基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)研究

董望成，肖德琴，趙榮澤，梁劍文，吳炫錦

（1.清遠(yuǎn)市農(nóng)業(yè)科技推廣服務(wù)中心/清遠(yuǎn)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣東 清遠(yuǎn) 511518；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引言

目前世界柑桔種植主要集中于亞洲，其種植面積占世界柑桔種植總面積的52.90%。但由于黃龍病的影響，柑桔產(chǎn)業(yè)受到嚴(yán)重威脅。柑桔樹在四季都有可能會感染黃龍病，特別是在秋冬季節(jié)，更容易發(fā)生柑桔黃龍病。柑桔感染黃龍病后，先在濃綠的樹冠中出現(xiàn)少數(shù)黃梢，隨后黃梢數(shù)量不斷增加[1]，柑桔果樹在感染黃龍病以后加速衰竭，直接造成柑桔減產(chǎn)；染上黃龍病的果實與正常果實不一樣，味道很淡并且口感極差，品質(zhì)和產(chǎn)量均大受影響[2]。隨著時間的推延，黃龍病的病菌還會從局部逐漸向整株柑桔樹擴(kuò)散，進(jìn)而向整片柑桔樹蔓延，桔園發(fā)病后 2～3 年內(nèi)，會完全喪失生產(chǎn)能力，給柑桔產(chǎn)業(yè)帶來致命性的打擊。世界上的柑桔生產(chǎn)大國如中國、巴西、印度、墨西哥和美國都受到黃龍病的威脅。我國最早發(fā)現(xiàn)黃龍病可以追溯到18世紀(jì)70年代，在廣東潮汕地區(qū)被發(fā)現(xiàn)。印度在18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)類似黃龍病癥狀的柑桔黑死病，因此這種疾病在亞洲的存在可能已經(jīng)很長時間了。目前普遍認(rèn)為黃龍病是由原核生物、薄壁菌門、α-變型菌綱的候選韌皮部桿菌屬所引起，這種候選韌皮部桿菌是一種迄今無法分離、培養(yǎng)的革蘭氏陰性細(xì)菌[3]，主要感染亞洲種、非洲種和美洲種柑桔[4]。

2010年，清遠(yuǎn)市柑桔種植面積約3.67萬hm2，如今受到柑桔黃龍病的影響只剩1.73萬hm2。黃龍病的潛伏期很長且難以發(fā)現(xiàn)，目前還無法培養(yǎng)出任何黃龍病菌，同時抗病品種的柑桔樹很少，這給柑桔產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，找準(zhǔn)黃龍病蔓延危害的關(guān)鍵因子，并對其進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測防控，從源頭切斷黃龍病的發(fā)生及蔓延非常關(guān)鍵。本文基于國內(nèi)外相關(guān)柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)的現(xiàn)狀，研究基于物聯(lián)網(wǎng)防控和監(jiān)測技術(shù)的柑桔黃龍病防控方法，并對應(yīng)用前景進(jìn)行分析討論。

1 黃龍病監(jiān)測方法研究進(jìn)展

目前，柑桔黃龍病的監(jiān)測方法主要有：病害田間診斷法、指示作物鑒定法、病原顯微鏡觀察法、血清學(xué)鑒別法、DNA-DNA雜交判別法和PCR檢測法，這6種柑桔黃龍病監(jiān)測方法應(yīng)用最為廣泛[5]。病害田間診斷主要查看葉片是否黃梢、斑駁型黃化、缺素狀黃化癥狀，以及查看成熟的果實有沒有病蟲等現(xiàn)象[6]，受人的主觀因素影響較大，所以田間的癥狀診斷只能作為初步診斷，田間診斷黃梢和斑駁的癥狀辨別度最高[7]；指示作物鑒定耗時長，不利于快速診斷；病原顯微鏡觀察法診斷比較準(zhǔn)確，但是容易出現(xiàn)漏檢；血清學(xué)鑒別由于單克隆抗體專一性過強(qiáng)，難以適應(yīng)不同地域的黃龍病菌變異菌株，可能會發(fā)生漏檢，綜合使用不同的單抗組合也許可以克服，但必須用熒光顯微鏡檢測；DNA-DNA雜交判別法最優(yōu)、最精確，但是檢測儀器與試劑昂貴；最有效的傳統(tǒng)方法是定量PCR 檢測方法，但與高光譜無損檢測法相比，PCR檢測法存在著耗時多、成本稍高和實時性不強(qiáng)的缺點。另外，學(xué)者們還研究了其他辨別度較高的診斷方法，比如指示植物檢測法（Schwarz, 1968）等[8]，但在檢測的靈敏程度和專一性上都或多或少地存在一些瑕疵，實用性并不是很強(qiáng)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測防控與圖像技術(shù)檢測診斷，將會是該領(lǐng)域未來的一個應(yīng)用方向?；谖锫?lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測與防控技術(shù)相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)更加高效，預(yù)警的效果更好，防控技術(shù)也更加有效。因此，本文從6個方面圍繞柑桔黃龍病的預(yù)警防控技術(shù)展開分析。

2.1 柑桔黃龍病監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

在已有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[9]、害蟲監(jiān)測裝備[10,11]基礎(chǔ)上改進(jìn)，將空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、降雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、葉面濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、CO2傳感器、視頻傳感器[12-23]等設(shè)備通過硬件電路接口和無線網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)融合起來，獲取田間氣候和環(huán)境參數(shù)。同時，在果園安裝若干害蟲監(jiān)測裝備，實時獲取柑桔木虱等害蟲的發(fā)生情況。

通過增加網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將已有的各種大田傳感器實現(xiàn)互聯(lián)互通，并通過有線或無線方式接入更多的新型傳感器，形成果園監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。在軟件方面，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使系統(tǒng)能夠滿足全面采集黃龍病相關(guān)信息的需求。

圖1 柑桔監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

2.2 柑桔黃龍病分布模型和動態(tài)預(yù)測模型構(gòu)建

通過歸納推理和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法構(gòu)建柑桔黃龍病分布模型和動態(tài)模型。黃龍病分布模型主要依據(jù)往年柑桔黃龍病受災(zāi)數(shù)據(jù)和柑桔木虱圖像，提取黃龍病分布地理位置、面積、木虱數(shù)量、危害程度等各項參數(shù)，并結(jié)合土壤溫濕度、土壤水勢、空氣溫濕度、氣壓、CO2、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量和葉面水分含量等多源信息建立柑桔發(fā)生分布模型。在此基礎(chǔ)上，基于一定的時空發(fā)生分布模型，結(jié)合病蟲害演變、遷移特征規(guī)律，預(yù)測黃龍病發(fā)生動態(tài)模型。

2.3 基于多源大數(shù)據(jù)的黃龍病暴發(fā)的關(guān)鍵影響因子分析

由于國內(nèi)外關(guān)于黃龍病的數(shù)據(jù)和資料比較少，所以擬通過已經(jīng)比較完善的蔬菜重大病蟲害數(shù)據(jù)推測黃龍病的發(fā)生，在基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的蔬菜重大害蟲關(guān)鍵影響因子分析成果的基礎(chǔ)上，采集足夠多的長期連續(xù)的害蟲動態(tài)、土壤環(huán)境和田間氣候大數(shù)據(jù)，以及常規(guī)記錄的各項病蟲害相關(guān)數(shù)據(jù)，采用多種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)比較分析，找出合適的樣本訓(xùn)練策略與方法，建立相應(yīng)的量化關(guān)系模型，求解空氣溫濕度、土壤溫濕度、葉面濕度、pH值、光強(qiáng)、CO2濃度、其他害蟲等各種相關(guān)因子[24]對黃龍病發(fā)生程度的量化關(guān)系，找出黃龍病暴發(fā)的關(guān)鍵影響因子，揭示黃龍病暴發(fā)的內(nèi)在機(jī)制。

2.4 基于分析模型，提出黃龍病早期預(yù)警和防控策略

基于有監(jiān)督和無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建害蟲預(yù)警模型。有監(jiān)督學(xué)習(xí)是前期項目的數(shù)據(jù)不足，需要根據(jù)算法進(jìn)行人為數(shù)據(jù)糾正，無監(jiān)督學(xué)習(xí)是當(dāng)數(shù)據(jù)信息足夠多的時候，系統(tǒng)會根據(jù)前期數(shù)據(jù)的信息進(jìn)行系統(tǒng)自動糾正。把現(xiàn)場感知的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練和測試樣本集，把害蟲裝備監(jiān)測和原有黃龍病評定等級作為類別標(biāo)簽，進(jìn)而通過支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、深度學(xué)習(xí)等多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法分別進(jìn)行量化關(guān)聯(lián)分析，找出最適應(yīng)本應(yīng)用的柑桔黃龍病預(yù)警模型。為了提高模型精度，初始時擬選取前1年實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和測試；之后逐漸增加3個月的樣本數(shù)據(jù)，重復(fù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和測試，直至3年項目結(jié)束，以獲得最佳預(yù)警模型。因為有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)需要人工測定和分析大量數(shù)據(jù)，為提高智能建模的自動化程度，在監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法取得一定成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法，建立從現(xiàn)場大數(shù)據(jù)中獲取評價和標(biāo)準(zhǔn)的智能預(yù)警模型。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的病蟲害信息和預(yù)測結(jié)果，結(jié)合柑桔黃龍病預(yù)警模型，向技術(shù)員和管理人員發(fā)布預(yù)警信息，發(fā)布害蟲分布和危害報告。同時，提供柑桔黃龍病的安全防控策略和技術(shù)建議，包括農(nóng)藥噴施策略、柑桔木虱誘捕策略和清除病樹等多種常規(guī)植保措施和技術(shù)。

2.5 柑桔黃龍病預(yù)警防控系統(tǒng)集成分析

基于云平臺構(gòu)建柑桔黃龍病預(yù)警防控系統(tǒng)，采用可視化技術(shù)對柑桔現(xiàn)場病蟲害信息及預(yù)警信息進(jìn)行展示，以圖像或視頻的方式讓用戶能夠更加直白地交互地瀏覽數(shù)據(jù)，方便專家提供領(lǐng)域智力支持，并將專家鑒定發(fā)布的防控策略通過網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)短信等多種渠道發(fā)布給相關(guān)人員。在可視化工具和技術(shù)的支持下，可以對原始數(shù)據(jù)集或轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)集創(chuàng)建二維或三維的圖形，例如柑桔木虱的數(shù)量、柑桔黃龍病危害程度等各種控制參數(shù)的曲線圖、柱狀圖等，通過波形變化、峰值谷值、趨勢變化，讓各類用戶能直觀的對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析。

2.6 應(yīng)用示范及完善

以受柑桔黃龍病危害嚴(yán)重的柑桔作為研究對象，開展柑桔黃龍病預(yù)警防控技術(shù)的應(yīng)用示范。通過多傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場實測柑桔黃龍病和柑桔木虱圖像、土壤溫濕度、土壤水勢、空氣溫濕度、氣壓、CO2、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量和葉面水分含量等多源信息作為模型輸入?yún)?shù)，結(jié)合常規(guī)記錄的各項害蟲相關(guān)數(shù)據(jù)，運用演繹推理方法，將模型仿真得到的試驗區(qū)柑桔黃龍病數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，并進(jìn)行參數(shù)修正和完善。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)保障措施

基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測與防控技術(shù)還需要必要的保障措施，通過柑桔黃龍病物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，完善柑桔黃龍病監(jiān)測防控的保障措施，全面開展農(nóng)田傳感器網(wǎng)絡(luò)、高分辨率視覺傳感器、害蟲監(jiān)測、農(nóng)業(yè)圖像識別、大數(shù)據(jù)采集與分析等方面的研究。

3.1 田間水分傳感器研究

為了保障柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)取得的關(guān)于水分?jǐn)?shù)據(jù)信息，需要一套田間水分監(jiān)測一體化裝置，如圖2（a）所示；發(fā)明了一種高分辨率智能可調(diào)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場圖像無線傳感器節(jié)點，如圖2（b）所示，包括接收視頻圖像信號的感知模塊、處理器模塊、無線通信模塊及供電模塊，各個節(jié)點可通過無線路由器形成自組織的無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)；利用圖像傳感器設(shè)計1套果園桔小實蠅誘捕監(jiān)控裝備和基于害蟲黃板及籃板誘捕的監(jiān)測裝備，如圖2（c）—（d）所示，正常外界氣候環(huán)境和土壤環(huán)境監(jiān)測需要菜田土壤環(huán)境及氣象監(jiān)測站，如圖2（e）所示，該裝備在廣州市楊桃公園和廣東東升農(nóng)場開展了長期試驗。以上研究為菜場土壤環(huán)境、田間氣候及氣象、害蟲數(shù)量等大數(shù)據(jù)的采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供了重要的硬件技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2 相關(guān)傳感器

經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議設(shè)計、存儲控制、圖像傳輸、差錯控制等方面的一系列理論和實際應(yīng)用研究，利用自制的無線水分傳感器，構(gòu)建了包含60個節(jié)點的水分監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計了傳輸協(xié)議和管理信息系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集中進(jìn)行較長期應(yīng)用；還設(shè)計包含溫度、濕度、降雨量、視覺圖像等多種傳感器集成網(wǎng)絡(luò)試驗系統(tǒng)，集成在已運行多年的農(nóng)情信息綜合管理平臺，以稻田水分采集運行界面為例，如圖3所示。

3.2 害蟲監(jiān)測預(yù)警

在廣州市科技計劃和國家星火計劃項目中，對桔小實蠅監(jiān)測計數(shù)和南方重大害蟲識別算法方面進(jìn)行了多年深入研究。利用自行研制的CMOS圖像傳感器對果園桔小實蠅誘捕過程進(jìn)行監(jiān)控和計量分析研究，設(shè)計完成的桔小實蠅誘捕監(jiān)測裝備和算法已經(jīng)在公園和農(nóng)場開展了初步應(yīng)用。近期實現(xiàn)了煙粉虱、黃曲條跳甲、小菜蛾和薊馬圖像檢測分類器及識別算法。

圖3 農(nóng)情信息綜合管理平臺

3.3 物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集與分析

設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)采集與傳輸體系結(jié)構(gòu),研制了蔬菜水果價格數(shù)據(jù)的爬蟲程序頁面獲取算法、病態(tài)數(shù)據(jù)過濾算法和蔬果信息數(shù)據(jù)倉庫，以及基于蔬果大數(shù)據(jù)查詢的回歸分析算法和優(yōu)選算法的Java實現(xiàn)，并通過系統(tǒng)整合建立了預(yù)測模型。設(shè)計了基于圖形界面的試驗原型系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集、展示、存儲、分析與建模。為設(shè)計生產(chǎn)大數(shù)據(jù)感知、分析、監(jiān)測與建模一體化軟件提供重要參考。此外，開展了基于多源大數(shù)據(jù)的重大害蟲預(yù)警模型研究，利用大數(shù)據(jù)找出了影響重大害蟲發(fā)生的頁面濕度、空氣溫度、空氣濕度等5個關(guān)鍵影響因子及其具體的量化關(guān)聯(lián)參數(shù)，為柑桔黃龍病相關(guān)大數(shù)據(jù)的采集、分析與管理提供保障。

圖4 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集平臺

在傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、病蟲害圖像處理、病蟲害監(jiān)測預(yù)警、大數(shù)據(jù)采集分析等方面開展了大量的研究，積累了豐富的成果，后續(xù)核心工作是更大范圍的黃龍病相關(guān)大數(shù)據(jù)持續(xù)采集、分析與量化關(guān)系模型構(gòu)建，推動基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)的進(jìn)步。

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與應(yīng)用，利用多傳感器網(wǎng)絡(luò)小尺度采集木虱數(shù)量，土壤、環(huán)境、生態(tài)氣候及氣象等數(shù)據(jù)，找出影響黃龍病發(fā)生的關(guān)鍵影響因子，從而對柑桔黃龍病進(jìn)行早期預(yù)警防控成為可能。目前對于黃龍病的監(jiān)測還是后知后覺，發(fā)現(xiàn)時病株已經(jīng)無法挽救，只能防控與之相鄰的果樹。因此，柑桔黃龍病的早期預(yù)警對防控黃龍病，減少農(nóng)戶損失和穩(wěn)步推進(jìn)現(xiàn)代裝備技術(shù)在統(tǒng)防統(tǒng)治上的應(yīng)用具有重要意義。

目前，我國主要采用傳統(tǒng)的方法檢測柑桔黃龍病病原，未見基于物聯(lián)網(wǎng)的柑桔黃龍病監(jiān)測防控技術(shù)的相關(guān)報道。國外開展這方面研究已有一定的時間并獲得了一些成就，但目前用于檢測黃龍病的圖像系統(tǒng)還需改進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測柑桔黃龍病在種植面積較小的地區(qū)誤判率較高，然而精密度比較高的信號采集傳感器價格昂貴，不利于推廣使用。因此，未來的改進(jìn)柑桔黃龍病監(jiān)測目標(biāo)將會是：在黃龍病識別上有更加精準(zhǔn)的識別，同時，對植物能達(dá)到無損檢測，減少和簡化建立判決模型數(shù)量，簡化檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，達(dá)到降低成本的目的。將在種植面積較大的柑桔場進(jìn)行示范研究，推進(jìn)現(xiàn)代裝備在柑桔黃龍病檢測方面的統(tǒng)防統(tǒng)治進(jìn)展，利用柑桔黃龍病在物聯(lián)網(wǎng)的最新監(jiān)測和預(yù)防技術(shù)，把柑桔黃龍病害帶來的損失降到最小。