農(nóng)林區(qū)域特征信息智能采集與生態(tài)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦方源,焦小洋,李 薇

(1．西華師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 南充 637009；2．成都信息工程大學(xué) 信息安全工程學(xué)院，成都 610225)

0 引言

近年來，以“互聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)為基本特色的智能信息化建設(shè)進(jìn)程在我國(guó)不斷進(jìn)深入推進(jìn)；以生態(tài)農(nóng)業(yè)和生態(tài)林業(yè)為中心的生態(tài)環(huán)境建設(shè)也得到了國(guó)家的大力支持與提倡。陳威、周志艷等人對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)信息化的現(xiàn)狀與問題進(jìn)行了一定程度的研究，并強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)航空技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用[1-2]；鄒茜、陳振偉和張鳳荔等人對(duì)WSN農(nóng)林業(yè)相關(guān)信息傳輸模型領(lǐng)域進(jìn)行了論述[3-5]；吳旭、彭佳紅和張江等人對(duì)農(nóng)林業(yè)生態(tài)指數(shù)的構(gòu)建，指標(biāo)體系與決策支持系統(tǒng)建立等方面深入地進(jìn)行了分析和論述[6-8]，但都未曾論述以“互聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)為基本特色的智能信息化技術(shù)在生態(tài)農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用，智能信息化技術(shù)在生態(tài)農(nóng)林業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用還處于起步階段。另一方面，我國(guó)在無人機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)領(lǐng)域研究獲得了突破性的發(fā)展，李鵬等人對(duì)無人機(jī)在航拍、航測(cè)、偵察、甚至中小型運(yùn)輸業(yè)務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究[9]，取得了巨大的進(jìn)步；但僅有徐涵秋就遙感技術(shù)在生態(tài)指數(shù)構(gòu)建中的應(yīng)用時(shí)行了一定程度分析和論述[10]。綜上，迄今尚無針對(duì)以大數(shù)據(jù)為背景的智能信息化技術(shù)在農(nóng)林區(qū)域生態(tài)信息智能采集、傳輸、融合與預(yù)警相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。本論文著重對(duì)以無人機(jī)搭載的遙感農(nóng)林特征信息智能采集與生態(tài)預(yù)警系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱生態(tài)信息采集系統(tǒng))在農(nóng)林區(qū)域特征信息提取、計(jì)算、分析及生態(tài)預(yù)警等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，并對(duì)其關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)及性能參數(shù)進(jìn)行仿真分析，以達(dá)到提高生態(tài)預(yù)警過程的智能化水平的目的。

1 農(nóng)林區(qū)域生態(tài)性能指標(biāo)體系與參數(shù)設(shè)置

生態(tài)信息采集系統(tǒng)進(jìn)行特征信息采集與生態(tài)預(yù)警的過程，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)當(dāng)前地面區(qū)域中的農(nóng)林植物進(jìn)行遙感測(cè)量、適時(shí)傳輸、優(yōu)化處理并與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合分析，進(jìn)而發(fā)出相應(yīng)預(yù)警信息的過程。根據(jù)生態(tài)信息采集系統(tǒng)在信息采集、計(jì)算、分析及預(yù)警過程的需要，現(xiàn)在對(duì)其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)作如下分析和設(shè)置。

1.1 靜態(tài)性能指標(biāo)與參數(shù)設(shè)置

生態(tài)信息采集系統(tǒng)對(duì)地面農(nóng)林區(qū)域進(jìn)行適時(shí)采集獲取的性能參數(shù)信息，其中一部分參數(shù)信息是不隨時(shí)間變化的，它們是對(duì)農(nóng)林區(qū)域生態(tài)基本特點(diǎn)的描述[10]，故稱作靜態(tài)參數(shù)。為準(zhǔn)確描述生態(tài)信息采集系統(tǒng)對(duì)地面農(nóng)林區(qū)域進(jìn)行的信息采集過程，現(xiàn)將下文將涉及的靜態(tài)參數(shù)意義和參數(shù)符號(hào)表示分別如表1所示。

表1 農(nóng)林靜態(tài)特征信息參數(shù)意義說明表

1.2 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)與參數(shù)設(shè)置

生態(tài)信息采集系統(tǒng)對(duì)農(nóng)林區(qū)域進(jìn)行適時(shí)采集獲取的性能參數(shù)信息中有一部分參數(shù)信息則是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，它們是農(nóng)林區(qū)域生態(tài)瞬時(shí)或局部特性的描述[10]，故稱作動(dòng)態(tài)參數(shù)。為準(zhǔn)確描述生態(tài)信息采集系統(tǒng)對(duì)農(nóng)林區(qū)域進(jìn)行的信息采集過程，現(xiàn)將下文將涉及的動(dòng)態(tài)參數(shù)意義和參數(shù)符號(hào)表示分別如表2所示。

表2 農(nóng)林動(dòng)態(tài)特征信息動(dòng)態(tài)參數(shù)說明表

2 農(nóng)林區(qū)域微域生態(tài)特征信息提取

為更準(zhǔn)確地采集遙感區(qū)域的生態(tài)特征信息，現(xiàn)用做如下定義：

定義1 微域：指為準(zhǔn)確獲取生態(tài)特征信息，將被測(cè)量區(qū)域人為劃分而產(chǎn)生的更小的子區(qū)域(通常視為矩形)；而且整個(gè)農(nóng)林區(qū)域可以視為按照遙感測(cè)量的順序，由許多微域構(gòu)成的序列。因此，每個(gè)微域必有自己獨(dú)特生態(tài)特征信息，設(shè)置為如表2所示。

設(shè)當(dāng)前農(nóng)林區(qū)域可劃分為N個(gè)微域，則其中第i個(gè)微域的植被面積、土壤濕度、病害面積等主要生態(tài)特征信息可表示為：

ΔSveg(i),ΔSdis(i),ΔSwat(i),ΔSani(i),ΔSfam(i),ΔHsoi(i),i=1,2,…,N

再假定遙感系統(tǒng)在無人機(jī)的承載下按時(shí)變的軌跡掃描寬度和飛機(jī)速度運(yùn)動(dòng)，則由表2中的參數(shù)設(shè)置，則可得到當(dāng)前微域的面積特征信息為：

ΔSmic(i)=ΔVnav(i)·ΔWsca(i)·ΔTnav(i),i=1,2,…,N

于是，整個(gè)農(nóng)林區(qū)域的生態(tài)特征信息可由各微域按(1)式產(chǎn)生后，再進(jìn)行整理提取。

3 本地生態(tài)特征信息參數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算

隨著遙感測(cè)量過程的不斷推進(jìn)，被測(cè)量的農(nóng)林微域不斷地切換，各種生態(tài)特征信息必然會(huì)不斷變化和適時(shí)更新，遙感測(cè)量的農(nóng)林總面積也會(huì)不斷增加。設(shè)當(dāng)前已經(jīng)完成第q個(gè)微域的測(cè)量,1≤q≤N。此時(shí)遙感測(cè)量系統(tǒng)采集到的特征特征暫態(tài)信息為：

經(jīng)過上述遙感測(cè)量過程，整個(gè)農(nóng)林區(qū)域本次測(cè)量完成以后生態(tài)信息采集系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)量得到的上述生態(tài)特征信息，進(jìn)一步分析計(jì)算得到本農(nóng)林區(qū)域的全局生態(tài)指標(biāo)。

4 農(nóng)林特征信息智能采集與生態(tài)預(yù)警系統(tǒng)

基于特征信息的生態(tài)預(yù)警，其實(shí)質(zhì)就是適時(shí)查詢相關(guān)的生態(tài)指標(biāo)信息作為參考，根據(jù)生態(tài)信息采集系統(tǒng)得到的最新生態(tài)數(shù)據(jù)信息與之比較，從而對(duì)當(dāng)前農(nóng)林區(qū)域的生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)超出參考標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)與大數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行融合更新，并同時(shí)向有關(guān)方面發(fā)出相應(yīng)生態(tài)災(zāi)害預(yù)警的過程[11]，本系統(tǒng)以表2的最新生態(tài)信息為基本數(shù)據(jù)，運(yùn)用前2節(jié)定義的公式的計(jì)算方法，對(duì)當(dāng)前農(nóng)林區(qū)域的全局生態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值計(jì)算，再將其與本區(qū)域相應(yīng)指標(biāo)參考值相結(jié)合，評(píng)價(jià)當(dāng)前農(nóng)林區(qū)域的生存狀態(tài)是否作健康，以發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警控制信息。系統(tǒng)詳細(xì)工作流程如圖1所示。

5 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

5.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于生態(tài)信息采集過程就是本預(yù)警系統(tǒng)對(duì)農(nóng)林區(qū)域的連續(xù)遙感測(cè)量過程，因此得到的一系列微域生態(tài)特征參數(shù)采樣值隨時(shí)間不斷變化，具有一定的隨機(jī)特性[12]。但是，其中某一次采樣得到的微域生態(tài)特性參數(shù)則處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，為恒定值。于是，現(xiàn)假定某農(nóng)林區(qū)域有個(gè)不同特征參數(shù)的農(nóng)林微域，取本次遙感測(cè)量的各種生態(tài)特性信息如表3所示，運(yùn)用前2節(jié)定義的公式的參數(shù)計(jì)算方法，通過Matlab仿真平臺(tái)編寫仿真程序，對(duì)農(nóng)林生態(tài)參數(shù)中的農(nóng)耕占比、植被占比、林牧占比、水域占比和病害占比等特征參數(shù)進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果圖2和圖3所示。

表3 微域生態(tài)仿真原始數(shù)據(jù)信息表

5.2 仿真數(shù)據(jù)分析

為正確分析仿真結(jié)果，微域和全局采用相同的農(nóng)林生態(tài)指標(biāo)參考值如表4所示。

隨著生態(tài)信息采集系統(tǒng)在農(nóng)林區(qū)域持續(xù)航行，必然會(huì)面對(duì)具有不同植被情況、農(nóng)耕占比和水域占比等生態(tài)信息的微域，這決定了遙感測(cè)量系統(tǒng)輸出的性能參數(shù)信息必定隨之而變化。從圖2可以看出，生態(tài)信息采集系統(tǒng)輸出的性能參數(shù)信息隨著微域的切換而改變，體現(xiàn)了其本身具有的變化規(guī)律；而且，對(duì)各個(gè)微域超過了相應(yīng)參考值的指標(biāo)及時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的預(yù)警提示，達(dá)到了本系統(tǒng)在遙感測(cè)量過程中對(duì)生態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行精確捕捉的效果。

表4 農(nóng)林生態(tài)指標(biāo)參考值表

隨著生態(tài)信息采集系統(tǒng)測(cè)量過程的不斷推進(jìn)，在精確捕捉各微域生態(tài)特征信息的同時(shí)，本算法對(duì)先后來自于不同微域、而且不向種類與數(shù)值的信息進(jìn)行快速統(tǒng)計(jì)，并按照相應(yīng)生態(tài)參數(shù)的大數(shù)據(jù)參考值進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)警。從圖3可以看出，生態(tài)信息采集系統(tǒng)輸出的性能參數(shù)信息的累計(jì)統(tǒng)計(jì)平均值隨著微域的改變而按其本身具有的規(guī)律變化，從總體上對(duì)本次測(cè)量的全局生態(tài)特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)，而且對(duì)超過相應(yīng)安全參考值的性能指標(biāo)，向相關(guān)的農(nóng)林部門發(fā)出了生態(tài)預(yù)警信息，達(dá)到了本系統(tǒng)在生態(tài)參數(shù)信息遙感測(cè)量過程中智能數(shù)據(jù)分析與及時(shí)生態(tài)預(yù)警的目的。

6 結(jié)論

本論文針對(duì)生態(tài)信息采集系統(tǒng)在農(nóng)林區(qū)域生態(tài)參數(shù)信息采集實(shí)踐，分析了農(nóng)林區(qū)域微域生態(tài)特征性能參數(shù)特點(diǎn)；設(shè)置了能夠精確表征生態(tài)特征的性能參數(shù)；提出了有效的參數(shù)更新計(jì)算方法；設(shè)計(jì)了基于微域理論的生態(tài)特征信息分析與預(yù)警系統(tǒng)，并通過精確的分析、計(jì)算和仿真，證實(shí)了本系統(tǒng)有效提高農(nóng)林區(qū)域生態(tài)特征信息智能采集與生態(tài)預(yù)警過程智能化水平。生態(tài)信息采集系統(tǒng)與地面WSN系統(tǒng)的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)施肥、澆灌等農(nóng)林施工作業(yè)過程的全面智能控制是本論文所論述領(lǐng)域的進(jìn)一步研究方向。

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