢复率实现,对回声信息的精确编码,避免其他杂波干扰信息.同时,谐波内S神经元的发放模式和强度-潜伏期函数特点也满足其在复杂环境中精确声学成像的需求.     

2016年华北南部二代二点委夜蛾成虫迁飞的雷达观测

【目的】为了明确玉米新发害虫二点委夜蛾Athetis lepigone的迁飞行为,为该虫的区域性监测预警提供依据。【方法】2016年7月在华北南部的新乡市原阳县,利用旋转极化垂直昆虫雷达和高空诱虫灯观测了2代二点委夜蛾成虫在空中的迁飞行为,利用轨迹分析软件HYSPLIT分析该虫的迁飞范围。【结果】2代二点委夜蛾成虫在日落后(19:00左右)开始起飞,2 h后达到最大值,二点委夜蛾成虫最大高峰时间主要出现在前半夜,次日凌晨虫量逐渐降低,至7:00左右迁飞活动停止,整个迁移活动持续12 h。二点委夜蛾成虫在空中成层分布,其最髙飞行高度低于1 200 m,但虫量最大处位于600-700 m。第2代二点委夜蛾成虫每晚的平均最长飞行时间为7.972 h,平均位移速度为9.12 m/s,每晚平均最远距离大约为261.74 km。结合风场和轨迹模拟分析表明,7月份二点委夜蛾以北迁为主,河南中部的漯河及许昌等地区是雷达观测点二点委夜蛾峰值时的直接虫源区,其余来自邻近区域。【结论】本研究明确了华北南部地区2016年2代二点委夜蛾在空中的迁飞参数及迁飞范围。     

粘虫成虫在气流场中飞行行为的观察研究

通过改进悬吊测飞技术、室内风洞和野外雷达相结合的观测方法,研究了粘虫在气流场中的飞行行为特征及其与气流的关系。直筒风洞自由飞行观测的结果表明,粘虫蛾对气流有明显行为反应,表现为头部迎风起飞和迎风飞行的特性;在3.0～5.5 m/s风速下,有92%～94% 的个体可一次逆风飞行通过2 m长的风洞;当风速≥6.0 m/s时,有71.9%的蛾子沿螺旋状的飞行轨迹逆风通过风洞。环形风洞悬吊飞行测试的结果表明,粘虫可逆风飞行的最大风速为7.2 m/s;在风速≤4 m/s条件下,90%以上个体头部迎风飞行或头部朝向与风向成一定的夹角,侧逆风飞行。 雷达观测发现粘虫在空中迁飞过程中具有成层现象,并有较强的秋季回迁定向行为,其头部总是朝向西南;迁飞的最终位移与风向及风速大小有关,迁飞位移速度是飞行速度与风速的矢量和。