情景感知在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，將客觀世界中的現(xiàn)實事物連接成網(wǎng)，達(dá)到“物物相連”的互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài) [1]。隨著信息技術(shù)和 Internet 技術(shù)的飛速發(fā)展，客觀世界中的各種現(xiàn)實事物已經(jīng)能夠利用各種感知技術(shù)轉(zhuǎn)化數(shù)字化信息，為物聯(lián)網(wǎng)的信息處理及拓展延伸提供新的技術(shù)手段。

隨著各種農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)與物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的廣泛應(yīng)用，極大地改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的信息化與智能化。近十幾年來，國內(nèi)外已經(jīng)建成了多種面向不同農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包括農(nóng)業(yè)資源高效利用系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品智能化物流系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)等 [2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為發(fā)展農(nóng)業(yè)、引領(lǐng)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)保障。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也引起了計算模式的變革，傳統(tǒng)基于主機(jī)的計算模式已經(jīng)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，基于情景感知的普適計算具有十分優(yōu)秀的信息獲取和信息處理能力，在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。情景感知計算是一種對場景的建模計算技術(shù)，可實現(xiàn)場景級的信息獲取、信息處理，能夠為信息檢索、智能服務(wù)等多種應(yīng)用提供信息支撐 [3]。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對情景感知計算技術(shù)的需求分析

1.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)栽培管理

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以信息技術(shù)為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作與管理的系統(tǒng)，是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)。為了提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高土地利用效率、減少生態(tài)環(huán)境污染，世界各主要農(nóng)業(yè)國家均在大力發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，目前已經(jīng)建立了多個專門用于大面積農(nóng)作物種植的集成度較高的農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)在于協(xié)作感知測量和信息感知技術(shù) [4]。由于技術(shù)體缺陷，現(xiàn)有的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的信息采集能力不足，無法滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需求。情景感知技術(shù)是一種高效的信息采集與信息處理技術(shù)，可以輔助精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的智能化分析。

1.2 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究輔助計算

隨著農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步， 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究模式也發(fā)生了根本性變化，實現(xiàn)了從單純依賴經(jīng)驗的研究模式向依賴海量數(shù)據(jù)計算科學(xué)分析的新模式轉(zhuǎn)變。目前，基于海量數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)科學(xué)研究面臨的主要難題是將農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗與農(nóng)作物的實時生長狀態(tài)有機(jī)融合，建立一個可以輔助農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)分析的模型。傳統(tǒng)主機(jī)計算技術(shù)很難滿足該需求，因此急需能夠融合農(nóng)業(yè)專家知識和作物數(shù)據(jù)并提供高效計算的農(nóng)業(yè)科學(xué)研究輔助計算技術(shù)的支持。

1.3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源

現(xiàn)階段，人類社會的主要事物仍然直接來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全不僅是維護(hù)生態(tài)環(huán)境的客觀需求，更是與國民生計息息相關(guān)的頭等大事，已成為世界各國發(fā)展過程中需要解決的重要問題 [5]。上世紀(jì)以來，為了滿足社會正常的糧食需求，設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展。設(shè)施農(nóng)業(yè)中肥料和農(nóng)藥的過量使用，使得在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時也污染了農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境。隨著食品安全和生態(tài)環(huán)境逐漸被社會認(rèn)同，綠色農(nóng)業(yè)的概念被越來越多的國家所提及和承認(rèn)。但由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的固有缺陷，如產(chǎn)銷分散、銷售鏈長、管理水平低等，給農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管帶來諸多不便。農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、運輸、銷售過程中的信息獲取與信息處理是落實農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源的關(guān)鍵。情景感知技術(shù)為有效解決農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的監(jiān)管和溯源提供了信息技術(shù)支持。

1.4 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)城鄉(xiāng)互動體驗

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展也在不斷接受城市化進(jìn)程的沖擊，例如， 一些大型城市已經(jīng)在發(fā)展能夠集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品銷售、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能于一體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新模式。現(xiàn)代城市的發(fā)展改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐漸從生產(chǎn)型農(nóng)業(yè)向服務(wù)型農(nóng)業(yè)發(fā)展，生產(chǎn)功能不斷弱化， 服務(wù)功能不斷升級，綠色農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)、種植體驗等項目得到了社會的高度認(rèn)可。但是一體化體驗式農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要高效感知計算技術(shù)的支持，這對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術(shù)提出了更高的要求。

2 情景感知計算技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的通用結(jié)構(gòu)

情景感知計算技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用包括場景數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解析和服務(wù)定制。本文以田間黃豆生長檢測的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)為例，介紹農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算的通用結(jié)構(gòu)。

(1) 在場景信息數(shù)據(jù)獲取階段，需要在田間設(shè)置光照、濕度、溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器，并且需要安裝監(jiān)控黃豆長勢的視頻傳感器監(jiān)控系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。

(2) 農(nóng)作物數(shù)據(jù)解析階段會對黃豆生長環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與長相長勢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計、特征提取以及模式識別等，實現(xiàn)黃豆生長與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的適應(yīng)性分析。

(3) 農(nóng)作物數(shù)據(jù)解析階段可以采用情景感知計算技術(shù)實現(xiàn)。服務(wù)定制任務(wù)基于黃豆長相長勢與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，建立綜合分析模型，以提高黃豆長相長勢為目標(biāo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供黃豆環(huán)境參數(shù)以及管理栽培意見等多種輔助決策信息。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情景感知計算面臨的主要問題

3.1 作物生長狀態(tài)與環(huán)境信息感知

當(dāng)前，信息感知是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知要解決的主要問題。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知即高效獲取、處理與農(nóng)作物生長狀態(tài)和生長環(huán)境相關(guān)的各種信息。隨著各型傳感器技術(shù)和計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)作物相關(guān)信息采集已基本滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求。但現(xiàn)有的信息采集還主要側(cè)重于農(nóng)作物生長環(huán)境的檢測，對農(nóng)作物自身生長狀態(tài)的檢查仍然十分粗獷，不能很好地滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)采集的全方位需求。因此，研究農(nóng)作物生長狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取與處理是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知面臨的主要問題。

3.2 大數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)距離無線網(wǎng)絡(luò)通信

成功完成有關(guān)農(nóng)作物的各種數(shù)據(jù)采集之后，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的另一個任務(wù)就是數(shù)據(jù)傳輸，這也是任何農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須具備的功能。一般情況下，除了直接新建的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試驗區(qū)以外，多數(shù)農(nóng)作物的生長環(huán)境不具備鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的條件，因此目前的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案均基于無線網(wǎng)實現(xiàn)。目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長信息以及生長環(huán)境監(jiān)測信息已經(jīng)基本實現(xiàn)正常傳輸，但距離農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊筮€具有很大的差距。因此，高速、高可靠性無線數(shù)據(jù)傳輸仍然是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算的瓶頸技術(shù)之一。

3.3 海量信息的管理和特征提取

伴隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)已經(jīng)呈現(xiàn)出幾何指數(shù)級的增長趨勢，給數(shù)據(jù)的管理和關(guān)鍵特征提取造成了很大困難，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)災(zāi)難。海量農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理涉及數(shù)據(jù)理論等多方面內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)檢索與查詢。且農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)由多種不同類型的傳感器采集得到，是一種典型的海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)。如何將海量農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)解析的關(guān)鍵。因此，海量異構(gòu)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效管理與關(guān)鍵信息提取是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算所要解決的重點問題之一。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術(shù)體系與發(fā)展趨勢

4.1 高通量農(nóng)作物性狀信息獲取

傳統(tǒng)農(nóng)作物信息采集手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算對數(shù)據(jù)的要求。且基于傳統(tǒng)傳感器的農(nóng)作物生長性狀信息采集手段也不能保證對農(nóng)作物性狀信息的全方位快速獲取。目前，構(gòu)建基于三維模型的農(nóng)作物生長性狀數(shù)據(jù)融合和基于三維數(shù)據(jù)場的作物生長目標(biāo)模型在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術(shù)中得到了廣泛認(rèn)可。通過三維模型數(shù)據(jù)融合和三維數(shù)據(jù)場模型的高通量信息獲取技術(shù)可以高效采集農(nóng)作物的各種細(xì)微特征數(shù)據(jù)，包括作物株高、葉片方位、葉片面積、莖葉腳等涉及作物生長性狀的各種數(shù)據(jù)。高通量農(nóng)作物性狀信息獲取是未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術(shù)的發(fā)展趨勢。

4.2 構(gòu)建基于數(shù)字植物的綜合計算平臺

數(shù)字植物是一個集農(nóng)學(xué)、植物學(xué)以及計算機(jī)和數(shù)學(xué)等學(xué)科為一體的新興交叉研究方法。廣義上說，數(shù)字植物是一個利用計算資源對植物的生長性狀和生存系統(tǒng)進(jìn)行感知，并為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和栽培管理提供信息支撐的平臺。

對數(shù)字植物的研究可以分為以下兩方面 ：

(1) 利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集農(nóng)作物的長相長勢和生長環(huán)境信息，構(gòu)建典型農(nóng)作物生長的三維形態(tài) ；

(2) 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立農(nóng)作物的外觀形態(tài)與生長環(huán)境之間的關(guān)系模型。

數(shù)字植物是推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種實用工具，也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術(shù)的重要發(fā)展方向。

4.3 基于網(wǎng)絡(luò)三維交互的農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，尤其是近些年城市化進(jìn)程不斷加快，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在朝著電子商務(wù)、在線推廣、農(nóng)業(yè)休閑以及農(nóng)業(yè)生態(tài)旅游的新型農(nóng)業(yè)園區(qū)方向發(fā)展。高速無線網(wǎng)絡(luò)速度的提升為實現(xiàn)三維交互的立體式綜合服務(wù)平臺提供了建設(shè)基礎(chǔ)。基于網(wǎng)絡(luò)三維交互的農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺以三維高通量農(nóng)作物信息獲取和新型數(shù)字植物為基礎(chǔ)，能夠提供農(nóng)作物生長全過程的仿真服務(wù)，可以全方位展示農(nóng)作物的生長狀態(tài)?；诰W(wǎng)絡(luò)三維交互的農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術(shù)發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，對情景感知計算技術(shù)提出了新的要求，而情景感知技術(shù)的進(jìn)步，也極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。本文以情景感知技術(shù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相互關(guān)系為切入點，分析和探討了情景感知技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的需求、通用模型結(jié)構(gòu)、面臨的問題和未來發(fā)展趨勢。分析表明，情景感知計算技術(shù)必將繼續(xù)推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。