第03章 農(nóng)作物生理信息感知技術

《智慧農(nóng)業(yè)關鍵技術與裝備》第三章農(nóng)作物生理信息感知技術機電工程學院3.13.2概述農(nóng)作物養(yǎng)分信息感知技術3.33.4農(nóng)作物生理形態(tài)信息感知技術農(nóng)作物病蟲害信息感知技術3第三章農(nóng)作物生理信息感知技術3.1概述在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模型的基礎上，大力發(fā)展精細農(nóng)業(yè)。精細農(nóng)業(yè)要求實現(xiàn)快速、實時、準確和定位化地獲取植物生長信息。研究和開發(fā)便攜式植物生命信息監(jiān)測儀器和傳感儀器等軟硬件平臺，對實現(xiàn)農(nóng)作物信息的動態(tài)感知和快速無損獲取，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進步是十分必要的。3.1概述湖南生物機電職業(yè)技術學院歡迎你！感謝聆聽務本崇實修德精業(yè)6第三章農(nóng)作物生理信息感知技術3.2農(nóng)作物養(yǎng)分感知技術3.2.1農(nóng)作物氮（磷鉀）元素傳統(tǒng)檢測方法3農(nóng)作物磷鉀傳統(tǒng)檢測方法磷含量檢測：紫外-可見光分光光度法。鉀含量檢測：火焰光度計測定。4杜馬斯燃燒法用RapidNcube杜馬斯定氮儀測，單個樣本測量時間短，檢測過程對人體無害，沒有廢硫酸等有毒廢液產(chǎn)生，100%氮回收率，全自動，價格昂貴。12在催化條件下，用濃磷酸將樣品中的有機氮全部轉(zhuǎn)化成無機銨鹽，然后在堿性條件下將銨鹽轉(zhuǎn)化為氮，隨著水蒸氣蒸餾出來并被過量的硼酸也吸收，再以標準鹽酸滴定，計算出樣品中的氮量。凱氏定氮法葉色卡法將農(nóng)作物正常的葉色做成標準的比色卡，然后作物的實時葉色與比色卡進行對比，從而判斷農(nóng)作物是否缺素。3.2農(nóng)作物養(yǎng)分感知技術原理：根據(jù)植物葉片中葉綠素對有色光的吸收特性，通過測量一定波長下發(fā)射光照度和透過葉片后的光照強度進行葉片葉綠素含量的測定。特點：測試速度快，無損檢測，靈敏度高，適應性廣，具有存儲數(shù)據(jù)和簡單計算的功能。1.SPAD-502葉綠素計原理：通過分析作為葉片的光譜曲線，從中找出與作物氮元素相關的特征波長，從而分析作物的氮元素含量。2.光譜分析技術原理：用機器模擬人對目標物體進行測量和判斷的方式來進行工作。機器視覺系統(tǒng)通過圖像獲取裝置將目標轉(zhuǎn)化成圖像信號，接收到圖像信號之后利用計算機將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，之后人們按照自己的需求通過計算機程序讓計算機從這些數(shù)字信號之中提取所需要的目標特征，并利用這些特征做出相應的判斷。特點：生產(chǎn)自動化，在線快速實時檢測。3.機器視覺技術原理：光譜與圖像的融合，它既能獲取光譜信息又能獲取空間信息，可以對樣本進行定量和定性的分析。（1）多光譜成像技術將光譜技術和機器視覺技術相結(jié)合（適合田間快速在線檢測）（2）高光譜成像技術當前新型光譜與圖像融合的技術。（主要用于基礎研究）4.光譜成像技術3.2.2農(nóng)作物養(yǎng)分信息快速檢測方法湖南生物機電職業(yè)技術學院歡迎你！感謝聆聽務本崇實修德精業(yè)10第三章農(nóng)作物生理信息感知技術3.3農(nóng)作物生理形態(tài)信息感知技術3.3.1農(nóng)作物生理信息感知技術

植物生理信息（蛋白質(zhì)、酶類、氨基酸類、抗氧化指標等）、呼吸作用和光合作用（光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、葉溫、光合有效輻射、大氣溫濕度等）等生理指標直接影響植物不同階段的生長發(fā)育，對作物的長勢、產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的影響。目前，國內(nèi)外應用光譜技術、多光譜成像技術、高光譜成像技術等進行植物生理信息檢測的研究才剛剛起步。3.3農(nóng)作物生理形態(tài)信息感知技術1.植株地面部分三維形態(tài)信息感知技術1）基于機器視覺的植物信息采集

依據(jù)機器視覺進行信息采集，采用多視點方法對同一植物多方位觀測實現(xiàn)對植物圖像或點云的采集，同時結(jié)合相關植物學（包括植物形態(tài)、長勢等）知識利用重建算法等來實現(xiàn)植物的信息采集。（單目視覺系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)、多目視覺系統(tǒng)）2）基于三維激光掃描的植物信息采集

三維激光掃描技術依據(jù)激光測距原理，利用發(fā)射自三維激光掃描儀中的激光，通過特定的測量設備和測量方法獲得實物表面離散的幾何坐標數(shù)據(jù)的測量技術。在獲取適當距離靜態(tài)物體的空間三維信息上具有快速準確且能深入到復雜環(huán)境進行作業(yè)等優(yōu)點，應用在農(nóng)田導航和植物信息檢測、果園導航和果樹信息檢測、森林植被檢測信息、葉片檢測等。3.3.2農(nóng)作物三維形態(tài)信息感知技術1.植株地面部分三維形態(tài)信息感知技術3）基于結(jié)構(gòu)光掃描的植物信息采集

結(jié)構(gòu)光掃描儀是一種主動測距傳感器，其原理是光源打出的結(jié)構(gòu)光受到被測物體表面信息的調(diào)制而發(fā)生形變，利用圖像傳感器記錄變形的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，并結(jié)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來獲取被測物體的三維信息。4）基于超聲波等聲學方法的植物信息采集超聲波傳感器是另外一種主動測距傳感器，可以應用于測距、導航、傳感、加工、清洗等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域。在植物參數(shù)獲取方面，超聲波在檢測時需要載體的移動來獲得空間點云信息，由于波束角的影響其檢測精度和在細節(jié)檢測方面有一定的局限，在應用中常與其他傳感器搭配，主要起輔助作用。3.3.2農(nóng)作物三維形態(tài)信息感知技術2.植株地下部分三維形態(tài)信息感知技術根系是植物生長過程中吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，對植物的正常生長發(fā)育具有極其重要的影響。研究表明在土壤非生物逆境脅迫情況下，植物可以通過調(diào)節(jié)自身的什么活動規(guī)律來適應環(huán)境的脅迫，在宏觀上表現(xiàn)為根系形態(tài)構(gòu)型的改變。植物根系研究十分困難（為什么？）1）傳統(tǒng)方法經(jīng)過取樣、根土分離、沖洗等環(huán)節(jié)，耗時費力且有根系結(jié)構(gòu)及細小根系損失。2）無損檢測（同位素示蹤法、地下根室法等獲取根系原位觀察書記有限。3）根系形態(tài)各異、枝節(jié)繁多等問題，根系三維立體幾何構(gòu)型的準確定量分析與描述變得更加困難。因此，難以實現(xiàn)根系構(gòu)型的全貌觀察和精確定量描述。X射線斷層掃描技術和核磁共振成像技術在農(nóng)業(yè)工程研究領域的應用逐漸增多。3.3.2農(nóng)作物三維形態(tài)信息感知技術湖南生物機電職業(yè)技術學院歡迎你！感謝聆聽務本崇實修德精業(yè)16第三章農(nóng)作物生理信息感知技術3.4農(nóng)作物病蟲害信息感知技術1200億美元全世界每年因病蟲害引起的糧食減產(chǎn)占糧食總產(chǎn)量的20%-40%。經(jīng)濟損失：

農(nóng)作物病害是影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要生物災害，其類型繁多、災害性強且影響廣泛，是導致農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)和品質(zhì)下降最重要的因素之一。3.4農(nóng)作物病蟲害信息感知技術對病害作物進行變量施藥是解決問題的最佳方案

變量施藥是指根據(jù)獲取的作物病蟲害信息，及時診斷受害作物病因及受害程度，因病制宜，因地制宜，按需按量施用化學制劑，既能減少化學制劑的使用，又能達到及時防治的目的。農(nóng)藥的濫用和過度使用給我國生態(tài)和生產(chǎn)的長遠發(fā)展帶來不利。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者合理使用農(nóng)藥的意識和觀念薄弱，通常僅憑個人經(jīng)驗決定藥劑的使用品質(zhì)和使用量，缺乏科學使用藥劑的相關農(nóng)學知識。3.4農(nóng)作物病蟲害信息感知技術農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)蘋果、梨病害防治決策支持系統(tǒng)蔬菜病害綜合治理支持系統(tǒng)大豆病害診斷專家系統(tǒng)預測小麥病毒流行專家系統(tǒng)稻瘟病綜合防治專家系統(tǒng)玉米病害防治專家系統(tǒng)

傳統(tǒng)的農(nóng)作物病害檢測方法：肉眼觀察法、統(tǒng)計學方法、基于農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的作物病害檢測和基于化學、分子生物學的檢測等依然是實際生產(chǎn)中主流檢測方法。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)：把專家系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)領域的一項高新技術，它是應用人工智能知識工程的知識表示、推理及知識獲取等技術，總結(jié)和匯集農(nóng)業(yè)領域的知識、技術和農(nóng)業(yè)專家長期積累的大量寶貴經(jīng)驗，以及通過實驗獲得的各種資料數(shù)據(jù)與數(shù)學模型，模擬領域?qū)＜业臎Q策過程，建造的各種農(nóng)業(yè)智能計算機軟件系統(tǒng)。3.4農(nóng)作物病蟲害信息感知技術3.4.1農(nóng)作物病害信息感知系統(tǒng)非侵染性病害不適宜的環(huán)境條件引起的稱為非侵染性病害。侵染性病害病原微生物侵染而引起的稱為侵染性病害。病害對植物生長造成的影響主要有兩種表現(xiàn)形式：1）植物外部形態(tài)的變化（落葉、卷葉、葉片幼芽被吞噬、枝條枯萎導致冠層形狀發(fā)生變化）2）植物內(nèi)部的生理變化（葉綠素組織遭受破壞，光合作用和養(yǎng)分水分吸收、運輸、轉(zhuǎn)化等機能衰退）植株染病部分內(nèi)部的光譜特性先于外部特征發(fā)生變化，可用光譜技術用于作物病害的檢測。3.4農(nóng)作物病蟲害信息感知技術計算機識別技術目前處于起步階段，將計算機圖像識別技術應用到害蟲識別的原理是通過一系列的計算機算法對獲得的田間害蟲的圖像進行分析處理，有效地識別害蟲的種類的數(shù)量，從而對田間的害蟲活動情況進行實時的監(jiān)控，并結(jié)合相應的專家系統(tǒng)得到田間害蟲的危害等級并決策出相應的方法。人工方法通常采用拍照或誘捕等方法，工作量大，檢測范圍小，時效性差，檢測成本高，主觀性高。蟲害機器檢測技術（聲音特征檢測、雷達觀測、光譜分析及圖像識別）通過拾音器在目標區(qū)域采集害蟲的爬行聲、飛行聲、鳴叫聲、打斗聲、捕食聲等，將其轉(zhuǎn)化為電信號之后，通過信號放大和濾波降噪的處理將周圍環(huán)境的聲音從分離開來只得到我們需要的害蟲的聲頻道，通過所得的害蟲的聲頻譜來估計害蟲的種類和數(shù)量級。3.4.1農(nóng)作物蟲害信息感知系統(tǒng)3.4農(nóng)作物病蟲害信息感知技術

系統(tǒng)通過3G無線網(wǎng)絡組成一個主控端和多個遠端的分布式識別網(wǎng)絡，系統(tǒng)既能夠在遠端自動識別害蟲，也能夠在遠端將害蟲圖片壓縮后，通過3G無線網(wǎng)絡將圖片傳輸?shù)街骺囟?，在主控端進行自動識別。

系統(tǒng)設計了專家識別的接口，使專家能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)識別后的害蟲拖進行觀測分析，并和系統(tǒng)識別的結(jié)果進行比較。計算機圖像識別害蟲技術一定要建立在昆蟲形態(tài)學的基礎上，但是該技術現(xiàn)在