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        天空地遙感大數(shù)據(jù)賦能果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理

        2019-09-27 08:16:34吳文斌段玉林余強(qiáng)毅錢建平張保輝周清波阮懷軍王風(fēng)云
        中國(guó)農(nóng)業(yè)信息 2019年4期
        關(guān)鍵詞:智能生產(chǎn)

        吳文斌,史 云,段玉林,余強(qiáng)毅,宋 茜,錢建平,張保輝,陸 苗,楊 鵬,周清波,阮懷軍,王風(fēng)云

        (1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所,濟(jì)南250100)

        0 引言

        我國(guó)果園面積和水果產(chǎn)量均居世界第一,水果產(chǎn)業(yè)是我國(guó)種植業(yè)中位列糧食、蔬菜之后的第三大產(chǎn)業(yè),是農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè),在我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位[1-2]。近年來(lái),我國(guó)水果生產(chǎn)區(qū)域集聚格局已經(jīng)形成,規(guī)?;a(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯,但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,仍然面臨很多問(wèn)題。例如目前果園生產(chǎn)管理總體較粗放,水肥藥施用沒(méi)有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管控,影響果品產(chǎn)量與質(zhì)量;果園管理效率低,費(fèi)時(shí)費(fèi)工,數(shù)字化、機(jī)械化管理水平低,生產(chǎn)成本逐年增加,成為制約果農(nóng)收入增加、水果產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力提升的關(guān)鍵瓶頸。因此,迫切需要加快轉(zhuǎn)變水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式,從粗放發(fā)展模式向精細(xì)管理發(fā)展模式轉(zhuǎn)變,走產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約和環(huán)境友好的現(xiàn)代果業(yè)發(fā)展道路。

        信息技術(shù)代表著當(dāng)今先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向。自1998年“數(shù)字地球”概念的提出,數(shù)字信息化經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,在寬帶高速網(wǎng)絡(luò)、高分辨率影像、空間信息、大數(shù)據(jù)、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)上獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步,數(shù)據(jù)量激增并海量聚集,已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。數(shù)據(jù)成為關(guān)鍵生產(chǎn)要素,數(shù)字技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的深度融合已成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要驅(qū)動(dòng)力。美國(guó)、歐洲和日本等國(guó)家和地區(qū)將推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化作為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要?jiǎng)幽?,紛紛出臺(tái) “大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計(jì)劃”、“農(nóng)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略”和“農(nóng)業(yè)發(fā)展4.0框架”等戰(zhàn)略規(guī)劃,推進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的數(shù)字化進(jìn)程,迅速成為數(shù)字農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)[3-6]。我國(guó)黨中央、國(guó)務(wù)院一直高度重視數(shù)字農(nóng)業(yè)和數(shù)字中國(guó)發(fā)展[7-9]。黨的“十九大”明確提出要建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì),做出推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合等戰(zhàn)略部署。習(xí)近平總書記指出,大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的新階段,要實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略,構(gòu)建以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素的數(shù)字經(jīng)濟(jì),發(fā)揮數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)資源作用和創(chuàng)新引擎作用,加快建設(shè)數(shù)字中國(guó)。面對(duì)新形勢(shì)、新需求,如何利用數(shù)字技術(shù),推動(dòng)水果產(chǎn)業(yè)全方位、全角度、全鏈條數(shù)字化改造,釋放數(shù)字對(duì)水果產(chǎn)業(yè)的放大、疊加、倍增作用,促進(jìn)生產(chǎn)成本節(jié)約、要素配置優(yōu)化、供求有效對(duì)接、管理精準(zhǔn)高效,實(shí)現(xiàn)水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革,這對(duì)于我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、加速縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家差距、提高產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

        水果產(chǎn)業(yè)包括生產(chǎn)、加工、流通、經(jīng)營(yíng)等多個(gè)環(huán)節(jié),其中生產(chǎn)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。果園作為水果生產(chǎn)的空間載體,加強(qiáng)數(shù)字技術(shù)與果園生產(chǎn)的融合,構(gòu)建現(xiàn)代化果園栽培與管理數(shù)字化技術(shù)體系是水果產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的優(yōu)先領(lǐng)域。隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展,新興的遙感技術(shù)因高時(shí)效、寬范圍和低成本的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)活動(dòng)中[10]。不同的時(shí)間、空間、光譜、輻射分辨率,多角度和多極化的遙感衛(wèi)星不斷涌現(xiàn),對(duì)地觀測(cè)探測(cè)能力不斷增強(qiáng),為果園生產(chǎn)快速監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)管理提供了新的科學(xué)技術(shù)手段[11]。文章重點(diǎn)闡述了天空地遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理新技術(shù)模式,具體地,利用航天遙感、航空遙感、地面物聯(lián)網(wǎng)等構(gòu)建天空地一體化(Satellite,Aerial,and Ground Integrated,SAGI)的果園觀測(cè)技術(shù)體系,建立果園生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析與決策管理平臺(tái),推進(jìn)果園資源環(huán)境及權(quán)屬數(shù)字化,加強(qiáng)果園生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)、災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和智能作業(yè),服務(wù)宏觀管理決策,指導(dǎo)果園生產(chǎn),推動(dòng)水果生產(chǎn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展。

        1 遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理總體框架

        圖1是遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理總體框架。該總體框架以“數(shù)據(jù)—知識(shí)—決策”為主線,以果園生產(chǎn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為目標(biāo),主要包括果園智能感知、快速診斷和精準(zhǔn)作業(yè)等3個(gè)核心內(nèi)容,推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、農(nóng)學(xué)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)裝備的融合應(yīng)用。果園智能感知是基礎(chǔ),利用航天遙感(天)、航空遙感(空)、地面物聯(lián)網(wǎng)(地)一體化的技術(shù)手段,進(jìn)行果園數(shù)量、空間位置與地理環(huán)境的精準(zhǔn)感知與信息獲取,建立果園天空地遙感大數(shù)據(jù)管理平臺(tái),解決“數(shù)據(jù)從哪里來(lái)”的基礎(chǔ)問(wèn)題。果園快速診斷是關(guān)鍵,主要基于天空地遙感大數(shù)據(jù),集成果樹模型、圖像視頻識(shí)別、深度學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘等方法,進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與農(nóng)學(xué)模型的融合,構(gòu)建果樹長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害、水肥、產(chǎn)量等監(jiān)測(cè)模型和算法,實(shí)現(xiàn)果園生產(chǎn)的快速監(jiān)測(cè)與診斷,解決“數(shù)據(jù)怎么用”的關(guān)鍵問(wèn)題。果園精準(zhǔn)作業(yè)是集成,結(jié)合自動(dòng)控制、傳感器、農(nóng)機(jī)裝備等,進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、農(nóng)學(xué)與農(nóng)機(jī)的集成融合,利用數(shù)據(jù)賦能作業(yè)裝備,實(shí)現(xiàn)果園生產(chǎn)的精準(zhǔn)和無(wú)人作業(yè),解決“數(shù)據(jù)如何服務(wù)”的重要問(wèn)題。

        圖1 遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理總體框架Fig.1 An overall framework for precise management of orchard production driven by remote sensing big data

        2 天空地一體化的果園智能感知系統(tǒng)

        航天遙感(天)早在20 世紀(jì)70 年代開始被應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè),在果園識(shí)別和分類中得到廣泛應(yīng)用。隨著民用無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,以無(wú)人機(jī)為主的航空遙感(空)在果園生產(chǎn)中迅速應(yīng)用和發(fā)展,無(wú)人機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大。同時(shí),地面物聯(lián)網(wǎng)(地)在果園應(yīng)用方興未艾,應(yīng)用廣度和深度不斷發(fā)展。然而,單一傳感器或單一遙感平臺(tái)的果園觀測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中存在較多局限性,因此,綜合天基、空基和地基觀測(cè)的天空地協(xié)同感知成為果園智能感知的發(fā)展方向(圖2)。天具有區(qū)域范圍大和空間連續(xù)性的特點(diǎn),是大區(qū)域尺度果園感知的信息主體;空包括有人機(jī)和無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái),具有高精度和時(shí)間連續(xù)性的特點(diǎn),可以補(bǔ)充遙感信息的缺失,是中小尺度果園遙感觀測(cè)的重要信息來(lái)源;地是物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的地面?zhèn)鞲芯W(wǎng),具有實(shí)時(shí)觀測(cè)和快速傳輸?shù)奶攸c(diǎn),提供地面真實(shí)信息,服務(wù)天空平臺(tái)精度驗(yàn)證[12]。天空地一體化的果園感知系統(tǒng)利用遙感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合,實(shí)現(xiàn)果園環(huán)境和果樹生產(chǎn)信息的快速感知、采集、傳輸、存儲(chǔ)和可視化,可以解決果園智能感知中數(shù)據(jù)時(shí)空不連續(xù)的關(guān)鍵難點(diǎn),顯著提高信息獲取保障率,實(shí)現(xiàn)對(duì)果園生產(chǎn)信息全天時(shí)、全天候、大范圍、動(dòng)態(tài)和立體監(jiān)測(cè)與管理[13]。

        圖2 天空地一體化的果園智能感知系統(tǒng)Fig.2 Orchard sensing system with the SAGI

        從技術(shù)體系看,天空地一體化的果園智能感知系統(tǒng)主要包括多源衛(wèi)星遙感影像快速處理系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)智能感知系統(tǒng)、地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)智能感知系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)智能終端調(diào)查系統(tǒng)和天空地遙感大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等五大子系統(tǒng)。

        (1)多源衛(wèi)星遙感快速處理系統(tǒng)。利用高效的金字塔算法、高精度圖像配準(zhǔn)算法、退化函數(shù)提取算法、圖像恢復(fù)算法和基于深度學(xué)習(xí)的超分辨率重建算法,實(shí)現(xiàn)Landsat、HJ、MODIS、NOAA和國(guó)產(chǎn)高分系列衛(wèi)星等國(guó)內(nèi)外多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的快速瀏覽、輻射校正、幾何校正、多光譜和全色影像的融合、鑲嵌、裁剪、圖像恢復(fù)和超分辨率重建,為大區(qū)域果園種植和空間分布調(diào)查提供支撐[14]。

        (2)無(wú)人機(jī)智能感知系統(tǒng)。利用遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),基于車載遙感平臺(tái),集成三維地理信息與任務(wù)規(guī)劃、無(wú)人機(jī)遙感獲取、多平臺(tái)融合的果園監(jiān)測(cè)快速處理和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)群诵墓δ?,為果園生產(chǎn)提供近低空、有效的全流程移動(dòng)式遙感解決方案。

        (3)地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)智能感知系統(tǒng)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)建立無(wú)人值守的果園環(huán)境和果樹生產(chǎn)信息自動(dòng)、連續(xù)和高效獲取。直接獲取的果園環(huán)境信息包括氣候、土壤、地形等參數(shù),其中氣候因子包括空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光合有效輻射強(qiáng)度、降雨等指標(biāo),土壤因子包括分層溫濕度、有機(jī)質(zhì)、重金屬等指標(biāo),地形因子包括海拔、坡度、坡向、高度等地形特征指標(biāo)。同時(shí),還可以獲取果樹長(zhǎng)勢(shì)、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、病蟲害等果樹生長(zhǎng)指標(biāo)[15-16]。

        (4)互聯(lián)網(wǎng)智能終端調(diào)查系統(tǒng)。通過(guò)手機(jī)、平板電腦、移動(dòng)電腦等終端平臺(tái),基于地圖、遙感影像等空間信息,進(jìn)行果農(nóng)經(jīng)營(yíng)地塊確認(rèn),并針對(duì)地塊進(jìn)行果園圖像和視頻、生產(chǎn)決策信息采集。系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)地圖/遙感影像只能反映地塊自然屬性特征的不足,通過(guò)獲取個(gè)體果農(nóng)生產(chǎn)決策信息,實(shí)現(xiàn)“人—地”信息結(jié)合,為果園大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[17]。

        (5)天空地遙感大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。搭建云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)、地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及其他空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、顯示、存儲(chǔ)和可視化表達(dá);基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù),利用深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)果園生產(chǎn)智能診斷分析,解決當(dāng)前數(shù)據(jù)人工處理的低效率問(wèn)題。

        3 遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)智能診斷技術(shù)

        在天空地一體化觀測(cè)體系獲取的果園大數(shù)據(jù)支撐下,綜合運(yùn)用地球信息科學(xué)、農(nóng)業(yè)信息學(xué)、栽培學(xué)、土壤學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域的理論,利用遙感識(shí)別、模擬模型、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)方法,建立遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)智能診斷技術(shù)體系(表1)。

        表1 遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)智能診斷Table 1 Intelligent diagnosis of orchard production driven by remote sensing big data

        3.1 基于衛(wèi)星的果園空間分布遙感調(diào)查技術(shù)

        宏觀尺度的果園空間分布是果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理的底圖基礎(chǔ)。針對(duì)果園種植家底資源不清、權(quán)屬不明的關(guān)鍵問(wèn)題,利用中高分辨率衛(wèi)星影像全覆蓋,充分挖掘衛(wèi)星遙感的光譜、時(shí)間和空間特征,構(gòu)建時(shí)序光譜特征量與紋理特征量,研發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的果園智能識(shí)別技術(shù),建立果園空間分布遙感調(diào)查技術(shù)體系,突破高精度果園空間分布遙感制圖的技術(shù)瓶頸,進(jìn)行果園種植空間分布調(diào)查和定期動(dòng)態(tài)更新,解決“果園面積有多大”的基礎(chǔ)問(wèn)題。目前,果園分布遙感調(diào)查技術(shù)方法的本質(zhì)是分類任務(wù),從最初的目視解譯法發(fā)展到基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的分類法,如監(jiān)督分類方法、多時(shí)相分類方法、多源數(shù)據(jù)結(jié)合分類法等,以及其他遙感分類法,如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法、模糊數(shù)學(xué)分類法、隨機(jī)森林分類法、混合像元分解法等。面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?,如考慮像元空間鄰域特征的上下文分析方法和考慮紋理特征的分類法也成為輔助光譜特征分類的重要方法[11]。此外,基于多源數(shù)據(jù)融合的方法也日益得到廣泛應(yīng)用。多源數(shù)據(jù)融合方法主要包括基于回歸分析的融合、基于數(shù)據(jù)一致性的融合、基于D-S證據(jù)理論的融合、基于數(shù)據(jù)集成方法的融合、基于模糊集合理論的融合和基于統(tǒng)計(jì)模型的融合等6類[18]。

        3.2 基于航空遙感的果樹生產(chǎn)精準(zhǔn)診斷

        果樹生產(chǎn)全過(guò)程精準(zhǔn)診斷分析是果園生產(chǎn)智能管理的關(guān)鍵。利用無(wú)人機(jī)遙感,以單株果樹為基本單元,結(jié)合機(jī)器視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)、模擬模型等技術(shù),建立果樹單株識(shí)別、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)等技術(shù)方法,形成開放兼容、穩(wěn)定成熟的果樹生產(chǎn)全過(guò)程診斷技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)果樹生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化的快速監(jiān)測(cè)。目前,基于航空遙感的果樹生產(chǎn)精準(zhǔn)診斷內(nèi)容主要包括2個(gè)方面:(1)針對(duì)果樹群體參數(shù)的診斷分析,利用圖像識(shí)別進(jìn)行果樹數(shù)量、高度、密度與長(zhǎng)勢(shì)以及果園雜草等群體參數(shù)監(jiān)測(cè),研究不同栽植密度、不同樹形構(gòu)建、不同營(yíng)養(yǎng)水平以及不同生長(zhǎng)階段的果園群體光利用率、生產(chǎn)效率,提出果園生產(chǎn)的最佳群體參數(shù);(2)針對(duì)單株果樹個(gè)體參數(shù)的診斷分析,建立模型,提取果樹三維樹冠與株形參數(shù),通過(guò)對(duì)樹形構(gòu)建、光利用率、冠層分布、枝條組成、果實(shí)分布等參數(shù)分析,建立單株果樹優(yōu)化管理的參數(shù)指標(biāo)。從技術(shù)體系看,主要包括3個(gè)關(guān)鍵技術(shù):(1)檢測(cè)和計(jì)數(shù),包括利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行果樹數(shù)量統(tǒng)計(jì)等;(2)分割,包括基于圖像分割技術(shù)進(jìn)行果樹的冠層面積、果樹高度、枝條和骨架結(jié)構(gòu)等提??;(3)果樹生長(zhǎng)模型,包括多源數(shù)據(jù)融合的果樹生長(zhǎng)和產(chǎn)量數(shù)字模型等。從實(shí)際應(yīng)用角度,未來(lái)迫切需要研發(fā)果樹生產(chǎn)診斷分析一體機(jī),將復(fù)雜的診斷模型與算法集成固化到裝備,實(shí)現(xiàn)田間地頭一鍵式、簡(jiǎn)單化、便捷的數(shù)據(jù)診斷與分析能力,解決數(shù)字技術(shù)應(yīng)用中數(shù)據(jù)處理難和分析難的痛點(diǎn)。

        3.3 基于地面物聯(lián)網(wǎng)的果樹和果實(shí)精準(zhǔn)診斷

        地面物聯(lián)網(wǎng)具有觀測(cè)實(shí)時(shí)、傳輸快速和信息真實(shí)的特點(diǎn),但其覆蓋范圍小,多應(yīng)用于點(diǎn)位尺度的診斷分析?;谖锫?lián)網(wǎng)的果園精準(zhǔn)診斷主要包括3個(gè)內(nèi)容:(1)以果園氣象災(zāi)害應(yīng)急管理為目標(biāo),結(jié)合環(huán)境傳感器,分析干旱、低溫凍害、冰雹等氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生的時(shí)間、頻率和強(qiáng)度,建立災(zāi)情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其對(duì)果樹成長(zhǎng)、果實(shí)發(fā)育和形成影響評(píng)估技術(shù),進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與快速預(yù)警,提升果園災(zāi)害應(yīng)急管理能力;(2)以單棵果樹為對(duì)象,利用點(diǎn)位傳感器,結(jié)合果樹生長(zhǎng)發(fā)育特征,進(jìn)行果樹水肥診斷,或利用圖像和視頻,結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)進(jìn)行果樹病蟲害、秋梢率的監(jiān)測(cè);(3)以果實(shí)為研究對(duì)象,進(jìn)行果樹果花、果實(shí)的計(jì)數(shù)和樹上品質(zhì)診斷分析,基于果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育與其周邊微環(huán)境因子、營(yíng)養(yǎng)供給等因素之間的關(guān)系,構(gòu)建單株生長(zhǎng)模擬模型,模擬監(jiān)測(cè)果實(shí)生長(zhǎng)過(guò)程,并以果實(shí)的需求來(lái)確定果樹樹體管理指標(biāo)[15,19-21]。

        4 天空地遙感大數(shù)據(jù)賦能果園作業(yè)裝備

        果園生產(chǎn)智能作業(yè)是果園生產(chǎn)智能管理的核心。目前,受制于精準(zhǔn)定位、數(shù)據(jù)通訊和控制系統(tǒng)的不足,我國(guó)果園生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息化裝備水平較低,缺乏成熟、可靠、易用的精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)和裝備。天空地遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園智能作業(yè)分為2個(gè)部分:(1)圍繞產(chǎn)中環(huán)節(jié),利用天空地遙感得到的果園環(huán)境信息、果樹分布、長(zhǎng)勢(shì)與病蟲害信息、生產(chǎn)作業(yè)的處方圖,結(jié)合果園機(jī)械精準(zhǔn)導(dǎo)航和控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)果園植保、花果管理、肥水管理、病蟲害防控等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械化、智能化和機(jī)器人化,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,為果樹生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好條件,促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn);(2)圍繞產(chǎn)后精細(xì)化、智能化、商品化處理環(huán)節(jié),利用傳感器、圖像視覺(jué)、光譜檢測(cè)等技術(shù)方法,構(gòu)建果實(shí)自動(dòng)采摘、品質(zhì)智能分級(jí)分選、自動(dòng)包裝技術(shù)及裝備,提升果實(shí)處理自動(dòng)化、裝備化和信息化水平,縮短工作時(shí)間和效率、節(jié)約人力資源。從關(guān)鍵技術(shù)看,未來(lái)需要研發(fā)果園作業(yè)服務(wù)一體機(jī),在無(wú)網(wǎng)絡(luò)情況下提供田間地頭的數(shù)據(jù)鏈路,實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝備的互聯(lián)互通;同時(shí)進(jìn)行裝備智能化管理與狀態(tài)監(jiān)測(cè),為作業(yè)裝備提供變量作業(yè)的決策數(shù)據(jù)和多機(jī)協(xié)同的作業(yè)能力。

        5 結(jié)論

        當(dāng)前,在國(guó)家大力實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、加快建設(shè)數(shù)字中國(guó)的新形勢(shì)下,加快推進(jìn)數(shù)字技術(shù)與水果產(chǎn)業(yè)的深度融合,構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)管理模式,對(duì)促進(jìn)數(shù)字果業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。利用航天遙感、航空遙感、地面物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代空間信息技術(shù),構(gòu)建天空地一體化的果園感知系統(tǒng),建立天空地遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的果園生產(chǎn)診斷與作業(yè)決策系統(tǒng),優(yōu)化果園資源要素配置,提高果園生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率和勞動(dòng)生產(chǎn)率,打造新型的果業(yè)生產(chǎn)發(fā)展模式。

        天空地遙感大數(shù)據(jù)在果園生產(chǎn)管理中應(yīng)用的基本流程主要包括天空地遙感大數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理、特征參量反演、時(shí)空信息提取、診斷模型構(gòu)建和校正、作業(yè)控制、數(shù)據(jù)集成與匯總等,目前還有很多核心科學(xué)問(wèn)題尚未得到系統(tǒng)解決。首先,天空地協(xié)同和立體遙感觀測(cè)能力有待加強(qiáng)。目前天空地一體化觀測(cè)對(duì)果園生產(chǎn)管理的滿足能力還不夠,現(xiàn)有的衛(wèi)星載荷和傳感器設(shè)置沒(méi)有充分考慮果園復(fù)雜環(huán)境的特定需求。如果園土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)、果品品質(zhì)診斷與果樹病蟲害監(jiān)測(cè)等需要高光譜遙感數(shù)據(jù)支撐;果樹生理與生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要熒光遙感、偏振遙感等新型遙感器應(yīng)用;天空地多源數(shù)據(jù)的融合理論和技術(shù)方法需要加強(qiáng)。其次,人工智能與大數(shù)據(jù)等支持下的果園果樹信息提取和診斷核心技術(shù)仍需要突破。無(wú)論是果園類型、果樹種類的分類識(shí)別,還是果樹生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和果實(shí)參數(shù)診斷,都是非常復(fù)雜的認(rèn)知過(guò)程。由于天空地遙感數(shù)據(jù)本身設(shè)計(jì)波段的有限性和波段間的相關(guān)性,以及地物“同物異譜、異物同譜”的光譜復(fù)雜性,天空地遙感大數(shù)據(jù)的信息提取和智能挖掘具有病態(tài)問(wèn)題,存在很多不確定性。新發(fā)展的人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)為未來(lái)果園生產(chǎn)信息提取、診斷與應(yīng)用提供了新的潛力。最后,天空地遙感大數(shù)據(jù)在果園生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域需要進(jìn)一步拓展。遙感觀測(cè)與導(dǎo)航定位、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合,與農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的其他學(xué)科交叉結(jié)合,可以從方法學(xué)上推動(dòng)自身學(xué)科發(fā)展,同時(shí)跨學(xué)科應(yīng)用也將拓展應(yīng)用領(lǐng)域,如可以推進(jìn)天空地協(xié)同觀測(cè)在果樹育種表型、果園栽培管理、果園保險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估等方面的應(yīng)用深度發(fā)展。

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