譚劍鋒，張麗慧，劉海峰,2，謝秋波,2，陳萬云

(1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

作物生境，即作物生長(zhǎng)所依賴的環(huán)境，作物生理，即作物生長(zhǎng)時(shí)因環(huán)境影響或自身代謝活動(dòng)發(fā)生的生理變化，兩者是作物生長(zhǎng)“外在與內(nèi)在”的重要參數(shù)，也是對(duì)作物產(chǎn)量有直接影響的重要因子。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用和發(fā)展，針對(duì)作物生境與生理的信息數(shù)據(jù)采集手段已日漸成熟，其中包括溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)元素、光合作用情況等數(shù)據(jù)采集[1-3]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化應(yīng)用系統(tǒng)在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植上應(yīng)用已初具規(guī)模，但大部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，通過開發(fā)賦值，與采集數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單比對(duì)后，通過系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)水肥一體化化灌溉的自動(dòng)化[4]。該模式下，只實(shí)現(xiàn)作物生境與生理數(shù)據(jù)的表層應(yīng)用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了廣義的精準(zhǔn)水肥供給，但未實(shí)現(xiàn)作物大數(shù)據(jù)對(duì)作物產(chǎn)量提質(zhì)增產(chǎn)的價(jià)值挖掘。

大數(shù)據(jù)是涵蓋規(guī)模、類型、價(jià)值、速度、精度和復(fù)雜度等基本特征的數(shù)據(jù)集及其相關(guān)的一系列技術(shù)體系[5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，精確計(jì)算最優(yōu)化配置模式，幫助作物水肥管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)需求變化與資源變化的深度耦合，做到作物生產(chǎn)的“全要素、全過程、全系統(tǒng)”綜合分析應(yīng)用。依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是水肥一體化的精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制升級(jí)的必然趨勢(shì)[6]。

本系統(tǒng)聚焦作物產(chǎn)量，通過建立作物生境與關(guān)鍵生理態(tài)勢(shì)感知體系，構(gòu)建作物實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與農(nóng)藝?yán)碚摂?shù)據(jù)結(jié)合的數(shù)據(jù)資源池，并配備可實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)控的在線式水肥一體化施肥設(shè)備等硬件設(shè)備，融合硬、軟件同步開發(fā)，設(shè)計(jì)一套新型的水肥一體化決策系統(tǒng)應(yīng)用，為水肥一體化技術(shù)應(yīng)用的數(shù)字化、信息化提升提供借鑒。

1 作物生境與生理的關(guān)鍵參數(shù)

作物生長(zhǎng)環(huán)境關(guān)鍵因素有環(huán)境溫度、濕度、光照、根際環(huán)境等。其中，根際環(huán)境（root zone，RZ）是指作物生長(zhǎng)、吸收、分泌過程中形成的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)不同于土體的、復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的微型生態(tài)系統(tǒng)。光合作用活動(dòng)是影響作物產(chǎn)量的最為關(guān)鍵生理活動(dòng)，同時(shí)生境的變化也時(shí)刻影響著作物生理代謝的進(jìn)程變化。

1.1 作物生境的關(guān)鍵參數(shù)

作物生長(zhǎng)環(huán)境因素主要包括環(huán)境溫度、濕度、根際環(huán)境，其中，根際環(huán)境涵蓋基質(zhì)含水量、pH、電導(dǎo)率（EC）、N、P、K、Ca 元素含量等重要參數(shù)。

1.1.1 溫度、濕度

溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因素之一。高溫直接影響光合作用的進(jìn)行，主要表現(xiàn)為氣孔限制和非氣孔限制。氣孔限制主要表現(xiàn)在由于高溫脅迫條件下，作物氣孔導(dǎo)度受限，從而導(dǎo)致CO2供應(yīng)不足，光合速率降低；非氣孔限制則是在高溫脅迫下，參與光合作用的關(guān)鍵酶活性受到抑制，葉肉細(xì)胞的氣體吸收擴(kuò)散受阻，CO2溶解量下降，光合作用場(chǎng)所穩(wěn)定性下降，最終導(dǎo)致光合作用活動(dòng)減緩[7]。

空氣濕度對(duì)作物在逆境環(huán)境下的適應(yīng)性調(diào)節(jié)尤為重要，在高溫脅迫下，提高空氣濕度可明顯提高番茄葉片的氣孔導(dǎo)度，從而提高番茄的耐熱性。因?yàn)殡S著濕度的升高，SOD 活性增強(qiáng)，從而可緩解高溫脅迫對(duì)番茄植株的傷害[8]。

1.1.2 光照

作物的生物量積累主要依靠光合作用產(chǎn)生，通過固定CO2實(shí)現(xiàn)碳的積累。光照的強(qiáng)弱直接影響作物對(duì)CO2固定及營(yíng)養(yǎng)元素吸收利用，從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。持續(xù)的弱光環(huán)境會(huì)導(dǎo)致果蔬類作物初花期推遲、開花高峰期延遲、開花指數(shù)下降，最終出現(xiàn)減產(chǎn)降質(zhì)等現(xiàn)象[9]。過強(qiáng)的光照會(huì)導(dǎo)致植株葉片光合速率下降，是非氣孔限制因素導(dǎo)致的結(jié)果[10]。

1.1.3 根際環(huán)境

根系是作物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)吸收的重要器官，根際環(huán)境是根系進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)輸送的主要場(chǎng)所。根際環(huán)境中含水量高，直接影響作物器官的組成細(xì)胞滲透壓以及呼吸作用的進(jìn)行，從而影響作物生長(zhǎng)的異化與同化的發(fā)生過程；pH、EC 的失衡，影響根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸收；N、P、K、Ca 等元素的含量變化，引起根際環(huán)境的EC、pH 發(fā)生變化，根際環(huán)境的改變也同步導(dǎo)致作物各器官的酶活性發(fā)展變化，從而引起作物生理活動(dòng)的變化。

1.2 作物生理的關(guān)鍵參數(shù)

光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物，即作物積累的生物量，通過不同的同化反應(yīng)，最終成為作物產(chǎn)量積累。蒸騰作用影響著光合作用的進(jìn)行，其中關(guān)鍵因素是葉片蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量等，其作用機(jī)理為：①葉片蒸騰作用，是水分從活的植物體表面（主要是葉片）以水蒸汽狀態(tài)散失到大氣中的過程。水分經(jīng)歷過程一般為根際環(huán)境中水分經(jīng)過根器官中的根毛吸收并經(jīng)根內(nèi)導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)角o器官，再由莖內(nèi)導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)饺~內(nèi)導(dǎo)管，最后通過葉片中氣孔散發(fā)到大氣中。其中蒸騰作用帶動(dòng)水分的運(yùn)輸，從而帶動(dòng)部分離子態(tài)礦質(zhì)元素吸收與運(yùn)輸[11]。如香紫蘇在生長(zhǎng)過程中，光照強(qiáng)度和葉溫與蒸騰速率之間均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)[12]。蒸騰速率直接反映作物蒸騰作用的強(qiáng)弱。②氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道，它在控制水分損失和獲得碳素即生物量產(chǎn)生之間的平衡中起著關(guān)鍵的作用。氣孔導(dǎo)度反映氣孔的開度，直接與蒸騰作用成正比。③葉綠素是光合作用的重要場(chǎng)所，葉綠素的含量高低，可以反映作物光合作用的進(jìn)程速度、量級(jí)變化。在作物栽培管理上，葉綠素的含量直接反映植物的健康狀況，葉綠素含量非生理性整體降低一般認(rèn)為代表植物發(fā)生病變，葉綠素解體導(dǎo)致出現(xiàn)黃化現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合作物生境與生理對(duì)作物產(chǎn)量的影響，系統(tǒng)充分考慮多元信息采集、操作執(zhí)行設(shè)備等硬件、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等軟件技術(shù)，進(jìn)行一體化通盤考慮，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體部署、分部細(xì)化的設(shè)計(jì)工作。

基于作物生境與生理大數(shù)據(jù)應(yīng)用的水肥一體化決策系統(tǒng)組成如圖1 所示，由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。硬件設(shè)備主要由物聯(lián)網(wǎng)傳感器、作物生理感知設(shè)備、在線式水肥一體化設(shè)備組成；物聯(lián)網(wǎng)傳感器與作物生理感知設(shè)備完成作物生境與生理參數(shù)的信息數(shù)據(jù)采集，在線式水肥一體化設(shè)備構(gòu)成大數(shù)據(jù)決策的執(zhí)行硬件機(jī)構(gòu)，精準(zhǔn)調(diào)控水肥供應(yīng)的頻次和量級(jí)。應(yīng)用軟件主要包括3 大核心組件：數(shù)據(jù)資源庫(kù)、大數(shù)據(jù)分析運(yùn)算、可視化操作前端。

圖1 基于作物生境與生理大數(shù)據(jù)應(yīng)用的水肥一體化決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知

針對(duì)基質(zhì)栽培，其需重點(diǎn)部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括但不限于：可采集環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、降雨量等多參數(shù)的氣象站，基質(zhì)含水量傳感器，光合有效輻射傳感器，可采集根際環(huán)境的溫度、含水量、EC、pH、有效鉀、有效磷、有效氮等參數(shù)的根際綜合傳感器，可實(shí)現(xiàn)作物所需營(yíng)養(yǎng)液元素含量檢測(cè)，并可自動(dòng)上存數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)裝置等。

2.1.1 多參數(shù)氣象站

氣象站是一種集氣象數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和管理于一體的無人值守的氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備。它可根據(jù)監(jiān)測(cè)類別的需求進(jìn)行選型配置，以同時(shí)監(jiān)測(cè)大氣溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓、雨量、光照、日照時(shí)數(shù)、太陽(yáng)總輻射、紫外線輻射等諸多外部大環(huán)境氣象要素，是一種多應(yīng)用集成終端。同時(shí)，氣象站中集成物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)中繼器模塊，提供無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入支撐。

2.1.2 基質(zhì)含水量傳感器

基質(zhì)栽培有別于土壤栽培，其含水量與土壤有較大差異。常用于無土栽種的泥炭土，是一種由大量分解不充分的植物殘?bào)w積累并形成泥炭層的土壤，常作為栽培用介質(zhì)使用，具備吸水保水的特性，含水率（質(zhì)量比）可高達(dá)700%[13]。常規(guī)應(yīng)用于土壤的墑情傳感器無法正確測(cè)量基質(zhì)含水量?；|(zhì)含水量傳感器一般采用電容檢測(cè)法，即將電容接入電路中，電容變化引起頻率變化，通過測(cè)定頻率的變化值得到基質(zhì)含水量[14]，傳感器在使用起始時(shí)必須依據(jù)栽種基質(zhì)的類別進(jìn)行標(biāo)定。

2.1.3 光合有效輻射傳感器

太陽(yáng)輻射中對(duì)植物光合作用有效的光譜成分稱為光合有效輻射，波長(zhǎng)范圍380～710 nm，光合有效輻射平均約占太陽(yáng)總輻射的50%[15]。光合有效輻射是影響光合作用的關(guān)鍵因子，光合有效輻射傳感器能直接測(cè)量作物對(duì)光照的利用情況，同時(shí)傳感器集可集成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)源采集保障。

2.1.4 根際環(huán)境傳感器

光譜檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟。檢測(cè)樣品基本在某一光譜段中有一個(gè)吸收峰或者反射峰，且斜率較大，光譜采集設(shè)備具有高靈敏探測(cè)能力，通過系統(tǒng)的分析比對(duì)，能準(zhǔn)確檢測(cè)出樣品中相關(guān)成分的含量[3]。

根際環(huán)境傳感器是多項(xiàng)關(guān)鍵因素檢測(cè)術(shù)的集成，其集成了特殊發(fā)光特性O(shè)LED 材料，實(shí)現(xiàn)全光譜激發(fā)，高精度光譜感知元件可采集被測(cè)對(duì)象在全光譜照射下的反射特性，并利用微電腦控制器進(jìn)行電信號(hào)的去雜，借助機(jī)器學(xué)習(xí)等算法工具自校正，最終完成數(shù)據(jù)的測(cè)量。同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，針對(duì)同一被測(cè)數(shù)據(jù)需要做理化試驗(yàn)來標(biāo)定曲線圖，目的是分析某些物質(zhì)是否只在某個(gè)波段下有光反應(yīng)或者在多個(gè)波段下均有光反應(yīng)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，擬合出此物質(zhì)含量和光譜圖的線性關(guān)系，由此構(gòu)建出一個(gè)可預(yù)測(cè)物質(zhì)含量的模型，最終可通過光譜圖無損探測(cè)出樣品中物質(zhì)的含量。應(yīng)用于根際環(huán)境的光譜應(yīng)用傳感器可對(duì)根際環(huán)境中的溫度、EC、pH、含水量、有效鉀、有效磷、有效氮等進(jìn)行連續(xù)在線式監(jiān)測(cè)。多光譜技術(shù)—根際環(huán)境傳感器設(shè)備實(shí)物如圖2所示。

圖2 多光譜技術(shù)—根際環(huán)境傳感器

2.2 作物生理感知

作物的生理活動(dòng)是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的過程，通過檢測(cè)儀器進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，獲取可靠的生理進(jìn)程關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，并通過設(shè)備集成的無線數(shù)據(jù)通訊模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集。

2.2.1 植物營(yíng)養(yǎng)元素檢測(cè)儀

植物營(yíng)養(yǎng)元素檢測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)土壤、基質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)液中礦質(zhì)元素含量，其主要利用基于Android 系統(tǒng)的便攜式分光光度檢測(cè)設(shè)備，通過生物化學(xué)方式方法進(jìn)行礦質(zhì)元素的測(cè)定，其中包括銨態(tài)氮、速效磷、有效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH 等含量測(cè)定，同時(shí)支持測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)上存到系統(tǒng)。

2.2.2 植物蒸騰速率測(cè)定儀

植物蒸騰速率可用于測(cè)量作物葉片中不同時(shí)間段的葉片蒸騰速率、空氣溫度、空氣濕度、光合有效輻射、葉片溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)。其中光合有效輻射測(cè)量范圍應(yīng)滿足0～3 000 μmol .mm2/s，精度<5 μmol .m2/s；通過連續(xù)測(cè)量樣品葉片蒸騰速率并計(jì)算出平均值，最終輸出可靠的檢測(cè)結(jié)果。

2.2.3 葉綠度檢測(cè)儀

常規(guī)的葉綠素含量測(cè)量方法是采用化學(xué)、物理綜合方法進(jìn)行測(cè)定，其測(cè)量步驟繁瑣，且屬于有損檢測(cè)方式。本系統(tǒng)應(yīng)用葉綠度檢測(cè)儀進(jìn)行評(píng)估葉片葉綠素含量。葉綠度（SPAD）檢測(cè)儀是利用葉片中葉綠素對(duì)紅光（峰波長(zhǎng)為650 nm）、紅外線（峰波長(zhǎng)為940 nm）2 種不同波長(zhǎng)光線吸收不相同的原理，通過2 種波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透光系數(shù)來確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對(duì)數(shù)量，從而評(píng)估當(dāng)前葉片中葉綠素的相對(duì)含量。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是無損檢測(cè)、快速高效。

2.3 在線式水肥一體施肥設(shè)備

在線式水肥一體化施肥設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)包括注肥系統(tǒng)、混肥系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和其他配件等。設(shè)備基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，為滿足作物生境與生理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算分析、以及對(duì)肥料濃度調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)化執(zhí)行要求，采用通用智能模塊化設(shè)計(jì)及邏輯化關(guān)聯(lián)處理，組件間可相互兼容，即插即用，且對(duì)施肥設(shè)備中的文丘里管合適的流量和壓力、吸肥效率和穩(wěn)定性、靈敏度、控制精度等方面進(jìn)行了優(yōu)化，最終設(shè)備如圖3 所示。同時(shí)，系統(tǒng)集成了各類傳感器，包括閥門狀態(tài)傳感器，水泵狀態(tài)傳感器，控制器狀態(tài)傳感器等元件，可對(duì)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知。設(shè)備運(yùn)行是通過文丘里吸肥器作為吸肥動(dòng)力，聯(lián)通多個(gè)營(yíng)養(yǎng)液原液通道，通過其高精度控制閥門、高靈敏度傳感器，實(shí)現(xiàn)水肥施用控制的快速響應(yīng)。并可通過應(yīng)用軟件模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化操作。

圖3 在線式水肥一體化施肥設(shè)備

2.4 大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

基于溫度、濕度、光照等關(guān)鍵因素開展水肥一體化調(diào)控的相關(guān)研究及應(yīng)用的報(bào)道較多，但主要集中在1 個(gè)或2 個(gè)因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，缺乏綜合考慮多因素及其耦合作用。多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明作物生境與生理的各項(xiàng)因素之間存在兩兩交互，多方交互、拮抗作用等影響關(guān)系[16]。作物的產(chǎn)量受到環(huán)境、生理變化的多方共同影響，利用大數(shù)據(jù)運(yùn)輸技術(shù)，對(duì)作物生長(zhǎng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，是對(duì)作物生長(zhǎng)規(guī)律及其后續(xù)發(fā)展預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括3部分，即數(shù)字資源庫(kù)、大數(shù)據(jù)分析運(yùn)算及可視化操作前端應(yīng)用。

2.4.1 數(shù)據(jù)資源庫(kù)

本系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的數(shù)據(jù)資源庫(kù)包括2 大核心組成：作物生境與生理參數(shù)數(shù)據(jù)資源和農(nóng)藝?yán)碚摂?shù)據(jù)資源。

作物生境與生理參數(shù)數(shù)據(jù)資源主要包括以下作物關(guān)鍵參數(shù)：①作物生境關(guān)鍵因素：環(huán)境溫度（℃）、相對(duì)濕度（%）、光照有效輻射量（W/m2）；②營(yíng)養(yǎng)液：有效氮含量（mg/L）、有效磷含量（mg/L）、有效鉀含量（mg/L）、EC（ms/cm）、pH；③根際環(huán)境：有效氮含量（mg/L）、有效磷含量（mg/L）、有效鉀含量（mg/L）、EC（ms/cm）、pH；④生理參數(shù)：葉綠度、蒸騰速率（g/m/h）。

同時(shí)，基于作物基質(zhì)栽培的研究及應(yīng)用已達(dá)到一定的水平，整合前期理論研究數(shù)據(jù)，構(gòu)建作物農(nóng)藝數(shù)據(jù)資源庫(kù)，可為大數(shù)據(jù)分析運(yùn)算提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2.4.2 大數(shù)據(jù)分析運(yùn)算

利用建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)感知和作物生理感知硬件設(shè)備采集樣本龐大的生境與生理數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立多因素耦合模型，全面考慮因素間交叉相互影響等，同時(shí)結(jié)合農(nóng)藝?yán)碚摂?shù)據(jù)，綜合研判，輸出具備相對(duì)實(shí)體性的水肥一體化精準(zhǔn)調(diào)控決策?；谝陨系乃悸?，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心要點(diǎn)是對(duì)作物感知、大數(shù)據(jù)運(yùn)算、決策輸出以及水肥供給需求的快速響應(yīng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用邏輯體系見圖4。系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：①物聯(lián)網(wǎng)感知應(yīng)由物聯(lián)傳感器+生理或生境檢測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集，能實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化，根據(jù)對(duì)樣本密度的要求，甚至可以按秒級(jí)別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；并采用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，提高部署的便捷性。②建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集規(guī)范、表結(jié)構(gòu)，加快全量數(shù)據(jù)處理速度。③運(yùn)用R 語(yǔ)言、Python 語(yǔ)言等建立數(shù)據(jù)分析模塊，具有較高實(shí)用性。④通過大數(shù)據(jù)分析法，對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算，模擬出基于作物生境與生理的栽培管理模型，并通過新型在線式水肥一體化施肥設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水肥變量的可控可調(diào)。

圖4 作物生境與生理大數(shù)據(jù)應(yīng)用的水肥一體化決策系統(tǒng)—大數(shù)據(jù)分析運(yùn)算應(yīng)用圖

2.4.3 可視化操作前端

為了提高應(yīng)用的普遍適用性和使用的便捷性，本系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)可直觀操作、查看運(yùn)行狀態(tài)的可視化前端應(yīng)用。如圖5 所示，通過簡(jiǎn)潔的大屏顯示，實(shí)現(xiàn)“一屏感知與調(diào)控”，其特點(diǎn)包括：把物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的數(shù)值與變化趨勢(shì)進(jìn)行展示；通過建立3D 模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備部署的可視化；在3D 模型的基礎(chǔ)上集成設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)控，極大提高了操作的便捷性。

圖5 作物生境與生理大數(shù)據(jù)應(yīng)用的水肥一體化決策系統(tǒng)—可視化操作前端

本系統(tǒng)針對(duì)在線式水肥一體化施肥設(shè)備的操作，開發(fā)可視化操作界面，如圖6 所示，可視化操作前端應(yīng)用具有較高便捷性，可對(duì)水肥一體化系統(tǒng)的各個(gè)部件的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)掌握，可通過界面對(duì)在線式水肥一體化施肥設(shè)備進(jìn)行控制、操作，對(duì)綜合大數(shù)據(jù)分析下形成的灌溉策略，可進(jìn)行快速響應(yīng)。

圖6 作物生境與生理多因子耦合的水肥一體化灌溉調(diào)控應(yīng)用平臺(tái)可視化圖

3 結(jié)語(yǔ)

水肥一體化技術(shù)應(yīng)用是設(shè)施農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵應(yīng)用，是作物栽培管理中解決灌溉、營(yíng)養(yǎng)供給，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、少人化甚至無人化的關(guān)鍵技術(shù)。隨著大數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響的逐步加深，建立物聯(lián)網(wǎng)感知、作物生理感知、農(nóng)藝?yán)碚摂?shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的匯集，依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，深挖數(shù)據(jù)的價(jià)值，構(gòu)建作物栽培模型，驅(qū)動(dòng)栽培管理調(diào)控決策形成是水肥一體化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行數(shù)字化、信息化革新的關(guān)鍵途徑。不斷深化大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用及推廣，強(qiáng)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策的作用，才能推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)往“數(shù)量+質(zhì)量+效益”并重的集約化發(fā)展方向，才能走上高效、安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。