青貯飼料裹包密度分布的可視化檢測方法

孟繁佳　孟德倫　孫偉

摘要：青貯飼料裹包密度是衡量青貯飼料質(zhì)量的重要因素。應(yīng)用統(tǒng)計理論來分析圓錐指數(shù)進而評價青貯飼料裹包密度的方法已很普遍，但其無法充分解釋密度分布的位點信息。因此，在傳統(tǒng)統(tǒng)計方法的基礎(chǔ)上，引入基于地統(tǒng)計理論的可視化屬性圖來解析青貯飼料裹包密度。試驗對由2種不同構(gòu)造的打捆機填充而成的青貯飼料壓實密度進行了測定，結(jié)果表明傳統(tǒng)統(tǒng)計理論與可視化屬性圖相結(jié)合的方法能為分析青貯飼料裹包密度分布性提供一種更為直觀、可靠的方法。

關(guān)鍵詞：青貯飼料;裹包密度;容重;圓錐指數(shù)儀;地統(tǒng)計理論;可視化檢測方法

中圖分類號： S816.5+3

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）02-0221-05

收稿日期：2017-08-21

作者簡介：孟繁佳（1983—），男，博士，高級實驗師，主要從事精細(xì)農(nóng)業(yè)智能傳感技術(shù)研究。E-mail：mengfanjia@126.com。

通信作者：孫 偉，女，博士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究。E-mail：sunwei1028@126.com。

牧草裹包青貯是在傳統(tǒng)青貯的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的一種新型的飼草料加工及貯存技術(shù)，青貯飼料裹包密度是影響飼料質(zhì)量的重要因素[1]。高密度、低孔隙率青貯能在最大程度上減少秸稈間的殘留空氣，抑制氧化損耗，減少青貯因內(nèi)部溫度過高而發(fā)生霉變的風(fēng)險[1-4]，同時裝填良好的青貯能增加單位儲量[5-6]、減少儲備成本[7]。目前用于檢測青貯飼料質(zhì)量的方法主要有：傳統(tǒng)稱質(zhì)量法，即根據(jù)稱量單位體積內(nèi)青貯飼料的質(zhì)量評價裹包質(zhì)量;化學(xué)分析檢測法，根據(jù)檢測結(jié)果（碳水化合物含量、丁酸含量、乙酸含量、pH值）及相關(guān)分級體系，對發(fā)酵過程進行評估[8-10];此外，專業(yè)人員可根據(jù)對青貯飼料顏色、氣味與結(jié)構(gòu)感觀印象作出評價[8]。在歐洲發(fā)達國家，研究人員已將雷達和γ射線等應(yīng)用于掃描青貯飼料獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)[11-12]，然而由于雷達成本高和γ射線對人體存在潛在的危害，加之兩者標(biāo)定過程的復(fù)雜性，使其難以被普遍采納應(yīng)用。圓錐指數(shù)儀作為一種新型測量工具，與其他測量方法相比具有標(biāo)定過程簡單、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢[13]，從而得到廣泛使用。此外，已有研究是在傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法與一維曲線圖的基礎(chǔ)上分析圓錐指數(shù)，進而評價青貯飼料的密度，但該方法不能充分解析密度分布的位點信息。因此，本研究利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法結(jié)合能夠充分體現(xiàn)位點信息的可視化屬性圖解析青貯飼料密度，這具有一定的現(xiàn)實意義，也為檢測青貯質(zhì)量提供一種更為簡便、直觀、可靠的手段。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用電機驅(qū)動式圓錐指數(shù)儀測量圓裹包青貯飼料密度分布。ASABE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，圓錐指數(shù)儀在測量過程中應(yīng)保持恒定的速率[14]，以避免由于工作速率變化導(dǎo)致的測量誤差[15-16]。自行研制的電機驅(qū)動式圓錐指數(shù)儀如圖1所示[17]，由機械框架，變速與齒輪/齒條傳動機構(gòu)，直流電機，精密力學(xué)傳感器，霍爾電流傳感器，深度測量傳感器及其對應(yīng)的信號放大、存儲、顯示以及電機控制與保護等電路組成。按照ASABE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定其恒定速率為30 mm/s，采樣頻率為 10 Hz，最大垂直行程為 700 mm。直流電機的工作電壓和最大輸出功率分別為12 V和99 W。壓力測量采用應(yīng)變式壓力傳感器，其放大信號的靈敏度為5 mV/N。深度傳感器采用線性精度為±0.25%、電阻值為10 kΩ的電位計，裝置于直流電機軸上，當(dāng)圓錐桿上下移動時，通過齒輪/齒條傳動機構(gòu)使電位計以5 mV/mm線性改變。使用PDA作為數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率為10 Hz。

為進行對比試驗，選取由2種不同結(jié)構(gòu)打捆機裹包的青貯飼料，目前國內(nèi)針對2種打捆機尚未有明確命名，本研究暫稱其為固定腔式打捆機（RP 235，WELGER）和活動腔式打捆機（Variant 385，CLAAS）。固定腔式打捆機裹包而成的青貯特點是內(nèi)軟外硬，即形成軟心結(jié)構(gòu)，而活動腔式打捆機裹包形成硬心結(jié)構(gòu)[18]。選取6捆由固定腔式打捆機裹包而成的青貯（bale 1～bale 6）和1捆由活動腔式打捆機裹包而成的青貯（bale 7），7捆青貯原料均為黑麥草，其參數(shù)及其原料草切碎分布情況見表1和表2。

1.2 試驗取樣設(shè)計

沿裹包青貯飼料軸向每隔20 cm測量1組圓錐指數(shù)，徑向深度從圓周到圓心每5 mm記錄1點數(shù)值，共6組，然后翻轉(zhuǎn)180°，對應(yīng)位置按同樣方法測量。將角度1和角度2共12組圓錐指數(shù)數(shù)據(jù)對應(yīng)合并為6組，由此得到青貯軸向剖面采樣數(shù)據(jù)。采樣平臺如圖1所示，采樣方案如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)前期處理

由于青貯內(nèi)部存在隔層塑料膜，使得隔層表面凹凸不平，這會造成圓錐測試儀在測量過程中產(chǎn)生極大值和極小值。因此，分析前須要根據(jù)域值識別法對數(shù)據(jù)進行前期處理，避免奇異值的存在掩蓋數(shù)據(jù)內(nèi)部固有的空間結(jié)構(gòu)。采用“樣本平均值m±3倍標(biāo)準(zhǔn)差δ”，在此區(qū)間（m±3δ）以外的數(shù)據(jù)均視為奇異值。由于樣本數(shù)據(jù)量充足，本研究采用剔除異常值的處理辦法。 經(jīng)域值分析處理后， 數(shù)據(jù)各參數(shù)值（表3）較符合正態(tài)分布，后續(xù)相關(guān)計算均采用域法處理后的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計分析

由表3可以看出，在采用固定腔式打捆機裹包的青貯bale 1～bale 6中，bale 3平均圓錐指數(shù)值則最小，bale 5最大。由表2可知，bale3所含原料草的平均長度最大，bale 5最小。將原料草的平均長度與平均圓錐指數(shù)值進行線性回歸，結(jié)果如圖3所示。由此可推斷出青貯壓實密度與原料草切碎長度成反比關(guān)系，即原料草長度越短，其壓實密度越大。在7捆青貯中，bale 7的平均圓錐指數(shù)值最大，平均值為629.90 N，同時試驗中測得數(shù)據(jù)的最大值也產(chǎn)生于bale 7，而bale 7的容重（0.492 g/cm3）（表1）也最大。從上述結(jié)果可知，活動腔式打捆機能夠裹包出密度更大的裹包青貯飼料。從均方差統(tǒng)計結(jié)果來看，bale 3圓錐指數(shù)值比其他捆更為平滑，即bale 3密度分布更為均勻，后面的插值分布圖能很好地證實這一點。由bale 1～bale 6的比較分析可推論出：（1）打捆壓力過大容易造成受力不均，從而致使整體裹包密度分布不均勻;（2）調(diào)節(jié)原料草長度能夠調(diào)節(jié)裹包密度分布，增加原料草長度可使捆裹密度相對均勻，但同時卻減少了青貯飼料的平均裹包密度，因此制作青貯飼料時須選擇適當(dāng)?shù)睦Χ群驮喜蓍L度。

2.2 可視化分析

為了進一步透視青貯裹包飼料內(nèi)部壓實情況，本研究以4份青貯樣本為例（3捆固定腔式bale1、bale2、bale3和1捆活動腔式bale7），嘗試應(yīng)用地統(tǒng)計理論在小尺度（約1.2 m×1.2 m）上進行插值分析。使用Vesper軟件，以Kriging插值法對點數(shù)據(jù)進行空間內(nèi)插，然后利用ArcGIS 9.2進行可視化處理，并對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計[19-21]。

2.2.1 普通克里格預(yù)測 從圖4可以看出，總體而言，半方差函數(shù)隨著距離的增加而增加，當(dāng)步長從40 cm增加至70 cm時，半方差函數(shù)在該距離上的變化相對穩(wěn)定;而當(dāng)步長超過70 cm時，半方差呈現(xiàn)不規(guī)則波動。因此，本研究在進行空間變異結(jié)構(gòu)建模時采取最大建模距離為70 cm時，利用帶基臺直線半方差模型對青貯飼料取樣圓錐指數(shù)進行擬合，特征參數(shù)列于表4，表中空間自相關(guān)距離（即表4參中的變程）均大于20 cm。這一分析結(jié)果表明，本研究所采用的采樣間隔（20 cm）可以滿足數(shù)據(jù)分析需要。同時由2種打包機捆裹而成的青貯飼料內(nèi)部的半方差函數(shù)在變程和半方差兩方面均存在明顯差別，從側(cè)面反映了2種打包機工作機制的不同。但由于此次試驗中硬心結(jié)構(gòu)裹包青貯飼料只有1個樣本，對于形成這一結(jié)論缺乏充分說服力，將在以后試驗中加以驗證。

應(yīng)用ArcGIS 9.2對Kriging插值后的結(jié)果進行可視化處理，生成軸向剖面屬性圖（圖5）。從圖5可以看出，bale 1、bale 2和bale 3均中心密度小，而bale 7則相反，中心密度大，這與實際機械打包方式相符。觀察屬性圖中藍色域（圓錐指數(shù)值大的區(qū)域）分布比例情況，同樣可以得出bale 7具有較大的裹包密度。從屬性圖中可以直觀地看到以相同方式打包的bale 1、bale 2、bale 3，其密度分布逐漸均勻，這與前面的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差分析結(jié)果相符。另外，從右側(cè)域值圖例可以驗證這一結(jié)論，在bale 1中4個域值才能包括75%的數(shù)據(jù)，bale 2、bale 3依次遞減，從這一角度同樣可以反映出數(shù)據(jù)的分散情況，即裹包密度的均勻程度。

2.2.2 預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性驗證 從每組數(shù)據(jù)中隨機選取50個數(shù)據(jù)點作為驗證集，其余數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，用訓(xùn)練集擬合半方差模型，對驗證集的50個數(shù)

據(jù)點進行預(yù)測。將這4組共200個校驗數(shù)據(jù)對混合，從中隨機選取50個，其預(yù)測結(jié)果與測量值的回歸結(jié)果如圖6所示，回歸決定系數(shù)為0.86。這一結(jié)果驗證了小尺度上應(yīng)用地統(tǒng)計理論插值預(yù)測的可行性，且能夠達到滿意效果，同時為傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析提供了輔助信息。

3 結(jié)論

圓錐指數(shù)儀作為一種有效的測量方法已普遍應(yīng)用于青貯飼料裹包密度測量，統(tǒng)計分析法不能充分解釋密度分布的位點信息?；趫A錐指數(shù)儀的統(tǒng)計分析與基于地統(tǒng)計理論的可視化屬性圖相結(jié)合的方法可為評價青貯飼料裹包密度分布性提供有效、可靠且直觀的檢測手段，同時驗證了地統(tǒng)計學(xué)空間分析方法在小尺度上應(yīng)用的可行性。本方法僅在2種圓裹包青貯飼料上進行試驗，還可應(yīng)用于方形青貯飼料和青貯窖等，同時此方法還可以為打捆機生產(chǎn)廠家改進設(shè)備提供參考信息。

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