基于知識(shí)圖譜和機(jī)器視覺的智慧草莓生產(chǎn)托管服務(wù)系統(tǒng)實(shí)踐＊

林 森，郭文忠**，鄭建鋒，肖麗娟，文朝武，張 宇，龍潔花

（1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；3.天津綠色世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司，天津 301800）

草莓是中國廣泛種植的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，在國內(nèi)大部分地區(qū)均有種植，是幫助農(nóng)民增收致富的重要作物。目前草莓種植多為設(shè)施栽培，與傳統(tǒng)露地栽培草莓的方式相比，設(shè)施栽培更有利于草莓的生長及生產(chǎn)，由于其對(duì)草莓生產(chǎn)具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此設(shè)施草莓被大力推廣，并被廣泛應(yīng)用到草莓的實(shí)際生產(chǎn)中[1-2]。但是，草莓種植多為單體設(shè)施栽培，種植技術(shù)為傳統(tǒng)的小農(nóng)方式，技術(shù)落后，種植經(jīng)驗(yàn)缺乏，針對(duì)這種現(xiàn)狀，筆者采用人工智能技術(shù)將種植者經(jīng)驗(yàn)和模型系統(tǒng)相結(jié)合，并通過這種技術(shù)方案建立了一套基于知識(shí)推理和視覺信息識(shí)別的設(shè)施草莓智慧管控決策方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一款草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)。

決策方法

采用知識(shí)圖譜技術(shù)將種植者經(jīng)驗(yàn)和模型系統(tǒng)相結(jié)合，首先要將種植者經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境數(shù)據(jù)和草莓圖像識(shí)別數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立標(biāo)準(zhǔn)化的草莓種植知識(shí)結(jié)構(gòu)和知識(shí)庫；然后采用知識(shí)推理的方法結(jié)合草莓種植水肥模型和溫室氣候模型建立設(shè)施草莓智慧種植決策方法，該技術(shù)方案包括草莓植株生長模型、基于多特征融合的草莓生長狀態(tài)識(shí)別算法、基于知識(shí)圖譜的草莓智慧管理決策方法、草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)等4 個(gè)部分（圖1）。

草莓生長模型

不同品種的草莓植株的生長特性不同，同一品種在不同的環(huán)境下的生長特征也不同。為了能夠清楚直觀地表示草莓植株在一定條件下的生長狀況，可以將草莓植株的生長過程用圖形的方式表示出來。

草莓生長模型圖包含了植株生長時(shí)間、株高（葉柄長）、莖粗、葉片長、葉片寬、葉片數(shù)、葉片展開時(shí)間、開花時(shí)間、果實(shí)膨大時(shí)間、開始采收時(shí)間和采收結(jié)束時(shí)間。通過生長模型圖可以很方便地分析草莓營養(yǎng)生長和生殖生長的過程，更好地理解草莓在不同環(huán)境下的生長行為。通過對(duì)比視覺識(shí)別的植株生長狀態(tài)與草莓生長模型，得到作物生長偏差，進(jìn)一步根據(jù)生長偏差通過知識(shí)圖譜決策系統(tǒng)調(diào)整設(shè)定值。

圖1 基于知識(shí)圖譜的草莓種植智慧管控決策系統(tǒng)

圖2 基于YOLO-V4 的草莓生長狀態(tài)識(shí)別算法

圖3 草莓關(guān)鍵特征識(shí)別效果

草莓生長狀態(tài)識(shí)別模型構(gòu)建

草莓生育期是影響草莓種植管理的重要因素，傳統(tǒng)的草莓生育期識(shí)別方法主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器視覺的識(shí)別方法來自動(dòng)識(shí)別草莓生育期、吐水情況、果實(shí)和花朵，為草莓智慧管控提供決策依據(jù)。視覺識(shí)別模型提取的信息包括生育期、吐水、果實(shí)和花朵等信息。視覺分析模型的構(gòu)建主要包括采集樣本圖片、樣本增強(qiáng)、樣本標(biāo)注、模型訓(xùn)練、視覺模型應(yīng)用5 部分。草莓生育期被分為5 個(gè)時(shí)期，即營養(yǎng)生長期、開花期、果實(shí)膨大期1、果實(shí)膨大期2、成熟期。

該模型采用基于多特征融合的草莓生長狀態(tài)識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)草莓生育期和吐水情況的識(shí)別。該算法采用YOLO-V4 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，然后對(duì)于不同尺度特征再進(jìn)行加深提取，最后將各特征采樣至原圖大小進(jìn)行特征融合[7-9]?；赮OLO-V4 的草莓生長狀態(tài)識(shí)別算法示意圖如圖2 所示，草莓關(guān)鍵特征識(shí)別效果如圖3 所示。

基于知識(shí)推理草莓智慧管控決策方法

知識(shí)圖譜通常建立在大量的歷史數(shù)據(jù)和圖片之上，將所有數(shù)據(jù)鏈接在一起。知識(shí)圖譜可以將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)化，幫助重構(gòu)一種可選擇、可分類、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，使計(jì)算機(jī)和人類都能讀懂知識(shí)。

基于知識(shí)圖譜結(jié)構(gòu)的推理方法包括標(biāo)準(zhǔn)化管理策略和優(yōu)化調(diào)整策略兩個(gè)部分，即在標(biāo)準(zhǔn)化管理策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)時(shí)反饋結(jié)果調(diào)整優(yōu)化管理策略（圖4）。標(biāo)準(zhǔn)管理策略表是基礎(chǔ)設(shè)置，是滿足作物生長的基本需求。優(yōu)化調(diào)整管理策略表是決策系統(tǒng)根據(jù)反饋的作物狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整的策略。

將知識(shí)圖譜的知識(shí)推理方法應(yīng)用到草莓種植管理中，首先要將影響草莓生長和種植經(jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行融合分析，將相關(guān)知識(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立標(biāo)準(zhǔn)化的草莓種植知識(shí)結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)搜集大量專家的草莓種植經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建草莓種植專家知識(shí)庫；采用基于Neo4j 與Python 的方法構(gòu)建知識(shí)圖譜，構(gòu)建草莓種植智慧管控系統(tǒng)。圖5 是構(gòu)建的知識(shí)圖譜的一部分。

知識(shí)推理過程中需要采集的數(shù)據(jù)包括天氣、植株高度、吐水情況、莖粗、空氣溫度、太陽輻射、空氣濕度。天氣情況根據(jù)當(dāng)天天氣預(yù)報(bào)得到；植株吐水情況根據(jù)視覺識(shí)別得到；植株高度和莖粗由生產(chǎn)輔助管理人員策略得到；實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)空氣溫度、太陽輻射、空氣濕度由現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器測(cè)量得到[3-6]。

草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)

基于草莓智慧管控決策方法的科技成果，開發(fā)了草莓智慧管控云托管服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了草莓智慧管控過程中灌溉、施肥、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)分析和設(shè)備巡檢的全托管服務(wù)，云平臺(tái)基礎(chǔ)功能主要包括云組態(tài)、數(shù)據(jù)分析、知識(shí)推理系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、模型系統(tǒng)和知識(shí)庫等模塊，輔助可選功能包括水肥一體化智慧管控系統(tǒng)、草莓生產(chǎn)檔案管理、草莓品控溯源系統(tǒng)等，系統(tǒng)總體框架如圖6 所示。

圖4 基于知識(shí)推理草莓智慧管控決策方法

圖5 灌溉知識(shí)圖譜構(gòu)建

圖6 系統(tǒng)總體框架圖

試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇云南省昆明市富民縣國家高原云果產(chǎn)業(yè)園，如圖7 所示。試驗(yàn)品種是‘章姬’草莓，‘章姬’為日本品種，果實(shí)長圓錐形，鮮紅美觀，果型端正整齊。一級(jí)花序果平均果重35 g，最大果重50 g，可溶性固形物含量為9%～14%。

栽培方式為高架基質(zhì)栽培，與傳統(tǒng)的土壤栽培相比，草莓高架栽培可以避免彎腰作業(yè)，極大降低草莓生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免土壤連作障礙，使得果實(shí)清潔衛(wèi)生、著色均勻。在草莓生產(chǎn)人員老齡化加劇和農(nóng)產(chǎn)品安全問題日益嚴(yán)峻的時(shí)代背景下，草莓高架栽培的技術(shù)優(yōu)勢(shì)越來越凸顯。通過水肥一體化施肥機(jī)和滴灌系統(tǒng)對(duì)植株提供水肥營養(yǎng)液，按照營養(yǎng)液配方（質(zhì)量比N:P:K:Ca:Mg:Fe:Mn:Cu:Zn:B:Mo=100:25:125:80:24:2.5:0.5:0.02:0.05:0.5:0.01）配制母液。

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)溫室位于云南省昆明市富民縣（東經(jīng)102°21'～102°47'，北 緯25°08'～25°36'），平 均海拔1679 m，氣候溫和，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，干濕季分明。年平均氣溫15.8℃，春季平均氣溫17.5℃，夏季20.9℃，秋季15.8℃，冬季9.1℃，如圖8 所示。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

將草莓智慧管控云服務(wù)托管系統(tǒng)應(yīng)用到生產(chǎn)中，經(jīng)過4 個(gè)月的驗(yàn)證測(cè)試，草莓植株生長良好，如圖9 草莓生長效果。

隨機(jī)選取80 株草莓測(cè)量產(chǎn)量，于2020 年9 月10 日開始第一次測(cè)產(chǎn)，果實(shí)完全成熟后即采收，11 月30 日為最后一次測(cè)產(chǎn)。單果重10 g 以上，果型周正，無病蟲害，具有商品價(jià)值的果實(shí)按照重量分為A 級(jí)果（30 g 以上）、B 級(jí)果（20～30 g）、C 級(jí)果（15～20 g）、D 級(jí)果（10～15 g）。根據(jù)最后的測(cè)產(chǎn)結(jié)果，試驗(yàn)基于知識(shí)推理的決策方法使得草莓產(chǎn)量達(dá)到8456.1 g，約105.7 g/ 株。定植后產(chǎn)量分布如圖10 所示，表1 為果實(shí)產(chǎn)出分布。

圖8 試驗(yàn)溫室所在地月空氣溫濕度（2019 年7～11 月）

圖9 草莓生長效果

圖10 定植后產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

表1 果實(shí)產(chǎn)出分布

結(jié)論

該試驗(yàn)建立了草莓智慧管控云端的托管系統(tǒng)，提出了采用托管服務(wù)的方式解決單棟塑料大棚草莓種植管理問題，實(shí)現(xiàn)了溫室草莓種植日常管理的托管式服務(wù)。其中構(gòu)建的基于機(jī)器視覺的草莓生長狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，解決了草莓生長狀態(tài)識(shí)別和辨認(rèn)完全依靠種植者經(jīng)驗(yàn)的問題，并首次提出基于知識(shí)圖譜的設(shè)施草莓智慧管控決策方法，該方法的標(biāo)準(zhǔn)化知識(shí)庫隨著知識(shí)的積累和數(shù)據(jù)的增加，決策方法會(huì)更加精準(zhǔn)。云服務(wù)系統(tǒng)形成草莓種植管理“智慧在云，智能在端”的管控方式，托管服務(wù)模式可以有效地改變農(nóng)民的生產(chǎn)理念，由過去的單純追求產(chǎn)量向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，并使項(xiàng)目區(qū)農(nóng)民掌握信息化、智能化、裝備化的管理技術(shù)，對(duì)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)具有重要的促進(jìn)作用，形成完善、可借鑒的草莓智慧化管控模式，為中國草莓智慧種植探索開創(chuàng)新的局面。