中藥材空-天-地立體監(jiān)測平臺的頂層設(shè)計與應(yīng)用

劉金艷 曹柏松 唐芙蓉

關(guān)鍵詞：中藥材種植；立體監(jiān)測；遙感衛(wèi)星；無人機(jī)；地面?zhèn)鞲衅鹘M

0引言

中藥材認(rèn)可度在國內(nèi)外的日益增加，人們對于中藥材的需求也隨之升高。中藥材的生長環(huán)境對其質(zhì)量和功效有著重要影響，因此對中藥材生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測具有重要意義。國家高度重視中醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展，對于中藥種植行業(yè)也有相關(guān)政策指導(dǎo)，提到要規(guī)范中藥材種植，促進(jìn)中藥材行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。而中藥材的質(zhì)量也影響著人民的身體健康。但傳統(tǒng)的監(jiān)測方法面臨無法及時獲得全面信息、數(shù)據(jù)采集成本高、環(huán)境要求較高等問題。中藥材空-天-地立體監(jiān)測平臺，能夠完成對中藥材種植過程中的監(jiān)測，實現(xiàn)實時、全面、遠(yuǎn)程監(jiān)測中藥材生長環(huán)境，幫助藥農(nóng)規(guī)范化種植、保證中藥材質(zhì)量、提高種植效率，促進(jìn)中藥材種植生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。立體監(jiān)測平臺能夠響應(yīng)國家政策，滿足人民需求。因此，中藥材空-天-地立體監(jiān)測平臺的頂層設(shè)計與應(yīng)用具有重要應(yīng)用價值。

關(guān)于中藥材種植方面，宋善敏等人[1]分析了在遙感技術(shù)的支持下在貴州中藥材種植的發(fā)展前景；史婷婷等人[2]則是以海南白沙黎族自治縣細(xì)水鄉(xiāng)為研究地，提出了對無人機(jī)在裸花紫珠的監(jiān)測的研究；景志賢等人[3]探討了無人機(jī)在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用；Brovkina等人[4]采用無人機(jī)監(jiān)測成功應(yīng)用于云杉和銀杉的分離，用來鑒定樹木類別；Tetila等人[5]在大豆種植區(qū)，利用圖像來跟蹤大豆葉面病害。隨著中藥材在國際上認(rèn)可度逐漸提升，需求量也在慢慢提高，因此立體監(jiān)測中藥材種植的設(shè)計與應(yīng)用有著較大發(fā)展?jié)摿椭匾?。中醫(yī)藥是中國傳統(tǒng)文化的體現(xiàn)之一，通過立體監(jiān)測中藥材種植的設(shè)計與應(yīng)用，可以提高進(jìn)一步提高中醫(yī)藥的國際競爭力。

1中藥材空-天-地立體監(jiān)測的頂層設(shè)計

通過對立體監(jiān)測平臺整體的框架設(shè)計，中藥材空-天-地立體監(jiān)測平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對藥田的全面監(jiān)測，進(jìn)行整體分析，整體框架設(shè)計圖如圖1所示，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和反饋層。

中藥材空-天-地立體監(jiān)測的頂層設(shè)計中，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計原則應(yīng)當(dāng)包含統(tǒng)一性原則、模塊化設(shè)計、分層次設(shè)計和穩(wěn)定性四個方面的內(nèi)容，確保系統(tǒng)在不同空間和時間尺度上進(jìn)行監(jiān)測時能夠統(tǒng)一管理和操作，讓系統(tǒng)更加清晰、合理。

2系統(tǒng)功能分析

中藥材空-天-地立體監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求主要包含藥田監(jiān)測、中藥材生長狀態(tài)監(jiān)測、中藥材品質(zhì)評估、病蟲害預(yù)警、監(jiān)測數(shù)據(jù)集成與分析和立體監(jiān)測平臺構(gòu)建，為中藥材的種植提供全面數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而實現(xiàn)中藥材的增產(chǎn)降本，推動中藥材產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3空-天-地立體監(jiān)測平臺的關(guān)鍵技術(shù)

基于無人機(jī)遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)，以遙感衛(wèi)星、5G無人機(jī)和地面?zhèn)鞲衅鹘M為核心，集精準(zhǔn)化、實時化和智能化為一體，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和中醫(yī)藥現(xiàn)代技術(shù)相融合，建立空-天-地立體監(jiān)測平臺，為傳統(tǒng)中醫(yī)藥種植賦能，提供精準(zhǔn)化種植和可視化管理，以擴(kuò)大中藥材產(chǎn)量、提高中藥材質(zhì)量，進(jìn)而充分發(fā)揮信息化對鄉(xiāng)村振興的驅(qū)動作用，提升農(nóng)村現(xiàn)代化水平。

中藥材空-天-地立體監(jiān)測的頂層設(shè)計主要是為了實現(xiàn)對中藥材種植過程的全面監(jiān)測，通過對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析[6]。立體監(jiān)測平臺的構(gòu)成如圖2所示。

3.1遙感在中藥材空-天-地立體監(jiān)測中的應(yīng)用

旱情是中藥材種植的重要影響因素，在缺乏充足水分下中藥材難以實現(xiàn)健康、正常生長，而監(jiān)測干旱情況也是遙感技術(shù)的一種重要應(yīng)用。因此中藥材種植可以借助遙感衛(wèi)星，對藥田進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合算法庫，利用微波遙感技術(shù)實現(xiàn)對藥田土壤的含水量進(jìn)行全方位的監(jiān)測，能夠獲得較好的精準(zhǔn)度。評估藥田環(huán)境的旱情對于中藥材的種植十分重要，但需要將具體中藥材生長的水分需求與旱情結(jié)合分析[7]。利用遙感技術(shù)進(jìn)行旱情監(jiān)測時，可以針對不同區(qū)域的旱情進(jìn)行反饋，進(jìn)而完成對土壤水分狀況的評估，分析中藥材的受旱情況，幫助藥農(nóng)及時為藥田澆水，為中藥材構(gòu)建一個合適的生長環(huán)境，從而提高中藥材的品質(zhì)。

借助遙感衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)對中藥材的長勢監(jiān)測。長勢監(jiān)測分為過程監(jiān)測與實時監(jiān)測[8]，分別是從生長全過程監(jiān)測與階段性對比的監(jiān)測，來對中藥材的長勢進(jìn)行監(jiān)測。一般包含長勢參數(shù)選擇、長勢指標(biāo)構(gòu)建、長勢指標(biāo)標(biāo)定三個方面的監(jiān)測方法。遙感監(jiān)測主要利用反演的作物參數(shù)實現(xiàn)對中藥材長勢的監(jiān)測，如歸一化植被指數(shù)和葉面積指數(shù)。通過監(jiān)測中藥材光譜特征變化，利用可見光波段和近紅外波段的強(qiáng)吸收與強(qiáng)反射光譜特征等敏感波段組合生成的指數(shù)信息，反映中藥材的長勢，以幫助藥農(nóng)及時掌握中藥材的生長狀況，如圖3所示。

將遙感衛(wèi)星與現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）相結(jié)合，對遙感數(shù)據(jù)與藥田詳細(xì)信息進(jìn)行統(tǒng)一分析，建立中藥材種植地的空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對中藥材種植地的精確定位和立體監(jiān)測。

立體監(jiān)測平臺涉及遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸，為了提高檢測效率和準(zhǔn)確性，主要解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式在中藥材種植監(jiān)測中的問題，如傳輸速度慢、數(shù)據(jù)量大等。需要選擇合適的傳輸方式和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以確保數(shù)據(jù)能夠及時傳回。同時還需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，采用相關(guān)加密手段，以確保數(shù)據(jù)能夠安全完整的傳回。

3.2無人機(jī)在中藥材空-天-地立體監(jiān)測中的應(yīng)用

5G結(jié)合無人機(jī)采用不同帶寬部分分頻接入，地面區(qū)域和天空區(qū)域采用不同的BWP資源，減少空地間的干擾，以更好地完成中藥材生長情況及病蟲害的監(jiān)測。通過搭載攝像設(shè)備，對藥田進(jìn)行圖像信息捕捉[9]，利用影像反演得到的中藥材葉面積指數(shù)、葉片生物量等長勢參數(shù)，將獲取到的歸一化植被指數(shù)等信息與藥田的實測數(shù)據(jù)相結(jié)合[10]，將各田塊圖像數(shù)據(jù)整合后，對中藥材生長狀況進(jìn)行對比分析，進(jìn)行藥田指標(biāo)計算與分析，通過中藥材自身散發(fā)的熱量，對中藥材的長勢情況進(jìn)行分析。利用無人機(jī)搭載監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積藥田的監(jiān)控，且無人機(jī)成本較低，可以減少成本投入。

無人機(jī)可以通過目標(biāo)識別、目標(biāo)分割等技術(shù)對藥田內(nèi)的雜草和病蟲害進(jìn)行識別。通過無人機(jī)的高視角，基于可見光與多光譜圖像實現(xiàn)田間雜草的識別，以快速發(fā)現(xiàn)藥田內(nèi)的異常生長情況。無人機(jī)搭載包含藍(lán)、紅、綠近紅外波段的多光譜相機(jī)，獲取高分辨率圖像，利用多層感知器識別中藥材，并將其實時傳回監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)。利用中藥材與雜草中波段的差異信息[11]以及區(qū)域內(nèi)存在的其他物質(zhì)，進(jìn)行分類識別，以便藥農(nóng)可以及時采取措施進(jìn)行防治，為中藥材提供一個良好的生長環(huán)境，進(jìn)而可以提高中藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量，如圖4所示。

立體監(jiān)測平臺無人機(jī)涉及的數(shù)據(jù)傳輸主要解決傳輸數(shù)據(jù)速度慢、傳輸數(shù)據(jù)量大等問題，為了使藥田近地側(cè)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠安全傳回，需要設(shè)計一個穩(wěn)定、安全且高效的傳輸通路，以提高監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性。

3.3傳感器組在中藥材空-天-地立體監(jiān)測中的應(yīng)用

地面?zhèn)鞲衅鹘M可以很好地監(jiān)測遙感衛(wèi)星及無人機(jī)無法監(jiān)測到的土壤信息，同時利用傳感器獲取的信息，將無人機(jī)與遙感衛(wèi)星傳回的反演信息進(jìn)行校正，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

傳感器是實現(xiàn)中藥材空-天-地立體監(jiān)測的關(guān)鍵設(shè)備，傳感器的布置設(shè)計是確保監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、全面地獲取中藥材種植環(huán)境的重要任務(wù)。需要針對中藥材種植的不同特點和需求，選擇不同類型的傳感器。根據(jù)中藥材的生長特點和環(huán)境要求，可以使用土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器等多種類型的傳感器。氣體傳感器能夠通過監(jiān)測空氣中的氧氣、二氧化碳等指標(biāo)，溫濕度傳感器用于監(jiān)測中藥材土壤中的溫度、濕度和土壤pH值變化，實時收集中藥材的生長環(huán)境參數(shù)，使藥農(nóng)能夠?qū)崟r了解中藥材的生長情況，便于及時做出措施，使中藥材生長環(huán)境更適宜。攝像頭傳感器對中藥材的生長狀態(tài)進(jìn)行實時記錄，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，對中藥材的生長情況進(jìn)行評估，提前發(fā)現(xiàn)病害問題，保證中藥材的茁壯生長。葉面溫濕度傳感器用于監(jiān)測中藥材葉面的溫濕度，這實現(xiàn)了對中藥材葉片生長環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測，在某種程度上也能夠達(dá)到預(yù)防病蟲害的目的[12]?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)組建氣象傳感網(wǎng)絡(luò)，完成各節(jié)點數(shù)據(jù)的采集，然后再進(jìn)行匯聚轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)對氣象信息的實時采集。通過將不同類型傳感器的組合，盡可能獲得更加全面的信息，幫助藥農(nóng)進(jìn)一步了解中藥材的生長環(huán)境，如圖5所示。

另外需要對傳感器的位置進(jìn)行合理規(guī)劃。傳感器的位置需要考慮到中藥材生長的特點。同時，傳感器之間應(yīng)避免相互干擾，從而保證不會干擾傳感器的正常工作。傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸和管理需要充分考慮中藥材種植的需求，確保實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性和可靠性。

4結(jié)束語

通過對中藥材的種植過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)種植方式存在許多改進(jìn)和提升空間。本文探討了關(guān)于中藥材空-天-地立體監(jiān)測平臺的頂層設(shè)計。從“空-天-地”三個角度獲取藥田的詳細(xì)數(shù)據(jù)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷中藥材的生長情況，對過程中病蟲害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，實現(xiàn)對藥田的監(jiān)測。通過這個平臺，藥農(nóng)可以實時了解中藥材的生長狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)生長環(huán)境改變時能及時做出相關(guān)措施，保證藥材產(chǎn)量與品質(zhì)。

在未來可以進(jìn)一步完善中藥材空-天-地立體監(jiān)測的頂層設(shè)計，通過探索更多的技術(shù)，結(jié)合相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)硬件提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度。對平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)處理方法和分析方法進(jìn)行優(yōu)化，引入相關(guān)人工智能技術(shù)，實現(xiàn)自動化處理，得出更科學(xué)的種植措施。將中藥材種植與其他領(lǐng)域結(jié)合，跨學(xué)科合作，讓立體監(jiān)測平臺變得更加完善。