草地資源調(diào)查與智能分析系統(tǒng)簡介

張勇輝，馮琦勝，梁天剛，高新華，黃曉東，孫德偉，吳安東

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 / 草種創(chuàng)新與草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730020）

草地是一種空間分布廣闊的重要陸地生態(tài)系統(tǒng)。全球草地面積有35 億hm2，大約覆蓋26%的陸地面積[1]。據(jù)我國第一次草地資源調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，全國擁有各類天然和改良草地接近4 億 hm2，占國土總面積的41.7%，僅次于澳大利亞，位居世界第二位[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)具有提供畜牧業(yè)和植物資源產(chǎn)品、氣候調(diào)節(jié)、土壤碳積累、截留降水、侵蝕控制、廢棄物降解、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等功能[3]，在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面具有重要作用[4]。開展草地資源調(diào)查與監(jiān)測是動態(tài)掌握全國草地資源狀況、科學(xué)制定草原保護(hù)和建設(shè)決策、推進(jìn)草原生態(tài)文明建設(shè)、促進(jìn)草原合理利用的重要前提[5]。

傳統(tǒng)草地資源調(diào)查方法通常是相關(guān)專家與外業(yè)調(diào)查人員利用手持GPS (global position system)、數(shù)碼相機(jī)、樣方框以及記錄本等工具在野外現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)，然后內(nèi)業(yè)工作人員將野外記錄、GPS 數(shù)據(jù)、數(shù)碼照片等進(jìn)行文檔電子化、數(shù)據(jù)空間連接、統(tǒng)計(jì)匯總、空間制圖等，最后分析和評價(jià)區(qū)域草地資源的空間格局和時(shí)間動態(tài)[6]。隨著草地資源調(diào)查工作逐步走向信息化、專業(yè)化，傳統(tǒng)的草地資源調(diào)查方法已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前的工作需求，主要表現(xiàn)在調(diào)查流程繁瑣、工作效率較低、多人協(xié)同性較差、內(nèi)外業(yè)分離等方面，草地資源調(diào)查迫切需要新的技術(shù)手段[7]。

近年來隨著智能移動終端設(shè)備的快速發(fā)展，為智能識別等專業(yè)應(yīng)用軟件的普及和科研實(shí)踐提供了硬件支撐[7]，并在林地資源調(diào)查[8]、地質(zhì)災(zāi)害信息[9]和土地利用變化[10]信息無紙化采集等方面得到成功應(yīng)用。在草地資源調(diào)查方面，陳祖剛等[11]基于實(shí)地拍照實(shí)現(xiàn)了野外草地蓋度的自動測量。胡云鋒等[7]設(shè)計(jì)開發(fā)的草地資源信息協(xié)同采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了草地資源調(diào)查信息采集、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)同步等功能。現(xiàn)有草地資源調(diào)查相關(guān)系統(tǒng)雖然已基本實(shí)現(xiàn)多源信息無紙化采集的匯總以及部分信息的自動獲取等功能，但與草地資源相關(guān)的很多專題信息仍然需要專業(yè)人員辨識和錄入，智能化和自動化程度較低，缺乏一套完整的草地資源外業(yè)調(diào)查監(jiān)測的數(shù)字化與智能化分析平臺。

目前我國大量草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)分散保存在不同的科研和技術(shù)推廣單位。由于思想觀念和相關(guān)制度等的影響，大多未能實(shí)現(xiàn)共享，造成草地資源信息流通與反饋受阻，草業(yè)領(lǐng)域的研究成果難以充分應(yīng)用，嚴(yán)重阻礙了我國草業(yè)科學(xué)在信息化及智能化領(lǐng)域的健康發(fā)展，限制了草地資源信息的高效共享。草地資源外業(yè)調(diào)查監(jiān)測資料包括文本、數(shù)據(jù)、視頻、圖像等多種類型的數(shù)據(jù)，是開展草地生產(chǎn)力評估、草畜動態(tài)平衡分析、草地生態(tài)健康與退化狀況評價(jià)等研究的基礎(chǔ)。數(shù)字化及智能化調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)是草業(yè)科學(xué)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)智慧化管理的重要環(huán)節(jié)。在草地資源信息管理、草原發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、草地資源的合理利用和評價(jià)等方面，迫切需要建立草地資源調(diào)查監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析平臺[12]，這對推動我國草地資源外業(yè)調(diào)查監(jiān)測的數(shù)字化與智能化發(fā)展，以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息資源的深度挖掘和共享服務(wù)具有重要作用。鑒于此，草地遙感與地理信息系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)代人工智能、數(shù)據(jù)庫及移動通信等技術(shù)開發(fā)出一套草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用國內(nèi)云計(jì)算領(lǐng)先企業(yè)阿里云的云資源建設(shè)，可根據(jù)峰值訪問情況動態(tài)調(diào)配硬件資源。主要包括Web 端的草地資源監(jiān)測與智能分析系統(tǒng)和移動端的“草伴侶”App 兩部分。其中，草地外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的采集由移動端App 實(shí)現(xiàn)，調(diào)查數(shù)據(jù)的管理與分析通過Web 端實(shí)現(xiàn)。草地資源數(shù)據(jù)采集共享平臺是該系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)功能模塊。該模塊包括用戶管理、外業(yè)調(diào)查、地圖數(shù)據(jù)展示、知識庫等。模塊支持Web 端和移動端App 訪問，根據(jù)終端特性和業(yè)務(wù)側(cè)重點(diǎn)不同，功能會有所不同。數(shù)據(jù)備份模塊是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，基于人工智能技術(shù)的草地植被及牧草植物智能識別與分析模塊是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化和自動化的關(guān)鍵模塊(圖1)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Figure 1 System design

1.1 草地類型及牧草植物物種快速識別與智能分析

引入人工智能技術(shù)開展草地調(diào)查工作，主要負(fù)責(zé)圖像識別和智能分析計(jì)算等任務(wù)。包括草地類型診斷、牧草植物物種識別、草地蓋度分析、草地生物量估算、植物多度與頻度智能分析等功能。

草地類型與牧草植物物種的智能識別。基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural networks, CNN)技術(shù)，對草地類型或牧草植物進(jìn)行簡單地拍照或提供圖片即可快速準(zhǔn)確地提供識別結(jié)果，供相關(guān)草地工作者對草地類型進(jìn)行識別辨認(rèn)，方便外業(yè)工作。并集成在草地調(diào)查與智能分析系統(tǒng)平臺中提供自動化識別服務(wù)。

草地關(guān)鍵生物物理指標(biāo)的智能分析?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對無人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV) (如DJI 系列UAV 等)、傳統(tǒng)相機(jī)、智能手機(jī)和Pad 等移動設(shè)備拍攝的樣地或樣方正射圖像進(jìn)行蓋度評估、植物多度與頻度分析以及生物量的實(shí)時(shí)計(jì)算。對無法通過單一手段獲取的數(shù)據(jù)(如草高等)，可采用人工等輔助手段進(jìn)行必要的補(bǔ)充。根據(jù)草地資源調(diào)查實(shí)際需要，上述智能識別與分析算法支持在沒有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下離線運(yùn)行，并實(shí)時(shí)保存在移動端設(shè)備，在有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下動態(tài)上傳至服務(wù)器端。

1.2 草地外業(yè)調(diào)查App

草地外業(yè)調(diào)查App“草伴侶”是實(shí)現(xiàn)草地資源地面調(diào)查全流程數(shù)字化與智能化作業(yè)的工具軟件，提供用戶注冊登錄、調(diào)查作業(yè)管理、樣地和樣方管理、調(diào)查數(shù)據(jù)錄入、智能識別、智能分析以及調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和展示等功能。

2 系統(tǒng)功能

2.1 主要功能

在使用該系統(tǒng)平臺前，用戶可通過電腦瀏覽器進(jìn)入“草地資源監(jiān)測與智能分析系統(tǒng)”平臺(訪問網(wǎng)址：https://herbs.aiplants.cn/)。使用手機(jī)號注冊賬戶，并提交系統(tǒng)由管理員分配外業(yè)調(diào)查權(quán)限。完成注冊后登錄進(jìn)入平臺首頁，獲取“草伴侶”App 安裝包。安裝完成后可使用該系統(tǒng)?？傮w上，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下4 個(gè)方面的重要功能：

調(diào)查任務(wù)規(guī)劃與分解。草地外業(yè)調(diào)查的任務(wù)規(guī)劃與分解主要在Web 端實(shí)現(xiàn)。外業(yè)調(diào)查項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可對需要調(diào)查的區(qū)域以項(xiàng)目的調(diào)查方式進(jìn)行管理，具體包括對項(xiàng)目的創(chuàng)建、修改、刪除、查詢以及對調(diào)查樣地、樣方的創(chuàng)建等操作，使調(diào)查工作數(shù)量化，以方便基于基礎(chǔ)地理地圖的樣地、樣方定位和規(guī)劃管理。根據(jù)調(diào)查工作的量化數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)人可指定樣地、樣方的調(diào)查人員或小組，形成任務(wù)列表；同時(shí)，為方便草地資源調(diào)查、加強(qiáng)信息管理、共享與利用，系統(tǒng)根據(jù)不同調(diào)查需求，預(yù)置了多種樣地、樣方模板供用戶選擇。

圖像采集與智能分析。通過系統(tǒng)平臺或移動端設(shè)備，可基于用戶拍攝或上傳的圖片，進(jìn)行草地類型、牧草植物種類的快速判識，實(shí)時(shí)提供識別結(jié)果。同樣，系統(tǒng)可通過拍照或上傳圖片的方式提供準(zhǔn)確的草地蓋度、植物多度與頻度、草地生物量等關(guān)鍵生物物理指標(biāo)的智能分析結(jié)果，輔助相關(guān)科研工作者進(jìn)行外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。Web 端可利用簡易無人機(jī)、手機(jī)或相機(jī)拍攝的圖片完成草地類型、牧草植物的識別以及草地生物量的估算、草地蓋度的分析、草地植物多度與頻度等信息的快速計(jì)算。

專業(yè)數(shù)據(jù)錄入及動態(tài)傳輸。外業(yè)調(diào)查人員可利用“草伴侶”App 快速記錄樣地、樣方的景觀、海拔、經(jīng)緯度、地貌、土壤、植被等信息，其中大部分信息在填寫時(shí)使用選項(xiàng)的方式獲取文本、數(shù)值信息，避免用戶鍵入大量文字。系統(tǒng)可調(diào)用內(nèi)嵌的人工智能模塊進(jìn)行樣方蓋度估算與植物種類的智能識別，輔助外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的錄入，并可通過移動設(shè)備位置定位功能對樣地經(jīng)度、緯度、太陽高度角等基本信息自動計(jì)算與錄入，提高外業(yè)調(diào)查的工作效率。同時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸。外業(yè)調(diào)查人員使用“草伴侶”App 采集的信息可快速同步至Web 端，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)同一外業(yè)調(diào)查團(tuán)隊(duì)成員之間的多人協(xié)同作業(yè)和數(shù)據(jù)共享。若遇到某些調(diào)查區(qū)域沒有網(wǎng)絡(luò)的情況，“草伴侶”App 可將數(shù)據(jù)保存在移動設(shè)備中，等待設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)后完成數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)庫自動構(gòu)建與數(shù)據(jù)處理分析。外業(yè)調(diào)查團(tuán)隊(duì)采集的調(diào)查數(shù)據(jù)完成同步后，系統(tǒng)可自動匯總數(shù)據(jù)、構(gòu)建調(diào)查項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫并完成數(shù)據(jù)的處理與分析，最終以圖表的形式展示。同時(shí)，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還能以Excel 文件格式導(dǎo)出，導(dǎo)出字段包括：樣地?cái)?shù)據(jù)匯總、樣方數(shù)據(jù)匯總、物種信息匯總，以及景觀照片、樣方照片和植物照片匯總等。

通過以上主要功能，可以實(shí)現(xiàn)草地資源外業(yè)調(diào)查的全流程數(shù)字化作業(yè)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析。圖2 是利用該系統(tǒng)平臺開展草地資源外業(yè)調(diào)查的流程圖。

圖2 外業(yè)調(diào)查流程圖Figure 2 Flow chart of the field survey

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型的草地類型診斷和草地植物識別

隨著算法的提升和圖形處理單元(graphics processing unit, GPU)計(jì)算能力的發(fā)展以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不斷豐富，使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)對于圖像的識別準(zhǔn)確度大幅提升，這一技術(shù)目前已經(jīng)成為主流的圖像識別方法[13-17]。與傳統(tǒng)的圖像識別方法相比，基于CNN 的圖像識別不需要對目標(biāo)圖像進(jìn)行特征的人工描述和提取，而是按照某種分類模型通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自主地從訓(xùn)練樣本中學(xué)習(xí)特征，并且這些特征與分類器關(guān)系緊密，可以很好地解決人工提取特征和分類器選擇的問題，從而實(shí)現(xiàn)了分類識別問題真正的智能化。因此，該系統(tǒng)平臺基于CNN 的分類模型，根據(jù)草地類型、草地植物知識庫和圖像庫，可以實(shí)現(xiàn)對照片的快速識別分析，反饋結(jié)果可以輔助相關(guān)草地工作者對草地類型和植物種類(圖3)進(jìn)行辨識。

圖3 草地類型診斷和草地植物識別Figure 3 Grass-type diagnosis and grassland species recognition

3.2 基于CNN 分割模型的草地蓋度計(jì)算

圖像分割與圖像識別有很大的不同，圖像識別任務(wù)是依據(jù)圖像包含的目標(biāo)將圖像準(zhǔn)確地歸于某一類，不需要標(biāo)注出圖像中的目標(biāo)位置，而圖像分割任務(wù)主要是把圖像中的目標(biāo)、背景等不同區(qū)域位置準(zhǔn)確的標(biāo)注出來[18]。CNN 同樣被廣泛地用于圖像分割，通過某種分割算法利用其多層結(jié)構(gòu)在大量樣本中自動提取出圖像不同層次的、具有區(qū)別性的特征，這些特征與人工設(shè)計(jì)并提取的底層特征相比更具有效性和魯棒性。因此，該系統(tǒng)平臺基于CNN的分割模型可以通過拍照或圖片對草地蓋度提供準(zhǔn)確的分析，輔助相關(guān)草地工作者對草地蓋度進(jìn)行自動化計(jì)算、錄入和統(tǒng)計(jì)(圖4)。

圖4 草地蓋度分析Figure 4 Grassland coverage analysis

3.3 基于高度和蓋度的草地地上生物量估算

目前草地生物量的研究方法主要為直接收獲法，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還容易破壞脆弱的草地生態(tài)系統(tǒng)，并且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測。而利用草地植被群落中容易測定的變量及其同地上生物量的相關(guān)關(guān)系建立回歸模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對草地地上生物量快速、準(zhǔn)確且無破壞的估算。該系統(tǒng)采用基于植被蓋度和高度構(gòu)建的反演模型，可以快速估算草地的地上生物量[19]。為了提高草地地上生物量的反演精度，針對我國不同區(qū)域草地的特點(diǎn)，該系統(tǒng)提供了不同分區(qū)的草地地上生物量反演模型(圖5)。

4 討論

草地資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖象識別和圖像分割、數(shù)據(jù)庫及移動通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了草地資源外業(yè)調(diào)查的數(shù)字化作業(yè)和相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析。與傳統(tǒng)的人工外業(yè)調(diào)查相比，該系統(tǒng)在Web 端能夠?qū)崿F(xiàn)草地外業(yè)調(diào)查的任務(wù)規(guī)劃與分解，在 “草伴侶”App 端提供實(shí)時(shí)AI 輔助分析功能，解決了外業(yè)流程繁瑣、多人協(xié)同性差、內(nèi)外業(yè)分離，以及數(shù)據(jù)共享難的問題，從而顯著提高外業(yè)調(diào)查的工作效率，減少內(nèi)業(yè)工作量。該系統(tǒng)的推廣使用能推動草原外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的廣泛交流、深度挖掘和應(yīng)用，可為大范圍的草地資源調(diào)查提供基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐。

為了更好地評價(jià)該系統(tǒng)的應(yīng)用性能，對比現(xiàn)有的外業(yè)調(diào)查與記錄軟件和系統(tǒng)功能，包括由中國科學(xué)院昆明植物研究所開發(fā)的“生命觀察”App(Biotracks)、無錫維樂彩智科技有限公司開發(fā)的田野調(diào)查數(shù)據(jù)采集軟件數(shù)圖，及由北京青遠(yuǎn)生態(tài)環(huán)境有限公司研發(fā)的“北極花”生物調(diào)查App。上述軟件或系統(tǒng)均有較為完善的圖像識別、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析等功能，然而對于草原區(qū)域的外業(yè)調(diào)查而言，草地資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)因其具有大量天然草地植物圖像數(shù)據(jù)庫而更具優(yōu)勢?；谏疃葘W(xué)習(xí)的圖像處理相關(guān)模型通常需要大量數(shù)據(jù)來進(jìn)行訓(xùn)練以保證模型的識別精度。該系統(tǒng)主要用戶群為草原工作者，系統(tǒng)會在用戶使用的過程中收集所上傳的圖片對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)充，定期對模型進(jìn)行優(yōu)化以提高識別和分析的精度，同時(shí)避免模型的過擬合，以提供更準(zhǔn)確智能分析。同時(shí)，該系統(tǒng)的智能分析模塊除了植物圖像識別外還設(shè)計(jì)了更多與草業(yè)相關(guān)的分析，如草地類型識別、草地蓋度分析、草地生物量估算等對于草原調(diào)查更具針對性的功能。此外，該系統(tǒng)在規(guī)劃調(diào)查任務(wù)階段還提供了較多適合草原外業(yè)調(diào)查的模板，用戶也可以根據(jù)需求自由設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查流程，相較于上述對比的軟件而言具有更高的自由度。

然而該系統(tǒng)也具有局限性，相比于“生命觀察”和“北極花”App 中較為完善的離線記錄功能，“草伴侶”在外業(yè)調(diào)查過程中不支持在用戶離線狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，因此該軟件的使用范圍受到一定的限制。在未來的系統(tǒng)優(yōu)化中，將考慮加入離線記錄的功能，通過提供分區(qū)域的離線地圖包使用戶在沒有信號的區(qū)域也能夠記錄經(jīng)緯度等相關(guān)數(shù)據(jù)，使軟件的適用范圍更廣，進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的實(shí)用性。

5 結(jié)論

本文介紹的草地資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)草地資源外業(yè)調(diào)查的全流程數(shù)字化作業(yè)和相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析，可為大范圍的草地資源調(diào)查提供基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐，以推進(jìn)我國數(shù)字草業(yè)及智慧草業(yè)的發(fā)展。