智能傳感模塊在判斷樹木疾病診斷中的應(yīng)用

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器的功能越來越完善，已經(jīng)運(yùn)用到各行各業(yè)。樹木是城市綠色發(fā)展中的重要組成部分，具有改善生態(tài)環(huán)境等多種效能。而不健康的樹木結(jié)構(gòu)會(huì)影響樹木生態(tài)與景觀功能的發(fā)揮，而且還可能威脅人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。及時(shí)調(diào)查、正確評(píng)估園林樹木的健康狀況及其潛在危險(xiǎn)，因樹和因地制宜地采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)管理措施，不僅有助于園林樹木生態(tài)功能的發(fā)揮以及園林植物景觀的可持續(xù)發(fā)展，還可以確保樹木不會(huì)對(duì)居民、設(shè)施與財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

關(guān)鍵詞：智能傳感模塊；樹木疾病；疾病診斷

一些國家已制定明確的制度進(jìn)行定期檢查，美國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部林務(wù)局要求每年都要對(duì)城市樹木的安全性進(jìn)行檢查；新加坡每隔18個(gè)月會(huì)由具有執(zhí)業(yè)資格的園藝師對(duì)城市樹木的健康進(jìn)行徹底檢查[1]。然而對(duì)于樹木疾病的檢測方面，我國的發(fā)展仍處于起步階段，大多數(shù)農(nóng)林、園林、城市綠植工作者仍依賴人工，用眼睛觀察，利用經(jīng)驗(yàn)判斷樹木的健康情況，很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)判斷不準(zhǔn)確、判斷不及時(shí)等問題，因而造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失。本文提出一種利用智能傳感器模塊進(jìn)行樹木疾病診斷的方式，將幾類傳感器綜合運(yùn)用起來，可以更加智能、科學(xué)地判斷樹木的健康情況。

1 現(xiàn)有樹木疾病診斷情況

國外城市樹木的活力診斷有許多方法，包括葉片礦物質(zhì)分析法、維管組織電阻分析法、葉綠素?zé)晒鈾z測法、紅外光照相檢測法及計(jì)算機(jī)x射線斷層攝影檢測法等。然而，大多數(shù)方法僅應(yīng)用于試驗(yàn)中，不能廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中[3]。應(yīng)力波、超聲波檢測和振動(dòng)檢測方法是利用拾取波穿透林木的初至（即首波到時(shí)），解析波場傳播速度或頻譜NIw8+fIljAQJFo/1MmOkKQ==特征變化來確定林木內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征；射線檢測法是測試射線穿透介質(zhì)后場強(qiáng)衰減變化情況，用吸收系數(shù)表征，評(píng)價(jià)木材及木質(zhì)復(fù)合材料的密度、含水率變化以及缺陷等。受樹木結(jié)構(gòu)限制，所布設(shè)的數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)對(duì)探測分辨率及成像效果等都會(huì)有一定影響。

2 智能傳感模塊的選取與介紹

2.1 傳感模塊選取標(biāo)準(zhǔn)

傳感模塊的選取遵循物盡其用原則，根據(jù)診斷需求進(jìn)行選擇。研究表明，樹木疾病與自身所處環(huán)境相互影響，因此在樹木疾病診斷中，需對(duì)樹木周邊環(huán)境進(jìn)行探測，判斷樹木所處環(huán)境溫濕度等環(huán)境指標(biāo)，選取溫濕度傳感模塊；對(duì)于樹木內(nèi)部情況，依據(jù)啄木鳥仿生原理，對(duì)樹木進(jìn)行敲擊，收集其反饋的震動(dòng)數(shù)據(jù)，判斷樹木主干是否有腐蝕情況或中空情況，選擇頻率收集模塊；對(duì)于樹木表面，依據(jù)其枝葉的生長狀況、枝葉繁茂程度及顏色，判斷其是否有枝葉類疾病，選擇圖像采集模塊；綜合采集的數(shù)據(jù)信息，與健康樹木狀況進(jìn)行對(duì)比，判斷其健康情況。

2.2 傳感模塊選取

2.2.1 溫濕度傳感模塊

溫度與濕度是植物生長環(huán)境中最基礎(chǔ)的環(huán)境因素之一，研究表明，植物的疾病會(huì)引起周邊環(huán)境的微量變化。溫濕度傳感模塊也是發(fā)展較為成熟的傳感模塊之一。在溫濕度傳感模塊的選取上，應(yīng)遵循響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、高性價(jià)比的選擇標(biāo)準(zhǔn)，選取DHT11溫濕度傳感器（見圖2）。DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器（見圖3）[5]。DHT11在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，一次傳輸4個(gè)字節(jié)溫濕度值數(shù)據(jù)和1字節(jié)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，其數(shù)據(jù)格式為：1B濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+1B濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+1B溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+1B溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+1B校驗(yàn)[4]。

2.2.2 頻率收集模塊

根據(jù)樹木經(jīng)過敲擊后反饋出的頻率，可以簡單判斷出樹木內(nèi)部的健康情況。通過采集敲擊樹木之后產(chǎn)生的聲音信息，獲得相應(yīng)的頻率特征，進(jìn)行對(duì)樹木內(nèi)部健康狀況的具體判斷。本研究選取max4466麥克風(fēng)對(duì)聲音進(jìn)行采集并放大，通過單片機(jī)adc采集將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在單片機(jī)內(nèi)部，經(jīng)過傅里葉變換（FFT）計(jì)算頻譜值，最后通過oled顯示屏將具體音頻數(shù)值顯示出來。將計(jì)算出的頻譜值與相應(yīng)樹種的健康樹木數(shù)值進(jìn)行比較，從而判斷樹木的內(nèi)部健康狀況。

2.2.3 圖像采集模塊

通過外觀上的檢查、評(píng)價(jià)也能較好地反映樹木的生長狀況，樹木的許多疾病會(huì)在其外觀特征上反映出來，對(duì)其外觀圖像信息進(jìn)行采集是非常必要的。前人常根據(jù)樹木的樹形、樹高、干周、枝葉比、新梢 生長量、葉色、葉面積大小等形態(tài)或外貌情況來判斷樹木的生長勢。這些都是樹木生長發(fā)育的基礎(chǔ)生物學(xué)指標(biāo)，是樹木在每個(gè)生長階段對(duì)自然條件和栽培條件的綜合反映。樹木生長位置、樹干、樹冠損傷狀況、病蟲害狀況等也是檢查樹木健康狀況需要考慮的因素[1]。圖像采集模塊選取Open MV4 H7 R2智能攝像頭搭配MT9V034模組進(jìn)行圖像采集與信息處理（表1）。

2.2.4 綜合信息處理模塊

對(duì)樹木外部、內(nèi)部、周邊環(huán)境等信息進(jìn)行采集之后，綜合的信息處理與對(duì)比是得出最終結(jié)果的必要過程。綜合信息處理的過程包括信息收集與整理、信息對(duì)比與概率判斷、得出結(jié)論。通過對(duì)不同樹木在不同環(huán)境以及不同病情下的環(huán)境信息、內(nèi)部頻率特征以及外部圖像特征進(jìn)行采集整理，得到相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)庫，以便信息采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。綜合環(huán)境信息、內(nèi)部頻率特征以及外部圖像特征的對(duì)比信息，以及計(jì)算得出其相應(yīng)的影響水平，最后可以得出樹木的健康狀況結(jié)論，并且診斷出可能存在的疾病及隱患。

3 樹木健康評(píng)判的影響

3.1 樹木大小對(duì)評(píng)判的影響

樹木在不同樹齡與大小下體現(xiàn)出的對(duì)疾病的抵抗能力有所不同，測量出的數(shù)據(jù)反映其感病狀況的準(zhǔn)確性也大不相同。成年樹木樹冠上部的凌晨水勢最低，其次是樹冠下部，林下幼樹與林窗幼樹的凌晨水勢最高且差異不顯著[2]。另外，不同樹齡以及不同大小的樹木盡心敲擊后所反饋出的聲音及頻率也有細(xì)微差別。因此在利用此方法診斷樹木疾病時(shí)需要優(yōu)先判斷樹木的年齡，進(jìn)行疾病診斷時(shí)應(yīng)根據(jù)樹木年齡的不同與不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的數(shù)據(jù)需處于健康的數(shù)據(jù)庫區(qū)間內(nèi)。

3.2 樹木品種對(duì)評(píng)判的影響

不同樹木品種對(duì)周邊環(huán)境的影響也有所不同，測量的同一溫濕度環(huán)境指標(biāo)下，對(duì)于喜濕喜干、喜溫喜涼的不同品種樹木所給出的評(píng)判應(yīng)有所不同。并且，不同品種的樹木在外觀上也有所不同，具體主要體現(xiàn)為樹木枝葉的特征上。樹木葉片的顏色與形狀是判斷樹木一些疾病的必要檢測標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同樹木特有的枝葉形狀與顏色，應(yīng)設(shè)置不同的信息庫進(jìn)行比較。

3.3 樹木位置對(duì)評(píng)判的影響

不同的位置會(huì)對(duì)樹木的生長情況有所影響，同種樹木在不同緯度生長會(huì)表現(xiàn)出不同的特征。并且，部分木材干縮性和濕脹性有隨緯度增加而增大的趨勢。不同的栽種位置在測量過程中也會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果有不同程度的差異。

4 智能傳感模塊在判斷樹木疾病診斷中的不足

樹木疾病的診斷需要對(duì)樹木周邊環(huán)境及自身的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，智能傳感模塊的作用就是可以簡單快捷地測量出相關(guān)數(shù)值。現(xiàn)有傳感模塊大多發(fā)展較為完善，但在使用其進(jìn)行樹木相關(guān)數(shù)據(jù)測量時(shí)，也顯示出很多弊端。利用傳感器進(jìn)行樹木疾病監(jiān)測的前提是準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)和建立龐大的健康樹木所具有的數(shù)據(jù)特征信息庫。

首先，基于傳感器本身，樹木本身處于自然界中，周邊環(huán)境變化莫測，其中，不免出現(xiàn)惡劣環(huán)境，例如，高溫、粉塵、潮濕、電磁干擾等，在此環(huán)境下，部分傳感器表現(xiàn)出適應(yīng)能力不強(qiáng)、反應(yīng)較慢、精度不高、穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)。并且，在對(duì)樹木相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量時(shí)，要求數(shù)據(jù)精度足夠高，尤其是頻率收集模塊。而同時(shí)，若想要取得足夠高的精度，其成本就會(huì)大大增加。

其次，數(shù)據(jù)庫方面，同一種樹木，需尋找不同樹齡大小、不同位置，以及不同大小年齡下患有不同疾病的樹木、不同位置下患有不同疾病的樹木等各種樣本。一種樹木的數(shù)據(jù)庫就非常龐大，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力。其中不免會(huì)有少量樹木品種沒有被收錄進(jìn)此數(shù)據(jù)采集基本平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫不全面，可能會(huì)造成判斷失誤的情況。

5 展望

傳感器在樹木疾病檢測診斷方面的應(yīng)用在未來會(huì)更加成熟，運(yùn)用會(huì)更加廣泛。除了從溫濕度、頻率、圖像方面進(jìn)行勘測，未來會(huì)增加更多方面的傳感器進(jìn)行綜合使用，使得對(duì)樹木疾病的檢測更加便捷與精準(zhǔn)。需要逐漸完善樹木數(shù)值的數(shù)據(jù)庫，增加測量樹木的品種以及同種樹木的測量位置，增加測量的樹木疾病種類，有助于準(zhǔn)確、快速判斷出樹木是否健康，并且可以診斷出具體的疾病以及相應(yīng)處理方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 黎彩敏，翁殊斐，林云.園林樹木健康與安全性評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，36（7）：186-189.

[2] 陳志成，劉暢，劉曉靜，等.光強(qiáng)和樹體大小對(duì)銳齒櫟樹木水、碳平衡的影響[J].林業(yè)科學(xué)，2017，53（9）：18-25.

[3] 韓明臣，李智勇，張德成.國外城市單株樹木的評(píng)估方法及管理特點(diǎn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（16）：9620-9622+9625.

[4] 陳黔，馮志君，易向東，等.智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦，2023，39（10）：98-101.

[5] 付文新，王洪豐.基于STM32單片機(jī)和DHT11溫濕度傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].光源與照明，2022（3）：119-121.