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        基于知識圖譜和機(jī)器視覺的智慧草莓生產(chǎn)托管服務(wù)系統(tǒng)實踐*

        2021-04-27 01:36:06郭文忠鄭建鋒肖麗娟文朝武龍潔花
        農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:智慧生長模型

        林 森,郭文忠**,鄭建鋒,肖麗娟,文朝武,張 宇,龍潔花

        (1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100083;3.天津綠色世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司,天津 301800)

        草莓是中國廣泛種植的重要經(jīng)濟(jì)作物之一,在國內(nèi)大部分地區(qū)均有種植,是幫助農(nóng)民增收致富的重要作物。目前草莓種植多為設(shè)施栽培,與傳統(tǒng)露地栽培草莓的方式相比,設(shè)施栽培更有利于草莓的生長及生產(chǎn),由于其對草莓生產(chǎn)具有一定的優(yōu)勢,因此設(shè)施草莓被大力推廣,并被廣泛應(yīng)用到草莓的實際生產(chǎn)中[1-2]。但是,草莓種植多為單體設(shè)施栽培,種植技術(shù)為傳統(tǒng)的小農(nóng)方式,技術(shù)落后,種植經(jīng)驗缺乏,針對這種現(xiàn)狀,筆者采用人工智能技術(shù)將種植者經(jīng)驗和模型系統(tǒng)相結(jié)合,并通過這種技術(shù)方案建立了一套基于知識推理和視覺信息識別的設(shè)施草莓智慧管控決策方法,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一款草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)。

        決策方法

        采用知識圖譜技術(shù)將種植者經(jīng)驗和模型系統(tǒng)相結(jié)合,首先要將種植者經(jīng)驗、環(huán)境數(shù)據(jù)和草莓圖像識別數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,建立標(biāo)準(zhǔn)化的草莓種植知識結(jié)構(gòu)和知識庫;然后采用知識推理的方法結(jié)合草莓種植水肥模型和溫室氣候模型建立設(shè)施草莓智慧種植決策方法,該技術(shù)方案包括草莓植株生長模型、基于多特征融合的草莓生長狀態(tài)識別算法、基于知識圖譜的草莓智慧管理決策方法、草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)等4 個部分(圖1)。

        草莓生長模型

        不同品種的草莓植株的生長特性不同,同一品種在不同的環(huán)境下的生長特征也不同。為了能夠清楚直觀地表示草莓植株在一定條件下的生長狀況,可以將草莓植株的生長過程用圖形的方式表示出來。

        草莓生長模型圖包含了植株生長時間、株高(葉柄長)、莖粗、葉片長、葉片寬、葉片數(shù)、葉片展開時間、開花時間、果實膨大時間、開始采收時間和采收結(jié)束時間。通過生長模型圖可以很方便地分析草莓營養(yǎng)生長和生殖生長的過程,更好地理解草莓在不同環(huán)境下的生長行為。通過對比視覺識別的植株生長狀態(tài)與草莓生長模型,得到作物生長偏差,進(jìn)一步根據(jù)生長偏差通過知識圖譜決策系統(tǒng)調(diào)整設(shè)定值。

        圖1 基于知識圖譜的草莓種植智慧管控決策系統(tǒng)

        圖2 基于YOLO-V4 的草莓生長狀態(tài)識別算法

        圖3 草莓關(guān)鍵特征識別效果

        草莓生長狀態(tài)識別模型構(gòu)建

        草莓生育期是影響草莓種植管理的重要因素,傳統(tǒng)的草莓生育期識別方法主要依靠人的經(jīng)驗,團(tuán)隊采用機(jī)器視覺的識別方法來自動識別草莓生育期、吐水情況、果實和花朵,為草莓智慧管控提供決策依據(jù)。視覺識別模型提取的信息包括生育期、吐水、果實和花朵等信息。視覺分析模型的構(gòu)建主要包括采集樣本圖片、樣本增強(qiáng)、樣本標(biāo)注、模型訓(xùn)練、視覺模型應(yīng)用5 部分。草莓生育期被分為5 個時期,即營養(yǎng)生長期、開花期、果實膨大期1、果實膨大期2、成熟期。

        該模型采用基于多特征融合的草莓生長狀態(tài)識別算法,實現(xiàn)草莓生育期和吐水情況的識別。該算法采用YOLO-V4 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取,然后對于不同尺度特征再進(jìn)行加深提取,最后將各特征采樣至原圖大小進(jìn)行特征融合[7-9]。基于YOLO-V4 的草莓生長狀態(tài)識別算法示意圖如圖2 所示,草莓關(guān)鍵特征識別效果如圖3 所示。

        基于知識推理草莓智慧管控決策方法

        知識圖譜通常建立在大量的歷史數(shù)據(jù)和圖片之上,將所有數(shù)據(jù)鏈接在一起。知識圖譜可以將經(jīng)驗知識化,幫助重構(gòu)一種可選擇、可分類、結(jié)構(gòu)化的知識,使計算機(jī)和人類都能讀懂知識。

        基于知識圖譜結(jié)構(gòu)的推理方法包括標(biāo)準(zhǔn)化管理策略和優(yōu)化調(diào)整策略兩個部分,即在標(biāo)準(zhǔn)化管理策略的基礎(chǔ)上,根據(jù)實時反饋結(jié)果調(diào)整優(yōu)化管理策略(圖4)。標(biāo)準(zhǔn)管理策略表是基礎(chǔ)設(shè)置,是滿足作物生長的基本需求。優(yōu)化調(diào)整管理策略表是決策系統(tǒng)根據(jù)反饋的作物狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整的策略。

        將知識圖譜的知識推理方法應(yīng)用到草莓種植管理中,首先要將影響草莓生長和種植經(jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行融合分析,將相關(guān)知識進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,建立標(biāo)準(zhǔn)化的草莓種植知識結(jié)構(gòu);然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的知識結(jié)構(gòu)搜集大量專家的草莓種植經(jīng)驗,構(gòu)建草莓種植專家知識庫;采用基于Neo4j 與Python 的方法構(gòu)建知識圖譜,構(gòu)建草莓種植智慧管控系統(tǒng)。圖5 是構(gòu)建的知識圖譜的一部分。

        知識推理過程中需要采集的數(shù)據(jù)包括天氣、植株高度、吐水情況、莖粗、空氣溫度、太陽輻射、空氣濕度。天氣情況根據(jù)當(dāng)天天氣預(yù)報得到;植株吐水情況根據(jù)視覺識別得到;植株高度和莖粗由生產(chǎn)輔助管理人員策略得到;實時環(huán)境數(shù)據(jù)空氣溫度、太陽輻射、空氣濕度由現(xiàn)場安裝傳感器測量得到[3-6]。

        草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)

        基于草莓智慧管控決策方法的科技成果,開發(fā)了草莓智慧管控云托管服務(wù)系統(tǒng),實現(xiàn)了草莓智慧管控過程中灌溉、施肥、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)分析和設(shè)備巡檢的全托管服務(wù),云平臺基礎(chǔ)功能主要包括云組態(tài)、數(shù)據(jù)分析、知識推理系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、模型系統(tǒng)和知識庫等模塊,輔助可選功能包括水肥一體化智慧管控系統(tǒng)、草莓生產(chǎn)檔案管理、草莓品控溯源系統(tǒng)等,系統(tǒng)總體框架如圖6 所示。

        圖4 基于知識推理草莓智慧管控決策方法

        圖5 灌溉知識圖譜構(gòu)建

        圖6 系統(tǒng)總體框架圖

        試驗驗證

        試驗場地選擇云南省昆明市富民縣國家高原云果產(chǎn)業(yè)園,如圖7 所示。試驗品種是‘章姬’草莓,‘章姬’為日本品種,果實長圓錐形,鮮紅美觀,果型端正整齊。一級花序果平均果重35 g,最大果重50 g,可溶性固形物含量為9%~14%。

        栽培方式為高架基質(zhì)栽培,與傳統(tǒng)的土壤栽培相比,草莓高架栽培可以避免彎腰作業(yè),極大降低草莓生產(chǎn)的勞動強(qiáng)度,有效避免土壤連作障礙,使得果實清潔衛(wèi)生、著色均勻。在草莓生產(chǎn)人員老齡化加劇和農(nóng)產(chǎn)品安全問題日益嚴(yán)峻的時代背景下,草莓高架栽培的技術(shù)優(yōu)勢越來越凸顯。通過水肥一體化施肥機(jī)和滴灌系統(tǒng)對植株提供水肥營養(yǎng)液,按照營養(yǎng)液配方(質(zhì)量比N:P:K:Ca:Mg:Fe:Mn:Cu:Zn:B:Mo=100:25:125:80:24:2.5:0.5:0.02:0.05:0.5:0.01)配制母液。

        圖7 試驗場地

        試驗溫室位于云南省昆明市富民縣(東經(jīng)102°21'~102°47',北 緯25°08'~25°36'),平 均海拔1679 m,氣候溫和,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,干濕季分明。年平均氣溫15.8℃,春季平均氣溫17.5℃,夏季20.9℃,秋季15.8℃,冬季9.1℃,如圖8 所示。

        試驗結(jié)果與分析

        將草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)應(yīng)用到生產(chǎn)中,經(jīng)過4 個月的驗證測試,草莓植株生長良好,如圖9 草莓生長效果。

        隨機(jī)選取80 株草莓測量產(chǎn)量,于2020 年9 月10 日開始第一次測產(chǎn),果實完全成熟后即采收,11 月30 日為最后一次測產(chǎn)。單果重10 g 以上,果型周正,無病蟲害,具有商品價值的果實按照重量分為A 級果(30 g 以上)、B 級果(20~30 g)、C 級果(15~20 g)、D 級果(10~15 g)。根據(jù)最后的測產(chǎn)結(jié)果,試驗基于知識推理的決策方法使得草莓產(chǎn)量達(dá)到8456.1 g,約105.7 g/ 株。定植后產(chǎn)量分布如圖10 所示,表1 為果實產(chǎn)出分布。

        圖8 試驗溫室所在地月空氣溫濕度(2019 年7~11 月)

        圖9 草莓生長效果

        圖10 定植后產(chǎn)量統(tǒng)計

        表1 果實產(chǎn)出分布

        結(jié)論

        該試驗建立了草莓智慧管控云端的托管系統(tǒng),提出了采用托管服務(wù)的方式解決單棟塑料大棚草莓種植管理問題,實現(xiàn)了溫室草莓種植日常管理的托管式服務(wù)。其中構(gòu)建的基于機(jī)器視覺的草莓生長狀態(tài)識別系統(tǒng),解決了草莓生長狀態(tài)識別和辨認(rèn)完全依靠種植者經(jīng)驗的問題,并首次提出基于知識圖譜的設(shè)施草莓智慧管控決策方法,該方法的標(biāo)準(zhǔn)化知識庫隨著知識的積累和數(shù)據(jù)的增加,決策方法會更加精準(zhǔn)。云服務(wù)系統(tǒng)形成草莓種植管理“智慧在云,智能在端”的管控方式,托管服務(wù)模式可以有效地改變農(nóng)民的生產(chǎn)理念,由過去的單純追求產(chǎn)量向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變,并使項目區(qū)農(nóng)民掌握信息化、智能化、裝備化的管理技術(shù),對發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)具有重要的促進(jìn)作用,形成完善、可借鑒的草莓智慧化管控模式,為中國草莓智慧種植探索開創(chuàng)新的局面。

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