周國民，丘 耘，樊景超，郭秀明，胡 林，吳定鋒

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京100081）

數(shù)字農(nóng)業(yè)是用數(shù)字化信息技術(shù)，對農(nóng)業(yè)所涉及的對象和全過程進行數(shù)字化表達、設(shè)計、控制和管理。數(shù)字果園是數(shù)字農(nóng)業(yè)概念在果園生產(chǎn)管理中的具體實踐和深化，是現(xiàn)代信息技術(shù)和果樹栽培管理學(xué)科交叉產(chǎn)生的新的研究方向，即綜合應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，研究果園生產(chǎn)、管理、經(jīng)營、流通、服務(wù)中的信息獲取、處理、管理和利用的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)［1］。從數(shù)字果園的定義可以看出，數(shù)字果園是把果園的生產(chǎn)、管理和經(jīng)營等看成一個有機聯(lián)系的系統(tǒng)，把數(shù)字技術(shù)綜合、全面、系統(tǒng)地應(yīng)用到果園生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，促進和提高果園管理水平，并使得果園生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)按照人類需求的目標(biāo)和方向發(fā)展。

我國果園面積和水果產(chǎn)量均居世界第一，果樹產(chǎn)業(yè)在很多地區(qū)是農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)，在我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中占有重要的地位［2］。但我國果園管理和果樹生產(chǎn)總體水平與國際先進國家相差比較大，尤其是果園數(shù)字化、信息化和智能化管理技術(shù)差距更大。因此，依托數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建現(xiàn)代果樹栽培技術(shù)體系，發(fā)展信息化和智能化果園，對我國果樹產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革具有重要的現(xiàn)實意義，是加速縮短與發(fā)達國家差距、提高果樹產(chǎn)業(yè)國際競爭力的迫切需要。

近年來，國內(nèi)不少科研單位和大學(xué)積極開展數(shù)字果園研究，并取得了初步研究成果。北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)中心實現(xiàn)了蘋果樹形態(tài)結(jié)構(gòu)建模與仿真［3］。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)和西北農(nóng)林大學(xué)在果樹生長與栽培管理模型方面取得不少研究進展［4-7］。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑橘研究所利用紅外光譜和數(shù)字圖像技術(shù)開展水果成熟期預(yù)測和柑橘估產(chǎn)［8］。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所研發(fā)了柑橘信息化精準管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高溫、凍害、干旱的實時預(yù)警和水肥系統(tǒng)的遠程管理、智能決策和自動控制。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在果園采摘等作業(yè)機器人研制方面取得積極進展［9］。圍繞數(shù)字果園的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所組織開展了較為系統(tǒng)的研究，在果園環(huán)境和果樹生長信息獲取、果樹生長模型、果園數(shù)字化管理平臺等方面取得了顯著的研究進展?；诖耍恼轮攸c梳理和總結(jié)數(shù)字果園最新進展，并對數(shù)字果園的發(fā)展趨勢進行展望。

1 數(shù)字果園研究進展

1.1 果園環(huán)境和果樹生長信息獲取

果園環(huán)境和果樹生長數(shù)據(jù)采集是進行果園數(shù)字化管理的基礎(chǔ)。果園氣候環(huán)境因子方面，大氣、溫度、光照、水分等氣候因子與果樹生產(chǎn)有密切的關(guān)系。果園土壤環(huán)境因子方面，土壤有機質(zhì)含量是評價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)，土壤中重金屬含量影響著果品安全。果園地形環(huán)境因子方面，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。在果樹生長信息方面，果樹長勢、果樹枝型、萌芽日期、開花日期、結(jié)果日期、枝果比例、花果比例等指標(biāo)是果樹生長狀態(tài)的重要表征。另外果園的病蟲害信息的獲取與預(yù)測預(yù)報也是果園管理的重要方面。

在果園環(huán)境參數(shù)感知及智能化管控方面進展較快，已基本實現(xiàn)果園溫度、濕度、光照、水分等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，國內(nèi)外也有很多成熟的產(chǎn)品可供生產(chǎn)選擇。但是，存在的問題是針對類型豐富的果園小氣候數(shù)據(jù)，以及不同樹種在不同生態(tài)區(qū)域其生長所需的最佳環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的積累不夠；用于果園的低成本和高可靠的傳感器還不多［10］。

針對果園生產(chǎn)管理需求，有學(xué)者提出了基于可變采集指標(biāo)項的果樹生長和果園環(huán)境信息的采集數(shù)據(jù)表示標(biāo)準［11］，為多地多點采集數(shù)據(jù)的一體化管理提供了支撐，可為上層應(yīng)用程序提供一致的、機器可讀的數(shù)據(jù)接口。在果園中主要環(huán)境參數(shù)時空分布特性研究［12］和2.4GHz無線信號果園傳播特性研究［13］的基礎(chǔ)上，形成了如圖1的“果園環(huán)境—生長過程—作業(yè)過程—果園管理”全鏈條的數(shù)字化采集技術(shù)體系［14-15］。研制的果園信息采集設(shè)備套件實現(xiàn)了果園環(huán)境信息（空氣溫濕度、降雨量、光強、CO2、土壤水分、土壤溫度）、果園蟲害信息、單樹產(chǎn)量信息、果農(nóng)作業(yè)信息、投入品等信息的數(shù)字化采集和實時傳輸，為果園數(shù)字化管理奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 果園信息采集技術(shù)體系圖Fig.1 Orchard information collection technology system diagram

1.2 果樹生長模型

利用計算機來輔助果園精準管理，模型是核心。在果樹生產(chǎn)管理模型的研究工作有3個方面：一是以整個果園為目標(biāo)的群體參數(shù)研究，通過研究不同栽植密度、不同的樹形構(gòu)建、不同營養(yǎng)水平以及不同生長階段的果園其群體光利用率、生產(chǎn)效率、果實品質(zhì)情況等相關(guān)參數(shù)進行測定，甚至考慮果品市場價格等參數(shù)，進而通過建模分析，提出果園最佳群體參數(shù)。二是以單株果樹為目標(biāo)的個體參數(shù)研究，主要研究其樹形構(gòu)建、光利用率、冠層分布、枝條組成、果實分布及果實品質(zhì)等相關(guān)參數(shù)，通過建模分析提出單株果樹管理指標(biāo)。三是以果實為研究對象，通過果實生長過程監(jiān)測，研究果實生長發(fā)育與其周邊微環(huán)境因子、營養(yǎng)供給等因素之間的關(guān)系，構(gòu)建單株生長模擬模型，從而以果實的需求來確定樹體管理指標(biāo)［16-17］。

基于模型的果園生產(chǎn)管理，一般是把管理對象果樹當(dāng)成一個系統(tǒng)（圖2），模型被看成對系統(tǒng)某一個方面運行規(guī)律的客觀描述，從系統(tǒng)中獲取模型所需要的系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后模型開始運算，最后根據(jù)模型運算的結(jié)果來對目標(biāo)系統(tǒng)進行控制，使得目標(biāo)系統(tǒng)按照特定的方向向前發(fā)展。在這個基于模型的控制過程中，控制的效果完全依賴于模型是否對系統(tǒng)的運行規(guī)律進行了準確的描述，同時也隱含地認為，可以使用精確的建模手段來準確刻畫系統(tǒng)運行規(guī)律。

圖2 基于模型的果樹管理方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of fruit tree management based model

但是，果樹系統(tǒng)是一個時刻處于動態(tài)變化中的復(fù)雜系統(tǒng)，基本不存在精確完備的整體解析模型。首先，基于解析模型的最優(yōu)解與假設(shè)條件直接相關(guān)，往往具有較強的條件敏感性。而對于復(fù)雜系統(tǒng)問題，假設(shè)條件與實際情況存在著差別，從而使假設(shè)與實際狀況“失之毫厘，差之千里”。其次，解決復(fù)雜系統(tǒng)問題一般不存在單一的優(yōu)化指標(biāo)，而多層次多目標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)往往造成多個甚至無數(shù)個解決方案。因此，針對果樹復(fù)雜系統(tǒng)的特性，借鑒平行管理理論［19］，作者提出了一種果樹栽培管理模型框架（圖3），主要包括實際果樹系統(tǒng)和虛擬果樹系統(tǒng)，通過二者之間的行為進行對比和分析，完成對各自未來狀況的“借鑒”和“預(yù)估”，相應(yīng)地調(diào)節(jié)各自的管理與控制方式，達到實施有效解決方案以及學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的目的。

圖3 果樹管理模型框架Fig.3 The framework of fruit tree management model

1.3 果園數(shù)字化管理平臺

針對國內(nèi)果園數(shù)字化管理的需求，以果品生產(chǎn)和管理為核心，提出了“果園碼、地塊碼、作業(yè)碼、投入品碼、商品碼”五碼互聯(lián)的果園生產(chǎn)管理綜合編碼體系，研制了果園數(shù)字化管理平臺，具有果園監(jiān)控、果園生產(chǎn)過程管理、專家遠程診斷與服務(wù)、果品庫存和溯源管理等功能，實現(xiàn)了果品全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化管理。該平臺采用云計算模式和云化系統(tǒng)架構(gòu)，以生長管理模型為核心，數(shù)字化為基礎(chǔ)，將果園環(huán)境、果樹生長、果園生產(chǎn)、專家指導(dǎo)、政府監(jiān)管等有機聯(lián)系在一起，通過數(shù)據(jù)挖掘和模型分析，服務(wù)于果園主、專家、政府等不同主體，實現(xiàn)了果園的是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理。

3 數(shù)字果園發(fā)展方向

伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字果園技術(shù)必將取得巨大進展，且呈現(xiàn)出信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、機械化的發(fā)展趨勢，并將使果園在生產(chǎn)方式和觀念上產(chǎn)生革命性的變化［18］。

在果園環(huán)境信息和果樹養(yǎng)分與生理信息感知方面，將會綜合運用圖像處理和光譜分析等手段，實現(xiàn)果園土壤水分、養(yǎng)分、pH、質(zhì)地、病蟲草害等指標(biāo)的實時快速監(jiān)測，果樹生長過程中的光照、水勢、葉部形態(tài)、葉密度、果實大小、果實空間分布、產(chǎn)量等指標(biāo)將被數(shù)字化采集和動態(tài)感知。

在主要果樹形態(tài)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建與果園智能管理方面，將會融合園藝學(xué)、生態(tài)學(xué)、生理學(xué)、計算機圖形學(xué)等多學(xué)科，以果樹器官、個體或群體為研究對象，構(gòu)建出主要果樹4D形態(tài)結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)對果樹及其生長環(huán)境進行三維形態(tài)的交互設(shè)計、幾何重建和生長發(fā)育過程的可視化表達。通過數(shù)字果園技術(shù)的智能化發(fā)展，將突破果樹栽培與管理專家知識的采集、存貯和推理技術(shù)，專家系統(tǒng)與模擬模型研究相結(jié)合，專家系統(tǒng)與實時信號采集處理系統(tǒng)甚至技術(shù)經(jīng)濟評估系統(tǒng)相結(jié)合，專家系統(tǒng)與精準農(nóng)機具相結(jié)合，智能應(yīng)用系統(tǒng)的產(chǎn)品化水平將有質(zhì)的飛躍。智能應(yīng)用系統(tǒng)將具有良好的人機交互接口，一般果農(nóng)無需專門培訓(xùn)就能操作自如。

在果園精準作業(yè)與智能機械裝備方面，果園機械精準導(dǎo)航和控制技術(shù)、作業(yè)決策模型與作業(yè)方案實時生成技術(shù)等會得到應(yīng)用，智能化果園裝備將實現(xiàn)果樹栽植、樹體管理、花果管理、肥水管理、病蟲害防控等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械化、智能化和機器人化。不但減輕勞動強度，而且又能搶農(nóng)時，為果樹生長發(fā)育創(chuàng)造良好條件，促進果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

在果園數(shù)字化管理平臺方面，將會通過數(shù)字果園技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，從根本上打破時空障礙，變革果品經(jīng)營與流通模式，縮短果品從園地到餐桌的流通環(huán)節(jié)，促進產(chǎn)品價格、數(shù)量、質(zhì)量等市場信息的快速傳遞，消除生產(chǎn)者和消費者之間的信息不對等，進入以消費者為中心的果品生產(chǎn)定制時代。果農(nóng)足不出戶，就能方便地找到生產(chǎn)信息和市場信息，也能與專家或者同行學(xué)習(xí)和交流果樹栽培技術(shù)。

總之，數(shù)字果園技術(shù)的研究與應(yīng)用方興未艾，給我國果業(yè)發(fā)展帶來難得的機遇，并促進果業(yè)生產(chǎn)與管理發(fā)生革命性的變化，提高資源利用率和勞動生產(chǎn)率，使果業(yè)走上高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、低耗、高效的可持續(xù)發(fā)展道路。

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