張勇輝，馮琦勝，梁天剛，高新華，黃曉東，孫德偉，吳安東

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 / 草種創(chuàng)新與草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)全國重點實驗室, 甘肅 蘭州 730020）

草地是一種空間分布廣闊的重要陸地生態(tài)系統(tǒng)。全球草地面積有35 億hm2，大約覆蓋26%的陸地面積[1]。據(jù)我國第一次草地資源調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，全國擁有各類天然和改良草地接近4 億 hm2，占國土總面積的41.7%，僅次于澳大利亞，位居世界第二位[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)具有提供畜牧業(yè)和植物資源產(chǎn)品、氣候調(diào)節(jié)、土壤碳積累、截留降水、侵蝕控制、廢棄物降解、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等功能[3]，在我國社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護等方面具有重要作用[4]。開展草地資源調(diào)查與監(jiān)測是動態(tài)掌握全國草地資源狀況、科學(xué)制定草原保護和建設(shè)決策、推進草原生態(tài)文明建設(shè)、促進草原合理利用的重要前提[5]。

傳統(tǒng)草地資源調(diào)查方法通常是相關(guān)專家與外業(yè)調(diào)查人員利用手持GPS (global position system)、數(shù)碼相機、樣方框以及記錄本等工具在野外現(xiàn)場進行作業(yè)，然后內(nèi)業(yè)工作人員將野外記錄、GPS 數(shù)據(jù)、數(shù)碼照片等進行文檔電子化、數(shù)據(jù)空間連接、統(tǒng)計匯總、空間制圖等，最后分析和評價區(qū)域草地資源的空間格局和時間動態(tài)[6]。隨著草地資源調(diào)查工作逐步走向信息化、專業(yè)化，傳統(tǒng)的草地資源調(diào)查方法已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前的工作需求，主要表現(xiàn)在調(diào)查流程繁瑣、工作效率較低、多人協(xié)同性較差、內(nèi)外業(yè)分離等方面，草地資源調(diào)查迫切需要新的技術(shù)手段[7]。

近年來隨著智能移動終端設(shè)備的快速發(fā)展，為智能識別等專業(yè)應(yīng)用軟件的普及和科研實踐提供了硬件支撐[7]，并在林地資源調(diào)查[8]、地質(zhì)災(zāi)害信息[9]和土地利用變化[10]信息無紙化采集等方面得到成功應(yīng)用。在草地資源調(diào)查方面，陳祖剛等[11]基于實地拍照實現(xiàn)了野外草地蓋度的自動測量。胡云鋒等[7]設(shè)計開發(fā)的草地資源信息協(xié)同采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了草地資源調(diào)查信息采集、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)同步等功能?，F(xiàn)有草地資源調(diào)查相關(guān)系統(tǒng)雖然已基本實現(xiàn)多源信息無紙化采集的匯總以及部分信息的自動獲取等功能，但與草地資源相關(guān)的很多專題信息仍然需要專業(yè)人員辨識和錄入，智能化和自動化程度較低，缺乏一套完整的草地資源外業(yè)調(diào)查監(jiān)測的數(shù)字化與智能化分析平臺。

目前我國大量草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)分散保存在不同的科研和技術(shù)推廣單位。由于思想觀念和相關(guān)制度等的影響，大多未能實現(xiàn)共享，造成草地資源信息流通與反饋受阻，草業(yè)領(lǐng)域的研究成果難以充分應(yīng)用，嚴重阻礙了我國草業(yè)科學(xué)在信息化及智能化領(lǐng)域的健康發(fā)展，限制了草地資源信息的高效共享。草地資源外業(yè)調(diào)查監(jiān)測資料包括文本、數(shù)據(jù)、視頻、圖像等多種類型的數(shù)據(jù)，是開展草地生產(chǎn)力評估、草畜動態(tài)平衡分析、草地生態(tài)健康與退化狀況評價等研究的基礎(chǔ)。數(shù)字化及智能化調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)是草業(yè)科學(xué)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)智慧化管理的重要環(huán)節(jié)。在草地資源信息管理、草原發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、草地資源的合理利用和評價等方面，迫切需要建立草地資源調(diào)查監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析平臺[12]，這對推動我國草地資源外業(yè)調(diào)查監(jiān)測的數(shù)字化與智能化發(fā)展，以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息資源的深度挖掘和共享服務(wù)具有重要作用。鑒于此，草地遙感與地理信息系統(tǒng)研究團隊利用現(xiàn)代人工智能、數(shù)據(jù)庫及移動通信等技術(shù)開發(fā)出一套草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用國內(nèi)云計算領(lǐng)先企業(yè)阿里云的云資源建設(shè)，可根據(jù)峰值訪問情況動態(tài)調(diào)配硬件資源。主要包括Web 端的草地資源監(jiān)測與智能分析系統(tǒng)和移動端的“草伴侶”App 兩部分。其中，草地外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的采集由移動端App 實現(xiàn)，調(diào)查數(shù)據(jù)的管理與分析通過Web 端實現(xiàn)。草地資源數(shù)據(jù)采集共享平臺是該系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)功能模塊。該模塊包括用戶管理、外業(yè)調(diào)查、地圖數(shù)據(jù)展示、知識庫等。模塊支持Web 端和移動端App 訪問，根據(jù)終端特性和業(yè)務(wù)側(cè)重點不同，功能會有所不同。數(shù)據(jù)備份模塊是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，基于人工智能技術(shù)的草地植被及牧草植物智能識別與分析模塊是該系統(tǒng)實現(xiàn)智能化和自動化的關(guān)鍵模塊(圖1)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖Figure 1 System design

1.1 草地類型及牧草植物物種快速識別與智能分析

引入人工智能技術(shù)開展草地調(diào)查工作，主要負責(zé)圖像識別和智能分析計算等任務(wù)。包括草地類型診斷、牧草植物物種識別、草地蓋度分析、草地生物量估算、植物多度與頻度智能分析等功能。

草地類型與牧草植物物種的智能識別?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural networks, CNN)技術(shù)，對草地類型或牧草植物進行簡單地拍照或提供圖片即可快速準確地提供識別結(jié)果，供相關(guān)草地工作者對草地類型進行識別辨認，方便外業(yè)工作。并集成在草地調(diào)查與智能分析系統(tǒng)平臺中提供自動化識別服務(wù)。

草地關(guān)鍵生物物理指標的智能分析?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對無人機(unmanned aerial vehicle,UAV) (如DJI 系列UAV 等)、傳統(tǒng)相機、智能手機和Pad 等移動設(shè)備拍攝的樣地或樣方正射圖像進行蓋度評估、植物多度與頻度分析以及生物量的實時計算。對無法通過單一手段獲取的數(shù)據(jù)(如草高等)，可采用人工等輔助手段進行必要的補充。根據(jù)草地資源調(diào)查實際需要，上述智能識別與分析算法支持在沒有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下離線運行，并實時保存在移動端設(shè)備，在有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下動態(tài)上傳至服務(wù)器端。

1.2 草地外業(yè)調(diào)查App

草地外業(yè)調(diào)查App“草伴侶”是實現(xiàn)草地資源地面調(diào)查全流程數(shù)字化與智能化作業(yè)的工具軟件，提供用戶注冊登錄、調(diào)查作業(yè)管理、樣地和樣方管理、調(diào)查數(shù)據(jù)錄入、智能識別、智能分析以及調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和展示等功能。

2 系統(tǒng)功能

2.1 主要功能

在使用該系統(tǒng)平臺前，用戶可通過電腦瀏覽器進入“草地資源監(jiān)測與智能分析系統(tǒng)”平臺(訪問網(wǎng)址：https://herbs.aiplants.cn/)。使用手機號注冊賬戶，并提交系統(tǒng)由管理員分配外業(yè)調(diào)查權(quán)限。完成注冊后登錄進入平臺首頁，獲取“草伴侶”App 安裝包。安裝完成后可使用該系統(tǒng)?？傮w上，該系統(tǒng)可實現(xiàn)以下4 個方面的重要功能：

調(diào)查任務(wù)規(guī)劃與分解。草地外業(yè)調(diào)查的任務(wù)規(guī)劃與分解主要在Web 端實現(xiàn)。外業(yè)調(diào)查項目負責(zé)人可對需要調(diào)查的區(qū)域以項目的調(diào)查方式進行管理，具體包括對項目的創(chuàng)建、修改、刪除、查詢以及對調(diào)查樣地、樣方的創(chuàng)建等操作，使調(diào)查工作數(shù)量化，以方便基于基礎(chǔ)地理地圖的樣地、樣方定位和規(guī)劃管理。根據(jù)調(diào)查工作的量化數(shù)據(jù)，負責(zé)人可指定樣地、樣方的調(diào)查人員或小組，形成任務(wù)列表；同時，為方便草地資源調(diào)查、加強信息管理、共享與利用，系統(tǒng)根據(jù)不同調(diào)查需求，預(yù)置了多種樣地、樣方模板供用戶選擇。

圖像采集與智能分析。通過系統(tǒng)平臺或移動端設(shè)備，可基于用戶拍攝或上傳的圖片，進行草地類型、牧草植物種類的快速判識，實時提供識別結(jié)果。同樣，系統(tǒng)可通過拍照或上傳圖片的方式提供準確的草地蓋度、植物多度與頻度、草地生物量等關(guān)鍵生物物理指標的智能分析結(jié)果，輔助相關(guān)科研工作者進行外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。Web 端可利用簡易無人機、手機或相機拍攝的圖片完成草地類型、牧草植物的識別以及草地生物量的估算、草地蓋度的分析、草地植物多度與頻度等信息的快速計算。

專業(yè)數(shù)據(jù)錄入及動態(tài)傳輸。外業(yè)調(diào)查人員可利用“草伴侶”App 快速記錄樣地、樣方的景觀、海拔、經(jīng)緯度、地貌、土壤、植被等信息，其中大部分信息在填寫時使用選項的方式獲取文本、數(shù)值信息，避免用戶鍵入大量文字。系統(tǒng)可調(diào)用內(nèi)嵌的人工智能模塊進行樣方蓋度估算與植物種類的智能識別，輔助外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的錄入，并可通過移動設(shè)備位置定位功能對樣地經(jīng)度、緯度、太陽高度角等基本信息自動計算與錄入，提高外業(yè)調(diào)查的工作效率。同時，系統(tǒng)可實現(xiàn)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸。外業(yè)調(diào)查人員使用“草伴侶”App 采集的信息可快速同步至Web 端，同時可實現(xiàn)同一外業(yè)調(diào)查團隊成員之間的多人協(xié)同作業(yè)和數(shù)據(jù)共享。若遇到某些調(diào)查區(qū)域沒有網(wǎng)絡(luò)的情況，“草伴侶”App 可將數(shù)據(jù)保存在移動設(shè)備中，等待設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)后完成數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)庫自動構(gòu)建與數(shù)據(jù)處理分析。外業(yè)調(diào)查團隊采集的調(diào)查數(shù)據(jù)完成同步后，系統(tǒng)可自動匯總數(shù)據(jù)、構(gòu)建調(diào)查項目數(shù)據(jù)庫并完成數(shù)據(jù)的處理與分析，最終以圖表的形式展示。同時，這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)還能以Excel 文件格式導(dǎo)出，導(dǎo)出字段包括：樣地數(shù)據(jù)匯總、樣方數(shù)據(jù)匯總、物種信息匯總，以及景觀照片、樣方照片和植物照片匯總等。

通過以上主要功能，可以實現(xiàn)草地資源外業(yè)調(diào)查的全流程數(shù)字化作業(yè)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析。圖2 是利用該系統(tǒng)平臺開展草地資源外業(yè)調(diào)查的流程圖。

圖2 外業(yè)調(diào)查流程圖Figure 2 Flow chart of the field survey

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型的草地類型診斷和草地植物識別

隨著算法的提升和圖形處理單元(graphics processing unit, GPU)計算能力的發(fā)展以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不斷豐富，使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)對于圖像的識別準確度大幅提升，這一技術(shù)目前已經(jīng)成為主流的圖像識別方法[13-17]。與傳統(tǒng)的圖像識別方法相比，基于CNN 的圖像識別不需要對目標圖像進行特征的人工描述和提取，而是按照某種分類模型通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自主地從訓(xùn)練樣本中學(xué)習(xí)特征，并且這些特征與分類器關(guān)系緊密，可以很好地解決人工提取特征和分類器選擇的問題，從而實現(xiàn)了分類識別問題真正的智能化。因此，該系統(tǒng)平臺基于CNN 的分類模型，根據(jù)草地類型、草地植物知識庫和圖像庫，可以實現(xiàn)對照片的快速識別分析，反饋結(jié)果可以輔助相關(guān)草地工作者對草地類型和植物種類(圖3)進行辨識。

圖3 草地類型診斷和草地植物識別Figure 3 Grass-type diagnosis and grassland species recognition

3.2 基于CNN 分割模型的草地蓋度計算

圖像分割與圖像識別有很大的不同，圖像識別任務(wù)是依據(jù)圖像包含的目標將圖像準確地歸于某一類，不需要標注出圖像中的目標位置，而圖像分割任務(wù)主要是把圖像中的目標、背景等不同區(qū)域位置準確的標注出來[18]。CNN 同樣被廣泛地用于圖像分割，通過某種分割算法利用其多層結(jié)構(gòu)在大量樣本中自動提取出圖像不同層次的、具有區(qū)別性的特征，這些特征與人工設(shè)計并提取的底層特征相比更具有效性和魯棒性。因此，該系統(tǒng)平臺基于CNN的分割模型可以通過拍照或圖片對草地蓋度提供準確的分析，輔助相關(guān)草地工作者對草地蓋度進行自動化計算、錄入和統(tǒng)計(圖4)。

圖4 草地蓋度分析Figure 4 Grassland coverage analysis

3.3 基于高度和蓋度的草地地上生物量估算

目前草地生物量的研究方法主要為直接收獲法，這種方法不僅費時費力，還容易破壞脆弱的草地生態(tài)系統(tǒng)，并且無法實現(xiàn)連續(xù)觀測。而利用草地植被群落中容易測定的變量及其同地上生物量的相關(guān)關(guān)系建立回歸模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對草地地上生物量快速、準確且無破壞的估算。該系統(tǒng)采用基于植被蓋度和高度構(gòu)建的反演模型，可以快速估算草地的地上生物量[19]。為了提高草地地上生物量的反演精度，針對我國不同區(qū)域草地的特點，該系統(tǒng)提供了不同分區(qū)的草地地上生物量反演模型(圖5)。

4 討論

草地資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖象識別和圖像分割、數(shù)據(jù)庫及移動通信等技術(shù)，實現(xiàn)了草地資源外業(yè)調(diào)查的數(shù)字化作業(yè)和相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析。與傳統(tǒng)的人工外業(yè)調(diào)查相比，該系統(tǒng)在Web 端能夠?qū)崿F(xiàn)草地外業(yè)調(diào)查的任務(wù)規(guī)劃與分解，在 “草伴侶”App 端提供實時AI 輔助分析功能，解決了外業(yè)流程繁瑣、多人協(xié)同性差、內(nèi)外業(yè)分離，以及數(shù)據(jù)共享難的問題，從而顯著提高外業(yè)調(diào)查的工作效率，減少內(nèi)業(yè)工作量。該系統(tǒng)的推廣使用能推動草原外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的廣泛交流、深度挖掘和應(yīng)用，可為大范圍的草地資源調(diào)查提供基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐。

為了更好地評價該系統(tǒng)的應(yīng)用性能，對比現(xiàn)有的外業(yè)調(diào)查與記錄軟件和系統(tǒng)功能，包括由中國科學(xué)院昆明植物研究所開發(fā)的“生命觀察”App(Biotracks)、無錫維樂彩智科技有限公司開發(fā)的田野調(diào)查數(shù)據(jù)采集軟件數(shù)圖，及由北京青遠生態(tài)環(huán)境有限公司研發(fā)的“北極花”生物調(diào)查App。上述軟件或系統(tǒng)均有較為完善的圖像識別、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析等功能，然而對于草原區(qū)域的外業(yè)調(diào)查而言，草地資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)因其具有大量天然草地植物圖像數(shù)據(jù)庫而更具優(yōu)勢。基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理相關(guān)模型通常需要大量數(shù)據(jù)來進行訓(xùn)練以保證模型的識別精度。該系統(tǒng)主要用戶群為草原工作者，系統(tǒng)會在用戶使用的過程中收集所上傳的圖片對數(shù)據(jù)庫進行擴充，定期對模型進行優(yōu)化以提高識別和分析的精度，同時避免模型的過擬合，以提供更準確智能分析。同時，該系統(tǒng)的智能分析模塊除了植物圖像識別外還設(shè)計了更多與草業(yè)相關(guān)的分析，如草地類型識別、草地蓋度分析、草地生物量估算等對于草原調(diào)查更具針對性的功能。此外，該系統(tǒng)在規(guī)劃調(diào)查任務(wù)階段還提供了較多適合草原外業(yè)調(diào)查的模板，用戶也可以根據(jù)需求自由設(shè)計外業(yè)調(diào)查流程，相較于上述對比的軟件而言具有更高的自由度。

然而該系統(tǒng)也具有局限性，相比于“生命觀察”和“北極花”App 中較為完善的離線記錄功能，“草伴侶”在外業(yè)調(diào)查過程中不支持在用戶離線狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)記錄，因此該軟件的使用范圍受到一定的限制。在未來的系統(tǒng)優(yōu)化中，將考慮加入離線記錄的功能，通過提供分區(qū)域的離線地圖包使用戶在沒有信號的區(qū)域也能夠記錄經(jīng)緯度等相關(guān)數(shù)據(jù)，使軟件的適用范圍更廣，進一步提高本系統(tǒng)的實用性。

5 結(jié)論

本文介紹的草地資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)草地資源外業(yè)調(diào)查的全流程數(shù)字化作業(yè)和相關(guān)數(shù)據(jù)的智能分析，可為大范圍的草地資源調(diào)查提供基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐，以推進我國數(shù)字草業(yè)及智慧草業(yè)的發(fā)展。