大数据时代精准施肥模式实现路径及其技术和方法研究展望

自上世纪70年代起，我国开展了田间养分精准管理方法与技术的研究和推广，包括测土配方施肥、土壤养分测试和作物营养诊断，积累了大量土壤类型、肥力等基础数据以及农村地籍调查、农业普查、作物需肥规律等田间养分管理相关数据。但田间养分精准管理目前依旧存在重研究、轻应用，重理论、轻技术，专业分工太细，分割化、碎片化严重，传统与现代融合不够，可实际应用的产品、技术较少，农户体验差等问题。日渐成熟的信息互联、互通、互享技术与平台，功能日益强化的人工智能技术等，为实现田间养分管理走向精细化、信息化与系统化，进而为实现跨越式发展提供了契机。本文从我国农田经营分散的实际国情出发，根据精准施肥原理、认识与定位，提出了“基准+精准”模式的田间养分管理方案，以测土配方施肥为基础，结合数据挖掘技术对现有数据进行综合分析，更新制定当年田间养分管理“基准”施肥方案，包括基肥和追肥的施用数量及施用时间，同时利用云GIS可实现农田数据的空间信息化和施肥方案田块化管理的可视化，为移动端施肥方案的推送和实现田块尺度上的信息化精细管理奠定基础。以数字图像无损诊断作为技术支撑，通过机器学习作物数字图像特征参数来建立营养诊断模型，判断得出作物营养胁迫种类及程度，从而对当季田间作物长势及营养状况进行准实时监测与评价，进而实现对田间“基准”施肥方案特别是追肥施用的“精准”修正。最后通过构建“云+手持终端+数字图像”系统架构实现“基准方案推送—无损诊断—精准修订—成效反馈—方案优化”的动态实施和更新，对测土配方施肥技术体系进行完善，同时实现相关成果更新和持续利用，解决成果应用的“最后一公里”问题。     

柑橘肥水智能决策支持系统的变化预测方法及应用效果

本体是农业智能信息系统的核心,是实现精准农业信息服务的关键.本体的维护和管理过程将导致本体发生各种变化,从而对其支撑的应用程序产生不同程度的影响.如何有效地分析本体元素的变化对应用程序的影响是农业智能信息系统维护和管理的难题.该文提出一种基于界面组件依赖矩阵、本体概念依赖矩阵及本体概念-界面组件依赖矩阵的系统变化预测方法,实现了避免代码层分析而较准确预测本体概念的变化对应用程序用户界面组件的影响.以包含22个本体概念和6个界面组件的柑橘肥水智能决策支持系统为案例分析,验证结果表明:该变化预测方法能够达到85％的平均准确率和98％的平均召回率.该变化预测方法对解决以本体为核心的农业智能信息系统的变化管理难题可提供有效的解决方案.     

基于机器视觉的松林天牛远程智能监测系统

松墨天牛和褐梗天牛是松树上两种重要蛀干害虫，及时获取松林天牛的数量变化趋势是松林害虫精准防治的重要前提。为此，该研究构建一款基于机器视觉的松林天牛远程智能监测系统。系统主要由诱捕器模块、天牛检测模块和系统Web端三部分组成。诱捕器模块通常放置于松林重点区域来诱捕天牛害虫，并通过摄像头定时采集天牛图像；天牛检测模型部署于边缘端，以深度学习YOLOv5s模型为基础搭建轻量化检测模型，实现边缘端的天牛实时检测统计；检测结果经无线传输在系统Web端进行呈现，实现天牛数据可追溯。试验结果表明，智能监测系统对天牛监测效果良好，模型的准确率为94.4%，召回率为93.6%,IoU阈值为0.5下的平均精度均值(m AP0.5)为96.2%，单张推理耗时为1.40 s，模型大小为9.3 MB；用户可通过系统Web端查看天牛数量变化趋势。该系统可实现诱捕器场景下的天牛远程智能监测，对提高森林害虫防控智能化水平具有重要意义。     

果园单轨运输机在轨状态感知系统研制

针对山地果园单轨运输机作业环境受限、定位精度较低等问题,该研究基于高频RFID(RadioFrequency Identification)混合测速定位方法,设计了一套果园单轨运输机在轨状态精准感知系统。感知系统以STM32F103RCT6芯片为主控单元,利用双RFID阅读器读取基准定位标签组的时间差,使用混合测速定位方法,实时计算运输机的作业状态信息;设计了移动端监测软件,通过LoRa通信模块远程获取运输机实时作业状态信息。试验结果表明,运输机在平地路况中运行稳定,感知系统计算的全程平均行驶速度为0.49 m/s,依据秒表记录计算的全程平均行驶速度为0.48 m/s,二者速度相差2%;基准定位标签组间距为3.42m时,运输机全程平均定位误差为6.18±0.60cm;基准定位标签组间距为6.84 m时,运输机全程平均定位误差为6.46±1.14 cm。该研究验证了基于高频RFID精准感知单轨运输机在轨状态的可行性,提升了运输机作业安全性和智能性,可为实现果园生产精准作业提供可靠数据支持。     

村级农田施肥专家系统设计与应用

[目的]实现田块尺度的施肥决策和精准施肥,达到测土配方施肥成果数字化延伸。[方法]采用GIS组件ArcEngine,将GIS,RS,GPS和农业专家技术进行集成,以遥感影像为索引,建立基于农户田块为基本管理单元的触摸屏村级农田施肥专家系统。并以犍为县定文镇炮房村为案例区进行了实际应用。利用四川省2005—2009年"3414"试验数据,结合区域实际,构建了系统的主要粮油作物推荐施肥模型。[结果]该系统不但实现了田块尺度的施肥决策和养分管理,同时还具备农田基本信息、缺素诊断、病虫害防治、政策法规和安全常识等查询功能。[结论]该系统具有界面友好,操作简单明了的特点,并在村级田块尺度上实现了精确施肥。     

基于卡尔曼滤波的降雨起止时间手机远程监测装置研制

为解决设施农业的降雨监测系统难以精准检测降雨起止信号的问题,研制了一种降雨起止时间远程监测装置。该装置主要由雨水感应模块、雨水检测电路、单片机、通用分组无线电系统数据传输单元模块(General Packet Radio System Data Transmission Unit,GPRS DTU)、串口通信电路和手机端APP组成。通过自行设计的雨水感应模块检测降雨过程,利用卡尔曼滤波器降低雨水检测信号的电阻热噪声干扰,根据滤波后的信号差值建立降雨起止信号判别模型,判定的降雨起止信号经通用分组无线电系统(General Packet Radio System,GPRS)远程无线传输至云服务器,并以云服务器的同步时间作为基准时间,实现了手机远程监测降雨起止时间。开展装置性能测试试验,研究其稳定性、准确性与可靠性,结果表明:1)降雨起止信号判别模型的判别周期取10 s最优;2)室内测试时的降雨起止信号错报率为1.2%,手机接收成功率为100%;3)雨水感应模块的导线末端间距为2 mm、基板间夹角为120°是能检测小雨及以上等级的最优参数组合。将装置安装于开阔的楼顶天台开展实测验证试验,结果表明:装置对降雨开始与停止时间的检测误差范围分别为7~34、9~29 s,室外仅出现1次错报,信号错报率为5.9%,符合对自然降雨过程的检测要求。该装置能远程监测降雨起止时间,可为今后进一步研究农业智能感雨监测系统提供技术支持和理论依据。     

便携式柑橘虫害实时检测系统的研制与试验

为实现柑橘虫害的快速、准确识别,帮助果农及时掌握果园内虫害的危害程度和分布情况,该研究结合嵌入式图像处理技术设计了一套基于深度卷积神经网络的柑橘虫害实时检测系统。优选MoblieNet作为虫害图像特征提取网络,区域候选网络生成害虫的初步位置候选框,快速区域卷积神经网络(Faster Region Convolutional Neural Networks,Faster R-CNN)实现候选框的分类和定位。检测系统根据目标图像中虫害数量计算危害程度,按照正常、轻度、中度、重度4个等级判定柑橘虫害的严重程度,形成虫害识别与级别定量化测评软件。最后引入北斗模块获取采样点位置信息,进一步处理成可视化的虫害热力图。结果表明,该方法可实现对柑橘红蜘蛛和蚜虫的快速准确检测,识别准确率分别达到91.0%和89.0%,单帧图像平均处理速度低至286ms。该系统实现了柑橘虫害的精准识别与定位,可为农药喷洒作业提供精准信息服务。     

基于红外热成像的夜间农田实时语义分割

农田环境实时语义分割是构成智能农机的视觉环境感知的重要环节，夜间农田语义分割可以使智能农机在夜间通过视觉感知农田环境进行全天候作业，而夜间无光环境下，可见光摄像头成像效果较差，将造成语义分割精度的下降。为保证夜间农田环境下红外图像语义分割的精度与实时性，该研究提出了一种适用于红外图像的红外实时双边语义分割网络（Infrared Real-time Bilateral Semantic Segmentation Network，IR-BiSeNet），根据红外图像分辨率低，细节模糊的特点该网络在实时双边语义分割网络（Bilateral Semantic Segmentation Net，BiSeNet）结构基础上进行改进，在其空间路径上，进一步融合红外图像低层特征，在该网络构架中的注意力提升模块、特征融合模块上使用全局最大池化层替换全局平均池化层以保留红外图像纹理细节信息。为验证提出方法的有效性，通过在夜间使用红外热成像采集的农田数据集上进行试验，数据集分割目标包括田地、行人、植物、障碍物、背景。经试验验证，提出方法在夜间农田红外数据集上达到了85.1%的平均交并比（Mean Intersection over Union，MIoU），同时达到40帧/s的处理速度，满足对夜间农田的实时语义分割。     

基于GoogleMap和WebGIS的区域桃园施肥决策系统的建立与应用

采用总量控制、分期调控的施肥策略,并结合桃树生长规律建立了基于目标产量和土壤肥力的施肥决策模型,同时利用GoogleMap和WebGIS强大的地图服务功能,构建了一个实用化的区域桃园施肥决策系统。系统采用分布式B/S结构,在专题空间数据库和模型数据库支撑下,实现了数据维护更新,GoogleMap和GIS信息浏览查询,肥力评价与推荐施肥决策4个主要功能。系统所运用的施肥决策模型在北京市平谷区桃园进行了4 a的试验验证,结果表明：与传统施肥处理相比,采用推荐施肥决策模型,平均增产27.5%,果实着色度、总糖、可溶性固性物和固酸比均显著提高,同时氮磷钾养分投入量分别降低33.5%,2.7%和9.6%。该系统探索了基于GoogleMap和WebGIS的施肥系统新模式,对区域养分管理具有较高的适用性。     

基于WebGIS的新疆绿洲农田土壤信息集成与共享系统设计

土壤信息系统的构建与应用有助于加强土壤数据的信息化管理,提高土壤信息的共享性。目前土壤信息系统主要为单一专题系统,在多专题分析或与其他系统进行数据交互的实际应用中存在较多阻碍。针对这一问题,本文收集整理新疆农田土壤信息数据并建库,设计开发出基于WebGIS技术的新疆绿洲农田土壤信息集成与共享系统,系统集成了耕地地力评价、土壤改良利用分区、作物适宜性评价及测土配方施肥等四个专题功能并使之相互衔接,实现了土壤信息的在线查询与高效共享。运行结果表明,该系统降低了数据冗余,提高了数据利用效率,具有较高的稳定性和实用性,对促进新疆农业的信息化、规模化及可持续发展具有重要意义。     

基于个性化特征的无公害农产品目录智能服务系统

从促进无公害农产品流通,提高认证产品信息服务质量出发,该文以无公害农产品目录为研究对象,以实现认证产品信息的个性化检索与推荐为目标,进行产品目录智能服务的关键技术研究。以产品概念、属性和语义关系为主体,设计产品目录本体模型,建立产品目录领域本体,形成无公害农产品电子化目录;基于产品目录领域本体,从本体概念层面进行用户兴趣特征建模,采用语义清晰度与用户兴趣度的综合值设置概念权值,建立个性化产品目录加权本体模型,并设计个性化产品目录加权本体建立算法,实现用户兴趣的动态、准确和全面描述;通过个体过滤、综合过滤、概念映射、语义查询扩展和查询结果优化,构建个性化产品目录信息推荐与检索算法,建立产品目录智能服务系统。在检索结果用户满意度对比试验中,相比于基于领域本体检索、基于语义相似度优化检索和基于个性化本体优化检索3种方式,分别提高了31%、21%和14%,结果表明可在一定程度上提高无公害农产品目录信息检索推荐的质量和满意度,满足个性化的需求,同时也可为无公害农产品推广、品牌化销售和电子化交易提供技术支撑,具有较好的应用前景。     

中国福建省永春县柑橘园土壤有机碳储量研究

Studies related to the quantitation and distribution of soil organic carbon(C) under different land use types can help to fill the knowledge gaps regarding estimation of the amount of C stored in soils at a global scale. Orchards are an important land use type in southern China; the total area(1.15 × 10~7 ha) of orchards in China comprises approximately 20.5% of the area of all orchards worldwide. We assessed soil organic C stocks(SOCS) in citrus orchards in Yongchun County(consisting of 22 towns), Fujian Province,China in 1982 and 2010. The southeastern part of the county, an area featuring extensive citrus farming with a gently sloping landscape and low rates of water erosion, had the highest SOCS. In contrast, the lowest SCOS was observed in the northern part of the county,where steep hills with severe erosion problems are common and citrus orchards are sparsely distributed. From 1982 to 2010, the mean SOCS in citrus orchards increased from 22.1 to 41.7 Mg ha~(-1), which indicated that current management practices such as fertilization,irrigation, and cultivation enhanced soil C stocks. Further in-depth studies on the effects of these practices on C sequestration would be worthwhile and surveys of SOCS throughout Fujian Province are needed, to support efforts to mitigate global C emission.     

柑橘营养施肥推荐专家系统的建立与验证

为解决橘园果农经验施肥投入不平衡导致的果实品质降低的问题，构建基于果实品质综合评价的营养施肥推荐专家系统。通过2019—2020年连续两年定点跟踪，建立果实膨大期树体矿质营养和果实成熟期果实品质指标原始数据库，构建了基于果实综合品质指标的果实膨大期优质叶片养分适宜标准生成算法、基于“以产定量、总量控制和分期调控”原则的标准含量适宜偏差百分数有效养分配方矫正算法和基于当地肥料农资供应库的复混配方推荐算法，实现果实膨大期优质叶片养分适宜标准生成、橘园营养状况评价、有效养分施肥配方推荐以及基于当地肥料农资数据库的复混配方推荐4个主要功能。2021年度进行系统推荐施肥方案效果验证，结果表明：广安龙安柚产区以中产园区平均产量作为目标产量的矫正施肥方案效果最佳，龙安乡橘园矫正施肥方案的氮、钾和磷肥投入分别降低40.3%、43.6%和1.3%，崇望乡橘园矫正施肥方案的氮、钾和磷肥投入分别降低27.1%、30.8%和78.8%。该系统有效避免了化肥投入不平衡所致果皮着色延迟以及氮钾肥投入偏低导致果实偏小和果肉着色延迟，显著提高龙安柚产区果实综合品质，对柑橘叶片养分矫正配方施肥技术推广有较高适用性。     

节水灌溉预报、管理与决策专家系统研究

从节水灌溉的基本原理入手,分析了灌溉预报中的各个参量,提出了节水灌溉管理、决策的依据与方法,并介绍了灌溉预报、管理与决策专家系统的理论基础,系统结构,即以框架库、规则组库和黑板3部分组成的综合知识体结构的知识表示技术。节水灌溉预报、管理与决策专家系统的研制、开发与推广、应用,将会促进我国传统农业向现代化农业的转变,为把高新农业技术送到亿万农民手中开辟了一条崭新的途径。     

基于农业本体的语义相似度算法及其在农作物本体中的应用

语义相似度计算是信息处理中的一个关键问题。针对领域本体语义相似度计算模型考虑因素过于单一、主观性较强、计算精度较低等问题,该文首先针对本体模型的结构特点,提出一种计算节点密度的新方法,并从模型概念间的关系类型、节点密度、节点深度等方面分析本体概念相似度的组成,并赋予不同的权重,从而计算概念对间的结构相似度;接着,根据文献资料和经验知识,构建本体概念对的属性网格以获取概念的属性相似度;然后,基于本体层次网络结构计算根、叶节点的 B-U 概率,进而计算语义信息量,该方法不依赖于专家经验,具有客观性;再次,结合本体结构、信息量、属性等影响相似度的因素,提出一种计算概念间语义相似度的综合算法,该算法考虑到不同的影响因子在语义相似度计算中的重要程度不同,从而赋予农业本体中概念对关系不同的权值;最后,以农业领域农作物本体的语义相似度的计算为例进行实例验证,并给出“甜玉米”和“糯玉米”语义相似度计算的详细过程。试验表明该文提出的语义相似度算法的计算结果（0.8206）和标准差（0.0565）较之其他3种语义相似度算法更接近人们直观认知和专家意见,能有效提高语义相似度计算的精度和有效性。     

微灌果园灌溉制度实时制定

我国微滴灌面积已达13.3万hm²,并且目前的发展势头非常迅猛,而对工程建设后的灌溉管理重视不够,灌溉系统运行管理研究相对滞后,尤其是灌溉制度的实时制定技术。该文研究了一种面向用户的果树微灌实时灌溉制度制定的技术体系,通过“看天、看地、看作物”三要素来实时制定灌溉制度,并详细论述了实施步骤。该技术可为果树灌溉管理提供切实可行的技术途径     

农业本体在线服务系统设计

阐述了基于本体理论和方法的农业本体在线服务系统,应用搜索引擎技术为农业领域知识的组织和管理提出了一个共享的在线服务平台,介绍了多语种农业本体构建的过程,并给出了构建的关键理论和技术,设计了农业本体在线服务系统的整体架构,分析了本系统在农业领域实际应用的结果。     

基于信息流模型的农业产业链智能管理技术框架

探索了构建农业产业链信息流模型,以＂关联数据采集-多源数据同化融合-海量数据分析处理-多用户交互应用＂为研究路线,在前人研究的基础上,重点解决海量数据挖掘和分析处理、基于领域本体的数据解析、信息编码标准等问题,集成其他相关的技术,支持农业产业链各环节的信息获取、管理、分析和利用。     

三峡重庆库区柑橘园土壤养分丰缺状况研究

采集了三峡重庆库区柑橘主产区459个果园0—30 cm的土壤样品进行取样分析。结果表明,库区有78.7%柑橘园土壤pH值适合柑橘生长;有60.3%的柑橘园土壤有机质含量偏低。土壤速效氮和磷缺乏,分别占到72.4%和41.7%,土壤速效钾缺乏和过量并存。库区柑橘园缺乏有效B、Zn、Fe、Mn的比例分别为86.3%、37.9%、27.0%、20.3%;土壤有效Fe、Mn和Cu含量在部分果园存在过量现象,分别占柑橘园的52.5%、36.4%和26.4%。因此,该区柑橘生产要因地制宜,建议在柑橘园增施B、Zn肥,石灰和其它碱性肥料,同时减少喷施含Cu杀菌剂。