玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架構(gòu)

賈彪

摘 要 玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是“互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)字圖像（視頻）+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”，配套分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，架構(gòu)玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)服務(wù)體系。主要通過(guò)數(shù)碼相機(jī)與高清數(shù)字?jǐn)z像頭作為硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備，抓拍玉米各生育期的高清圖像，采用無(wú)線4G網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi技術(shù)將遠(yuǎn)程獲取的玉米冠層圖片或視頻數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，再運(yùn)用圖像處理工具提取玉米生長(zhǎng)的特征參數(shù)值，通過(guò)特征參數(shù)準(zhǔn)確反映玉米生長(zhǎng)狀況，并做出決策診斷，建立玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建玉米視頻信息遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷服務(wù)體系。

關(guān)鍵詞 玉米；生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S513；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.18.135

玉米群體結(jié)構(gòu)特征的主要表現(xiàn)是其生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程整體分布情況，可以反映玉米的生長(zhǎng)變化，掌握玉米的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。大量研究表明，對(duì)玉米群體結(jié)構(gòu)特征監(jiān)測(cè)思路或方法主要包括2大類：第一，重點(diǎn)對(duì)玉米長(zhǎng)勢(shì)情況進(jìn)行宏觀研究，通過(guò)對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)不斷檢測(cè)與分析，提出一些規(guī)律性變化過(guò)程[1，2]；第二，重點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)代信息設(shè)備實(shí)時(shí)采集玉米生長(zhǎng)信息與生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)[3-5]，并提出動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

本研究根據(jù)寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)的土壤條件與玉米生長(zhǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合滴灌栽培玉米的種植方式、水肥運(yùn)籌與管理等相關(guān)措施，輔助農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)，不斷采集玉米各生育期的生長(zhǎng)發(fā)育狀況高清數(shù)字圖片、視頻數(shù)據(jù)等信息，并根據(jù)當(dāng)?shù)赜脩舻母鞣N需求，提出玉米數(shù)字化監(jiān)測(cè)與診斷指標(biāo)，構(gòu)建數(shù)字化監(jiān)測(cè)與診斷服務(wù)模式。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，具體架構(gòu)思路分為3層。第一層是處于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷的最底層，稱之為信息傳感層，主要采用手機(jī)與相機(jī)拍照、攝像頭抓拍等采集方式對(duì)玉米生長(zhǎng)信息、冠層信息或群體結(jié)構(gòu)特征的感知與獲取，從而建立玉米數(shù)字圖像采集系統(tǒng)。第二層是玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層，即中間層，稱之為核心網(wǎng)絡(luò)層，該層主要針對(duì)信息傳感層提取的玉米生長(zhǎng)信息、圖像信息或群體結(jié)構(gòu)等通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器安裝圖像處理軟件對(duì)傳輸?shù)挠衩讏D像信息等進(jìn)行分析處理，提取玉米圖像特征參數(shù)或?qū)傩?，從而建立玉米圖像特征參數(shù)與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)不斷存貯與記錄，構(gòu)建玉米生長(zhǎng)圖像標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)和歷史圖像信息數(shù)據(jù)庫(kù)等，然后通過(guò)對(duì)玉米生長(zhǎng)信息和圖像信息的分析，做出決策分析結(jié)果，并將決策結(jié)果與具體執(zhí)行措施發(fā)布給農(nóng)民、種植戶或農(nóng)業(yè)企業(yè)等客戶端。第三層是是一個(gè)開放層，即用戶應(yīng)用層，或稱之為客戶端，主要針對(duì)農(nóng)民、種植戶、農(nóng)業(yè)企業(yè)或玉米栽培與管理專家等，他們通過(guò)計(jì)算機(jī)瀏覽器和智能手機(jī)客戶端對(duì)第二層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心發(fā)送的圖片信息、決策分析信息等進(jìn)行瀏覽，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)客戶端進(jìn)行信息咨詢。

2 監(jiān)測(cè)/分析/處理/決策/瀏覽5大中心設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架圖1可知，要想實(shí)現(xiàn)玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷的合理性與準(zhǔn)確性，得出較為理想的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與診斷信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)可輸入、可輸出、可查詢與可調(diào)用等功能。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一定要達(dá)到可兼容、可嫁接、可獨(dú)立和可開放的設(shè)計(jì)的理念，既可以嫁接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，也可單機(jī)運(yùn)行，從而解決這個(gè)矛盾體系。于是，我們通過(guò)不斷的分析研究，架構(gòu)了監(jiān)測(cè)/分析/處理/決策/瀏覽5大中心，分別由玉米生長(zhǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)、圖像獲取與視頻抓拍采集、圖像分析采集、玉米生長(zhǎng)與決策診斷、用戶瀏覽與訪問(wèn)等組成。具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與架構(gòu)是玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架構(gòu)的核心部位，系統(tǒng)若離開了數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與架構(gòu)，系統(tǒng)的功能服務(wù)功能就失去靈魂。玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的主要功能是對(duì)玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)的方法和玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與診斷過(guò)程中所搭建的模型進(jìn)行導(dǎo)入、存儲(chǔ)、備份和修改等各種操作。同時(shí)，本研究數(shù)據(jù)庫(kù)還包括圖形圖像導(dǎo)入、存儲(chǔ)，視頻數(shù)據(jù)流導(dǎo)入、存儲(chǔ)，揚(yáng)黃灌區(qū)各玉米田塊的土壤地力和肥力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、存儲(chǔ)。玉米栽培管理與植保信息導(dǎo)入、存儲(chǔ)，降雨量等氣象信息導(dǎo)入、存儲(chǔ)，土壤含水量等墑情信息及田間管理的水肥運(yùn)移規(guī)律信息導(dǎo)入、存儲(chǔ)等。

該數(shù)據(jù)庫(kù)還要實(shí)現(xiàn)的功能是必須根據(jù)玉米生長(zhǎng)過(guò)程中構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型做出相關(guān)分析與推理判斷，并根據(jù)不斷增加和補(bǔ)充玉米種植管理的歷史數(shù)據(jù)，最后得出玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與決策診斷方案。

4 系統(tǒng)服務(wù)功能設(shè)計(jì)

玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要服務(wù)功能主要有監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定、圖像特征參數(shù)提取、診斷指標(biāo)確定、生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)模型調(diào)用、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等模塊調(diào)用、玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)布、診斷方案發(fā)布及系統(tǒng)維護(hù)等多個(gè)組成部分。

監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定其實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的首要功能，即篩選合理的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。例如，監(jiān)測(cè)玉米的葉面積、監(jiān)測(cè)玉米的覆蓋度、監(jiān)測(cè)玉米葉綠素含量等，只有確定了準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，方能收集合理的圖像與視頻資料。因此，監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定是整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)功能設(shè)計(jì)的先決條件。假如缺少葉面積指數(shù)這1個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，就等于缺少實(shí)時(shí)采集到的玉米生長(zhǎng)數(shù)字圖像與視頻信息資料，必然就缺少了圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，從而無(wú)法確保圖像監(jiān)測(cè)指標(biāo)的信息提取。同時(shí)，必須注意強(qiáng)化玉米田間圖像采集的質(zhì)量，加大實(shí)時(shí)更新力度。

圖像特征參數(shù)提取功能設(shè)計(jì)，該模塊設(shè)計(jì)的主要目的就是實(shí)現(xiàn)將玉米圖像分層分割、特征參數(shù)提取，并搭建圖像特征參數(shù)與玉米農(nóng)學(xué)屬性間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，其目的就是通過(guò)圖像特征參數(shù)數(shù)據(jù)分析玉米的實(shí)際生長(zhǎng)狀況，從而補(bǔ)充決策分析模型的分析庫(kù)。

系統(tǒng)診斷指標(biāo)的確定，該功能模塊可能會(huì)受傳統(tǒng)的栽培理念與方法的影響與制約，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須轉(zhuǎn)變觀念，明確其設(shè)計(jì)的目的就是通過(guò)數(shù)學(xué)分析方法，將大量的數(shù)據(jù)采用相關(guān)性分析，構(gòu)建相關(guān)性關(guān)系模型，提出模型決策方案。

數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢功能和歷史數(shù)據(jù)查詢功能其實(shí)質(zhì)就是后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，按照玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)具體要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)表單，建立數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)表，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。同時(shí)該數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要考慮數(shù)據(jù)查詢的靈活性與多樣性。

玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)布、診斷方案發(fā)布功能設(shè)計(jì)，該模塊相對(duì)來(lái)說(shuō)較為重要，必須通過(guò)實(shí)時(shí)發(fā)布玉米長(zhǎng)勢(shì)情況，提供權(quán)威信息，方便玉米種植大戶、農(nóng)民和農(nóng)業(yè)管理者宏觀調(diào)控。此模塊要為玉米生產(chǎn)管理者提供極其可靠的技術(shù)服務(wù)，解決農(nóng)民、種植戶和農(nóng)業(yè)企業(yè)急需解決的本質(zhì)問(wèn)題。例如，通過(guò)抓拍到的玉米照片如何判斷玉米就目前的生長(zhǎng)狀態(tài)下到底是缺水還是缺肥等問(wèn)題，就像現(xiàn)場(chǎng)請(qǐng)到了一位農(nóng)業(yè)專家一樣，能夠通過(guò)觀測(cè)給出一個(gè)準(zhǔn)確可靠的解決方案，這才真正達(dá)到玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)布這個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的核心功能價(jià)值。同時(shí)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)布也能給上級(jí)農(nóng)業(yè)管理部門提供方便快捷的服務(wù)工作與信息。

系統(tǒng)維護(hù)功能模塊設(shè)計(jì)，毫不夸大地講，此模塊是每一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必備的功能模塊，也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與過(guò)程。因?yàn)槊總€(gè)系統(tǒng)不論內(nèi)容多么完善，肯定總會(huì)有其不足之處或尚未考慮到的問(wèn)題出現(xiàn)，因此必須進(jìn)行后期運(yùn)行狀態(tài)維護(hù)、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、以及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全管理等。

由此可見，玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)有7個(gè)服務(wù)功能模塊，為了簡(jiǎn)化思路，通過(guò)集成與分析整理，將該系統(tǒng)進(jìn)行歸類，主要?dú)w納為用戶管理、網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、終端配置和監(jiān)測(cè)診斷5大類，其歸類圖如圖3所示。

5 討論與結(jié)論

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)云計(jì)算與云服務(wù)的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”的快速推進(jìn)[6-10]，運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷關(guān)鍵技術(shù)研究已取得了突破性進(jìn)展和質(zhì)的飛躍。其應(yīng)用模式不斷完善，應(yīng)用技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用力度明顯提高，并展現(xiàn)出其蓬勃的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，加快玉米生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的構(gòu)建刻不容緩，必須跟上“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”飛速發(fā)展的步伐，通過(guò)大力推廣與示范，形成一個(gè)可服務(wù)寧夏玉米、小麥、水稻和馬鈴薯四大糧食作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)，以及服務(wù)寧夏農(nóng)業(yè)不同領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系[11-13]。

本設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)潔、可行，監(jiān)測(cè)原理簡(jiǎn)單、實(shí)用，對(duì)玉米生長(zhǎng)信息獲取真實(shí)、可靠，同時(shí)也集成了各種現(xiàn)代化技術(shù)手段與信息采集原件，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米生長(zhǎng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷。當(dāng)然，該設(shè)計(jì)方法與思路也可應(yīng)用水稻、小麥和馬鈴薯等農(nóng)作物的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與診斷[6-10]。但是，本設(shè)計(jì)僅僅考慮了圖像、視頻采集手段對(duì)作物的監(jiān)測(cè)與診斷模式，還有一些更重要更關(guān)鍵的技術(shù)并未展開討論，且農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷所涉及的參數(shù)和影響因子也非常多，需要各位學(xué)者進(jìn)一步深入的研究與探討。

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（責(zé)任編輯：劉昀）