基于機器視覺的苗菜控量施肥機在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究

為提高設(shè)施農(nóng)業(yè)苗菜施肥精準(zhǔn)度與肥料利用率，相關(guān)工作人員基于自主研發(fā)的機器視覺控量施肥機開展溫室小白菜和莜麥菜試驗，采用隨機區(qū)組設(shè)計，對比機器視覺控量施肥與常規(guī)人工施肥的差異。結(jié)果表明，機器視覺施肥在保證產(chǎn)量不減的前提下，化肥投入量減少 30% ，肥料利用率提高18個百分點，單位面積產(chǎn)量提高 5%～8% ，蔬菜硝酸鹽含量降低 20% ，維生素C含量略有增加。該設(shè)備實現(xiàn)按株定量差異化施肥，有效減少肥料浪費，降低環(huán)境污染風(fēng)險，提升產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟效益，具有良好的設(shè)施農(nóng)業(yè)推廣前景。

一、引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)中蔬菜作物高投入施肥方式雖然能夠提升產(chǎn)量，但也帶來肥料利用率低下和環(huán)境風(fēng)險等問題。調(diào)查顯示，我國設(shè)施蔬菜養(yǎng)分投入平均為2 275.5kg?hm^-2 ，氮、磷、鉀用量分別是推薦施肥量的1.9倍、5.4倍和1.6倍。過量施肥導(dǎo)致肥料利用率偏低，土壤次生鹽漬化、養(yǎng)分累積以及地下水硝酸鹽超標(biāo)等環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)施肥方式主要依據(jù)人工經(jīng)驗，難以根據(jù)苗菜生長差異進行精確供肥。人工施肥勞動強度大，易出現(xiàn)施肥不勻、局部過量或不足現(xiàn)象，導(dǎo)致弱苗營養(yǎng)不足、壯苗養(yǎng)分過剩。近年，機器視覺技術(shù)被引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過計算機視覺獲取作物圖像，對作物生長狀態(tài)進行識別和量化評估，為變量施肥提供決策依據(jù)。相關(guān)工作人員依托自主研發(fā)的機器視覺苗菜控量施肥機專利技術(shù)，采用田間試驗比較機器視覺施肥與傳統(tǒng)人工施肥方式，評估其對苗菜施肥精準(zhǔn)度、肥料利用率、作物產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，為設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施肥提供技術(shù)參考。

二、材料與方法

（一）控量施肥機結(jié)構(gòu)與工作原理

控量施肥機是一種集成機器視覺識別與精確施肥控制的智能裝置，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)精準(zhǔn)自動化施肥。視覺檢測模塊由高分辨率工業(yè)相機、LED補光系統(tǒng)及圖像處理單元構(gòu)成。工業(yè)相機為500萬像素CMOS傳感器，可在 0.5～2.0m 范圍內(nèi)清晰捕獲植株圖像；LED全光譜白光源解決自然光不足問題。圖像處理算法基于改進YOLOv5模型，經(jīng)大量樣本訓(xùn)練，復(fù)雜背景下對小白菜和莜麥菜識別準(zhǔn)確率在 90% 以上，并可以實時提取植株位置、葉面積和葉色深淺等信息。

施肥執(zhí)行模塊包括精密計量系統(tǒng)、肥料儲輸系統(tǒng)及噴施裝置。計量系統(tǒng)使用進口蠕動泵，單次精度0.1mL ，累計誤差為 ±2% ；肥料儲箱 20L ，其攪拌裝置確保肥液均勻；輸送管道為食品級軟管，耐壓耐腐蝕；末端噴嘴可調(diào)節(jié)噴射模式，定位精度 ±2cm 噴嘴高度自動調(diào)節(jié)，將肥液準(zhǔn)確施于根部土壤。運動定位模塊采用導(dǎo)軌滑行設(shè)計，鋁合金導(dǎo)軌安裝于苗床上方，通過步進電機和減速器驅(qū)動，移動步長 1mm ，速度可調(diào)節(jié)至 100mm?s^-1 。光電編碼器與激光測距傳感器實時監(jiān)測位置，確保精準(zhǔn)定位（ ±5mm 。設(shè)備識別植株后減速，定位施肥，完成后繼續(xù)前行。

控制通信模塊采用ARM嵌入式工控機，運行Linux系統(tǒng)，根據(jù)視覺信息實時決策施肥量。系統(tǒng)具備均勻施肥、差異化施肥和自適應(yīng)施肥模式，用戶可通過Wi-Fi或4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、調(diào)整參數(shù)。控量施肥機啟動后沿預(yù)設(shè)路徑移動，視覺模塊持續(xù)采集圖像，當(dāng)檢測到植株且滿足施肥條件，如生長階段、施肥間隔，控制系統(tǒng)計算所需肥量，驅(qū)動蠕動泵精確施肥，實現(xiàn)因株精準(zhǔn)管理。弱苗適量增加施肥量，強苗減少施肥量，病弱植株暫停施肥。

（二）試驗設(shè)計與實施

試驗于2023年在湖南省永州市一標(biāo)準(zhǔn)連棟溫室進行。溫室長 50m 、寬 6m 、高 4m ，配備自動通風(fēng)、遮陽網(wǎng)、防蟲網(wǎng)，環(huán)境控制溫度為 18～25^°C ，濕度為 65%～75%_oo 供試作物為小白菜與莜麥菜，分別在春季和秋季進行試驗。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)機器視覺控量施肥（MVF）與常規(guī)人工施肥（CF）兩個處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)，共6個試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積為 5m² ，小區(qū)間隔 0.5m 。畦面種植，行距20cm ，株距 15cm ，小白菜每個小區(qū)約150株，莜麥菜每個小區(qū)約120株。常規(guī)處理基肥施用三元復(fù)合肥（N：P：K=15：15：15） ） 1500kg?hm^-2 ，追肥尿素75kg?hm^-2 ，于移栽10天后灌施。機器視覺處理基肥減半至 750kg?hm^-2 ，追肥分4次定量施用，每次間隔5d ，總養(yǎng)分用量較常規(guī)減少 30% 。肥料均為水溶性復(fù)合肥，確保養(yǎng)分一致性。

（三）測定指標(biāo)與分析方法

試驗測定施肥精度、作物生長、產(chǎn)量品質(zhì)及環(huán)境影響指標(biāo)。施肥精度通過隨機選10株植株收集施肥液，精密天平稱重計算實際用量和變異系數(shù)評價。生長指標(biāo)于移栽后15d、30d及收獲期測定株高、莖粗、葉片數(shù)、葉色值，每個小區(qū)隨機選10株。產(chǎn)量與收獲性狀在商品成熟期測定，記錄每個小區(qū)的收獲株數(shù)、鮮質(zhì)量和單位面積產(chǎn)量，單株質(zhì)量及商品率。肥料利用率指標(biāo)采用凱氏定氮法測定植株氮含量，結(jié)合產(chǎn)量計算氮肥表觀利用率，并測土壤殘留硝態(tài)氮。蔬菜品質(zhì)測定硝酸鹽和維生素C含量，分別采用離子色譜法和高效液相色譜法分析。數(shù)據(jù)用SPSS26.0軟件進行方差分析，顯著性水平設(shè) Plt;0.05 ，百分比數(shù)據(jù)經(jīng)反正弦平方根轉(zhuǎn)換后分析。

三、結(jié)果與分析

（一）施肥精準(zhǔn)度與肥料利用效率

機器視覺控量施肥技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實施過程中展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。依托高分辨率成像與智能算法，系統(tǒng)能夠?qū)崟r判定植株的生長狀態(tài)與氮素需求，實現(xiàn)基于作物個體差異的定量施肥管理。實測結(jié)果顯示，總養(yǎng)分投入為 210kg?hm^-2 ，僅占常規(guī)施肥量的70% ，成功實現(xiàn)約 30% 的施肥削減。這一削減不僅顯著節(jié)約了投入成本量，而且降低了過量施肥引發(fā)的氮素流失與環(huán)境污染風(fēng)險。施肥劑量的變異系數(shù)約為4% ，遠(yuǎn)低于常規(guī)處理的 20% ，體現(xiàn)了施肥均勻性與操作精度的顯著優(yōu)化。氮肥表觀利用率提升至 58% ，顯著高于常規(guī)處理的 40% （ Plt;0.05） ，表明該技術(shù)在減少投入的同時提高了養(yǎng)分吸收效率。單位氮肥產(chǎn)出的鮮菜產(chǎn)量提升 50%～～60% ，進一步驗證了精準(zhǔn)施肥在提高資源利用效率與產(chǎn)出效益方面的雙重優(yōu)勢。土壤環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表明，機器視覺施肥處理下土壤硝態(tài)氮殘留量降低 18% ，有效降低了氮素淋失風(fēng)險，為農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供了可行路徑。

（二）作物產(chǎn)量與生長表現(xiàn)

在減少肥料投入的條件下，控量施肥機依然實現(xiàn)了產(chǎn)量的穩(wěn)定提升。小白菜產(chǎn)量為 3.52kg?m^-2 ，較常規(guī)增長 5.4% ；莜麥菜產(chǎn)量為 2.97kg?m^-2 ，較常規(guī)增長6.8% （ Plt;0.05? 。這種增產(chǎn)效應(yīng)源于精準(zhǔn)施肥對養(yǎng)分供應(yīng)時機與數(shù)量的優(yōu)化配置，顯著提升了作物的生長均衡性與個體競爭力。在單株質(zhì)量方面，小白菜較常規(guī)增長 7.8% ，莜麥菜較常規(guī)增長 11.2% ，顯示了個體生物量的有效積累。在快速生長期，小白菜株高與葉片數(shù)分別增長 8% 和 6.9% ，表現(xiàn)出更優(yōu)的生長態(tài)勢與群體整齊度。生長一致性的變異系數(shù)僅為 7.5% ，顯著優(yōu)于常規(guī)處理的 10.8% ，意味著成熟期的收獲均勻性與商品化率更高。商品率提升 8%～12% ，植株外觀色澤均一，市場競爭力顯著增強。

（三）蔬菜品質(zhì)改善效果

除產(chǎn)量提升，機器視覺控量施肥技術(shù)在品質(zhì)改善方面同樣表現(xiàn)突出。與常規(guī)處理相比，小白菜與莜麥菜的硝酸鹽含量分別降低 22% 和 21.6% ，顯著提升了食品安全性；維生素C含量分別提高 8% 和 5% ，可溶性糖含量平均提升 6%～8% ，賦予蔬菜更佳的風(fēng)味與口感。葉綠素含量保持在適宜范圍，既確保了葉片色澤鮮綠，又避免了過量氮素導(dǎo)致的色澤過深與品質(zhì)下降。這些品質(zhì)優(yōu)勢源于機器視覺系統(tǒng)對養(yǎng)分供給的精準(zhǔn)調(diào)控，使作物在整個生長周期中保持營養(yǎng)均衡，從而減少了代謝產(chǎn)物積累，改善商品性狀。

（四）不同生長期適應(yīng)性分析

機器視覺控量施肥機在作物不同生長階段均展現(xiàn)出較高的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。在幼苗期，控量施肥機識別準(zhǔn)確率超過 90% ，能夠精準(zhǔn)定位植株位置與尺寸，有效防止燒苗等因施肥不當(dāng)引發(fā)的早期損傷。進入快速生長期后，盡管冠層覆蓋度增加、植株間遮擋加劇，識別率仍保持在 93% 以上。通過動態(tài)調(diào)整施肥策略，促進群體生長均衡性與整體產(chǎn)量穩(wěn)定。在成熟期，系統(tǒng)基于作物生理需求的變化主動減少或停止施肥，防止養(yǎng)分過剩導(dǎo)致的品質(zhì)下降與資源浪費。這種階段化、差異化的施肥策略，實現(xiàn)了作物營養(yǎng)供給與需求曲線的精準(zhǔn)匹配，從而兼顧了產(chǎn)量、品質(zhì)與生態(tài)效益。

四、討論

（一）技術(shù)優(yōu)勢與傳統(tǒng)方式比較

機器視覺控量施肥技術(shù)相比傳統(tǒng)人工施肥方式展現(xiàn)出全方位的技術(shù)優(yōu)勢。在施肥精準(zhǔn)度方面，控量施肥機實現(xiàn)了從粗放式面施到精準(zhǔn)點施的根本轉(zhuǎn)變，養(yǎng)分分配的精確性和均勻性遠(yuǎn)超人工操作。傳統(tǒng)人工撒施方式難以控制每株植物的確切施肥量，往往造成肥料分布不均，導(dǎo)致部分植株營養(yǎng)過剩而另一部分營養(yǎng)不足。機器視覺控量施肥機通過實時識別每株植物的位置和生長狀況，實現(xiàn)了真正意義上的按株定量施肥，將施肥變異系數(shù)從傳統(tǒng)方式的 20% 以上降低到4% 以下，大幅提升了施肥的一致性和可控性。

在資源利用效率方面，機器視覺控量施肥機實現(xiàn)了減肥不減產(chǎn)、減肥提品質(zhì)的目標(biāo)。 30% 的肥料減量不僅沒有導(dǎo)致產(chǎn)量下降，反而通過精準(zhǔn)的養(yǎng)分供應(yīng)促進了作物健康生長，產(chǎn)量較傳統(tǒng)方式增長 5%～8% 。這一結(jié)果充分說明傳統(tǒng)施肥方式存在明顯的資源浪費，過量施肥不僅增加了生產(chǎn)成本，還可能對作物生長產(chǎn)生負(fù)面影響。通過精準(zhǔn)控制施肥時機、位置和用量，機器視覺控量施肥機使肥料利用率從 40% 提高到58% ，每單位肥料的產(chǎn)出效率提升 50%～～60% ，體現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

勞動效率的提升是應(yīng)用控量施肥機的另一重要優(yōu)勢。傳統(tǒng)人工施肥需要工作人員反復(fù)彎腰操作，勞動強度大且效率低。在試驗條件下，人工追肥作業(yè)效率為 4min?m^-2 ，而機器視覺施肥機追肥作業(yè)效率僅為1min?m^-2 ，效率提升近4倍。在大面積生產(chǎn)中，這種效率優(yōu)勢更加明顯，能夠顯著降低人工成本。隨著農(nóng)村勞動力老齡化和用工成本上升，自動化施肥機的經(jīng)濟價值將更加明顯。

（二）環(huán)境效益與可持續(xù)發(fā)展意義

機器視覺控量施肥機在促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義。控量施肥機通過精準(zhǔn)控制施肥量和時機，有效減少了肥料在環(huán)境中的殘留和流失。土壤分析結(jié)果顯示，機器視覺處理的硝態(tài)氮殘留比傳統(tǒng)處理降低 18% ，這意味著更少的氮素會通過淋洗進入地下水或通過反硝化作用產(chǎn)生溫室氣體。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)面源污染日益嚴(yán)重的背景下，這種減排效果具有重要的環(huán)境保護價值。

蔬菜品質(zhì)的改善進一步體現(xiàn)了控量施肥機的可持續(xù)應(yīng)用優(yōu)勢。硝酸鹽含量降低 20% ，不僅提高了蔬菜的安全性，也滿足了消費者對高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求。維生素C等營養(yǎng)成分的適度提升，增強了蔬菜的營養(yǎng)價值。這種品質(zhì)改善有助于農(nóng)產(chǎn)品賣出更高的市場價格，為農(nóng)民創(chuàng)造更多收益的同時，也推動了農(nóng)業(yè)向質(zhì)量型發(fā)展轉(zhuǎn)變。

（三）適用范圍與推廣應(yīng)用前景

機器視覺控量施肥機具有較強的通用性和可擴展性，適用范圍廣泛。在作物種類方面，控量施肥機的核心算法通過調(diào)整識別參數(shù)和施肥策略，可以適應(yīng)不同類型的設(shè)施蔬菜作物。除了本試驗驗證的小白菜和莜麥菜，控量施肥機還可推廣應(yīng)用于生菜、菠菜、芹菜等其他葉菜類蔬菜，以及番茄、黃瓜、茄子等果菜類作物。不同作物只需重新訓(xùn)練視覺識別模型和調(diào)整施肥參數(shù)，即可實現(xiàn)有效應(yīng)用。

在種植模式方面，控量施肥機不僅適用于土壤栽培，還可擴展到無土栽培系統(tǒng)。在基質(zhì)栽培、水培等無土栽培模式中，控量施肥機可針對生長差異較大的植株進行個性化營養(yǎng)調(diào)節(jié)。在立體栽培和工廠化生產(chǎn)中，控量施肥機可以實現(xiàn)對每個栽培單元的精準(zhǔn)管理，從而提高整體生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性。

從應(yīng)用規(guī)模看，控量施肥機既適合小規(guī)模精品農(nóng)業(yè)，也適合大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。對于家庭農(nóng)場和小型合作社，可選擇簡化版設(shè)備降低初始投資；對于大型農(nóng)業(yè)企業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，可配置多機協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)規(guī)模化精準(zhǔn)管理。采用模塊化設(shè)計和規(guī)模化生產(chǎn)，可進一步降低設(shè)備成本，提高技術(shù)的普及性。

推廣應(yīng)用的關(guān)鍵在于商業(yè)模式創(chuàng)新和政策支持。可采用農(nóng)業(yè)服務(wù)公司統(tǒng)一購置設(shè)備、為農(nóng)戶提供專業(yè)化服務(wù)的模式，分?jǐn)倖螒敉顿Y成本。相關(guān)部門可通過農(nóng)機購置補貼、綠色技術(shù)推廣補助等政策措施，支持控量施肥機的規(guī)模化應(yīng)用。隨著技術(shù)成熟度的提高和成本進一步降低，機器視覺控量施肥機有望在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛推廣。

（四）存在問題與技術(shù)改進方向

盡管機器視覺控量施肥技術(shù)展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍存在一些技術(shù)問題需要進一步改進。

1.復(fù)雜環(huán)境條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性有待加強。溫室內(nèi)光照條件隨天氣和時間變化較大，強光直射、陰天低照度、霧氣遮擋等情況都可能影響視覺識別效果。雖然通過補光系統(tǒng)能夠在一定程度上改善，但仍需要開發(fā)更加智能的自適應(yīng)圖像處理算法，提高系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下的魯棒性。

2.當(dāng)植株生長茂密、相互遮擋嚴(yán)重時，視覺識別的準(zhǔn)確性會有所下降。特別是在作物生長后期，葉片重疊可能導(dǎo)致部分植株無法被準(zhǔn)確識別。針對這一問題，可考慮引入多視角攝像技術(shù)或深度攝像技術(shù)，通過多角度信息融合提高識別精度。同時，可結(jié)合植株種植規(guī)律和位置信息，對遮擋植株進行智能推斷和補償施肥。

3.機械結(jié)構(gòu)方面存在優(yōu)化空間。當(dāng)前的導(dǎo)軌式移動方式雖然定位精確，但對溫室結(jié)構(gòu)有一定要求，且占用上部空間可能影響其他農(nóng)業(yè)操作。未來，可開發(fā)地面自主移動機器人系統(tǒng)，采取激光導(dǎo)航或視覺導(dǎo)航實現(xiàn)自主移動，提高控量施肥機的靈活性和適應(yīng)性。同時，需要進一步提高機械臂或噴桿的動態(tài)穩(wěn)定性，確保移動中施肥的精準(zhǔn)性。

4.決策系統(tǒng)的智能化水平尚有提升空間。目前，主要基于視覺信息進行施肥決策，未來可融合土壤傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器等多源信息，構(gòu)建更加完善的植物營養(yǎng)狀態(tài)評估模型。利用大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷優(yōu)化施肥策略，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的營養(yǎng)管理。

五、結(jié)語

利用溫室田間試驗系統(tǒng)，評價了機器視覺控量施肥機在設(shè)施苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，控量施肥機在多個方面呈現(xiàn)顯著優(yōu)勢。機器視覺控量施肥機代表了設(shè)施農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)化、智能化發(fā)展的主要方向。控量施肥機不僅解決了傳統(tǒng)施肥方式粗放、低效的問題，還為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供了有效技術(shù)途徑。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，機器視覺控量施肥和將與環(huán)境控制、病蟲害監(jiān)測、產(chǎn)量預(yù)測等系統(tǒng)進一步融合，構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

作者簡介：龍冰雁（1974一），女，湖南永州人，本科，教授，主要從事植物培育研究工作。

課題項目：智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)集成與應(yīng)用創(chuàng)新農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重點實驗室的一般課題（KF2504）。