人工智能輔助種植策略對(duì)溫室草莓生產(chǎn)調(diào)控效果對(duì)比研究.pdf

2022 年6 月 第4 卷 第2 期 Jun 2022 Vol 4 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 人 工 智 能 輔 助 種 植 策 略 對(duì) 溫 室 草 莓 生 產(chǎn) 調(diào) 控 效 果 對(duì) 比 研 究 耿 聞 軒 1 趙 俊 曄 1 阮 繼 偉 2 侯 躍 輝 3 1 中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 院 農(nóng) 業(yè) 信 息 研 究 所 農(nóng) 業(yè) 部 農(nóng) 業(yè) 信 息 技 術(shù) 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 北 京 1 0 0 0 8 1 2 云 南 省 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 院 花 卉 研 究 所 云 南 昆 明 6 5 0 2 0 5 3 云 南 省 元 江 縣 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 推 廣 服 務(wù) 中 心 云 南 元 江 6 5 3 3 0 0 摘 要 人 工 智 能 A r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e A I 輔 助 種 植 有 助 于 提 高 設(shè) 施 園 藝 作 物 精 準(zhǔn) 化 管 理 水 平 緩 解 日 益 凸 顯 的 勞 動(dòng) 力 緊 缺 問(wèn) 題 草 莓 是 典 型 的 勞 動(dòng) 密 集 型 園 藝 作 物 研 究 對(duì) 比 采 用 不 同 A I 種 植 策 略 和 關(guān) 鍵 技 術(shù) 對(duì) 草 莓 溫 室 生 產(chǎn) 的 調(diào) 控 效 果 可 對(duì) 園 藝 作 物 種 植 的 A I 技 術(shù) 改 進(jìn) 和 產(chǎn) 業(yè) 化 應(yīng) 用 提 供 參 考 本 研 究 對(duì) 比 分 析 了 4 個(gè) 不 同 A I 種 植 策 略 對(duì) 草 莓 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 和 產(chǎn) 量 及 品 質(zhì) 的 調(diào) 控 效 果 并 以 人 工 種 植 管 理 為 參 照 對(duì) A I 種 植 的 技 術(shù) 特 點(diǎn) 和 存 在 問(wèn) 題 進(jìn) 行 了 分 析 結(jié) 果 表 明 知 識(shí) 圖 譜 深 度 學(xué) 習(xí) 視 覺(jué) 識(shí) 別 作 物 模 型 和 作 物 生 長(zhǎng) 仿 真 器 等 技 術(shù) 在 草 莓 A I 種 植 中 各 有 優(yōu) 勢(shì) 其 中 A I 1 組 采 用 知 識(shí) 圖 譜 技 術(shù) 將 專(zhuān) 家 經(jīng) 驗(yàn) 作 物 數(shù) 據(jù) 和 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 融 合 建 立 了 標(biāo) 準(zhǔn) 化 草 莓 種 植 知 識(shí) 結(jié) 構(gòu) 和 智 慧 種 植 決 策 方 法 對(duì) 作 物 生 產(chǎn) 發(fā) 育 的 調(diào) 控 較 為 穩(wěn) 健 以 較 低 的 投 入 獲 得 了 最 高 產(chǎn) 值 與 人 工 種 植 管 理 相 比 A I 種 植 策 略 組 的 平 均 產(chǎn) 量 提 高 了 1 6 6 倍 平 均 產(chǎn) 值 提 高 了 1 8 2 倍 最 高 投 入 產(chǎn) 投 比 提 高 了 1 2 7 倍 針 對(duì) 高 產(chǎn) 優(yōu) 質(zhì) 的 目 標(biāo) 在 配 備 較 完 善 的 智 能 化 設(shè) 備 和 控 制 組 件 的 溫 室 生 產(chǎn) 條 件 下 A I 輔 助 種 植 能 有 效 提 高 草 莓 種 植 管 控 的 精 準(zhǔn) 度 減 少 水 肥 和 勞 動(dòng) 力 的 投 入 獲 得 較 高 的 收 益 但 也 存 在 對(duì) 人 工 管 理 擾 動(dòng) 的 模 擬 難 作 物 本 體 信 息 采 集 難 等 問(wèn) 題 關(guān) 鍵 詞 人 工 智 能 草 莓 種 植 策 略 調(diào) 控 效 果 自 動(dòng) 化 溫 室 知 識(shí) 圖 譜 中 圖 分 類(lèi) 號(hào) S 6 2 5 5 1 S 3 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號(hào) S A 2 0 2 2 0 3 0 0 6 引 用 格 式 耿 聞 軒 趙 俊 曄 阮 繼 偉 侯 躍 輝 人 工 智 能 輔 助 種 植 策 略 對(duì) 溫 室 草 莓 生 產(chǎn) 調(diào) 控 效 果 對(duì) 比 研 究 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2022 4 2 183 193 GENGWenxuan ZHAO Junye RUAN Jiwei HOUYuehui Comparative study of the regulation effects of artificial intelligence assisted planting strategies on strawberry production in greenhouse J Smart Agriculture 2022 4 2 183 193 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 中 國(guó) 是 世 界 草 莓 第 一 生 產(chǎn) 大 國(guó) 和 消 費(fèi) 大 國(guó) 年 產(chǎn) 量 超 過(guò)300 萬(wàn) 噸 占 世 界 總 產(chǎn) 量 的50 以 上 1 在 生 產(chǎn) 方 式 上 中 國(guó) 草 莓 已 經(jīng) 基 本 由 傳 統(tǒng) 的 露 地 栽 培 轉(zhuǎn) 變 為 設(shè) 施 栽 培 其 中 半 促 成 栽 培 和 促 成 栽 培 都 占 較 大 的 比 重 目 前 南 方 產(chǎn) 區(qū) 草 莓 大 棚 逐 漸 向 連 棟 大 棚 的 方 向 發(fā) 展 北 方 產(chǎn) 區(qū) 新 一 代 日 光 溫 室 正 逐 漸 取 代 傳 統(tǒng) 日 光 溫 室 2 伴 隨 設(shè) doi 10 12133 j smartag SA202203006 收 稿 日 期 2022 03 08 基 金 項(xiàng) 目 中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 院 農(nóng) 業(yè) 信 息 研 究 所 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 業(yè) 務(wù) 費(fèi) 專(zhuān) 項(xiàng) 資 金 JBYW AII 2021 15 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 31601243 云 南 省 技 術(shù) 創(chuàng) 新 人 才 培 養(yǎng) 對(duì) 象 2018HB116 作 者 簡(jiǎn) 介 耿 聞 軒 1996 女 博 士 研 究 生 研 究 方 向 為 農(nóng) 業(yè) 數(shù) 字 化 E mail wenxuangeng 通 信 作 者 1 趙 俊 曄 1978 女 博 士 研 究 員 研 究 方 向 為 農(nóng) 業(yè) 數(shù) 字 化 轉(zhuǎn) 型 作 物 栽 培 生 理 E mail zhaojunye 2 阮 繼 偉 1978 男 博 士 研 究 員 研 究 方 向 為 園 藝 作 物 遺 傳 育 種 與 栽 培 技 術(shù) E mail rjw Vol 4 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 施 條 件 的 改 善 遠(yuǎn) 程 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) 水 肥 一 體 化 等 技 術(shù) 已 成 為 草 莓 設(shè) 施 生 產(chǎn) 的 常 規(guī) 配 置 1 但 由 于 草 莓 植 株 矮 小 生 長(zhǎng) 量 大 易 染 病 對(duì) 溫 度 濕 度 光 照 要 求 較 高 生 產(chǎn) 管 理 過(guò) 程 中 人 工 成 本 很 高 且 常 因 栽 培 管 理 技 術(shù) 粗 放 缺 乏 標(biāo) 準(zhǔn) 化 栽 培 模 式 導(dǎo) 致 植 株 長(zhǎng) 勢(shì) 較 差 畸 形 果 多 病 蟲(chóng) 害 嚴(yán) 重 生 產(chǎn) 水 平 仍 與 發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 存 在 差 距 3 近 年 來(lái) 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 專(zhuān) 家 系 統(tǒng) 等 人 工 智 能 技 術(shù) 在 農(nóng) 業(yè) 中 加 快 研 究 和 應(yīng) 用 在 提 高 精 細(xì) 化 管 理 水 平 緩 解 勞 動(dòng) 力 緊 缺 等 方 面 被 寄 予 厚 望 草 莓 作 為 勞 動(dòng) 密 集 型 產(chǎn) 業(yè) 的 典 型 代 表 對(duì) 智 能 化 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 需 求 也 日 漸 迫 切 信 息 技 術(shù) 在 設(shè) 施 園 藝 作 物 生 產(chǎn) 管 理 中 的 應(yīng) 用 可 以 追 溯 到 上 世 紀(jì)80 年 代 逐 漸 由 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 發(fā) 展 為 可 以 解 決 復(fù) 雜 問(wèn) 題 的 決 策 支 持 系 統(tǒng) 4 人 工 智 能 在 作 物 病 害 識(shí) 別 自 動(dòng) 灌 溉 自 動(dòng) 化 采 摘 產(chǎn) 量 預(yù) 測(cè) 等 方 面 已 經(jīng) 有 較 多 的 研 究 近 幾 年 人 工 智 能 技 術(shù) 在 草 莓 種 植 中 也 逐 漸 發(fā) 展 應(yīng) 用 特 別 是 圖 像 識(shí) 別 技 術(shù) 在 病 蟲(chóng) 害 識(shí) 別 和 果 實(shí) 識(shí) 別 方 面 進(jìn) 展 較 快 以 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) Convolu tional Neural Networks CNN 為 主 的 深 度 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 早 期 病 害 識(shí) 別 效 率 高 保 證 了 草 莓 病 害 分 類(lèi) 的 準(zhǔn) 確 性 5 7 YOLOv4 DCNN IoT Edge 等 技 術(shù) 的 綜 合 運(yùn) 用 能 夠 有 效 提 高 草 莓 果 實(shí) 識(shí) 別 速 度 減 少 機(jī) 械 采 摘 過(guò) 程 中 由 于 定 位 不 準(zhǔn) 確 而 造 成 的 果 實(shí) 損 傷 8 10 人 工 智 能 遠(yuǎn) 程 作 物 管 理 也 成 為 新 的 研 究 熱 點(diǎn) 溫 室 氣 候 模 型 和 作 物 模 型 通 過(guò) 模 擬 和 預(yù) 測(cè) 溫 室 環(huán) 境 和 作 物 生 長(zhǎng) 提 供 不 同 生 長(zhǎng) 條 件 下 的 植 株 長(zhǎng) 勢(shì) 信 息 和 實(shí) 現(xiàn) 特 定 生 產(chǎn) 目 標(biāo) 的 環(huán) 境 調(diào) 控 信 息 為 智 慧 種 植 決 策 提 供 支 持 模 型 結(jié) 合 傳 感 器 和 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 可 以 實(shí) 現(xiàn) 溫 室 作 物 生 產(chǎn) 的 自 動(dòng) 化 控 制 目 前 在 黃 瓜 番 茄 甜 椒 等 作 物 的 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 調(diào) 控 方 面 得 到 了 成 功 驗(yàn) 證 11 13 然 而 人 工 智 能 在 溫 室 作 物 生 產(chǎn) 控 制 中 的 應(yīng) 用 仍 然 有 限 關(guān) 于 草 莓 智 能 化 種 植 整 體 策 略 及 對(duì) 草 莓 生 產(chǎn) 綜 合 調(diào) 控 的 研 究 也 鮮 有 報(bào) 道 本 研 究 對(duì)4 種 不 同 的 草 莓 人 工 智 能 Artifi cial Intelligence AI 輔 助 種 植 策 略 的 技 術(shù) 選 擇 和 實(shí) 施 效 果 進(jìn) 行 了 對(duì) 比 并 以 人 工 種 植 管 理 為 參 照 分 析 了 不 同AI 種 植 策 略 對(duì) 草 莓 生 產(chǎn) 的 調(diào) 控 效 果 以 期 為AI 種 植 草 莓 的 策 略 和 技 術(shù) 選 擇 提 供 必 要 參 考 為 草 莓 數(shù) 字 化 種 植 技 術(shù) 改 進(jìn) 提 供 思 路 2 材 料 和 方 法 2 1 試 驗(yàn) 環(huán) 境 2 1 1 試 驗(yàn) 地 點(diǎn) 和 作 物 草 莓 種 植 地 點(diǎn) 為 云 南 省 昆 明 市 富 民 縣 國(guó) 家 高 原 云 果 產(chǎn) 業(yè) 園 25 2082 N 102 5737 E 草 莓 品 種 選 用 章 姬 其 具 有 生 長(zhǎng) 勢(shì) 強(qiáng) 結(jié) 果 早 坐 果 率 高 果 形 大 糖 度 高 等 特 性 于2020 年6 月20 日 至7 月19 日 對(duì) 營(yíng) 養(yǎng) 缽 苗 進(jìn) 行 短 日 照 催 花 處 理 7 月20 日 定 植 12 月 底 基 本 完 成 三 個(gè) 花 序 的 采 收 與 常 年 相 比 2020 年 種 植 期 間 氣 溫 和 降 水 量 基 本 在 正 常 范 圍 無(wú) 較 大 波 動(dòng) 2 1 2 溫 室 結(jié) 構(gòu) 和 設(shè) 備 本 研 究 包 括1 個(gè)AI 種 植 策 略 組 和1 個(gè) 對(duì) 照 組 AI 種 植 策 略 組 包 含4 種AI 種 植 處 理 分 別 以AI 1 AI 2 AI 3 和AI 4 表 示 人 工 種 植 作 為 對(duì) 照 組 以CK 表 示 AI 種 植 策 略 組 所 用 玻 璃 日 光 溫 室 面 積 為96 m 2 12 m 8 m 配 備 荷 蘭 騎 士 集 團(tuán) 生 產(chǎn) 的 施 肥 灌 溉 開(kāi) 關(guān) 窗 通 風(fēng) 和 遮 陽(yáng) 等 智 能 控 制 系 統(tǒng) 和 環(huán) 境 傳 感 器 來(lái) 采 集 溫 室 內(nèi) 外 的 溫 濕 度 CO 2 濃 度 風(fēng) 速 風(fēng) 向 大 氣 壓 光 照 和 光 合 輻 射 等 數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 螢 石 云 攝 像 頭 遠(yuǎn) 程 采 集 植 株 生 長(zhǎng) 圖 像 數(shù) 據(jù) 鏡 頭 分 辨 率 為1920 1080 溫 室 內(nèi) 設(shè)6 條 立 架 式 栽 培 槽 每 條 栽 培 槽 內(nèi) 定 植 100 株 草 莓 采 用 泥 炭 和 珍 珠 巖 混 合 物 體 積 比 為8 2 作 為 栽 培 基 質(zhì) 另 AI 2 處 理 額 外 添 加 了 光 合 有 效 輻 射 傳 感 器 莖 粗 和 葉 片 厚 度 傳 感 器 以 及 種 植 槽 水 含 量 和EC 傳 感 器 以 上 設(shè) 施 設(shè) 備 均 可 以 自 動(dòng) 控 制 和 遠(yuǎn) 程 操 控 CK 組 所 用 傳 統(tǒng) 鋼 架 拱 棚 面 積 為96 m 2 12 m 8 m 每 個(gè) 溫 室 內(nèi) 設(shè)6 條 落 地 種 植 槽 每 個(gè) 種 植 槽 定 植100 株 草 莓 栽 培 基 質(zhì) 同AI 策 略 組 配 套 設(shè) 施 有 風(fēng) 機(jī) 遮 陽(yáng) 網(wǎng) 防 蟲(chóng) 網(wǎng) 水 泵 硫 磺 熏 蒸 器 滴 灌 軟 管 定 1 8 4耿 聞 軒 等 人 工 智 能 輔 助 種 植 策 略 對(duì) 溫 室 草 莓 生 產(chǎn) 調(diào) 控 效 果 對(duì) 比 研 究 Vol 4 No 2 比 施 肥 器 溫 濕 度 計(jì) EC 測(cè) 量 儀 和pH 測(cè) 量 儀 CK 組 設(shè) 施 和 設(shè) 備 均 需 手 動(dòng) 操 作 不 能 進(jìn) 行 自 動(dòng) 控 制 和 遠(yuǎn) 程 操 控 2 2 A I 種 植 策 略 AI 種 植 策 略 組 進(jìn) 行 草 莓 種 植 管 理 的 基 本 流 程 一 致 利 用 環(huán) 境 傳 感 器 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 采 集 溫 室 內(nèi) 外 的 氣 溫 濕 度 CO 2 濃 度 以 及 基 質(zhì) 溫 度 EC 值 等 環(huán) 境 信 息 利 用 攝 像 頭 等 實(shí) 時(shí) 采 集 作 物 生 長(zhǎng) 的 圖 像 信 息 并 將 收 集 到 的 環(huán) 境 和 作 物 信 息 數(shù) 據(jù) 經(jīng) 過(guò) AI 決 策 系 統(tǒng) 的 處 理 結(jié) 合 專(zhuān) 家 經(jīng) 驗(yàn) 形 成 對(duì) 生 產(chǎn) 管 理 的 決 策 然 后 通 過(guò) 控 制 組 件 對(duì) 水 肥 藥 和 光 照 溫 度 空 氣 等 溫 室 環(huán) 境 因 子 進(jìn) 行 遠(yuǎn) 程 控 制 和 調(diào) 節(jié) 在 此 基 礎(chǔ) 上 AI 種 植 策 略 組4 個(gè) 處 理 分 別 采 用 了 個(gè) 性 化 的 AI 種 植 策 略 和 技 術(shù) 方 案 表1 2 3 作 物 生 產(chǎn) 管 理 方 式 AI 種 植 策 略 組 作 物 生 產(chǎn) 管 理 分 為 遠(yuǎn) 程 管 理 和 現(xiàn) 場(chǎng) 管 理 兩 部 分 遠(yuǎn) 程 管 理 指 通 過(guò)AI 智 能 決 策 系 統(tǒng) 遠(yuǎn) 程 操 控 溫 室 控 制 組 件 實(shí) 施 灌 溉 施 肥 遮 光 補(bǔ) 光 和 通 風(fēng) 等 具 體 操 作 對(duì) 溫 室 環(huán) 境 和 作 物 生 長(zhǎng) 進(jìn) 行 干 預(yù) 現(xiàn) 場(chǎng) 管 理 指 通 過(guò) 人 工 開(kāi) 展 的 輔 助 操 作 具 體 包 括 摘 除 老 葉 疏 花 疏 果 和 果 實(shí) 采 摘 CK 組 生 產(chǎn) 管 理 均 采 用 人 工 操 作 包 括 開(kāi) 關(guān) 棚 遮 陽(yáng) 水 肥 調(diào) 控 病 蟲(chóng) 害 防 控 以 及 疏 花 疏 果 等 在 出 現(xiàn) 植 株 缺 素 或 養(yǎng) 分 脅 迫 時(shí) 根 據(jù) 種 植 經(jīng) 驗(yàn) 調(diào) 整 水 肥 配 比 調(diào) 節(jié)pH 和EC 值 田 間 植 保 和 植 株 管 理 參 照 當(dāng) 地 通 用 管 理 措 施 24 AI 種 植 策 略 組 和CK 組 的 果 實(shí) 在 成 熟 期 采 用 相 同 的 標(biāo) 準(zhǔn) 采 摘 測(cè) 定 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 2 4 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 指 標(biāo) 測(cè) 定 每 兩 周 測(cè) 量 記 錄AI 種 植 策 略 組 作 物 莖 粗 葉 片 數(shù) 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 等 生 長(zhǎng) 指 標(biāo) 的 變 化 包 括 用 數(shù) 顯 游 標(biāo) 卡 尺 測(cè) 定 植 株 縮 短 莖 直 徑 統(tǒng) 計(jì) 葉 片 數(shù) 用 直 尺 測(cè) 量 各 單 株 最 新 完 全 展 開(kāi) 葉 的 長(zhǎng) 度 和 寬 度 觀 測(cè) 記 錄AI 種 植 策 略 組 各 處 理 第 一 花 序 第 二 花 序 和 第 三 花 序 開(kāi) 花 時(shí) 間 表 1 草 莓 A I 種 植 策 略 和 技 術(shù) 方 案 Table1 Artificialintelligenceplantingstrategyandtechnicalprotocolsofstrawberry 處 理 AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 主 要 特 點(diǎn) 知 識(shí) 圖 譜 視 覺(jué) 識(shí) 別 作 物 模 型 溫 室 番 茄 種 植 模 式 遷 移 雙 層 算 法 視 覺(jué) 識(shí) 別 作 物 模 型 專(zhuān) 家 系 統(tǒng) 作 物 生 長(zhǎng) 模 型 發(fā) 育 模 型 技 術(shù) 策 略 和 實(shí) 施 過(guò) 程 結(jié) 合 草 莓 生 長(zhǎng) 模 型 和 視 覺(jué) 識(shí) 別 通 過(guò) 知 識(shí) 推 理 14 的 方 法 實(shí) 現(xiàn) 溫 室 管 理 決 策 以 達(dá) 到 產(chǎn) 量 最 優(yōu) 的 目 標(biāo) 首 先 將 所 調(diào) 研 的 10 位 專(zhuān) 家 種 植 經(jīng) 驗(yàn) 和 環(huán) 境 及 作 物 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 翻 譯 成 計(jì) 算 機(jī) 語(yǔ) 言 構(gòu) 建 基 于Neo4j 的 草 莓 種 植 管 理 知 識(shí) 圖 譜 15 然 后 利 用 作 物 水 肥 模 型 和 溫 室 氣 候 模 型 分 析 草 莓 植 株 的 營(yíng) 養(yǎng) 生 長(zhǎng) 和 生 殖 生 長(zhǎng) 過(guò) 程 由 路 徑 排 序 算 法 16 根 據(jù) 知 識(shí) 圖 譜 模 擬 專(zhuān) 家 進(jìn) 行 決 策 其 中 機(jī) 器 視 覺(jué) 識(shí) 別 主 要 針 對(duì) 作 物 來(lái) 源 數(shù) 據(jù) 采 用YOLOv4 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 多 特 征 融 合 法 17 實(shí) 現(xiàn) 草 莓 生 育 期 吐 水 情 況 花 序 和 果 實(shí) 的 識(shí) 別 通 過(guò) 與 潛 在 作 物 長(zhǎng) 勢(shì) 對(duì) 比 的 生 長(zhǎng) 偏 差 為 知 識(shí) 圖 譜 決 策 提 供 依 據(jù) 將 荷 蘭 溫 室 番 茄 的 智 能 種 植 模 式 11 18 遷 移 到 草 莓 種 植 通 過(guò) 改 良 后 的 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 和 條 件 控 制 算 法 制 定 智 能 種 植 管 理 策 略 并 引 入 深 度 學(xué) 習(xí) 處 理 作 物 圖 像 信 息 數(shù) 據(jù) 預(yù) 測(cè) 和 判 斷 作 物 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 情 況 12 19 采 用 雙 層 算 法 第 一 層 算 法 是 條 件 決 策 主 要 是 根 據(jù) 專(zhuān) 家 經(jīng) 驗(yàn) 設(shè) 定 閾 值 防 止 極 端 決 策 越 過(guò) 不 合 理 界 限 第 二 層 是 融 合 產(chǎn) 量 預(yù) 測(cè) 決 策 和 設(shè) 定 值 優(yōu) 化 決 策 的 混 合 決 策 其 中 產(chǎn) 量 預(yù) 測(cè) 是 基 于 大 數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 制 定 的 決 策 設(shè) 定 值 優(yōu) 化 決 策 是 基 于 傳 統(tǒng) 植 物 生 理 模 型 和 專(zhuān) 家 經(jīng) 驗(yàn) 的 決 策 將 作 物 生 長(zhǎng) 仿 真 器SUCROS87 20 應(yīng) 用 于 草 莓 潛 在 產(chǎn) 量 預(yù) 測(cè) 計(jì) 算 得 出 在 本 試 驗(yàn) 條 件 下 每 株 草 莓 在 盛 果 期 每 天 最 多 可 形 成1 6 g 干 物 質(zhì) 通 過(guò) 與 實(shí) 際 干 物 質(zhì) 量 對(duì) 比 為 管 理 調(diào) 控 提 供 參 考 基 于 比 葉 面 積 Specific LeafArea SLA 構(gòu) 建 了 WOFOST WorldFoodStudies 21 作 物 生 長(zhǎng) 模 型 預(yù) 測(cè) 草 莓 產(chǎn) 量 結(jié) 合 視 覺(jué) 識(shí) 別 對(duì) 比 潛 在 長(zhǎng) 勢(shì) 和 實(shí) 際 長(zhǎng) 勢(shì) 由 專(zhuān) 家 系 統(tǒng) 提 供 種 植 策 略 其 中 利 用CNN 構(gòu) 建 了 圖 像 識(shí) 別 系 統(tǒng) 通 過(guò) 加 入 殘 差 模 塊 減 少 復(fù) 雜 農(nóng) 業(yè) 背 景 的 干 擾 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 單 葉 分 割 葉 面 積 測(cè) 算 的 目 的 基 于 作 物 干 物 質(zhì) 生 產(chǎn) 分 配 規(guī) 律 和 輻 熱 積 Product ofThermal Effectiveness and PhotosynthesisActive Radiation TEP 構(gòu) 建 草 莓 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 模 型 22 23 對(duì) 作 物 生 長(zhǎng) 和 產(chǎn) 量 形 成 進(jìn) 行 預(yù) 測(cè) 和 干 預(yù) 草 莓 干 物 質(zhì) 生 產(chǎn) 模 型 主 要 包 括 葉 面 積 指 數(shù) 模 型 光 能 截 獲 模 型 和 干 物 質(zhì) 分 配 指 數(shù) 模 型 用 于 既 定 水 肥 條 件 下 的 產(chǎn) 量 預(yù) 測(cè) 輻 熱 積 參 數(shù) 的 計(jì) 算 依 據(jù) 主 要 是 基 于 三 基 點(diǎn) 溫 度 的 相 對(duì) 熱 效 應(yīng) 和 光 合 有 效 輻 射 通 過(guò) 作 物 生 長(zhǎng) 模 型 和 發(fā) 育 模 型 自 動(dòng) 控 制 相 應(yīng) 發(fā) 育 期 的 水 分 和 肥 料 并 根 據(jù) 作 物 實(shí) 際 長(zhǎng) 勢(shì) 調(diào) 節(jié) 輻 熱 積 參 數(shù) 推 遲 或 者 加 快 生 育 進(jìn) 程 1 8 5Vol 4 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 2 5 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 測(cè) 定 2 5 1 產(chǎn) 量 測(cè) 定 將 2 0 2 0 年 9 月 1 0 日 至 1 1 月 3 0 日 采 收 的 第 一 和 第 二 花 序 的 草 莓 果 實(shí) 記 入 產(chǎn) 量 采 用 隨 機(jī) 抽 樣 法 測(cè) 定 產(chǎn) 量 每 3 4 天 測(cè) 產(chǎn) 一 次 在 每 個(gè) 溫 室 中 間 的 4 條 種 植 槽 中 隨 機(jī) 抽 取 連 續(xù) 的 2 0 株 作 為 測(cè) 產(chǎn) 對(duì) 象 共 計(jì) 8 0 株 植 株 樣 本 所 采 集 的 熟 果 需 滿(mǎn) 足 單 果 重 1 0 g 以 上 果 形 周 正 無(wú) 病 蟲(chóng) 害 具 有 商 品 價(jià) 值 產(chǎn) 量 評(píng) 價(jià) 采 取 分 級(jí) 評(píng) 價(jià) 方 式 將 符 合 要 求 的 果 實(shí) 分 為 A 級(jí) 3 0 g B 級(jí) 2 1 3 0 g C 級(jí) 1 6 2 0 g D 級(jí) 1 0 1 5 g 四 個(gè) 級(jí) 別 分 級(jí) 產(chǎn) 量 為 樣 本 植 株 不 同 級(jí) 別 平 均 單 果 重 與 植 株 總 數(shù) 的 乘 積 總 產(chǎn) 量 為 A D 級(jí) 分 級(jí) 產(chǎn) 量 的 總 和 2 5 2 品 質(zhì) 測(cè) 定 以 果 實(shí) 甜 度 作 為 品 質(zhì) 衡 量 指 標(biāo) 每 次 果 實(shí) 采 收 完 成 產(chǎn) 量 測(cè) 定 后 隨 機(jī) 取10 個(gè) 果 實(shí) 分 別 從 果 實(shí) 中 部 橫 切 擠 壓 出 果 汁 滴 于 便 攜 式 分 光 光 度 計(jì) 型 號(hào)PAL 1 日 本 東 京Atago 公 司 測(cè) 定 果 實(shí) 可 溶 性 固 形 物 含 量 計(jì) 算10 個(gè) 重 復(fù) 的 平 均 值 記 為 果 實(shí) 可 溶 性 固 形 物 含 量 表 征 果 實(shí) 甜 度 2 6 經(jīng) 濟(jì) 性 分 析 經(jīng) 濟(jì) 性 分 析 是 對(duì) 各 組 投 入 產(chǎn) 出 比 和 凈 收 益 的 量 化 評(píng) 價(jià) 僅 以 現(xiàn) 場(chǎng) 數(shù) 據(jù) 作 為 核 算 標(biāo) 準(zhǔn) 流 通 環(huán) 節(jié) 的 成 本 不 計(jì) 入 總 收 益 根 據(jù) 往 年 云 南 省 批 發(fā) 市 場(chǎng) 草 莓 鮮 果 行 情 分 級(jí) 分 段 計(jì) 算 成 本 是 各 組 在 種 植 期 間 使 用 的 設(shè) 施 設(shè) 備 等 固 定 成 本 和 生 產(chǎn) 投 入 的 總 和 固 定 成 本 主 要 包 含 溫 室 使 用 成 本 2 0 0 6 元 m 2 設(shè) 施 成 本 和 管 理 成 本 生 產(chǎn) 投 入 包 括 人 工 維 護(hù) 費(fèi) 用 基 礎(chǔ) 農(nóng) 藥 肥 料 水 電 費(fèi) 用 以 及 新 增 設(shè) 施 和 生 產(chǎn) 資 料 的 投 入 水 價(jià) 和 電 價(jià) 分 別 按 照 4 2 0 元 t 和 1 0 0 元 k W h 計(jì) 算 因 A I 種 植 策 略 組 委 托 專(zhuān) 家 團(tuán) 隊(duì) 進(jìn) 行 日 常 溫 室 農(nóng) 事 管 理 維 護(hù) 費(fèi) 用 按 照 2 0 0 元 株 額 定 計(jì) 算 所 需 的 額 外 人 工 勞 動(dòng) 按 照 1 4 0 0 元 h 累 計(jì) 核 算 化 肥 農(nóng) 藥 等 農(nóng) 資 投 入 也 作 為 額 定 成 本 進(jìn) 行 核 算 額 外 添 加 的 農(nóng) 資 和 設(shè) 備 單 獨(dú) 核 算 計(jì) 入 成 本 凈 利 潤(rùn) 即 總 收 益 減 去 固 定 成 本 和 生 產(chǎn) 投 入 后 的 差 值 投 入 產(chǎn) 出 比 即 凈 利 潤(rùn) 與 投 資 總 額 的 比 值 3 結(jié) 果 與 分 析 3 1 不 同 A I 種 植 處 理 草 莓 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 差 異 3 1 1 莖 粗 莖 粗 是 反 映 作 物 長(zhǎng) 勢(shì) 的 重 要 指 標(biāo) 由 圖1 可 知 草 莓 定 植 后AI 1 的 植 株 莖 粗 一 直 保 持 穩(wěn) 定 增 長(zhǎng) AI 4 的 植 株 莖 粗 在 定 植 后72 d 內(nèi) 緩 慢 增 長(zhǎng) 之 后 呈 穩(wěn) 定 增 粗 的 態(tài) 勢(shì) AI 2 和AI 3 定 植 后59d 內(nèi) 莖 粗 穩(wěn) 定 增 長(zhǎng) 72d 左 右 打 老 葉 前 后 莖 粗 顯 著 變 小 之 后 恢 復(fù) 較 快 增 長(zhǎng) 從 定 植 后17 59 d AI 4 莖 粗 顯 著 小 于 其 他 各 處 理 定 植72 d 后 AI 3 的 莖 粗 顯 著 小 于 其 他 各 處 理 3 1 2 葉 片 數(shù) 葉 片 是 植 物 進(jìn) 行 光 合 作 用 的 主 要 器 官 圖2 顯 示 了7 月20 日 至11 月 中 旬 草 莓 單 株 葉 片 數(shù) 的 動(dòng) 態(tài) 變 化 定 植35d 時(shí) 各 組 草 莓 單 株 平 均 葉 片 數(shù) 集 中 在4 5 片 左 右 之 后 各 組 呈 現(xiàn) 不 同 的 動(dòng) 態(tài) 變 化 AI 1 葉 片 數(shù) 在 前 期 增 幅 較 小 定 植80d 后 快 速 增 加 在98 d 達(dá) 到 峰 值9 35 片 株 顯 著 高 于 其 他 各 組 AI 2 葉 片 數(shù) 量 在 定 植56d 之 前 為 各 組 最 高 定 植66 d 打 掉 老 葉 后 跌 至4 片 左 右 之 后 較 快 回 升 定 植 后98d 的 葉 片 數(shù) 僅 次 于AI 1 之 后 略 有 增 加 AI 3 葉 片 數(shù) 量 變 化 趨 勢(shì) 與AI 2 相 近 但 作 物 生 長(zhǎng) 期 內(nèi) 比AI 2 約 少1 個(gè) 葉 片 AI 4 葉 片 數(shù) 量 自 定 植 后35d 起 持 續(xù) 穩(wěn) 定 增 加 較 其 他 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 20 00 17 31 45 59 72 86 100 114 128 莖粗 mm 定植后天數(shù) d AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 圖1 草 莓 定 植 后 莖 粗 動(dòng) 態(tài) 變 化 Fig 1 Dynamicchangesofthestemdiameterofstrawberry afterfieldplanting 1 8 6耿 聞 軒 等 人 工 智 能 輔 助 種 植 策 略 對(duì) 溫 室 草 莓 生 產(chǎn) 調(diào) 控 效 果 對(duì) 比 研 究 Vol 4 No 2 組 波 動(dòng) 小 3 1 3 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 葉 面 積 的 大 小 直 接 影 響 光 合 作 用 的 強(qiáng) 弱 與 果 實(shí) 產(chǎn) 量 密 切 相 關(guān) 如 圖3 所 示 AI 2 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 在 定 植 后16 31 d 迅 速 增 大 一 直 到 定 植 后 99d 都 維 持 較 高 值 之 后 波 動(dòng) 減 小 AI 1 變 化 趨 勢(shì) 與AI 2 相 近 但 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 值 較 小 AI 3 定 植 后 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 迅 速 增 大 在 定 植44d 達(dá) 到 峰 值 后 不 斷 下 降 定 植77 d 后 一 直 顯 著 低 于 其 他 組 AI 4 前 期 葉 片 生 長(zhǎng) 緩 慢 定 植58d 后 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 迅 速 擴(kuò) 大 定 植 后113 d 左 右 達(dá) 到 頂 峰 顯 著 高 于 其 他 各 組 3 1 4 草 莓 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 調(diào) 控 效 果 分 析 根 據(jù) 作 物 莖 葉 相 關(guān) 指 標(biāo) 的 動(dòng) 態(tài) 變 化 AI 1 的 植 株 長(zhǎng) 勢(shì) 相 對(duì) 穩(wěn) 健 該 處 理 綜 合 運(yùn) 用 知 識(shí) 圖 譜 和 視 覺(jué) 識(shí) 別 將 葉 片 吐 水 情 況 作 為 表 征 作 物 水 分 需 求 狀 況 的 重 要 指 標(biāo) 并 納 入 機(jī) 器 視 覺(jué) 識(shí) 別 的 范 圍 實(shí) 現(xiàn) 作 物 數(shù) 據(jù) 的 有 效 采 集 和 處 理 并 利 用 作 物 水 肥 模 型 及 時(shí) 調(diào) 整 水 肥 供 給 該 處 理 莖 粗 波 動(dòng) 小 葉 片 數(shù) 較 多 葉 長(zhǎng) 和 葉 寬 值 較 高 且 相 對(duì) 穩(wěn) 定 有 利 于 產(chǎn) 生 更 多 光 合 產(chǎn) 物 AI 2 處 理 主 要 通 過(guò) 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 和 條 件 控 制 算 法 制 定 種 植 策 略 對(duì) 營(yíng) 養(yǎng) 生 長(zhǎng) 的 調(diào) 控 以 減 少 脅 迫 為 主 要 目 標(biāo) 依 靠 作 物 模 型 和 專(zhuān) 家 意 見(jiàn) 來(lái) 避 免 極 端 決 策 莖 粗 葉 片 數(shù) 和 葉 長(zhǎng) 葉 寬 等 指 標(biāo) 相 對(duì) 較 高 由 于 溫 室 番 茄 的 智 能 種 植 模 式 不 能 與 草 莓 生 長(zhǎng) 完 全 匹 配 導(dǎo) 致 植 株 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 波 動(dòng) 較 大 AI 3 處 理 利 用CNN 高 殘 差 網(wǎng) 絡(luò) 圖 像 識(shí) 別 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 葉 面 積 的 高 效 識(shí) 別 據(jù) 此 進(jìn) 行 溫 濕 調(diào) 控 植 株 前 期 長(zhǎng) 勢(shì) 旺 盛 后 期 長(zhǎng) 勢(shì) 偏 弱 不 利 于 植 株 進(jìn) 行 光 合 作 用 其 原 因 可 能 是 簡(jiǎn) 化 的 作 物 生 長(zhǎng) 仿 真 器 未 能 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 作 物 養(yǎng) 分 需 求 的 模 擬 和 預(yù) 測(cè) 導(dǎo) 致 后 期 調(diào) 控 精 準(zhǔn) 度 下 降 AI 4 處 理 在 作 物 生 長(zhǎng) 前 期 通 過(guò) 開(kāi) 窗 通 風(fēng) 等 措 施 降 低 環(huán) 境 溫 度 通 過(guò) 減 少 輻 熱 積 推 遲 生 育 期 導(dǎo) 致 前 期 莖 粗 和 葉 片 長(zhǎng) 勢(shì) 偏 弱 中 后 期 根 據(jù) 長(zhǎng) 勢(shì) 調(diào) 節(jié) 輔 熱 積 參 數(shù) 加 快 了 植 株 生 育 進(jìn) 程 水 分 和 肥 料 供 給 較 為 充 足 植 株 長(zhǎng) 勢(shì) 趨 強(qiáng) 0 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 0 6 35 45 56 66 80 98 119 葉片數(shù) 個(gè) 定植后天數(shù) d AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 圖2 草 莓 定 植 后 葉 片 數(shù) 的 動(dòng) 態(tài) 變 化 Fig 2 Dynamicchangesofstrawberryleavenumbersafter fieldplanting a 葉 片 長(zhǎng) 度 變 化 b 葉 片 寬 度 變 化 圖3 草 莓 定 植 后 葉 片 長(zhǎng) 度 和 寬 度 的 變 化 Fig 3 Dynamicchangesoftheleaflengthandwidthofstrawberryafterfieldplanting 1 8 7Vol 4 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 3 2 不 同 A I 種 植 處 理 草 莓 開(kāi) 花 時(shí) 期 差 異 草 莓 各 級(jí) 花 序 開(kāi) 花 時(shí) 間 的 早 晚 和 整 齊 程 度 部 分 反 映 了AI 種 植 策 略 對(duì) 營(yíng) 養(yǎng) 生 長(zhǎng) 向 生 殖 生 長(zhǎng) 轉(zhuǎn) 變 調(diào) 控 的 效 果 表2 顯 示 了 各AI 種 植 策 略 處 理 第 一 第 二 和 第 三 花 序 開(kāi) 花 時(shí) 期 的 分 布 以 半 個(gè) 月 為 期 數(shù) 值 代 表 了 不 同 時(shí) 間 段 內(nèi) 各 組 植 株 的 開(kāi) 花 率 整 體 來(lái) 看 AI 1 AI 2 和AI 3 處 理 絕 大 部 分 植 株 在 定 植 后27 43d 完 成 了 第 一 花 序 開(kāi) 花 在 定 植 后74 104 d 完 成 了 第 二 花 序 開(kāi) 花 花 期 較 為 集 中 兩 次 花 序 的 間 隔 期 較 長(zhǎng) 調(diào) 控 效 果 較 好 AI 4 處 理 前 期 通 過(guò) 降 低 溫 室 內(nèi) 溫 度 減 少 輔 熱 積 推 遲 了 第 一 花 序 后 期 通 過(guò) 增 加 輔 熱 積 和 水 肥 供 給 加 快 生 育 進(jìn) 程 第 二 花 序 和 第 三 花 序 比 其 他 處 理 提 前 導(dǎo) 致 第 一 花 序 和 第 二 花 序 花 期 間 隔 短 重 疊 度 大 3 3 不 同 A I 種 植 處 理 草 莓 果 實(shí) 采 摘 時(shí) 期 的 差 異 草 莓 果 實(shí) 采 摘 期 與 花 期 的 調(diào) 控 效 果 密 切 相 關(guān) 表3 顯 示 了AI 種 植 策 略 組 各 處 理 果 實(shí) 采 摘 期 的 分 布 AI 1 AI 2 和AI 3 組 采 摘 期 基 本 集 中 在 定 植 后63 73 d 和105 134 d 74 104 d 期 間 產(chǎn) 量 較 低 AI 1 處 理 通 過(guò) 調(diào) 控 花 期 使 果 實(shí) 采 摘 期 明 顯 推 遲 約65 40 的 果 實(shí) 集 中 在105 134 d 完 成 采 摘 平 均 單 果 重 由13 30 g 增 加 至16 20 g AI 2 處 理 的 采 摘 期 相 對(duì) 提 前 定 植 后63 73d 采 摘 果 實(shí) 的 個(gè) 數(shù) 最 多 產(chǎn) 量 占 其 總 產(chǎn) 量 的63 28 但 單 果 重 顯 著 低 于 其 他 各 組 AI 3 處 理 的 果 實(shí) 采 摘 均 勻 分 布 在 定 植 后63 73d 和105 134d AI 4 處 理 第 一 花 序 果 實(shí) 成 熟 期 晚 于 其 他 三 組 集 中 在 定 植 后74 104 d 采 摘 平 均 單 果 重 顯 著 高 于 其 他 三 組 第 二 花 序 果 實(shí) 集 中 在 定 植 后105 134 d 采 摘 平 均 單 果 重 為 四 組 中 最 低 其 原 因 主 要 是 該 組 調(diào) 控 推 遲 了 第 一 花 序 開(kāi) 花 干 物 質(zhì) 積 累 相 對(duì) 充 足 提 高 了 單 果 重 后 期 通 過(guò) 增 加 輔 熱 積 加 快 生 育 進(jìn) 程 第 二 花 序 提 前 但 干 物 質(zhì) 積 累 相 對(duì) 不 足 同 時(shí) 第 三 花 序 開(kāi) 花 提 前 與 第 二 花 序 果 實(shí) 產(chǎn) 量 形 成 期 有 重 疊 影 響 果 實(shí) 發(fā) 育 和 成 熟 表 2 A I 種 植 策 略 組 草 莓 花 序 分 化 時(shí) 期 分 布 Table2 InflorescencedifferentiationperioddistributionofstrawberryinAIplantinggroups 單 位 定 植 后 天 數(shù) d 12 26 27 43 44 58 59 73 74 88 89 104 105 119 120 134 第 一 花 序 AI 1 1 25 97 50 1 250 AI 2 13 92 86 08 AI 3 5 00 91 25 1 25 2 50 AI 4 20 83 52 78 23 61 2 78 第 二 花 序 AI 1 5 00 5 00 3 75 51 25 32 50 2 50 AI 2 6 41 1 28 29 40 57 69 5 13 AI 3 3 90 1 30 28 57 63 64 2 60 AI 4 3 90 11 69 50 65 22 08 6 49 5 19 第 三 花 序 AI 1 2 50 5 00 20 00 50 00 AI 2 1 27 5 06 21 52 18 99 AI 3 2 56 21 79 73 08 AI 4 6 49 3 90 59 74 24 68 表 3 A I 種 植 策 略 組 草 莓 果 實(shí) 采 摘 時(shí) 期 分 布 Table3 HarvestingperioddistributionofstrawberryinAI plantinggroups 處 理 AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 定 植 后 天 數(shù) d 63 73 74 104 105 134 63 73 74 104 105 134 63 73 74 104 105 134 63 73 74 104 105 134 產(chǎn) 量 個(gè) 177 15 363 274 4 155 309 5 259 78 97 265 平 均 單 果 質(zhì) 量 g 13 3 13 3 16 2 12 0 11 7 14 3 12 5 11 5 14 1 12 8 14 5 13 1 1 8 8耿 聞 軒 等 人 工 智 能 輔 助 種 植 策 略