農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的光譜感知技術(shù)應(yīng)用

引 言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的階段，信息技術(shù)已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的地位十分重要[1]。國(guó)家 十三五 規(guī)劃明確提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)中，提出將深入實(shí)施國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程智能農(nóng)業(yè)項(xiàng)目和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗(yàn)工程。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用是運(yùn)用各類傳感器，廣泛采集和獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種要素信息，按照約定的通信協(xié)議，充分利用各種通信方式實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多尺度可靠傳輸，對(duì)獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合處理來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制和管理。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的目標(biāo)是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，合理地進(jìn)行灌溉、施肥、噴藥，最大限度地提高水、肥料的利用效率，減少農(nóng)藥的使用量， 在提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的最小污染和對(duì)自然資源的最大利用，符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求[2,3]。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括感知、傳輸和應(yīng)用 3 個(gè)層次，感知是物聯(lián)網(wǎng)的靈魂，全面感知是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的主要特征。農(nóng)業(yè)傳感儀器是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的關(guān)鍵手段，也是目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。

目前，大多數(shù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主要目的是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)小氣候信息的檢測(cè)與解析，采用的傳感器相對(duì)比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)對(duì)象局限于一些簡(jiǎn)單的外部參量（如溫度、濕度、風(fēng)速、CO2 濃度和光照強(qiáng)度等）。這類傳感器無(wú)法有效獲取土壤肥料信息，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)植物內(nèi)部有效成分的動(dòng)態(tài)感知， 更無(wú)法對(duì)植物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)，與精細(xì)化農(nóng)業(yè)的要求相距甚遠(yuǎn)[4]。

除了農(nóng)業(yè)小氣候信息的檢測(cè)與解析，精細(xì)化農(nóng)業(yè)的信息獲取還應(yīng)包括土壤養(yǎng)分信息以及農(nóng)作物生長(zhǎng)信息的檢測(cè)與解析。農(nóng)作物生長(zhǎng)信息主要包括營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、生理生態(tài)、形態(tài)和病蟲(chóng)害等信息，其檢測(cè)與利用能有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過(guò)檢測(cè)土壤養(yǎng)分信息（氮、磷、鉀等元素及有機(jī)質(zhì)），分析農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)不同養(yǎng)分的需求，可優(yōu)化肥料成分配比，調(diào)整有機(jī)肥、化肥使用結(jié)構(gòu)，促進(jìn)多種元素配合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。通過(guò)檢測(cè)與分析農(nóng)作物生長(zhǎng)信息，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的農(nóng)業(yè)管理 ：通過(guò)分析農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)信息、生理生態(tài)信息、形態(tài)信息可判斷農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)，進(jìn)行有針對(duì)性地施肥澆水操作，有助于提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)狀況 ；通過(guò)分析病蟲(chóng)害信息，可預(yù)測(cè)農(nóng)作物病蟲(chóng)害情況及趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)農(nóng)藥使用量，盡量降低農(nóng)藥使用量，減少農(nóng)藥對(duì)農(nóng)作物和環(huán)境的污染 ；通過(guò)分析農(nóng)作物生長(zhǎng)信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)，對(duì)于后期的農(nóng)產(chǎn)品存儲(chǔ)與流通具有重要的參考意義。

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，大部分農(nóng)業(yè)傳感器由原先的工業(yè)用傳感器轉(zhuǎn)換而來(lái)，而專用于農(nóng)業(yè)的傳感器還不多，有關(guān)植物與土壤信息感知方面的傳感器更是稀缺 [5]。對(duì)于用于檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)信息的傳感器，國(guó)內(nèi)研究不多，成型產(chǎn)品較少，而國(guó)外相關(guān)檢測(cè)設(shè)備不僅成本高，且只能完成靜態(tài)單點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)田間作物養(yǎng)分的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)，與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 全面信息感知 的目標(biāo)相去甚遠(yuǎn) ；同樣，農(nóng)作物病蟲(chóng)害檢測(cè)傳感器也存在成本高，使用單一等缺陷。在農(nóng)作物信息感知方面，農(nóng)業(yè)傳感器是最主要的制約因素。我國(guó)傳感器領(lǐng)域呈現(xiàn)出低端過(guò)剩、中高端被國(guó)外壟斷的市場(chǎng)格局，90% 的傳感器芯片依靠進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化需求迫切 [6]。因此，研制新型農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)傳感器是目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技

術(shù)發(fā)展急需解決的問(wèn)題。

2 光譜技術(shù)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知

光譜遙感成像技術(shù)在對(duì)感知目標(biāo)空間特征成像的同時(shí)， 能夠在紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外等較寬的電磁波譜區(qū)域內(nèi)，為每個(gè)空間像素點(diǎn)提供數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)窄波段的光譜信息。因此，光譜遙感成像技術(shù)可同時(shí)感知目標(biāo)的空間特征和光譜特征，從而快速無(wú)損地辨別和區(qū)分目標(biāo)物質(zhì)成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)各種性質(zhì)的無(wú)損分析。光譜成像技術(shù)的發(fā)展為信息測(cè)量應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)信息獲取的技術(shù)手段之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已將光譜分析技術(shù)成功應(yīng)用于農(nóng)作物養(yǎng)分和生長(zhǎng)狀況的研究，并取得了初步進(jìn)展。光譜遙感成像技術(shù)可以用于對(duì)植株葉片的遙感探測(cè)，通過(guò)光譜分析技術(shù)對(duì)葉片中的化學(xué)成分含量做出比較準(zhǔn)確的估計(jì)：如根據(jù)光譜特性監(jiān)測(cè)蘋果品質(zhì)的異常狀況[7]，采用光譜技術(shù)測(cè)定葉綠素含量以監(jiān)測(cè)植株的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況[8]，以及采用光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物病蟲(chóng)害等[9]。

將光譜遙感成像技術(shù)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物信息的實(shí)時(shí)感知，動(dòng)態(tài)獲取農(nóng)作物在不同波段光譜的圖像。然后通過(guò)光譜分析技術(shù)獲知農(nóng)作物的各類狀態(tài)信息（如養(yǎng)分信息、病蟲(chóng)害信息等），實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的定性或定量評(píng)估。再由農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的專家智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理，合理進(jìn)行農(nóng)作物灌溉、施肥、噴藥以及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的啟用、關(guān)停，結(jié)合其他傳統(tǒng)傳感器實(shí)現(xiàn)在不同生長(zhǎng)狀態(tài)下農(nóng)作物所需溫度、濕度、光照、CO2 濃度等的實(shí)時(shí)定量監(jiān)控，從而調(diào)節(jié)水、肥料的投入，實(shí)現(xiàn)更高層次的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。

光譜遙感成像技術(shù)和光譜分析技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)損分析農(nóng)作物內(nèi)在成分成為可能，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用光譜技術(shù)對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況和養(yǎng)分檢測(cè)的研究方興未艾，取得了較多成果。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)光譜感知節(jié)點(diǎn)技術(shù)的研究工作報(bào)道已出現(xiàn)，但將光譜技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還有一定的差距 [10]。

3 物聯(lián)網(wǎng)光譜感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于光譜技術(shù)設(shè)計(jì)新的光譜感知節(jié)點(diǎn)，作為構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的最底層感知單元。不同于傳統(tǒng)的光譜成像儀器，光譜感知節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有光譜數(shù)據(jù)采集、融合處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（無(wú)線或有線）等多重功能。光譜感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，包含四個(gè)基本組成模塊 ：光譜采集模塊、光譜處理與控制模塊、通信模塊和供電模塊。光譜感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

該節(jié)點(diǎn)的核心探測(cè)部件是光譜感知模塊，采用光譜組件作為分光感知元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息的感知。光譜感知節(jié)點(diǎn)信息接收與處理程序流程如圖 2 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際需求，針對(duì)目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采用的傳感器較為簡(jiǎn)單這一現(xiàn)狀，就光譜感知技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的信息感知應(yīng)用展開(kāi)初步研究。雖然將光譜技術(shù)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還有不少實(shí)際問(wèn)題需要解決，但光譜感知技術(shù)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)信息的泛在感知能力，無(wú)疑將進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展。