智慧蘋果園“空-天-地”一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

饒曉燕, 吳建偉, 李春朋, 熊曉菲, 霍洪彥

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心， 北京 100125； 3.北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司， 北京 100097)

果樹產(chǎn)業(yè)是兼具生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，具有持續(xù)改良生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)民增收的雙重作用，對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)具有重要意義[1-2]。影響果樹生長的因素較多，種植環(huán)境、氣象因素、土壤條件、病蟲害發(fā)生和栽培管理方式等都會對其造成較大影響[3-4]。果園是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、快速、客觀地采集果樹生長環(huán)境信息是實(shí)現(xiàn)果園精細(xì)化管理的重要基礎(chǔ)，將為規(guī)模化果園的生產(chǎn)提供有益的參考和依據(jù)[5-6]。傳統(tǒng)果園管理耗工費(fèi)力、監(jiān)管效率低下，果樹生長管理精準(zhǔn)化和信息化應(yīng)用相對較少，特別是立體化監(jiān)測體系很不完善，不能完整客觀地采集果園生態(tài)環(huán)境和果樹生長發(fā)育等各項(xiàng)參數(shù)[7]。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展為果園智能監(jiān)測管理提供了有效的途徑[8-10]。

“空-天-地”一體化監(jiān)測是指對從空、天、地三個(gè)角度進(jìn)行監(jiān)測，以衛(wèi)星、無人機(jī)、無中心自組網(wǎng)等各項(xiàng)通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，打造完善的立體監(jiān)測體系，可擴(kuò)大監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測效率與可信度[11-12]。其已在環(huán)保監(jiān)測[13-14]、資源調(diào)查[15-16]、應(yīng)急救災(zāi)[17]、河湖巡檢[18]、保護(hù)區(qū)人類活動監(jiān)測[19]等方面得到應(yīng)用實(shí)踐。楊貴軍等[20]和牛慶林等[21]分析了無人機(jī)遙感技術(shù)在獲得作物性狀如株高、葉片顏色、葉面積指數(shù)(LAI)、葉綠素含量、生物量和產(chǎn)量等信息方面的應(yīng)用，開展了無人機(jī)平臺優(yōu)選、農(nóng)情信息采集及數(shù)據(jù)處理與解析方面研究，提出了無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)幾何校正模型。吳文斌等[22-23]提出了一種“天-空-地”遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動的果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理新模式, 實(shí)現(xiàn)果園數(shù)量、空間位置與地理環(huán)境的精準(zhǔn)感知與信息獲取，探討了“天-空-地”數(shù)字農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)與構(gòu)建。段遵芳[24]指出，蘋果樹長勢等指標(biāo)是果樹生長狀態(tài)的重要表征，果園病蟲害信息的獲取與預(yù)測預(yù)報(bào)也是果園管理的重要方面，將物聯(lián)網(wǎng)與果樹生產(chǎn)管理、種植環(huán)境監(jiān)測、果品安全追溯以及創(chuàng)新科研充分融合，提升果樹生產(chǎn)能力，從而為水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定以及市場中果品質(zhì)量的評價(jià)提供技術(shù)支持。本研究從蘋果園的種植管理實(shí)際出發(fā)，針對傳統(tǒng)果園存在的數(shù)據(jù)監(jiān)測體系不完善、管理缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)等問題，綜合應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能裝備等多種信息采集獲取技術(shù)，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)蘋果園“空-天-地”一體化的新一代信息技術(shù)采集體系集成創(chuàng)新以及基于AI的蘋果病蟲害圖像識別應(yīng)用，并基于SSM框架(SpringMVC、Spring、Mybatis)構(gòu)建果園監(jiān)測集成數(shù)據(jù)中臺，可視化展示蘋果園生長環(huán)境信息，以期為果樹產(chǎn)業(yè)的精細(xì)化管控和智慧化發(fā)展提供數(shù)據(jù)依據(jù)與技術(shù)支持。

1 原理與方法

1.1 果園“空-天-地”一體化監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)建

立足果園優(yōu)質(zhì)蘋果的生產(chǎn)經(jīng)營，綜合應(yīng)用無人機(jī)遙感、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能裝備等多種現(xiàn)代信息技術(shù)，開展空中果樹群體無人機(jī)遙感監(jiān)測、地面果園氣象和蟲情等監(jiān)測、地下土壤墑情和養(yǎng)分等監(jiān)測，從而覆蓋果園土壤、生態(tài)環(huán)境和蘋果樹個(gè)體及群體信息采集，軟硬件融合銜接，構(gòu)建智慧果園“空-天-地”一體化監(jiān)控體系(圖1)，為果園數(shù)字化管理奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升果園信息監(jiān)測與生產(chǎn)決策的智能化水平。

1.2 果園“空-天-地”一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于果園生產(chǎn)管理各方面信息監(jiān)測需求及果園主要環(huán)境參數(shù)時(shí)空分布特性和無線信號傳輸特性研究的基礎(chǔ)[25]，通過研制和集成蘋果園信息采集裝置套件，設(shè)計(jì)智慧果園“空-天-地”一體化監(jiān)控體系的集成功能(圖2)，主要包括無人機(jī)遙感空中監(jiān)測、果園地上氣象要素監(jiān)測、果園環(huán)境視頻監(jiān)控、果園病蟲情監(jiān)測、果樹生理生態(tài)監(jiān)測、果園土壤墑情監(jiān)測以及果園土壤養(yǎng)分監(jiān)測7大類。按照空間分類，將空中無人機(jī)遙感監(jiān)測、地上物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和地下土壤環(huán)境監(jiān)測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集、實(shí)時(shí)傳輸和存儲加工，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，把果園各類數(shù)據(jù)形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提供高效智能裝備接口服務(wù)。

圖2 “空-天-地”一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of “space-air-ground” integrated system

1.2.1果園地面環(huán)境和果樹長勢監(jiān)測 基于傳感感知為主的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集果園環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計(jì)、分析和遠(yuǎn)程發(fā)布功能于一體，采集果樹生長過程中的環(huán)境參數(shù)，自動實(shí)時(shí)監(jiān)測果園空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、太陽輻射等氣象信息，獲取果樹生長情況的實(shí)時(shí)畫面，監(jiān)測果樹的生長狀況和果園管理，并實(shí)現(xiàn)包括葉面溫度、葉面濕度、果實(shí)膨大、葉片厚度和葉面積等果樹長勢參數(shù)的采集，有助于管理人員實(shí)時(shí)掌握果園內(nèi)農(nóng)事生產(chǎn)情況，了解各種農(nóng)事作業(yè)進(jìn)度，還有助于對果園生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行追蹤；同時(shí)，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)和農(nóng)業(yè)智能裝備，實(shí)現(xiàn)蟲情自動監(jiān)測，具有蟲體自動處理、傳送帶配合運(yùn)輸、自動運(yùn)行等功能。AI圖像識別功能系統(tǒng)支持上傳果樹病蟲害照片至數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過模型的檢測與計(jì)算，預(yù)測果樹主要病蟲害發(fā)生的概率，同時(shí)為預(yù)測的病蟲害提供防治方法及推薦藥劑。

1.2.2果園地下墑情和養(yǎng)分監(jiān)測 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和快速無損檢測技術(shù)，綜合考慮果園土壤墑情和所用傳感器的功耗、監(jiān)測系統(tǒng)田間使用的方便靈活性和數(shù)據(jù)采集的客觀準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對果園同一土壤剖面4個(gè)深度土壤溫度、容積含水量、可溶性鹽濃度(EC值)等墑情信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，并依據(jù)微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system，MEMS)技術(shù)集成近紅外光敏傳感裝置，實(shí)現(xiàn)果園土壤養(yǎng)分信息的快速無損檢測，在線獲取土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分指標(biāo)，從而快捷獲取蘋果種植所需的地下墑情和養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。

1.3 果園“空-天-地”監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)平臺開發(fā)

基于SSM開發(fā)框架，結(jié)合果園“空-天-地”一體化監(jiān)控功能，突出數(shù)據(jù)可視化，開發(fā)果園“空-天-地”監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。采用內(nèi)存型數(shù)據(jù)存儲(Redis)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存以處理大量的數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)并發(fā)，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用shiro安全框架以提高系統(tǒng)的安全性。基于開放共享原則構(gòu)建果園數(shù)據(jù)中臺，其架構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層以及數(shù)據(jù)接口層的三層架構(gòu)體系(圖3)。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)中臺技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Technical framework of monitoring data middle platform

1.3.1數(shù)據(jù)采集層 集成果園各類監(jiān)測傳感器，采集果園氣象、土壤、遙感、長勢、視頻等各類數(shù)據(jù)，主要依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的傳感器網(wǎng)絡(luò)來采集數(shù)據(jù)信息。本研究采取分層異構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備良好的擴(kuò)展性，適合大規(guī)模的組織網(wǎng)絡(luò)部署，主要由感知層、路由匯聚層、網(wǎng)絡(luò)接入層構(gòu)成。

1.3.2數(shù)據(jù)存儲層 將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計(jì)算、清洗、加工、分類，形成數(shù)據(jù)資源目錄，讓其成為平臺的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。數(shù)據(jù)存儲層通過建立數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。對采集和其他系統(tǒng)接口傳輸過來的數(shù)據(jù)通過存儲層進(jìn)行處理歸類、提取分析，將數(shù)據(jù)分別存儲到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

1.3.3數(shù)據(jù)接口層 以接口的形式對外服務(wù)，數(shù)據(jù)中臺根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求將一系列相關(guān)數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)個(gè)接口，服務(wù)于數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及各個(gè)產(chǎn)品線使用。數(shù)據(jù)接口服務(wù)是一個(gè)獨(dú)立的、低耦合的應(yīng)用程序，與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺相比，具有變更頻次高的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中需要根據(jù)調(diào)用方的業(yè)務(wù)需求，不斷對接口服務(wù)提供升級、優(yōu)化等操作，為了提高接口的易用性及可維護(hù)性，降低與其他系統(tǒng)的耦合性，本研究接口服務(wù)作為獨(dú)立應(yīng)用進(jìn)行部署，在對該服務(wù)進(jìn)行升級改造時(shí)，不影響物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 智慧蘋果園“空-天-地”一體化監(jiān)控體系

智慧蘋果園“空-天-地”由3個(gè)層面、7類系統(tǒng)裝置組成，可以滿足規(guī)模化果園的點(diǎn)樣數(shù)據(jù)的采集需要。以傳感器網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)現(xiàn)了果園環(huán)境氣象信息、蟲害信息、產(chǎn)量信息、果樹長勢信息、視頻圖像信息等參數(shù)的數(shù)字化采集和實(shí)時(shí)傳輸，形成了果園“空-天-地”一體化的數(shù)字化監(jiān)控體系(圖4)，并能通過標(biāo)準(zhǔn)化接口對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為果園數(shù)字化管理奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 “空-天-地”一體化監(jiān)控Fig.4 “space-air-ground” integrated monitoring

2.2 智慧蘋果園數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)

搭建了蘋果園“空-天-地”監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了果園氣象環(huán)境(空氣溫度、濕度、總輻射、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量)、20—80 cm土壤墑情(溫度、土壤濕度、EC)、蟲情、視頻等采集點(diǎn)設(shè)備個(gè)數(shù)、監(jiān)測周期、在線天數(shù)、離線天數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取條數(shù)等可視化展示。系統(tǒng)自動展示最新一條監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，折線圖分析近一周內(nèi)變化趨勢(圖5)。當(dāng)這些信息超出正常值范圍果樹因這些因素生長受限，用戶可快速反應(yīng)并采取應(yīng)急措施，減輕自然災(zāi)害等帶來的損失。

圖5 數(shù)據(jù)可視化Fig.5 Display interface of data visualization

2.3 智慧蘋果園病蟲害智能識別診斷

在無人監(jiān)管的情況下，可自動完成誘蟲、殺蟲、蟲體分散以及拍照等系統(tǒng)作業(yè)，監(jiān)測數(shù)量、蟲子種類和蟲情總量，并根據(jù)病蟲害圖像識別模型，實(shí)現(xiàn)對蘋果蚜蟲、金紋細(xì)蛾、薊馬、紅蜘蛛、白粉虱、梨小食心蟲、小卷葉蛾等近10種蟲害的識別和數(shù)量變化趨勢記錄，并對蟲害的發(fā)生與發(fā)展進(jìn)行診斷和提供建議措施。

圖6 病蟲害智能監(jiān)測與診斷Fig.6 Intelligent recognition and diagnosis of diseases and pests

3 討論

近年來，隨著新一代信息技術(shù)、智能裝備等高精尖技術(shù)的快速發(fā)展和在現(xiàn)代果樹產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，有助于落實(shí)和踐行鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略細(xì)化任務(wù)，可為供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供應(yīng)用支持，為果樹標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)升級提供專業(yè)服務(wù)，為綠色生產(chǎn)、質(zhì)量興農(nóng)提供科技支撐，帶來了顯而易見的節(jié)本、提質(zhì)、增效效果與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。果園環(huán)境和蘋果樹生長數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行果園數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，大氣溫度、濕度、光照等氣候因子與蘋果樹生產(chǎn)有密切的關(guān)系；土壤有機(jī)質(zhì)含量是評價(jià)果園土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤水分是果樹吸收水分的主要來源，土壤水分含量影響著果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)；果園的地形起伏、海拔、山脈、坡度、坡向、高度等地貌特征也在一定程度上影響果樹生長。

現(xiàn)有研究從無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)終端等開展了作物表面模型網(wǎng)格化研究、病蟲害監(jiān)測預(yù)警、土壤墑情數(shù)據(jù)獲取感知等，但在蘋果園“空-天-地”一體化監(jiān)測和基于AI的蘋果病蟲害圖像識別方面研究很少[26-30]。本研究設(shè)計(jì)的智慧果園配套技術(shù)系統(tǒng)和裝置技術(shù)已在北京、陜西、河北等多個(gè)規(guī)模化蘋果園開展試點(diǎn)集成研究和部署運(yùn)行，能夠快速精準(zhǔn)地識別和分析蘋果園土壤、生態(tài)環(huán)境、果樹個(gè)體及群體的監(jiān)測信息，果園“空-天-地”一體化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展不斷深化和在果樹全產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)上擴(kuò)大應(yīng)用，將提升園區(qū)綜合管理服務(wù)和信息化支撐能力，打造園區(qū)創(chuàng)新監(jiān)測服務(wù)體系，并將隨著應(yīng)用積累，不斷探索和優(yōu)化，進(jìn)一步提升感知技術(shù)設(shè)備、傳輸通訊技術(shù)、分析處理設(shè)備以及測控集成技術(shù)，促進(jìn)生產(chǎn)管理向著科學(xué)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)變，使果園生產(chǎn)管理效率和果品產(chǎn)量品質(zhì)得到大幅度提高。