潘 明，張麗慧，黃曉財(cái)，王 明，侯陽笛

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510620；2.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510620；3.湖南省氣象局，湖南 長沙 410118）

0 引言

果園是一個綜合、復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，影響果樹生長的因子很多，如生態(tài)環(huán)境、氣象、地勢、土壤、病蟲害、工業(yè)“三廢”和種植技術(shù)等。傳統(tǒng)果園對果樹的水、肥、農(nóng)藥的投放全憑經(jīng)驗(yàn)，人為因素占主導(dǎo)，管理手段粗放、效率低下。傳統(tǒng)果園很少利用信息化工具來進(jìn)行果園的精準(zhǔn)化管理，亦未對果園生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，無法掌握果樹生長所需數(shù)據(jù)[1,2]。傳統(tǒng)果園為了提高果樹產(chǎn)量，一般采取品種改進(jìn)、給土壤增加肥力以及加強(qiáng)傳統(tǒng)植保等手段，耗費(fèi)人力和損耗農(nóng)業(yè)資源，但果樹產(chǎn)量和果品品質(zhì)仍難以保障。傳統(tǒng)果園模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化果園發(fā)展的要求，借助空天地一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)、智能設(shè)備設(shè)施等給傳統(tǒng)果園賦能，將傳統(tǒng)果園改造升級為智慧果園是果園發(fā)展的必經(jīng)之路[3]。

本文圍繞“空天地一體化”及“智慧果園”的理念，設(shè)計(jì)了空天地一體化智慧果園平臺，將傳統(tǒng)果園與信息技術(shù)深度融合，用設(shè)施設(shè)備和數(shù)字技術(shù)為果園賦能，促進(jìn)果園轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)果園科學(xué)生產(chǎn)、精細(xì)管理、智能控制、數(shù)字決策[4,5]。

1 總體設(shè)計(jì)思路

空天地一體化智慧果園的設(shè)計(jì)按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)、資源整合、服務(wù)應(yīng)用”的思路，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，以遙感衛(wèi)星、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)為創(chuàng)新依托，集成智能農(nóng)機(jī)裝備和智能終端，設(shè)計(jì)果園智慧化應(yīng)用[5-7]，實(shí)現(xiàn)果園智慧化建設(shè)5 個目標(biāo)：①一個中心：以提質(zhì)增效、降本減施為中心目標(biāo)，建立融合環(huán)境感知、作業(yè)監(jiān)測、綠色防控、水肥智能的果園數(shù)字化生產(chǎn)管理體系。②兩兩融合：促進(jìn)裝備、農(nóng)技、農(nóng)藝深度融合，深化落地場景。③三位一體：打造種植生產(chǎn)、應(yīng)用示范、科技培訓(xùn)“三位一體”，兼具生產(chǎn)、示范、培訓(xùn)多重功能。④四管齊下：通過果園標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、果園宜機(jī)化改造、果園設(shè)施裝備配套、果園數(shù)字化建設(shè)等4 項(xiàng)工程，促進(jìn)果園升級改造。⑤五化協(xié)同：實(shí)現(xiàn)品種優(yōu)質(zhì)化、防控綠色化、水肥智能化、生產(chǎn)機(jī)械化、管理數(shù)字化，全面提升果園現(xiàn)代化建設(shè)水平。空天地一體化智慧果園模型如圖1所示。

圖1 空天地一體化智慧果園模型

2 平臺總體架構(gòu)

通過參考空天地一體化智慧果園模型和結(jié)合常用軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，平臺總體架構(gòu)采用分層架構(gòu)，兼顧松耦合、高可靠性、高擴(kuò)展性進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，如圖2 所示。平臺核心功能主要體現(xiàn)在3 個方面：①應(yīng)用遙感衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器終端等技術(shù)構(gòu)建空天地一體化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對果園“空-天-地”不同角度的全方位、全周期的數(shù)據(jù)采集，是智慧果園數(shù)字化管理的基礎(chǔ)；②應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、自動化控制技術(shù)等為果園的設(shè)備設(shè)施配置作業(yè)監(jiān)測終端和智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施的聯(lián)網(wǎng)控制，開展精準(zhǔn)作業(yè)和遠(yuǎn)程操控，是智慧果園智能化管理的基礎(chǔ)；③應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)構(gòu)建智慧果園的“中樞神經(jīng)”與“智慧大腦”，實(shí)現(xiàn)果園的智能感知、智能分析、智能決策、智能作業(yè)、智能預(yù)警、智能調(diào)度，是智慧果園數(shù)字化決策、未來無人化管理的基礎(chǔ)。

圖2 空天地一體化智慧果園平臺總體架構(gòu)圖

感知層是平臺的數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)。①集成果園各類監(jiān)測傳感器，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的傳感器網(wǎng)絡(luò)來采集數(shù)據(jù)，包括果園氣象、土壤墑情、果樹生理、病蟲害、視頻等各類數(shù)據(jù)；②集成遙感衛(wèi)星、無人機(jī)所采集的果園定位、果園面積、地面環(huán)境、土壤養(yǎng)分、果樹長勢等空間影像數(shù)據(jù)；③集成作業(yè)監(jiān)測終端和智能控制系統(tǒng)，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來采集作業(yè)數(shù)據(jù)和控制各類設(shè)備設(shè)施[9]。

傳輸層是平臺的數(shù)據(jù)傳輸媒介，主要是通過4G網(wǎng)絡(luò)、Zigbee、LoRa、Wifi、AIoT 等媒介傳輸，把感知層采集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)層中。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)平臺的數(shù)據(jù)存儲，主要是對采集的果園各類數(shù)據(jù)進(jìn)行集中標(biāo)準(zhǔn)化存儲和開展數(shù)據(jù)治理以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，最終形成果園數(shù)據(jù)資源池，是果園的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。數(shù)據(jù)層的核心是數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)治理包括：數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)歸類、數(shù)據(jù)維護(hù)等；數(shù)據(jù)服務(wù)是以統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)格式對外提供數(shù)據(jù)共享，采用數(shù)據(jù)接口的方式提供，支持RESTful、Web Service 和RPC 等方式。

應(yīng)用層是平臺應(yīng)用的集合，實(shí)現(xiàn)一系列的業(yè)務(wù)邏輯，通過界面組件與用戶進(jìn)行交互。應(yīng)用層通過數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)服務(wù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、計(jì)算、處理和分析，形成應(yīng)用場景為用戶提供可視化呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程控制、智能提示和分析決策等。應(yīng)用層也支持多種形態(tài)的產(chǎn)品，如：移動應(yīng)用APP、電腦端軟件、嵌入式應(yīng)用。

3 平臺應(yīng)用系統(tǒng)

基于平臺總體架構(gòu)、遵循以人為本和使用方便簡單的原則，設(shè)計(jì)和開發(fā)面向果園管理者的應(yīng)用系統(tǒng)，以移動應(yīng)用APP 和電腦端軟件的方式來提供。果園管理者通過手機(jī)安裝APP 就能掌握果園的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施控制、智能預(yù)警和農(nóng)事指導(dǎo)等服務(wù)；電腦端軟件通過一張圖實(shí)現(xiàn)對果園的綜合管理、果園全要素的參數(shù)設(shè)置、設(shè)備設(shè)施控制和系統(tǒng)管理等。

平臺應(yīng)用系統(tǒng)包括4 個方面：①空天地一體化監(jiān)控系統(tǒng)；②精準(zhǔn)作業(yè)和自動化控制系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)服務(wù)中臺；④智慧果園應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 空天地一體化監(jiān)控系統(tǒng)

空天地一體化監(jiān)控系統(tǒng)是通過空天地一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對果園進(jìn)行全立體、全周期監(jiān)測[5]，實(shí)現(xiàn)果園各類數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時傳輸和存儲加工，將數(shù)據(jù)以統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范格式存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)中臺。

空天地一體化監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊按空間分類進(jìn)行劃分：

1）天基（遙感衛(wèi)星）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。利用遙感衛(wèi)星對大范圍內(nèi)的果園開展果園位置、果園范圍及面積測算，果園地面環(huán)境、果樹長勢、果園土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量預(yù)估等的精準(zhǔn)感知與信息獲取。遙感衛(wèi)星還能提供大范圍內(nèi)果園的精準(zhǔn)氣象監(jiān)測和農(nóng)業(yè)旱澇、高溫?zé)岷Α⒌蜏貎龊?、臺風(fēng)冰雹等災(zāi)情預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。天基監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能為大范圍果園提供精準(zhǔn)監(jiān)測。

2）空基（無人機(jī)）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。利用無人機(jī)搭載多光譜、視頻器件等設(shè)備對特定果園進(jìn)行果樹計(jì)數(shù)、果園地面環(huán)境、果樹長勢、果樹葉面、果樹病蟲害等的精準(zhǔn)感知與信息獲取[9]。無人機(jī)還能搭載農(nóng)藥對果園進(jìn)行噴灑作業(yè)，無人機(jī)的行動軌跡、噴灑農(nóng)藥量、工作時長等數(shù)據(jù)都會實(shí)時記錄?？栈O(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能為特定果園提供精準(zhǔn)監(jiān)測。

3）地基（物聯(lián)網(wǎng)）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在果園的種植區(qū)域部署一系列的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，終端通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和上傳。數(shù)據(jù)監(jiān)測終端包括：氣象站能實(shí)時監(jiān)測果園空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、太陽輻射等信息；葉面?zhèn)鞲衅髂軐?shí)時監(jiān)測葉面溫度、濕度等信息；土壤墑情能實(shí)時監(jiān)測果園不同深度的土壤溫濕度、pH 值、EC 值等信息；蟲情監(jiān)測是利用智能蟲情燈實(shí)現(xiàn)對果園蟲情發(fā)生情況的監(jiān)測；視頻監(jiān)控能實(shí)時監(jiān)測果樹長勢、果園環(huán)境及治安情況；AI 攝像頭通過結(jié)合病蟲害圖譜能對果園的病蟲害進(jìn)行實(shí)時自動識別。地基監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋果園土壤、生態(tài)環(huán)境、果樹個體及群體的立體化監(jiān)測服務(wù)，能提高果園監(jiān)測效率與數(shù)據(jù)可信度[10]。

3.2 精準(zhǔn)作業(yè)和自動化控制系統(tǒng)

精準(zhǔn)作業(yè)和自動化控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)果園農(nóng)機(jī)裝備的精準(zhǔn)作業(yè)和果園設(shè)施的自動化遠(yuǎn)程控制。

1）精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)。在果園農(nóng)機(jī)設(shè)備上安裝作業(yè)監(jiān)測終端和自動化控制組件，使農(nóng)機(jī)裝備能開展自動化、精準(zhǔn)作業(yè)。功能包括農(nóng)機(jī)裝備管理、農(nóng)機(jī)機(jī)具管理、農(nóng)機(jī)定位、農(nóng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、作業(yè)管理、作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)、作業(yè)軌跡回放、作業(yè)查詢等。

2）自動化控制系統(tǒng)。在果園的設(shè)施上安裝傳感器和自動化控制組件，使其能自動化、遠(yuǎn)程控制，設(shè)施包括灌溉系統(tǒng)、水肥一體化、蓄水池等。功能包括設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)施開啟及關(guān)閉、能耗統(tǒng)計(jì)、自動化參數(shù)設(shè)置、水肥一體化管理等。

3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)中臺

數(shù)據(jù)服務(wù)中臺主要是管理果園數(shù)據(jù)資源池和提供應(yīng)用服務(wù)開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對果園各類數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)運(yùn)營和數(shù)據(jù)共享，同時提供各類公共組件快速開發(fā)智慧果園應(yīng)用[4]。內(nèi)容包括：

1）果園數(shù)據(jù)資源池。對果園各類數(shù)據(jù)進(jìn)行集中標(biāo)準(zhǔn)化存儲和開展數(shù)據(jù)治理，形成果園數(shù)據(jù)資產(chǎn)。內(nèi)容包括果園地理環(huán)境、果園基本信息、果園區(qū)域、果樹信息、果樹長勢、果園氣象、果園墑情、果園土壤、果樹葉面、果園病蟲害、病蟲害圖譜、果園知識庫、果園遙感、無人機(jī)植保、農(nóng)機(jī)裝備、農(nóng)機(jī)作業(yè)、設(shè)施運(yùn)行、農(nóng)業(yè)資源消耗等。

2）數(shù)據(jù)服務(wù)和公共組件。采用微服務(wù)架構(gòu)對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)，注重?cái)?shù)據(jù)服務(wù)能力的可擴(kuò)展性和高可靠性，并加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性。提供常用的公共組件、農(nóng)業(yè)應(yīng)用中間件和系統(tǒng)工具，具備快速開發(fā)果園智慧化應(yīng)用的能力。

3.4 智慧果園應(yīng)用服務(wù)

智慧果園應(yīng)用服務(wù)主要是面向果園管理者，圍繞果園生產(chǎn)、管理和決策的數(shù)字化應(yīng)用[6]。內(nèi)容包括：

1）智慧果園一張圖。①通過無人機(jī)對果園進(jìn)行航拍建模，建立果園數(shù)字化模型，將果園土地資源、果園種植分區(qū)、果樹品種、果園農(nóng)機(jī)設(shè)備、果園設(shè)施、果園道路、監(jiān)測終端等進(jìn)行整編入模，實(shí)現(xiàn)果園數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)可視化展示。②將設(shè)備設(shè)施與果園數(shù)字化模型進(jìn)行深度融合，在一張圖上就能為設(shè)備規(guī)劃路線、實(shí)時瀏覽設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)軌跡、隨時控制設(shè)施的開啟和關(guān)閉，做到所見即所得。③提取果園生產(chǎn)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)指標(biāo)，建立果園數(shù)據(jù)專題，利用各類圖表、電子地圖、遙感衛(wèi)星、VR全景等方式將數(shù)據(jù)集中在一張圖上進(jìn)行展示，滿足匯報(bào)、瀏覽和管理等需要，通過一張圖就能輕松全覽果園全貌、生產(chǎn)經(jīng)營情況、資源消耗情況，進(jìn)行設(shè)備設(shè)施集中管控和應(yīng)急指揮調(diào)度。

2）智慧果園APP。為果園用戶提供移動式的果園數(shù)字化管理工具和增值服務(wù)，果園用戶通過手機(jī)就能輕松管理整個果園。內(nèi)容包括果園生產(chǎn)管理、果園物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)、設(shè)施控制、果品溯源、行業(yè)動態(tài)、果園圈、專家咨詢、病蟲害圖譜、果園知識庫、價(jià)格行情、產(chǎn)銷對接、預(yù)警預(yù)報(bào)、信息提醒等。

3）智慧果園物聯(lián)網(wǎng)。對安裝在果園的傳感器和監(jiān)控設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對采集的數(shù)據(jù)以不同的圖表方式進(jìn)行展示，數(shù)據(jù)可以按照不同時間范圍、不同維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行異常報(bào)警。

4）果園一樹一碼。對果園的果樹進(jìn)行編碼和建模，以便準(zhǔn)確定位并查找果樹的具體位置及相關(guān)信息。通過一樹一碼，可以實(shí)現(xiàn)果樹精細(xì)化管理和果樹認(rèn)領(lǐng)服務(wù)。

4 平臺應(yīng)用示范

本文所設(shè)計(jì)的空天地一體化智慧果園平臺已在廣東茂名250 畝荔枝果園成功應(yīng)用示范，通過智慧果園一張圖對荔枝果園進(jìn)行數(shù)字化建模，可直觀掌握荔枝種植區(qū)域及地塊、荔枝生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)掌上水肥一體化控制、農(nóng)機(jī)裝備位置及作業(yè)路線規(guī)劃、視頻監(jiān)控、農(nóng)事建議、預(yù)警預(yù)報(bào)等，滿足可視化管理荔枝果園的需求，如圖4 所示。通過該平臺的成功實(shí)施，解決了該果園管理粗放、無法準(zhǔn)確掌握荔枝生長情況和機(jī)械化精準(zhǔn)作業(yè)等問題。

圖4 智慧果園一張圖

5 結(jié)語

空天地一體化智慧果園平臺是一個復(fù)雜、綜合、專業(yè)的大集成系統(tǒng)，是信息技術(shù)與果園生產(chǎn)全要素結(jié)合的產(chǎn)物。平臺利用空天地一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)對果園全方位信息感知；結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、自動化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)果園設(shè)備設(shè)施的聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制；將大數(shù)據(jù)、人工智能與農(nóng)技農(nóng)藝結(jié)合構(gòu)建智慧果園大腦。該平臺的推廣應(yīng)用可以幫助傳統(tǒng)果園向智慧果園轉(zhuǎn)型升級，能節(jié)約勞動力成本和提高果園管理效率、促進(jìn)果品質(zhì)量的提升,增加果園經(jīng)濟(jì)效益。