柑桔生產(chǎn)數(shù)字技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

王登亮,馬創(chuàng)舉,曹錦萍,吳雪珍,吳 群,劉麗麗,陳 駿,孫建城

(1 浙江省衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院,浙江衢州,324000;2 浙江大學(xué),杭州,310058)

柑桔是我國第一大水果[1]。2021年我國柑桔種植面積和總產(chǎn)量分別達(dá)到293.53×104hm2(4 402.95萬畝)和5 595.61萬t,均居世界第一位[2]。柑桔產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國南方丘陵山區(qū)、農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè),在我國國民經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)扶貧和鄉(xiāng)村振興中占有十分重要的地位[3]。同時,也面臨著產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化不高、科技支撐不足、抗災(zāi)能力不強(qiáng)等問題和挑戰(zhàn),而柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化有利于解決上述問題。

農(nóng)業(yè)數(shù)字化就是利用遙感(remote sensing,RS)、全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等高新技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)有效結(jié)合的新農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。農(nóng)業(yè)數(shù)字化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高階業(yè)態(tài),是我國數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分,也是我國高質(zhì)量推進(jìn)實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有效途徑[4]。數(shù)字農(nóng)業(yè)滲透力強(qiáng)、覆蓋面廣,有強(qiáng)大的市場發(fā)展?jié)摿?當(dāng)前我國數(shù)字農(nóng)業(yè)正蓬勃發(fā)展。我國數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展,以及大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)的興起,為我國柑桔產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高質(zhì)量發(fā)展提供了新的工具和機(jī)遇。通過獲取大量農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行分析,有助于建立更加科學(xué)高效的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯等重要功能[5]。通過智能設(shè)備和數(shù)字技術(shù)搭建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理云平臺,可對農(nóng)作物種植和生長過程產(chǎn)生的污染物濃度和含量進(jìn)行檢測,可為農(nóng)業(yè)綠色、低碳生產(chǎn)提供信息化智能監(jiān)測手段[6]。同時,數(shù)字技術(shù)能在許多方面重塑農(nóng)業(yè),如機(jī)器學(xué)習(xí)和計算機(jī)數(shù)據(jù)科學(xué)等有助于幫助農(nóng)民實(shí)時獲取數(shù)據(jù)和知識,遙感、無人機(jī)和智能設(shè)備等有助于降低勞動力成本和保證作物生長信息獲取的準(zhǔn)確性,物聯(lián)網(wǎng)模塊和應(yīng)用程序能以較低的代價幫助作物生長[7]。

近年來,隨著人們對柑桔數(shù)字化研究的不斷深入,獲取到的柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)不斷豐富和擴(kuò)展,如何將柑桔產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)信息與數(shù)字化結(jié)合起來,進(jìn)行系統(tǒng)分析和展示,為桔農(nóng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的決策是柑桔產(chǎn)業(yè)面臨的難題之一。筆者總結(jié)了柑桔生產(chǎn)數(shù)字化大數(shù)據(jù)來源,分析了柑桔生產(chǎn)數(shù)字化大數(shù)據(jù)獲取方式,并總結(jié)了柑桔生產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用場景,以期助力柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)柑桔產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化來源

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代下,數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)要素與農(nóng)業(yè)的深度融合代表著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向、新趨勢;以農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)要素為驅(qū)動,有助于發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè),提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競爭力,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級[8]。柑桔產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)是柑桔產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)中的可利用數(shù)據(jù)要素資源[9],在柑桔種植生產(chǎn)環(huán)節(jié),相關(guān)大數(shù)據(jù)包括以下方面:

1.1 地理信息數(shù)據(jù)主要包括柑桔果園的經(jīng)緯度、海拔、面積、地形和地貌等,采集方式包括人工測量、衛(wèi)星圖片反演和無人機(jī)采集等。掌握精準(zhǔn)的地理信息數(shù)據(jù)可以為品種布局、精準(zhǔn)施肥、產(chǎn)量估計和產(chǎn)品溯源等提供重要參考和依據(jù)。

1.2 氣象數(shù)據(jù)包括柑桔果園溫度、濕度、光照、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣成分等,可以通過氣象站等渠道獲得。掌握桔園的氣象數(shù)據(jù),可以為農(nóng)事操作、病蟲害防治、自然災(zāi)害應(yīng)對、產(chǎn)量預(yù)測和品質(zhì)預(yù)測等提供支持。

1.3 土壤數(shù)據(jù)包括柑桔果園不同地塊滿足柑桔生長的各類營養(yǎng)元素、對柑桔生長不利的重金屬含量、土壤微生物、土壤性質(zhì)、土壤溫度和土壤濕度等,可以通過分析化驗、傳感器等渠道獲得。掌握桔園的土壤數(shù)據(jù),可以為土壤改良、精準(zhǔn)施肥、預(yù)防柑桔裂果等提供指導(dǎo)。

1.4 種植數(shù)據(jù)即種植生產(chǎn)過程的記錄,包括柑桔的生長數(shù)據(jù)、病蟲害數(shù)據(jù)和農(nóng)事操作等,通常以文本、數(shù)字、圖片和表格混合的形式呈現(xiàn),主要由種植者提供。掌握果園的種植數(shù)據(jù)能夠優(yōu)化果園的種植管理、提升智能裝備使用效率和有助于產(chǎn)品溯源,同時也有利于對種植技術(shù)進(jìn)行總結(jié)、歸納和推廣。

1.5 產(chǎn)量數(shù)據(jù)主要包括產(chǎn)量統(tǒng)計和產(chǎn)量預(yù)測,是柑桔供給側(cè)的核心量化指標(biāo),可以通過國家統(tǒng)計局、地方統(tǒng)計局以及各大企業(yè)單位等渠道獲得。掌握準(zhǔn)確的產(chǎn)量數(shù)據(jù),可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)評估和優(yōu)化,以及優(yōu)化營銷策略,提高銷售收入等。

1.6 化學(xué)投入品數(shù)據(jù)即柑桔上使用的化肥和農(nóng)藥的具體信息,包括但不限于成分構(gòu)成、使用劑量和頻次、單位價格、區(qū)域產(chǎn)能等要素,主要數(shù)據(jù)通過生產(chǎn)企業(yè)獲得,部分?jǐn)?shù)據(jù)也可以由市場監(jiān)測機(jī)構(gòu)通過檢測獲得。掌握化學(xué)投入品數(shù)據(jù),能夠間接掌握柑桔的產(chǎn)量和品質(zhì),也可用于生產(chǎn)層面的決策,更是建設(shè)環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)。

1.7 投資數(shù)據(jù)包括可用于柑桔種植加工的資金規(guī)模、資金來源、資金成本、投資收益以及宏觀產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。柑桔種植和加工是典型的投資行為,此類數(shù)據(jù)要素既包括支撐投資決策所需要的全球、國家和地區(qū)的宏觀經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù),也包括投資所產(chǎn)生的資金總量、資金成本、資金收益等金融指標(biāo)。掌握投資數(shù)據(jù),有利于生產(chǎn)者進(jìn)行經(jīng)營策略優(yōu)化,穩(wěn)定投資收益,規(guī)避市場風(fēng)險。

2 柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的獲取方式

隨著科技的進(jìn)步,通訊技術(shù)和人工智能的不斷突破,柑桔大數(shù)據(jù)的采集方式不斷地發(fā)生變化,傳統(tǒng)人力采集數(shù)據(jù)方式正在被高效簡易的互聯(lián)工具取代。通過遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、圖像識別技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對柑桔產(chǎn)業(yè)從生長到產(chǎn)品銷售全過程監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄。

2.1 遙感技術(shù)遙感技術(shù)主要借助飛機(jī)、衛(wèi)星等遙感平臺以及其他一些相應(yīng)的遙感設(shè)備,在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下,獲取與收集目標(biāo)和環(huán)境等的電磁波信息,然后對收集到的信息進(jìn)行提取、判定、加工處理、分析與應(yīng)用的一門先進(jìn)實(shí)用的綜合探測技術(shù),主要由信息源、信息獲取、信息處理和信息應(yīng)用4個部分構(gòu)成[10],具有大范圍采集數(shù)據(jù)信息、信息獲取速度較快、周期較短、信息采集受限較少、信息獲取手段較多、數(shù)量較大等優(yōu)勢[11]。20世紀(jì)70年代末,我國就已經(jīng)進(jìn)行了農(nóng)業(yè)遙感的初步試用,通過大力開展國際合作與研究,積極探索遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù),我國已經(jīng)成為世界上遙感領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)的國家之一[12]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,遙感技術(shù)主要應(yīng)用于葉綠素含量、葉面積指數(shù)、氮含量、干旱、冷害、病蟲害、耕地面積分布、農(nóng)田設(shè)施基本情況等的監(jiān)測[13-15]。在柑桔產(chǎn)業(yè)中遙感技術(shù)可以獲取地理信息數(shù)據(jù)、種植數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù),主要用于產(chǎn)量的評估、種植面積及空間變化、病蟲害監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)估[16-17]。

2.2 GIS技術(shù)GIS全稱地理信息系統(tǒng),是一個能進(jìn)行有效搜集、儲存、更新、處理、分析和顯示所有形式地理信息的計算機(jī)硬件、軟件、地理數(shù)據(jù)和有關(guān)人員(用戶)的有機(jī)集合[18,19],其主要作用是為人類開展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究、軍事國防、救援搶險等各類社會活動提供信息支持,具有處理信息能力強(qiáng),空間性和動態(tài)性高等優(yōu)點(diǎn)。通過地理研究和地理決策能夠為高層次的生產(chǎn)活動提供決策參考;以電子計算機(jī)為信息處理平臺,對采集的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的處理,能夠為人類活動的高效開展起到促進(jìn)作用[20]。在柑桔的生產(chǎn)過程中,使用GIS技術(shù)可以獲取地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和種植數(shù)據(jù),主要用于種植區(qū)域地理位置、地形地貌、氣候概況、種植情況、土地狀況和病蟲害情況等數(shù)據(jù)的獲取,然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為適宜性的氣候劃分、合理的施肥及高效的病蟲害防治提供幫助[21-23]。

2.3 圖像識別技術(shù)圖像識別技術(shù)起始于20世紀(jì)60年代,是依托人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算平臺,利用攝像系統(tǒng)獲取圖像,再根據(jù)程序算法對圖像本身的各類屬性進(jìn)行提取、分析和處理,并通過后臺大數(shù)據(jù)庫的相關(guān)比對,最后達(dá)到自動識別圖像信息的技術(shù),分為傳統(tǒng)圖像識別技術(shù)和深度學(xué)習(xí)識別圖像技術(shù)[24,25]。圖像識別技術(shù)最大的優(yōu)勢在于客觀地識別物體本身,可以有效地避免信息偽裝,得出的結(jié)論準(zhǔn)確度更高,適用范圍更廣[26]。圖像識別作為農(nóng)業(yè)智能領(lǐng)域的重要組成部分,依次經(jīng)歷了文字識別、數(shù)字圖像處理與識別、物體識別3個階段[27]。隨著科技的進(jìn)步,圖像識別技術(shù)不斷完善,其應(yīng)用已經(jīng)滲透到了農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。在柑桔的種植生產(chǎn)過程中,通過圖像識別技術(shù)可以獲取種植數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù),主要應(yīng)用于成熟果實(shí)、病蟲害、品種、果面品質(zhì)、果實(shí)大小等數(shù)據(jù)的識別及產(chǎn)量的預(yù)估[28-33]。

2.4 自動氣象站自動氣象站是指能按設(shè)定的要求,對溫度、降水、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等多種氣象要素進(jìn)行自動采集、處理、存儲和傳輸?shù)牡孛鏆庀笥^測設(shè)備,通常由供電系統(tǒng)、主控微機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和顯示打印系統(tǒng)等部分組成,具有精度高、穩(wěn)定性好、功耗低和業(yè)務(wù)成本低等優(yōu)勢[34-35]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,自動氣象站主要用于作物生長發(fā)育、土壤水分、溫度和自然物候期的觀測[36],對預(yù)防氣象災(zāi)害、調(diào)整農(nóng)事活動和促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等起到重要作用。通過氣象站可以獲得柑桔生產(chǎn)過程中的氣象數(shù)據(jù),探究氣象要素對柑桔產(chǎn)量、品質(zhì)、病蟲害、凍害等的影響[37-40],進(jìn)一步優(yōu)化柑桔產(chǎn)業(yè)布局與田間管理。

2.5 光譜技術(shù)光譜技術(shù)是依據(jù)分析研究對象內(nèi)部原子、分子等特定結(jié)構(gòu)對電磁波有不同吸收特性的原理,對研究對象成分進(jìn)行定性、定量分析的技術(shù),具有操作簡單、取樣量少、速度快、準(zhǔn)確高等優(yōu)點(diǎn),其中,高光譜技術(shù)和紅外光譜技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[41-42]。近年來,光譜技術(shù)的普及和應(yīng)用越來越廣泛,利用光譜技術(shù)對農(nóng)作物生長、病蟲害等相關(guān)信息進(jìn)行檢測也取得了巨大成就[43-44]。在柑桔的生產(chǎn)過程中,使用高光譜技術(shù)獲取種植數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù),可以對柑桔缺陷、含水率、葉片色素含量等進(jìn)行檢測[45-47],促進(jìn)管理更加科學(xué),也可以對不同產(chǎn)地的柑桔進(jìn)行鑒別,準(zhǔn)確地找到柑桔的產(chǎn)地[48]。

2.6 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是基于激光掃描器、紅外感應(yīng)器、射頻技術(shù)(RFID)等信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議,將物品與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接,以達(dá)到信息交換和通訊的目的,最終完成對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有覆蓋面廣、成本低、安全性強(qiáng)和私密性高等優(yōu)點(diǎn)[49-50]。2009年物聯(lián)網(wǎng)首次在中國出現(xiàn),2012年習(xí)近平總書記在參觀中國農(nóng)業(yè)大學(xué)關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的科研成果后,提出要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中去,經(jīng)過10年的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大田精準(zhǔn)作業(yè)、農(nóng)業(yè)育種信息化、設(shè)施園藝生產(chǎn)、智能視頻監(jiān)管和農(nóng)產(chǎn)品分揀等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍的應(yīng)用[51-52]。在柑桔的生產(chǎn)過程中,通過物聯(lián)網(wǎng)可以獲取投資數(shù)據(jù)、化學(xué)品投入數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)和消費(fèi)者數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù),主要用于市場行情查詢、產(chǎn)銷預(yù)測、質(zhì)量安全追責(zé)、病蟲害識別和生產(chǎn)成本比較等多個方面[53-57]。

3 柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的應(yīng)用

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的提升,利用數(shù)字化平臺規(guī)劃和發(fā)展農(nóng)業(yè),既能提高生產(chǎn)效率,還能夠避免資源的浪費(fèi),這是當(dāng)下農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢。近年來,在柑桔產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中,數(shù)字化已經(jīng)取得顯著成就,大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到水肥一體化、病蟲害防治、量化估產(chǎn)、產(chǎn)品溯源、柑桔標(biāo)準(zhǔn)化等多個場景,為廣大種植戶提供經(jīng)營建議和以數(shù)據(jù)驅(qū)動的管理決策,為消費(fèi)者提供安全、有品質(zhì)的柑桔產(chǎn)品。

3.1 水肥一體化水和肥是決定柑桔生產(chǎn)的兩個重要因子,是柑桔正常生長發(fā)育和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的必要條件。在柑桔的生產(chǎn)過程中,水和肥主要影響柑桔株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積指數(shù)等生長指標(biāo),以及柑桔光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度等生理指標(biāo),也影響柑桔產(chǎn)量和品質(zhì)。通過對地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、種植數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)的獲取,構(gòu)建水肥一體化系統(tǒng),根據(jù)不同作物的生長發(fā)育規(guī)律給予養(yǎng)分和水分,可大大提高水肥的利用效率,降低生產(chǎn)成本。陳建國等[58]通過水肥一體化施肥明顯促進(jìn)了低山丘陵桔園紅美人、春見、雞尾葡萄柚等品種的樹體生長,提高了產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)。張社南等[59]對南豐蜜桔進(jìn)行水肥一體化的試驗發(fā)現(xiàn),水肥一體化技術(shù)能夠降低成本,提高產(chǎn)量和品質(zhì)。陳昱辛等[60]在不知火雜柑上的水肥一體化試驗表明,在柑桔果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期實(shí)行輕度虧水高肥的植株光合能力較強(qiáng),產(chǎn)量穩(wěn)定,水肥利用率更高。黃海洪等[61]利用1994—2015年柑桔物候期與同期氣象條件數(shù)據(jù),構(gòu)建了柑桔不同生育期土壤需水量模型及氣象要素與土壤重量含水率變化的轉(zhuǎn)化算法模型,明確了柑桔水肥一體化滴灌技術(shù)流程,應(yīng)用該流程能夠節(jié)水40%以上。在水肥一體化推廣過程中,存在前期設(shè)計有缺陷,管理和操作者認(rèn)可程度比較低,對設(shè)備操作維護(hù)保養(yǎng)不重視,未持續(xù)對水肥一體化技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和缺乏對水肥管理的長遠(yuǎn)規(guī)劃等問題,阻礙了水肥一體化技術(shù)更廣泛、更深入的發(fā)展[62]。

3.2 病蟲害防治在柑桔種植過程中,需要做好管理工作,其中,病蟲害防治是一項重要內(nèi)容,當(dāng)柑桔發(fā)生病蟲害后,若防治不當(dāng),會很快傳播蔓延,導(dǎo)致果實(shí)減產(chǎn)甚至植株死亡,給果農(nóng)帶來嚴(yán)重?fù)p失。因此,做好柑桔病蟲害的防治工作至關(guān)重要。當(dāng)前柑桔病蟲害的檢測主要通過病理檢驗法和人工檢驗法,不僅效率低,而且成本高,難以滿足生產(chǎn)的需求[63]。近年來,為了克服柑桔病蟲害防治效率低和成本高等難題,柑桔病蟲害防治逐漸趨于數(shù)字化。利用地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和種植數(shù)據(jù),構(gòu)建病蟲害防治體系,能夠?qū)崿F(xiàn)對病蟲害的預(yù)警、遠(yuǎn)程診斷、實(shí)時監(jiān)測和防治方法的獲取,并且降低病蟲害防治成本。熊煥亮等[64]對柑桔始葉螨圖像采用基于骨架的形態(tài)特征提取方法,自動提取柑桔始葉螨的骨架數(shù)學(xué)形態(tài)特征,以此作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入因子,使柑桔始葉螨的識別率大于90%。杜盼等[65]通過利用故障樹分析法計算病蟲害發(fā)生概率和建立病蟲害知識庫等多個環(huán)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)對病蟲害的診斷并獲得具體的防治技術(shù)。范世達(dá)等[66]利用深度學(xué)習(xí)相關(guān)算法構(gòu)建柑桔黃龍病病害識別模型,在柑桔生長過程中進(jìn)行黃龍病在線實(shí)時監(jiān)測與病害遠(yuǎn)程診斷,診斷準(zhǔn)確率達(dá)到77.1%。秦兆華等[67]建立了山地柑桔病蟲繁衍代數(shù)隨空氣溫濕度化的模型,對病蟲害發(fā)生區(qū)域和時間進(jìn)行實(shí)時預(yù)測,能夠及時地預(yù)測病蟲害的發(fā)生。王克健等[68]利用植保無人機(jī)在全年柑桔木虱和潛葉蛾的高發(fā)期進(jìn)行防治,與傳統(tǒng)模式相比,能夠降低生產(chǎn)成本63.3%。需要指出的是,盡管當(dāng)前的病蟲害防治數(shù)字化體系能夠?qū)崿F(xiàn)病蟲害快速識別、柑桔病蟲害爆發(fā)預(yù)警分析和解決方案智能推送,但技術(shù)尚未完全成熟,仍然存在不完善的地方,如在光譜圖像主要成分波長數(shù)量較少的情況下容易出現(xiàn)病蟲害識別的誤判[69]。

3.3 量化估產(chǎn)柑桔產(chǎn)量信息是柑桔生產(chǎn)工作中最重要的信息之一,也是柑桔相關(guān)工作者最關(guān)心的信息。傳統(tǒng)的桔園估產(chǎn)大多采用人工方式進(jìn)行,不僅成本高,耗時長而且準(zhǔn)確度低,難以滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。隨著圖像技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和無人機(jī)等的發(fā)展,利用柑桔地理信息數(shù)據(jù)、化學(xué)投入品數(shù)據(jù)和種植數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)柑桔產(chǎn)業(yè)的量化估產(chǎn)。張銳等[70]對不同時相的柑桔農(nóng)學(xué)參數(shù)與實(shí)測產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析構(gòu)建的復(fù)合回歸模型,對產(chǎn)量的估計具有較高的可靠性。鄒楊慶等[71]構(gòu)建的基于高光譜數(shù)據(jù)和農(nóng)學(xué)參數(shù)的柑桔估產(chǎn)模型,誤差率控制在3%～16%,在柑桔估產(chǎn)上具有可靠性。張小花等[72]用RGB相機(jī)采集桔園果樹圖像轉(zhuǎn)換到Lab顏色空間,對與背景色有差異的柑桔采用“a”分量進(jìn)行區(qū)分,再基于霍夫圓變換法應(yīng)用MATLAB軟件對剔除背景的柑桔進(jìn)行計數(shù),通過該圖像處理方法進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)估的正確率達(dá)96.58%。陳亞勇[73]利用地-空信息融合建立了果實(shí)產(chǎn)量與四周掛果量、果樹半徑的多元多項式估產(chǎn)模型,該模型的綜合準(zhǔn)確率能夠達(dá)到81.7%。對柑桔產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測,可以幫助果農(nóng)準(zhǔn)確地掌握果園的生產(chǎn)情況,指導(dǎo)水果的定價和盡早地對后期的物流運(yùn)輸做出規(guī)劃,能夠有效地規(guī)避風(fēng)險和預(yù)測利潤,同時能夠為政府機(jī)構(gòu)和收購部門制定發(fā)展計劃提供重要依據(jù)[72]。柑桔的實(shí)際產(chǎn)量受光照、水分、土壤肥力、栽植密度和栽培管理技術(shù)等多重因素的影響,構(gòu)建單一模型往往不能準(zhǔn)確地估產(chǎn),須根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際條件對模型進(jìn)行不斷的修正[70]。

3.4 產(chǎn)品溯源在柑桔的生產(chǎn)過程中,種植管理、采摘、采后處理、包裝等多個環(huán)節(jié)均存在安全隱患[74]。為了提高柑桔果品的質(zhì)量,保護(hù)地區(qū)名牌,保護(hù)特色產(chǎn)品,增強(qiáng)消費(fèi)者對食品安全的信心。近年來,許多學(xué)者對柑桔溯源技術(shù)進(jìn)行了探索和嘗試,發(fā)現(xiàn)可以通過地理信息數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、種植數(shù)據(jù)的獲取進(jìn)行產(chǎn)品溯源或者建立溯源碼進(jìn)行產(chǎn)品溯源。彥靜等[75]通過化學(xué)成分和元素指紋進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)可食率和維生素C含量能大致區(qū)分柚產(chǎn)地,再進(jìn)一步對元素進(jìn)行主成分分析能夠直觀、顯著的區(qū)分柚產(chǎn)區(qū)。柏玲芝等[76]構(gòu)建柑桔質(zhì)量安全溯源云平臺,在互聯(lián)網(wǎng)的支持下,消費(fèi)者通過手機(jī)掃描二維碼或者輸入產(chǎn)品ID號,就能根據(jù)需求查詢相關(guān)信息。張金偉等[77]構(gòu)建衢州特產(chǎn)柑桔質(zhì)量安全溯源系統(tǒng),對生產(chǎn)、加工、倉儲、物流、銷售等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵信息進(jìn)行采集,然后生成追溯碼貼在產(chǎn)品上,消費(fèi)者通過掃碼即可完成對商品的溯源。平和縣利用中國移動二維碼溯源系統(tǒng),為蜜柚辦理專屬“身份證”,實(shí)現(xiàn)了從田間地頭到消費(fèi)終端的可追溯[78]。柑桔產(chǎn)品溯源雖然推動了柑桔產(chǎn)業(yè)健康的發(fā)展,但在產(chǎn)品溯源的過程中存在溯源體系搭建復(fù)雜、信息采集不完全、管理技術(shù)不成熟、市場監(jiān)管不足和標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題,與發(fā)達(dá)國家相比收效甚微[79]。

3.5 柑桔標(biāo)準(zhǔn)化在柑桔的生產(chǎn)過程中,柑桔從業(yè)者通過對柑桔種植數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)和消費(fèi)者數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié),形成了各階段的標(biāo)準(zhǔn),用于指導(dǎo)生產(chǎn)和銷售。楊明福等[80]對“春香”雜柑種植階段的建園、整地、育苗和栽植、水肥管理、整形修剪和病蟲害防治等環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié),建立了“春香”標(biāo)準(zhǔn)化栽培技術(shù)管理要點(diǎn)。莊伊美[81]對柑桔進(jìn)行葉片營養(yǎng)診斷研究,為柑桔的營養(yǎng)葉片診斷提供了標(biāo)準(zhǔn)。廖聰學(xué)等[82]對柚類、檸檬、寬皮柑桔和甜橙進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)測量和分析,建立了柑桔采摘技術(shù)規(guī)范。李莉等[83]對甜橙類、寬皮柑桔類、柚類、金柑類等的鮮果等級和規(guī)格進(jìn)行劃分,最終形成了柑桔等級技術(shù)規(guī)格。柑桔標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),不僅可以提高柑桔的管理水平,保證品質(zhì),還能夠增強(qiáng)柑桔產(chǎn)品的市場競爭力,增加果農(nóng)收入。在柑桔標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)過程中,由于國家標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)出口標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,存在重復(fù)規(guī)定、檢測要求不一致等問題,會影響標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施[84]。如:在柑桔出口過程中,針對不同的市場和消費(fèi)者也制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)[85],這不僅需要生產(chǎn)者耗費(fèi)更多的時間去了解各國的出口標(biāo)準(zhǔn),還增加了產(chǎn)品出口的難度和成本。

4 展望

數(shù)字重塑世界,數(shù)據(jù)領(lǐng)跑未來。數(shù)字經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了柑桔數(shù)字化轉(zhuǎn)型,柑桔數(shù)字化轉(zhuǎn)型能有效提高供給體系質(zhì)量和效率,更好地適應(yīng)需求轉(zhuǎn)型升級,形成數(shù)字化再生產(chǎn)共同體[86]。柑桔數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理,降低生產(chǎn)成本,提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和安全,增加農(nóng)民收入,推動柑桔生產(chǎn)方式向精準(zhǔn)化、智能化方向轉(zhuǎn)變,使柑桔生產(chǎn)能夠更好地滿足市場需求[87]。近年來,隨著遙感、互聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展,為柑桔數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)支持,但是隨著柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化研究的不斷深入,柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的研究還要進(jìn)一步完善[88]。如:關(guān)于柑桔數(shù)字化的內(nèi)涵界定尚未形成統(tǒng)一;柑桔數(shù)字化的發(fā)展路徑多停留在理論層面,柑桔數(shù)字化發(fā)展策略實(shí)施后的實(shí)際效果有待進(jìn)一步檢驗;柑桔評價指標(biāo)體系構(gòu)建的原則、層級、維度、指標(biāo)與權(quán)重等方面存在較大差異。

未來,可以從多個方面開展柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的研究,以加快柑桔數(shù)字化的進(jìn)程[87-88]。如:對柑桔數(shù)字化的內(nèi)涵進(jìn)行進(jìn)一步的界定,加強(qiáng)對“數(shù)字柑桔”和“精細(xì)柑桔”兩者概念的本質(zhì)區(qū)別研究;從微觀數(shù)據(jù)著手,對典型地區(qū)的柑桔數(shù)字化發(fā)展模式、政策效率、保障機(jī)制進(jìn)行分類研究,總結(jié)其成功經(jīng)驗,拓展其研究成果;從地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物生理學(xué)、土壤學(xué)等多個學(xué)科視角展開實(shí)證研究,構(gòu)建科學(xué)完善的柑桔數(shù)字化評價指標(biāo)體系;持續(xù)開展高光譜研究,解決柑桔長勢、災(zāi)害等問題,找到柑桔長勢評價和各種災(zāi)害監(jiān)測等需要的波段組合和計算模型;加強(qiáng)專家模型研究,構(gòu)建柑桔數(shù)字化模型。對于柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展,需要制定柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展技術(shù)規(guī)范,在頂層設(shè)計、法律法規(guī)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、人才體系建設(shè)和風(fēng)險防控等各個方面做到統(tǒng)一和完善,整合各柑桔產(chǎn)區(qū)和園區(qū)的數(shù)據(jù),構(gòu)建高效的柑桔產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)(平臺),實(shí)現(xiàn)全國桔園數(shù)據(jù)資源的打通、融合、共享與利用,在指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)警預(yù)測、管理輔助決策等領(lǐng)域切實(shí)發(fā)揮作用。同時,還需深化數(shù)據(jù)要素市場改革,夯實(shí)柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字化研發(fā)基礎(chǔ),培育數(shù)字化新型農(nóng)民,并盡可能多地引導(dǎo)社會資本參與進(jìn)來,促進(jìn)柑桔產(chǎn)業(yè)數(shù)字要素收集的準(zhǔn)確度和廣泛度,從而實(shí)現(xiàn)柑桔產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。