智慧苹果园“空-天-地”一体化监控系统设计与研究

饶晓燕, 吴建伟, 李春朋, 熊晓菲, 霍洪彦

(1.北京农业信息技术研究中心， 北京 100097； 2.农业农村部信息中心， 北京 100125； 3.北京派得伟业科技发展有限公司， 北京 100097)

果树产业是兼具生态效益和经济效益的重要农业产业，具有持续改良生态环境和促进农民增收的双重作用，对我国农业经济具有重要意义[1-2]。影响果树生长的因素较多，种植环境、气象因素、土壤条件、病虫害发生和栽培管理方式等都会对其造成较大影响[3-4]。果园是一个复杂的生态系统，实时、快速、客观地采集果树生长环境信息是实现果园精细化管理的重要基础，将为规模化果园的生产提供有益的参考和依据[5-6]。传统果园管理耗工费力、监管效率低下，果树生长管理精准化和信息化应用相对较少，特别是立体化监测体系很不完善，不能完整客观地采集果园生态环境和果树生长发育等各项参数[7]。现代信息技术的发展为果园智能监测管理提供了有效的途径[8-10]。

“空-天-地”一体化监测是指对从空、天、地三个角度进行监测，以卫星、无人机、无中心自组网等各项通信系统为基础，打造完善的立体监测体系，可扩大监测范围，提高监测效率与可信度[11-12]。其已在环保监测[13-14]、资源调查[15-16]、应急救灾[17]、河湖巡检[18]、保护区人类活动监测[19]等方面得到应用实践。杨贵军等[20]和牛庆林等[21]分析了无人机遥感技术在获得作物性状如株高、叶片颜色、叶面积指数(LAI)、叶绿素含量、生物量和产量等信息方面的应用，开展了无人机平台优选、农情信息采集及数据处理与解析方面研究，提出了无人机遥感数据几何校正模型。吴文斌等[22-23]提出了一种“天-空-地”遥感大数据驱动的果园生产精准管理新模式, 实现果园数量、空间位置与地理环境的精准感知与信息获取，探讨了“天-空-地”数字农业管理系统框架设计与构建。段遵芳[24]指出，苹果树长势等指标是果树生长状态的重要表征，果园病虫害信息的获取与预测预报也是果园管理的重要方面，将物联网与果树生产管理、种植环境监测、果品安全追溯以及创新科研充分融合，提升果树生产能力，从而为水果产业发展的稳定以及市场中果品质量的评价提供技术支持。本研究从苹果园的种植管理实际出发，针对传统果园存在的数据监测体系不完善、管理缺乏科学数据等问题，综合应用农业物联网、互联网、智能装备等多种信息采集获取技术，创新实现苹果园“空-天-地”一体化的新一代信息技术采集体系集成创新以及基于AI的苹果病虫害图像识别应用，并基于SSM框架(SpringMVC、Spring、Mybatis)构建果园监测集成数据中台，可视化展示苹果园生长环境信息，以期为果树产业的精细化管控和智慧化发展提供数据依据与技术支持。

1 原理与方法

1.1 果园“空-天-地”一体化监测技术体系构建

立足果园优质苹果的生产经营，综合应用无人机遥感、农业物联网、互联网、智能装备等多种现代信息技术，开展空中果树群体无人机遥感监测、地面果园气象和虫情等监测、地下土壤墒情和养分等监测，从而覆盖果园土壤、生态环境和苹果树个体及群体信息采集，软硬件融合衔接，构建智慧果园“空-天-地”一体化监控体系(图1)，为果园数字化管理奠定数据基础，提升果园信息监测与生产决策的智能化水平。

1.2 果园“空-天-地”一体化监控系统设计

基于果园生产管理各方面信息监测需求及果园主要环境参数时空分布特性和无线信号传输特性研究的基础[25]，通过研制和集成苹果园信息采集装置套件，设计智慧果园“空-天-地”一体化监控体系的集成功能(图2)，主要包括无人机遥感空中监测、果园地上气象要素监测、果园环境视频监控、果园病虫情监测、果树生理生态监测、果园土壤墒情监测以及果园土壤养分监测7大类。按照空间分类，将空中无人机遥感监测、地上物联网监测和地下土壤环境监测，同时实现数字化采集、实时传输和存储加工，统一标准，把果园各类数据形成标准数据，进而提供高效智能装备接口服务。

图2 “空-天-地”一体化监控系统设计Fig.2 Design of “space-air-ground” integrated system

1.2.1果园地面环境和果树长势监测 基于传感感知为主的农业物联网技术，集果园环境信息采集、数据存储、统计、分析和远程发布功能于一体，采集果树生长过程中的环境参数，自动实时监测果园空气温湿度、风速风向、降雨量、太阳辐射等气象信息，获取果树生长情况的实时画面，监测果树的生长状况和果园管理，并实现包括叶面温度、叶面湿度、果实膨大、叶片厚度和叶面积等果树长势参数的采集，有助于管理人员实时掌握果园内农事生产情况，了解各种农事作业进度，还有助于对果园生长的关键环节进行追踪；同时，基于深度学习技术和农业智能装备，实现虫情自动监测，具有虫体自动处理、传送带配合运输、自动运行等功能。AI图像识别功能系统支持上传果树病虫害照片至数据中心，经过模型的检测与计算，预测果树主要病虫害发生的概率，同时为预测的病虫害提供防治方法及推荐药剂。

1.2.2果园地下墒情和养分监测 基于农业物联网和快速无损检测技术，综合考虑果园土壤墒情和所用传感器的功耗、监测系统田间使用的方便灵活性和数据采集的客观准确性，实现对果园同一土壤剖面4个深度土壤温度、容积含水量、可溶性盐浓度(EC值)等墒情信息实时监测，并依据微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)技术集成近红外光敏传感装置，实现果园土壤养分信息的快速无损检测，在线获取土壤中铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾、有机质等土壤养分指标，从而快捷获取苹果种植所需的地下墒情和养分数据。

1.3 果园“空-天-地”监测数据服务平台开发

基于SSM开发框架，结合果园“空-天-地”一体化监控功能，突出数据可视化，开发果园“空-天-地”监测数据服务平台。采用内存型数据存储(Redis)技术进行数据缓存以处理大量的数据及业务并发，提高系统运行性能，保证系统的稳定性。采用shiro安全框架以提高系统的安全性。基于开放共享原则构建果园数据中台，其架构包含数据采集层、数据存储层以及数据接口层的三层架构体系(图3)。

图3 监测数据服务中台技术架构Fig.3 Technical framework of monitoring data middle platform

1.3.1数据采集层 集成果园各类监测传感器，采集果园气象、土壤、遥感、长势、视频等各类数据，主要依靠物联网技术下的传感器网络来采集数据信息。本研究采取分层异构的无线传感网络组织结构设计，具备良好的扩展性，适合大规模的组织网络部署，主要由感知层、路由汇聚层、网络接入层构成。

1.3.2数据存储层 将采集到的数据进行存储、计算、清洗、加工、分类，形成数据资源目录，让其成为平台的数据资产。数据存储层通过建立数据规范、数据模型进行数据处理和数据存储。对采集和其他系统接口传输过来的数据通过存储层进行处理归类、提取分析，将数据分别存储到基础数据库、共享数据库和业务系统数据库。

1.3.3数据接口层 以接口的形式对外服务，数据中台根据具体业务需求将一系列相关数据封装成一个个接口，服务于数据产品以及各个产品线使用。数据接口服务是一个独立的、低耦合的应用程序，与物联网数据采集平台相比，具有变更频次高的特点，在实际应用环境中需要根据调用方的业务需求，不断对接口服务提供升级、优化等操作，为了提高接口的易用性及可维护性，降低与其他系统的耦合性，本研究接口服务作为独立应用进行部署，在对该服务进行升级改造时，不影响物联网数据采集平台的正常运转。

2 结果与分析

2.1 智慧苹果园“空-天-地”一体化监控体系

智慧苹果园“空-天-地”由3个层面、7类系统装置组成，可以满足规模化果园的点样数据的采集需要。以传感器网络形式实现了果园环境气象信息、虫害信息、产量信息、果树长势信息、视频图像信息等参数的数字化采集和实时传输，形成了果园“空-天-地”一体化的数字化监控体系(图4)，并能通过标准化接口对外提供数据服务，为果园数字化管理奠定了数据基础。

图4 “空-天-地”一体化监控Fig.4 “space-air-ground” integrated monitoring

2.2 智慧苹果园数据可视化实现

搭建了苹果园“空-天-地”监测数据服务平台，实现了果园气象环境(空气温度、湿度、总辐射、风向、风速、降雨量)、20—80 cm土壤墒情(温度、土壤湿度、EC)、虫情、视频等采集点设备个数、监测周期、在线天数、离线天数、监测数据获取条数等可视化展示。系统自动展示最新一条监测数据，并可查看历史监测数据，折线图分析近一周内变化趋势(图5)。当这些信息超出正常值范围果树因这些因素生长受限，用户可快速反应并采取应急措施，减轻自然灾害等带来的损失。

图5 数据可视化Fig.5 Display interface of data visualization

2.3 智慧苹果园病虫害智能识别诊断

在无人监管的情况下，可自动完成诱虫、杀虫、虫体分散以及拍照等系统作业，监测数量、虫子种类和虫情总量，并根据病虫害图像识别模型，实现对苹果蚜虫、金纹细蛾、蓟马、红蜘蛛、白粉虱、梨小食心虫、小卷叶蛾等近10种虫害的识别和数量变化趋势记录，并对虫害的发生与发展进行诊断和提供建议措施。

图6 病虫害智能监测与诊断Fig.6 Intelligent recognition and diagnosis of diseases and pests

3 讨论

近年来，随着新一代信息技术、智能装备等高精尖技术的快速发展和在现代果树产业领域，有助于落实和践行乡村振兴战略细化任务，可为供给侧结构性改革提供应用支持，为果树标准化生产升级提供专业服务，为绿色生产、质量兴农提供科技支撑，带来了显而易见的节本、提质、增效效果与社会、经济、生态效益。果园环境和苹果树生长数据采集是进行果园数字化管理的基础，大气温度、湿度、光照等气候因子与苹果树生产有密切的关系；土壤有机质含量是评价果园土壤肥力的重要指标，土壤水分是果树吸收水分的主要来源，土壤水分含量影响着果树的产量和品质；果园的地形起伏、海拔、山脉、坡度、坡向、高度等地貌特征也在一定程度上影响果树生长。

现有研究从无人机、物联网终端等开展了作物表面模型网格化研究、病虫害监测预警、土壤墒情数据获取感知等，但在苹果园“空-天-地”一体化监测和基于AI的苹果病虫害图像识别方面研究很少[26-30]。本研究设计的智慧果园配套技术系统和装置技术已在北京、陕西、河北等多个规模化苹果园开展试点集成研究和部署运行，能够快速精准地识别和分析苹果园土壤、生态环境、果树个体及群体的监测信息，果园“空-天-地”一体化监控技术的发展不断深化和在果树全产业链的各个环节上扩大应用，将提升园区综合管理服务和信息化支撑能力，打造园区创新监测服务体系，并将随着应用积累，不断探索和优化，进一步提升感知技术设备、传输通讯技术、分析处理设备以及测控集成技术，促进生产管理向着科学化、数字化、智能化转变，使果园生产管理效率和果品产量品质得到大幅度提高。