T-CI 301-2024 智慧農(nóng)場作物全生長周期智慧化管理決策技術(shù)規(guī)范

ICS35.240.01CCSL67Technicalspecificationsforintelligentmanagementanddecision-makingofcropsthroughouttheentiregrowthcycleofsmar2024-03-18發(fā)布2024-03-18實(shí)施中國國際科技促進(jìn)會(huì)發(fā)布IT/CI301-2024 II 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14總體要求 15農(nóng)場作物雜草病蟲害識別系統(tǒng) 26農(nóng)場作物生長態(tài)勢識別系統(tǒng) 37農(nóng)場作物個(gè)體狀態(tài)識別系統(tǒng) 48農(nóng)場作物農(nóng)事活動(dòng)精準(zhǔn)決策系統(tǒng) 5T/CI301-2024本文件按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由河南科技大學(xué)提出。本文件由中國國際科技促進(jìn)會(huì)歸口。本文件起草單位：河南科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、洛陽理工學(xué)院、清華大學(xué)、龍門實(shí)驗(yàn)室、洛陽辰漢農(nóng)業(yè)裝備科技股份有限公司、中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智能城市研究院、河南群智信息技術(shù)有限公司、佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司、北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司、黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院、國科聯(lián)盟(北京)國際信息科學(xué)研究院。本文件主要起草人：吳慶濤、朱軍龍、王國勇、劉牧華、張明川、權(quán)偉、劉云浩、蘇偉、王曉軍、劉琪、王天偉、梁琦、金鑫、鄭瑞娟、冀治航、趙旭輝、王琳、張茉莉、董永生、李響、舒鵬。1T/CI301-2024智慧農(nóng)場作物全生長周期智慧化管理決策技術(shù)規(guī)范本文件規(guī)定了農(nóng)場作物全生長周期智慧化管理決策技術(shù)的總體要求、農(nóng)場作物雜草病蟲害識別系統(tǒng)要求、農(nóng)場作物生長態(tài)勢識別系統(tǒng)要求、農(nóng)場作物個(gè)體狀態(tài)識別系統(tǒng)要求、農(nóng)場作物農(nóng)事活動(dòng)精準(zhǔn)決策系統(tǒng)要求。本文件適用于農(nóng)場作物全生長周期中種植規(guī)劃、作物生長監(jiān)測、病蟲害預(yù)測與防治等的管理決策，不適用智能決策系統(tǒng)準(zhǔn)確性可能受到影響的極端天氣。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義3.1全生長周期entireGrowthCycle作物從種植、生長、成熟到收獲的整個(gè)過程。3.2智慧化管理決策intelligentmanagementdecision-making利用先進(jìn)的信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)知識，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的各種問題和挑戰(zhàn)進(jìn)行智能分析和判斷，從而做出科學(xué)、合理、高效的決策過程。4總體要求4.1基本要求農(nóng)場作物全生長周期智慧化管理決策技術(shù)應(yīng)滿足以下要求：——系統(tǒng)性。應(yīng)能全面覆蓋作物全生長周期，從播種到收獲，確保每一環(huán)節(jié)都得到智能化管理?！獙?shí)時(shí)性。決策應(yīng)基于實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)、作物生長數(shù)據(jù)等，確保決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確——可持續(xù)性。應(yīng)考慮環(huán)保和長期效益，確保決策有利于作物的健康生長和土地的可持續(xù)利用。4.2決策要求農(nóng)場作物全生長周期智慧化管理決策應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：2T/CI301-2024——作物識別與監(jiān)測。能夠準(zhǔn)確識別作物種類，實(shí)時(shí)監(jiān)測作物生長狀態(tài)，包括株高、葉面積、病蟲害等?！珳?zhǔn)決策建議?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果，提供精準(zhǔn)的灌溉、施肥、病蟲害防治等決策建——預(yù)測與預(yù)警。能夠預(yù)測作物生長趨勢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的生長問題。4.3設(shè)計(jì)框架農(nóng)場作物全生長周期智慧化管理決策技術(shù)框架如圖1所示。圖1設(shè)計(jì)框架圖5農(nóng)場作物雜草病蟲害識別系統(tǒng)5.1數(shù)據(jù)集構(gòu)建策略5.1.1確定采集區(qū)域和作物種類，選擇具有代表性的地塊作為采集樣本區(qū)域，收集不同生長階段、時(shí)間、地點(diǎn)的雜草、病蟲害、作物的樣本數(shù)據(jù)，雜草數(shù)據(jù)為禾本科雜草，病蟲害數(shù)據(jù)為葉斑病枯萎病蚜蟲害，作物數(shù)據(jù)為小麥玉米。5.1.2對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對，確保采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際場景相符。5.1.3各個(gè)數(shù)據(jù)集收集樣本量應(yīng)大于5000條。5.1.4數(shù)據(jù)增強(qiáng)，采用圖像處理技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去噪、增強(qiáng)對比度。5.2數(shù)據(jù)標(biāo)注策略5.2.1利用圖像標(biāo)注工具標(biāo)注出目標(biāo)的具體輪廓。5.2.2為每個(gè)邊界框或輪廓分配相應(yīng)的標(biāo)簽，“作物”、“雜草”及具體的病蟲害名5.2.3隨機(jī)抽樣檢查已標(biāo)注的圖像，驗(yàn)證標(biāo)注的正確性。5.2.4劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，以70%為訓(xùn)練集，30%為測試集。3T/CI301-20245.3識別系統(tǒng)性能要求5.3.1識別準(zhǔn)確率作物識別準(zhǔn)確率應(yīng)大于等于95%，雜草識別準(zhǔn)確率應(yīng)大于等于90%，病蟲害識別準(zhǔn)確率應(yīng)大于等于90%。5.3.2系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間農(nóng)場作物識別流程框架見圖2。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于等于5s。圖2農(nóng)場作物識別流程圖6農(nóng)場作物生長態(tài)勢識別系統(tǒng)6.1基本要求識別系統(tǒng)應(yīng)能確定作物的幼苗期、結(jié)實(shí)期和成熟期等農(nóng)作物生長環(huán)節(jié)。6.2生長環(huán)節(jié)判斷標(biāo)準(zhǔn)6.2.1作物幼苗期為種子已經(jīng)發(fā)芽，幼苗開始生長，但還未形成明顯的莖葉結(jié)構(gòu)。6.2.2作物結(jié)實(shí)期為作物開始開花、結(jié)實(shí)。6.2.3作物成熟期為果實(shí)已經(jīng)成熟。6.3識別模型的構(gòu)建6.3.1從收集的數(shù)據(jù)集中挑選3000張作物生長環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)集，其中幼苗期、結(jié)實(shí)期、成熟期6.3.2劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，以70%為訓(xùn)練集，30%為測試集。6.3.3尋找合適的模型，對模型進(jìn)行訓(xùn)練驗(yàn)證，使其準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，方可投入使用。6.4識別系統(tǒng)的構(gòu)建6.4.1識別系統(tǒng)應(yīng)具有農(nóng)場作物生長態(tài)勢系別APP，能夠在安卓、IOS設(shè)備上運(yùn)行，每張圖片的識別響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過1s。6.4.2嵌入式設(shè)備的農(nóng)場作物生長態(tài)勢識別系統(tǒng)應(yīng)能在無人機(jī)、無人施肥機(jī)等設(shè)備上有效運(yùn)4T/CI301-2024行，識別速度應(yīng)大于或等于75fps/s。7農(nóng)場作物個(gè)體狀態(tài)識別系統(tǒng)7.1基本要求個(gè)體狀態(tài)識別系統(tǒng)應(yīng)能確定干旱程度和缺肥程度等作物的個(gè)體狀態(tài)。其中干旱程度分為無干旱、一級干旱、二級干旱和三級干旱；缺肥程度分為無缺肥、一級缺肥、二級缺肥和三級缺肥。7.2個(gè)體狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)7.2.1干旱程度干旱程度按表1的要求判定。表1干旱程度要求序號干旱程度相對土壤濕度H植被狀況1無干旱H＞70%植被狀況良好，覆蓋率高，無明顯的干旱跡象2一級干旱50%＜H≤70%植被開始出現(xiàn)輕微的枯黃或凋萎現(xiàn)象，覆蓋率稍有下降3二級干旱30%＜H≤50%植被大面積枯黃、凋萎或死亡，覆蓋率明顯降低4三級干旱H≤30%大部分植被嚴(yán)重枯死或消失，覆蓋率極低7.2.2缺肥程度缺肥程度按表2的要求判定。表2缺肥程度要求序號干旱程度葉片狀況1無缺肥葉片呈正常的綠色，形態(tài)健壯2一級缺肥葉片呈輕微的黃綠色，形態(tài)稍弱3二級缺肥葉片呈明顯的黃綠色或黃色，形態(tài)較弱4三級缺肥葉片呈嚴(yán)重的黃色或白色，形態(tài)極為弱小7.3模型的構(gòu)建7.3.1從收集的數(shù)據(jù)集中挑選4000張作物個(gè)體狀態(tài)數(shù)據(jù)集，其中干旱程度和缺肥程度各2000張，每種程度各500張。7.3.2劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，以70%為訓(xùn)練集，30%為測試集。7.3.3尋找合適的模型，對模型進(jìn)行訓(xùn)練驗(yàn)證，使其準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，方可投入使用。5T/CI301-20247.4識別系統(tǒng)的構(gòu)建7.4.1識別系統(tǒng)應(yīng)具有農(nóng)場作物生長態(tài)勢系別APP，能夠在安卓、IOS設(shè)備上運(yùn)行，每張圖片的識別響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過1s。7.4.2嵌入式設(shè)備的農(nóng)場作物生長態(tài)勢識別系統(tǒng)應(yīng)能在無人機(jī)、無人施肥機(jī)等設(shè)備上有效運(yùn)行，識別速度應(yīng)大于或等于75fps/s。8農(nóng)場作物農(nóng)事活動(dòng)精準(zhǔn)決策系統(tǒng)8.1基本要求決策的農(nóng)事活動(dòng)應(yīng)包含揭膜、施肥、灌溉、植保、收割等環(huán)節(jié)。8.2地塊作物狀態(tài)信息的確定8.2.1采用搭載農(nóng)作物識別、農(nóng)作物病蟲害識別、農(nóng)作物生長態(tài)勢識別、農(nóng)作物個(gè)體狀態(tài)識別系統(tǒng)的無人機(jī)對整個(gè)地塊作物進(jìn)行識別。8.2.2確定地塊作物的蟲害等級。在無人機(jī)對農(nóng)作物病蟲害的結(jié)果中，統(tǒng)計(jì)每個(gè)作物的病蟲害的種類個(gè)數(shù)，對整個(gè)地塊統(tǒng)計(jì)每棵作物的病蟲害種類，如果大于50%的作物發(fā)生蟲害且蟲害類型不低于兩種時(shí)，則該地塊為三級蟲害；如果在30%至50%之間的作物發(fā)生蟲害且蟲害類型不低于兩種時(shí)，則該地塊為二級蟲害；如果在5%至30%之間的作物發(fā)生蟲害且蟲害類型不低于兩種時(shí)，則該地塊為一級蟲害；如果低于5%的作物發(fā)生蟲害且蟲害類型不低于兩種時(shí)，則該地塊為無蟲害。8.2.3確定地塊作物的生長態(tài)勢。在無人機(jī)對農(nóng)作物生長態(tài)勢的結(jié)果中，統(tǒng)計(jì)幼苗期、結(jié)實(shí)期和成熟期三個(gè)階段的數(shù)量，其中數(shù)量最多的時(shí)期確定為整個(gè)地塊作物的生長階段。8.2.4確定地塊作物的個(gè)體狀態(tài)。在無人機(jī)對農(nóng)作物生長態(tài)勢的結(jié)果中，統(tǒng)計(jì)干旱程度和缺肥程度四個(gè)等級程度各個(gè)作物數(shù)量，其中數(shù)量最多的等級確定為整個(gè)地塊作物的干旱程度和缺肥程度。8.3農(nóng)場作物農(nóng)事活動(dòng)精準(zhǔn)決策8.3.1決策要求8.3.1.1揭膜只會(huì)發(fā)生在作物生長的幼苗期。8.3.1.2施肥會(huì)發(fā)生在地塊缺肥等級不低于二級，且生長態(tài)勢為幼苗期和結(jié)實(shí)期。8.