智慧果園關鍵技術

在發(fā)展推廣智慧農(nóng)業(yè)的道路上，科技是需要先行一步的。在無數(shù)科研機構、高校院所的努力下，基于信息獲取、無人機、智能作業(yè)機具等部分，在北京市平谷區(qū)峪口鎮(zhèn)西營村研究了智慧果園示范園，進行實驗。

智慧果園關鍵技術方向的研究，參與機構較多，涉及中國農(nóng)業(yè)大學、華為技術有限公司、北京市平谷區(qū)西營村村委會等多家機構，組成跨學科、跨專業(yè)的聯(lián)合團隊。智慧果園包含了信息獲取部分、歷史數(shù)據(jù)儲存及決策部分和執(zhí)行部分。智慧果園示范園，包括桃園10 hm2(40.1920°N，116.9870°E，約150畝)，梨園20 hm2(40.1951°N，116.9835°E，約300畝)，種植行距4 m，株距1.5 m。標準化種植利于機械化作業(yè)。

平谷智慧果園共應用了10多種病、蟲、水、肥、藥的傳感器與裝置，裝備了28種機械化智能化技術支持的農(nóng)機作業(yè)裝備(如植保無人機、智能割草機、智能噴霧機、修剪、施肥、水肥一體系統(tǒng)、采摘機器人等)。管理系統(tǒng)主要包含智能信息獲取子系統(tǒng)、水肥一體化管理子系統(tǒng)、病蟲害智能管理子系統(tǒng)、智能作業(yè)裝備子系統(tǒng)、智能果園管理平臺及農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)等。示范園的建設基本解決了傳統(tǒng)果園的管理粗放、機械化程度低等問題，基本實現(xiàn)了生產(chǎn)全程的無人化管理。

一、智能信息獲取系統(tǒng)

信息獲取系統(tǒng)是果園管理作業(yè)決策的前提，融合多傳感器的數(shù)據(jù)為智慧果園田間管理提供依據(jù)。信息獲取系統(tǒng)包含空地協(xié)同的多元信息感知設備，固定的干站系統(tǒng)及布設在田間的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。通過多傳感器信息融合可獲取多種植被指數(shù)、病蟲害信息、溫濕度、風速風向、土壤及作物水分等信息來進行綜合決策，同時可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和人工干預的結果，進行更精準的模型來提供決策依據(jù)。

平谷智慧果園的智能信息獲取系統(tǒng)，主要包括多光譜無人機、地面桿站系統(tǒng)、地面信息獲取系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)傳感器等。

1、多光譜無人機

使用DJI P4M多光譜無人機進行光譜信息獲取，將不同波段的航拍圖像進行組合拼接，形成多種植被指數(shù)結果，經(jīng)進一步處理可以反映出植被長勢、水脅迫情況、營養(yǎng)狀況等信息。

2、地面桿站系統(tǒng)

地面桿站系統(tǒng)包含固定在田間的攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和農(nóng)情信息采集系統(tǒng)，不間斷獲取氣象信息，包含風速、風向、溫濕度、氣壓、降水等參數(shù)。通過架設帶光學變焦的監(jiān)控攝像頭可以觀測到田間作物生長狀態(tài)，代替人工巡田，利用其光學變焦功能可以清楚地觀察到作物上的病蟲害，將拍攝圖片上傳到系統(tǒng)后臺，結合機器學習方法實現(xiàn)病蟲害自動識別和預警。

3、地面信息獲取系統(tǒng)

采用該團隊自行開發(fā)的多功能農(nóng)情信息采集無人系統(tǒng)搭載16線激光雷達，載波相位差分技術差分定位系統(tǒng)，第一人稱攝像頭及工控機，可以采集樹體點云信息及可見光RGB圖片。激光雷達可實現(xiàn)樹行識別進而實現(xiàn)自主導航。獲取點云后可以計算出樹體體積、冠層密度等信息，為植保噴霧、樹體修剪等果園作業(yè)提供信息支撐。在樹行中近距離獲取的RGB圖像信息可以進行病蟲害遠程診斷，減少固定攝像頭的盲區(qū)。搭載的RTK差分定位系統(tǒng)可以進行軌跡錄制和獲取標記點坐標，為農(nóng)機具無人駕駛的路徑規(guī)劃提供支持。

4、物聯(lián)網(wǎng)傳感器

物聯(lián)網(wǎng)莖水勢傳感器可以精準地測量果樹莖中水勢的變化，獲取植物真實的需水狀況。結合物聯(lián)網(wǎng)土壤傳感器獲取的土壤氮磷鉀等信息，可以對水肥一體化系統(tǒng)進行自動控制，減少人工干預。

二、水肥一體管理系統(tǒng)

基于水肥一體化管路系統(tǒng)，水肥管理全部實現(xiàn)了自動化，無需人工介入，可以有效減少人力投入，節(jié)約氮肥及鉀肥的施用。通過連接到物聯(lián)網(wǎng)的混合器將肥料和水混合到一起，再通過預先架設在樹形中的固定管路系統(tǒng)滴灌或噴灑，實現(xiàn)水肥一體化施用。將智慧果園中水肥管理控制系統(tǒng)接入控制網(wǎng)絡，融合多元傳感器數(shù)據(jù)進行水肥施用決策，進而實現(xiàn)水肥自動化精準控制。

結合物聯(lián)網(wǎng)水勢傳感器和土壤濕度傳感器，大數(shù)據(jù)平臺監(jiān)測作物出現(xiàn)缺水的趨勢，且土壤含水量不足時會控制水肥一體系統(tǒng)開始滴灌，同時會結合氣象傳感器的歷史數(shù)據(jù)對未來的降雨進行預測，將滴灌和降雨時間錯開，充分利用水分，同時滴灌時間避開高溫的正午，進一步節(jié)約了用水，綜合節(jié)水量可達70%，水溶性肥料隨滴灌帶直接滴在植物根部，避免了施在樹形中間造成肥料利用率低的問題，全生長季節(jié)約氮肥20%~30%，鉀肥20%～35%。

三、病蟲害智能管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)果園中蟲情觀測往往采用人工巡檢的方式，對于大面積的果園和山地果園，人工巡檢費時費力，同時很依賴于人員的經(jīng)驗。智慧果園的病蟲害管理，以果樹生長狀況為核心，融合物理化學生物等多種防治手段，以較低的成本和更小的環(huán)境污染來有效控制病蟲害的發(fā)生。

在智慧果園中，該團隊架設了物聯(lián)網(wǎng)蟲情測報燈、物聯(lián)網(wǎng)殺蟲燈、蟲情信息采集分析系統(tǒng)、孢子自動捕捉系統(tǒng)等設備，可以完成蟲情及孢子信息采集，對捕獲的害蟲和病菌孢子拍照并上傳服務器，進行識別及計數(shù)，管理人員可以方便地通過后臺網(wǎng)頁或手機App來遠程查看病蟲害情況。結合智能獲取信息，對病蟲害的發(fā)生情況進行預測，提前進行預防性用藥。

物聯(lián)網(wǎng)殺蟲燈為一種典型的物理防治手段，綠色環(huán)保，可捕殺鱗翅目與鞘翅目等害蟲，同時無化學農(nóng)藥帶來的環(huán)境污染等問題，配合包含性誘劑的粘蟲板可以實現(xiàn)綠色防治。通過物聯(lián)網(wǎng)殺蟲燈的物理防治，及蟲情測報系統(tǒng)指導下的精準預防性用藥，減少了化學農(nóng)藥的過度使用，減少全生長季用藥。

平谷智慧果園示范園的出現(xiàn)，是科研機構共同努力的成果，也是國內(nèi)科研水平的體現(xiàn)。掌握智慧農(nóng)業(yè)科研知識，充分了解未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展之路。

審核編輯黃宇