基于大數據的“智慧”高效日光在溫室蔬菜生產中的應用

鄭慧敏 王麗輝

摘? 要：當前，數字化技術正在引領農村農業走向現代化，吉林的家庭農場、小農戶溫室的蔬菜種植引入基于大數據的“智慧”高效日光。在日光溫室中，采集了大量蔬菜環境數據及生長期間的數據。在相同條件下，通過監控蔬菜的生長過程以及對病蟲害的精準預測，實現了可控的施肥與生物防治任務，降低了生產成本和勞動成本，推進了“數字吉林”的實現。

關鍵詞：日光溫室；高效日光；數字吉林

中圖分類號：TP39? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0151-05

Abstract： At present， digital technology is leading rural agriculture to modernization. Jilin's family farms and small farmers' greenhouses introduce “smart” efficient sunlight based on big data. In the sunlight greenhouse， we collected a large number of vegetable environmental data and data during the growth period. Under the same conditions， through monitoring the growth process of vegetables and accurate prediction of diseases and insect pests， controllable fertilization and biological control tasks have been achieved， production costs and labor costs have been reduced， and the realization of “digital Jilin” has been promoted.

Keywords： sunlight greenhouse; efficient sunlight; digital Jilin

0? 引? 言

我國是農業大國，改革浪潮正大力推動并支持農業“走出去”戰略。2020年，我國蔬菜產量達74 912.9萬噸，吉林蔬菜種植面積在全國范圍占較大比例，隨著綠色農業經濟發展，蔬菜種植成為現代城市新熱點，發揮著越來越重要的作用[1]。吉林正在利用地理優勢大力發展蔬菜等農產品出口，需要大力發展先進的溫室大棚設計和科學化管理。吉林蔬菜大棚的種植歷來以大水大肥的傳統管理模式為主，這種管理模式造成種植成本高、勞動強度大、種植的產品存在品質良莠不齊等問題。另外以產量為本的種植理念，種植過程中水肥的施用效率低下，農藥的施加量有增無減，不僅造成土壤負擔，產品品質及安全也無法保障。因此，在未來蔬菜種植發展道路上，如何降低生產成本和勞動成本，提高蔬菜品質及產品安全顯得尤為迫切。

由于吉林冬季溫度較低，溫室大棚也多由塑料大棚轉為節能型日光溫室。日光溫室主要利用白天獲得的太陽輻射能，通過日光溫室墻體的材料在白天充分蓄熱，夜間釋放熱量補充溫室所需熱能，從而可以維持室內溫度。大數據技術對日光溫室的蔬菜生長環境信息、蔬菜生長期間的自然信息進行分析處理，優化日光溫室的管理，改進蔬菜的生產模式，為蔬菜生長期提供多元化和精準的技術指導，可提升蔬菜產量和質量，不僅可降低農民的體力成本，還可增加農民的經濟收入。在日光溫室種植蔬菜的過程中融入大數據、物聯網技術，對振興吉林農村經濟建設打造新的思路。“數據吉林”是吉林省新的發展戰略，“智慧溫室”可實現吉林農業從農業大省發展成為農業強省的夢想。重點發展數字農業應用，大力推進農業物聯網推廣與應用[2]。本研究利用物聯網技術采集大量日光溫室的相關數據，針對日光溫室蔬菜種植方式和技術進行研究分析，每種蔬菜在日光溫室有不同的生長特殊性，我們對不同種類的蔬菜進行了有針對性的數據模型化建設，利用種植模型實現溫濕度、需水量、日照時間、土壤營養和進行合理施肥和科學種植，實現人為種植和科技種植的統一[3]。可提升溫室蔬菜的種植質量和產量，優化其種植效果，降低勞動成本，體現了新技術創新的日光溫室蔬菜種植。

吉林農業科技學院農學院的日光溫室，目前已配有卷簾電機、軸流風機、補光燈等機械化環境控制設備和各種類別的傳感器，每一天的日光溫室都有大量的數據產生，我們的研究圍繞日光溫室環境的大量數據實現數據監測、傳輸、管理及應用。通過使用大數據處理分析技術，從生長監控、科學有效的施肥控制、精準預測病蟲害的發生等角度為管理者的決策提供準確的數據依據，有助于進一步提升蔬菜的產量，科學控制蔬菜的施肥并最大限度地減少農藥殘留，為農業綠色低碳發展奠定基礎，這是我國今后農業發展的重要方向。實現高效精準的環境控制及規范、科學、高效的管理蔬菜生長過程是本項目解決的關鍵問題。

1? 蔬菜生長監控

日光溫室配備了一系列傳感器，用于收集蔬菜種植過程中的環境數據和生長數據。環境數據有蔬菜生長過程中的日光溫室每天可接收的太陽光照情況，溫室內溫濕度及CO2狀態、蔬菜生長土壤的EC值和pH酸堿度等。收集作物生長的數據信息，如葉片溫濕度、葉面積、莖稈和果實的微變參數，徑流等[4]。通過傳感器和對植株采集的數據，記錄了植株生長過程中溫室內白天和夜間溫度、環境濕度、土壤情況等對蔬菜生長的影響。利用各種類別的傳感器收集到蔬菜生長期間全程的環境數據和自然數據，這些數據記錄了環境與蔬菜生長的關系，我們通過對這些數據進行分析，獲得真實的蔬菜生長環境與蔬菜生長的數據變化規律，為后續的蔬菜種植管理提供更精準的理論依據。如表1所示。

通過表1蔬菜生長狀況數據分析，根據植物的生長狀況、日光溫室內的環境情況采用多元回歸分析、隨機森林算法進行預測，在物聯網的支持下，可以控制并預測植物生長的健康程度。圖1、圖2是團隊收集蔬菜生長過程中白天溫度以及空氣相對濕度的數據分析圖，圖3、圖4是植株生長期植株高度及葉片數的數據檢測圖。

2? 蔬菜生長過程監控施肥

在蔬菜的生長過程中，日光溫室的傳感器在蔬菜的生長過程中采集土壤相對濕度變化值、土壤的EC變化值和PH變化值、土壤中微量元素等。圖5、圖6是蔬菜生長過程中，土壤的EC變化值和pH酸堿度變化值的數據分析圖。采集蔬菜信息如植株高度、葉片數及果實的變化，依據植物的生長狀況、日光溫室內的環境情況，通過對大數據的篩選、用建立的模型公式進行運算，依據蒸散量、蔬菜生長過程中株高、葉片數、目標產量等多維度數據、蔬菜每天對水和肥量的需求等關鍵數據，判斷需要施肥開始和終止的時間節點，預測植物生長的健康程度。采用時間序列、并通過線性回歸預測出近一段時間蔬菜需水量、需各種肥量的數據，如需要施肥，根據土壤中所需要的營養元素，進行靈活的肥料配置，以有缺補缺為原則，補充土壤所需元素，基于智能化管理可以對作物進行極高頻次灌溉和施肥，智能化環境管理和栽培管理，降低勞動成本并防止肥料的過度使用。為了保障蔬菜的質量，避免因化肥的使用不當對蔬菜造成不利的影響[5]，保證蔬菜的正常營養，針對土壤性質和濕度檢測以及酸堿性控制的方式提升種植質量。表2是土壤EC和pH酸堿度隨時間變化的線性回歸預測。表中設計了蔬菜在生長過程中每天的需水量和需肥量，通過對獲得的數據進行大數據分析，從而推測出近幾天蔬菜的需水需肥量，對作物進行精準化水肥管理決策。

3? 蔬菜生長過程的生物防治與精準預測病蟲害

蔬菜的生長過程病蟲害的發生和流行與種植環境參數關系密切，病蟲害的出現需要一定的環境因素。通過采集大量蔬菜生長時期高密度的環境信息，經過我們的數據建模及數據分析，可以預測出不同種類蔬菜在生長的不同時期病蟲害發生臨界點，提示要采取適當的生物防治處理措施阻止病蟲害的發生和流行，指導種植人員及時采取措施。如開啟通風除濕系統、增加或減少光照，實現蔬菜生長過程中綠色防控的目標。參考這些因素，利用關聯規則Apriori算法、決策樹算法預測病蟲情況，表3是預測病蟲情況分析挖掘所需指標及預測目標，對蔬菜的病蟲害及時做出預警；農民也能根據實時情況采取有效應對措施，最大限度地減少經濟損失[6]。

以草莓易染病為例，數據建模基于草莓被病蟲害侵染的過程，通過對草莓生長期的環境數據、植株的狀態數據分析草莓被侵染、病蟲害傳播及大范圍流行進行數據分析，可計算并預測出草莓病蟲害發生的臨界點，通過數據的篩選和分析，可以精準預測草莓病蟲害的發生規律，如圖7所示，工作人員可以依據預警信息，做到病蟲害的及時預防并阻止病害發生和流行，實現草莓的綠色防控并提供精準決策。這樣可以最大程度地避免草莓因病蟲害的產生而造成減產。課題組創建了關于草莓病蟲害的數據庫，可以幫助并指導農戶實現草莓的綠色防控。這樣一來，農民能夠及時發現農業生產與災害之間存在的關系，達到減災的最終目的[7]。更進一步，以草莓為例，在不影響作物生長的前提下進行環境干預，可以減少農藥使用、減少農藥殘留、降低勞動成本，提高經濟收益。

4? 結? 論

通過大數據對日光溫室進行土壤、蔬菜自然數據、氣象環境等進行數據監測，根據作物和環境實時情況，可以實現蔬菜生長過程的實時監控，在蔬菜生長期間通過土壤相對濕度變化值、土壤中微量元素等進行精準的水肥管理，通過建立不同蔬菜病蟲害數字模型，幫助種植戶了解蔬菜病蟲害發生的環境條件，達到蔬菜生長期間的全程大數據管理，取代以往現場人工植保模式。日光溫室在大數據和農業物聯網技術等新技術的支撐下，可以實現吉林全年的大規模蔬菜種植，為吉林鄉村振興、“數字吉林”注入新動力。

參考文獻：

[1] 華經情報網.2020年中國蔬菜行業發展現狀分析行業轉型升級將成為發展關鍵 [N].https：//www.huaon.com/channel/trend/798715.html，2022-04-19 11：34：59.

[2] 陳耀輝.推動吉林數字經濟發展的五大著力點——加快推進“數字吉林”建設的思考[J].長春市委黨校學報，2020（2）：5-8.

[3] 周春霞.淺述大數據時代下科學種植大棚蔬菜的特點 [J].農業工程技術，2020，40（21）：41-42.

[4] 曹耀鵬，劉厚誠.大數據和農業物聯網技術在智能溫室環境控制中的應用——以濟南科百智慧農業產業園為例 [J].農業工程技術，2021，41（4）：21-26.

[5] 王聰，裴莉，徐勇，等.大田農業信息監測管理系統設計開發 [J].農業與技術，2021，41（1）：58-60.

[6] 尚龍山，潘麗娟.大數據在智慧農業中的應用與研究 [J].農業工程技術，2021，41（3）：47-48.

[7] 朱允君.大數據在智慧農業中研究與應用展望 [J].中國新通信，2020，22（16）：108.

作者簡介：鄭慧敏（2002.12—），女，漢族，河南周口人，本科在讀，研究方向：網絡工程、網絡安全；通訊作者：王麗輝（1972.04—），女，漢族，吉林九臺人，講師，碩士，研究方向：Web開發、大數據技術。