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(jì)理論來(lái)分析圓錐指數(shù)進(jìn)而評(píng)價(jià)青貯飼料裹包密度的方法已很普遍，但其無(wú)法充分解釋密度分布的位點(diǎn)信息。因此，在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，引入基于地統(tǒng)計(jì)理論的可視化屬性圖來(lái)解析青貯飼料裹包密度。試驗(yàn)對(duì)由2種不同構(gòu)造的打捆機(jī)填充而成的青貯飼料壓實(shí)密度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)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(jì)理論;可視化檢測(cè)方法

中圖分類(lèi)號(hào)： S816.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）02-0221-05

收稿日期：2017-08-21

作者簡(jiǎn)介：孟繁佳（1983—），男，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(guò)高而發(fā)生霉變的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]，同時(shí)裝填良好的青貯能增加單位儲(chǔ)量[5-6]、減少儲(chǔ)備成本[7]。目前用于檢測(cè)青貯飼料質(zhì)量的方法主要有：傳統(tǒng)稱(chēng)質(zhì)量法，即根據(jù)稱(chēng)量單位體積內(nèi)青貯飼料的質(zhì)量評(píng)價(jià)裹包質(zhì)量;化學(xué)分析檢測(cè)法，根據(jù)檢測(cè)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(jí)體系，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行評(píng)估[8-10];此外，專(zhuān)業(yè)人員可根據(jù)對(duì)青貯飼料顏色、氣味與結(jié)構(gòu)感觀印象作出評(píng)價(jià)[8]。在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，研究人員已將雷達(dá)和γ射線(xiàn)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(dá)成本高和γ射線(xiàn)對(duì)人體存在潛在的危害，加之兩者標(biāo)定過(guò)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(cè)量工具，與其他測(cè)量方法相比具有標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢(shì)[13]，從而得到廣泛使用。此外，已有研究是在傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法與一維曲線(xiàn)圖的基礎(chǔ)上分析圓錐指數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)青貯飼料的密度，但該方法不能充分解析密度分布的位點(diǎn)信息。因此，本研究利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合能夠充分體現(xiàn)位點(diǎn)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(shí)意義，也為檢測(cè)青貯質(zhì)量提供一種更為簡(jiǎn)便、直觀、可靠的手段。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)式圓錐指數(shù)儀測(cè)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(cè)量過(guò)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(cè)量誤差[15-16]。自行研制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)式圓錐指數(shù)儀如圖1所示[17]，由機(jī)械框架，變速與齒輪/齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直流電機(jī)，精密力學(xué)傳感器，霍爾電流傳感器，深度測(cè)量傳感器及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)放大、存儲(chǔ)、顯示以及電機(jī)控制與保護(hù)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(jī)的工作電壓和最大輸出功率分別為12 V和99 W。壓力測(cè)量采用應(yīng)變式壓力傳感器，其放大信號(hào)的靈敏度為5 mV/N。深度傳感器采用線(xiàn)性精度為±0.25%、電阻值為10 kΩ的電位計(jì)，裝置于直流電機(jī)軸上，當(dāng)圓錐桿上下移動(dòng)時(shí)，通過(guò)齒輪/齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使電位計(jì)以5 mV/mm線(xiàn)性改變。使用PDA作為數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率為10 Hz。

為進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取由2種不同結(jié)構(gòu)打捆機(jī)裹包的青貯飼料，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)2種打捆機(jī)尚未有明確命名，本研究暫稱(chēng)其為固定腔式打捆機(jī)（RP 235，WELGER）和活動(dòng)腔式打捆機(jī)（Variant 385，CLAAS）。固定腔式打捆機(jī)裹包而成的青貯特點(diǎn)是內(nèi)軟外硬，即形成軟心結(jié)構(gòu)，而活動(dòng)腔式打捆機(jī)裹包形成硬心結(jié)構(gòu)[18]。選取6捆由固定腔式打捆機(jī)裹包而成的青貯（bale 1～bale 6）和1捆由活動(dòng)腔式打捆機(jī)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(jiàn)表1和表2。

1.2 試驗(yàn)取樣設(shè)計(jì)

沿裹包青貯飼料軸向每隔20 cm測(cè)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(diǎn)數(shù)值，共6組，然后翻轉(zhuǎn)180°，對(duì)應(yīng)位置按同樣方法測(cè)量。將角度1和角度2共12組圓錐指數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)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(tái)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(huì)造成圓錐測(cè)試儀在測(cè)量過(guò)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(shí)別法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(jì)分析

由表3可以看出，在采用固定腔式打捆機(jī)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(zhǎng)度最大，bale 5最小。將原料草的平均長(zhǎng)度與平均圓錐指數(shù)值進(jìn)行線(xiàn)性回歸，結(jié)果如圖3所示。由此可推斷出青貯壓實(shí)密度與原料草切碎長(zhǎng)度成反比關(guān)系，即原料草長(zhǎng)度越短，其壓實(shí)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(shí)試驗(yàn)中測(cè)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(dòng)腔式打捆機(jī)能夠裹包出密度更大的裹包青貯飼料。從均方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)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(shí)這一點(diǎn)。由bale 1～bale 6的比較分析可推論出：（1）打捆壓力過(guò)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(zhǎng)度能夠調(diào)節(jié)裹包密度分布，增加原料草長(zhǎng)度可使捆裹密度相對(duì)均勻，但同時(shí)卻減少了青貯飼料的平均裹包密度，因此制作青貯飼料時(shí)須選擇適當(dāng)?shù)睦Χ群驮喜蓍L(zhǎng)度。

2.2 可視化分析

為了進(jìn)一步透視青貯裹包飼料內(nèi)部壓實(shí)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(dòng)腔式bale7），嘗試應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)理論在小尺度（約1.2 m×1.2 m）上進(jìn)行插值分析。使用Vesper軟件，以Kriging插值法對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插，然后利用ArcGIS 9.2進(jìn)行可視化處理，并對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[19-21]。

2.2.1 普通克里格預(yù)測(cè) 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(zhǎng)從40 cm增加至70 cm時(shí)，半方差函數(shù)在該距離上的變化相對(duì)穩(wěn)定;而當(dāng)步長(zhǎng)超過(guò)70 cm時(shí)，半方差呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)。因此，本研究在進(jìn)行空間變異結(jié)構(gòu)建模時(shí)采取最大建模距離為70 cm時(shí)，利用帶基臺(tái)直線(xiàn)半方差模型對(duì)青貯飼料取樣圓錐指數(shù)進(jìn)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(mǎn)足數(shù)據(jù)分析需要。同時(shí)由2種打包機(jī)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(jī)工作機(jī)制的不同。但由于此次試驗(yàn)中硬心結(jié)構(gòu)裹包青貯飼料只有1個(gè)樣本，對(duì)于形成這一結(jié)論缺乏充分說(shuō)服力，將在以后試驗(yàn)中加以驗(yàn)證。

應(yīng)用ArcGIS 9.2對(duì)Kriging插值后的結(jié)果進(jìn)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(shí)際機(jī)械打包方式相符。觀察屬性圖中藍(lán)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(jì)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(yàn)證這一結(jié)論，在bale 1中4個(gè)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性驗(yàn)證 從每組數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為驗(yàn)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(duì)驗(yàn)證集的50個(gè)數(shù)

據(jù)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。將這4組共200個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)混合，從中隨機(jī)選取50個(gè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)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(yàn)證了小尺度上應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)理論插值預(yù)測(cè)的可行性，且能夠達(dá)到滿(mǎn)意效果，同時(shí)為傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)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(cè)量方法已普遍應(yīng)用于青貯飼料裹包密度測(cè)量，統(tǒng)計(jì)分析法不能充分解釋密度分布的位點(diǎn)信息。基于圓錐指數(shù)儀的統(tǒng)計(jì)分析與基于地統(tǒng)計(jì)理論的可視化屬性圖相結(jié)合的方法可為評(píng)價(jià)青貯飼料裹包密度分布性提供有效、可靠且直觀的檢測(cè)手段，同時(shí)驗(yàn)證了地統(tǒng)計(jì)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(jìn)行試驗(yàn)，還可應(yīng)用于方形青貯飼料和青貯窖等，同時(shí)此方法還可以為打捆機(jī)生產(chǎn)廠家改進(jìn)設(shè)備提供參考信息。

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