人工智能辅助种植策略对温室草莓生产调控效果对比研究.pdf

2022 年6 月 第4 卷 第2 期 Jun 2022 Vol 4 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 人 工 智 能 辅 助 种 植 策 略 对 温 室 草 莓 生 产 调 控 效 果 对 比 研 究 耿 闻 轩 1 赵 俊 晔 1 阮 继 伟 2 侯 跃 辉 3 1 中 国 农 业 科 学 院 农 业 信 息 研 究 所 农 业 部 农 业 信 息 技 术 重 点 实 验 室 北 京 1 0 0 0 8 1 2 云 南 省 农 业 科 学 院 花 卉 研 究 所 云 南 昆 明 6 5 0 2 0 5 3 云 南 省 元 江 县 农 业 技 术 推 广 服 务 中 心 云 南 元 江 6 5 3 3 0 0 摘 要 人 工 智 能 A r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e A I 辅 助 种 植 有 助 于 提 高 设 施 园 艺 作 物 精 准 化 管 理 水 平 缓 解 日 益 凸 显 的 劳 动 力 紧 缺 问 题 草 莓 是 典 型 的 劳 动 密 集 型 园 艺 作 物 研 究 对 比 采 用 不 同 A I 种 植 策 略 和 关 键 技 术 对 草 莓 温 室 生 产 的 调 控 效 果 可 对 园 艺 作 物 种 植 的 A I 技 术 改 进 和 产 业 化 应 用 提 供 参 考 本 研 究 对 比 分 析 了 4 个 不 同 A I 种 植 策 略 对 草 莓 生 长 发 育 和 产 量 及 品 质 的 调 控 效 果 并 以 人 工 种 植 管 理 为 参 照 对 A I 种 植 的 技 术 特 点 和 存 在 问 题 进 行 了 分 析 结 果 表 明 知 识 图 谱 深 度 学 习 视 觉 识 别 作 物 模 型 和 作 物 生 长 仿 真 器 等 技 术 在 草 莓 A I 种 植 中 各 有 优 势 其 中 A I 1 组 采 用 知 识 图 谱 技 术 将 专 家 经 验 作 物 数 据 和 环 境 数 据 进 行 融 合 建 立 了 标 准 化 草 莓 种 植 知 识 结 构 和 智 慧 种 植 决 策 方 法 对 作 物 生 产 发 育 的 调 控 较 为 稳 健 以 较 低 的 投 入 获 得 了 最 高 产 值 与 人 工 种 植 管 理 相 比 A I 种 植 策 略 组 的 平 均 产 量 提 高 了 1 6 6 倍 平 均 产 值 提 高 了 1 8 2 倍 最 高 投 入 产 投 比 提 高 了 1 2 7 倍 针 对 高 产 优 质 的 目 标 在 配 备 较 完 善 的 智 能 化 设 备 和 控 制 组 件 的 温 室 生 产 条 件 下 A I 辅 助 种 植 能 有 效 提 高 草 莓 种 植 管 控 的 精 准 度 减 少 水 肥 和 劳 动 力 的 投 入 获 得 较 高 的 收 益 但 也 存 在 对 人 工 管 理 扰 动 的 模 拟 难 作 物 本 体 信 息 采 集 难 等 问 题 关 键 词 人 工 智 能 草 莓 种 植 策 略 调 控 效 果 自 动 化 温 室 知 识 图 谱 中 图 分 类 号 S 6 2 5 5 1 S 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 S A 2 0 2 2 0 3 0 0 6 引 用 格 式 耿 闻 轩 赵 俊 晔 阮 继 伟 侯 跃 辉 人 工 智 能 辅 助 种 植 策 略 对 温 室 草 莓 生 产 调 控 效 果 对 比 研 究 J 智 慧 农 业 中 英 文 2022 4 2 183 193 GENGWenxuan ZHAO Junye RUAN Jiwei HOUYuehui Comparative study of the regulation effects of artificial intelligence assisted planting strategies on strawberry production in greenhouse J Smart Agriculture 2022 4 2 183 193 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 中 国 是 世 界 草 莓 第 一 生 产 大 国 和 消 费 大 国 年 产 量 超 过300 万 吨 占 世 界 总 产 量 的50 以 上 1 在 生 产 方 式 上 中 国 草 莓 已 经 基 本 由 传 统 的 露 地 栽 培 转 变 为 设 施 栽 培 其 中 半 促 成 栽 培 和 促 成 栽 培 都 占 较 大 的 比 重 目 前 南 方 产 区 草 莓 大 棚 逐 渐 向 连 栋 大 棚 的 方 向 发 展 北 方 产 区 新 一 代 日 光 温 室 正 逐 渐 取 代 传 统 日 光 温 室 2 伴 随 设 doi 10 12133 j smartag SA202203006 收 稿 日 期 2022 03 08 基 金 项 目 中 国 农 业 科 学 院 农 业 信 息 研 究 所 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 JBYW AII 2021 15 国 家 自 然 科 学 基 金 31601243 云 南 省 技 术 创 新 人 才 培 养 对 象 2018HB116 作 者 简 介 耿 闻 轩 1996 女 博 士 研 究 生 研 究 方 向 为 农 业 数 字 化 E mail wenxuangeng 通 信 作 者 1 赵 俊 晔 1978 女 博 士 研 究 员 研 究 方 向 为 农 业 数 字 化 转 型 作 物 栽 培 生 理 E mail zhaojunye 2 阮 继 伟 1978 男 博 士 研 究 员 研 究 方 向 为 园 艺 作 物 遗 传 育 种 与 栽 培 技 术 E mail rjw Vol 4 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 施 条 件 的 改 善 远 程 环 境 监 测 水 肥 一 体 化 等 技 术 已 成 为 草 莓 设 施 生 产 的 常 规 配 置 1 但 由 于 草 莓 植 株 矮 小 生 长 量 大 易 染 病 对 温 度 湿 度 光 照 要 求 较 高 生 产 管 理 过 程 中 人 工 成 本 很 高 且 常 因 栽 培 管 理 技 术 粗 放 缺 乏 标 准 化 栽 培 模 式 导 致 植 株 长 势 较 差 畸 形 果 多 病 虫 害 严 重 生 产 水 平 仍 与 发 达 国 家 存 在 差 距 3 近 年 来 机 器 学 习 专 家 系 统 等 人 工 智 能 技 术 在 农 业 中 加 快 研 究 和 应 用 在 提 高 精 细 化 管 理 水 平 缓 解 劳 动 力 紧 缺 等 方 面 被 寄 予 厚 望 草 莓 作 为 劳 动 密 集 型 产 业 的 典 型 代 表 对 智 能 化 技 术 的 应 用 需 求 也 日 渐 迫 切 信 息 技 术 在 设 施 园 艺 作 物 生 产 管 理 中 的 应 用 可 以 追 溯 到 上 世 纪80 年 代 逐 渐 由 传 统 的 数 据 库 发 展 为 可 以 解 决 复 杂 问 题 的 决 策 支 持 系 统 4 人 工 智 能 在 作 物 病 害 识 别 自 动 灌 溉 自 动 化 采 摘 产 量 预 测 等 方 面 已 经 有 较 多 的 研 究 近 几 年 人 工 智 能 技 术 在 草 莓 种 植 中 也 逐 渐 发 展 应 用 特 别 是 图 像 识 别 技 术 在 病 虫 害 识 别 和 果 实 识 别 方 面 进 展 较 快 以 卷 积 神 经 网 络 Convolu tional Neural Networks CNN 为 主 的 深 度 网 络 技 术 早 期 病 害 识 别 效 率 高 保 证 了 草 莓 病 害 分 类 的 准 确 性 5 7 YOLOv4 DCNN IoT Edge 等 技 术 的 综 合 运 用 能 够 有 效 提 高 草 莓 果 实 识 别 速 度 减 少 机 械 采 摘 过 程 中 由 于 定 位 不 准 确 而 造 成 的 果 实 损 伤 8 10 人 工 智 能 远 程 作 物 管 理 也 成 为 新 的 研 究 热 点 温 室 气 候 模 型 和 作 物 模 型 通 过 模 拟 和 预 测 温 室 环 境 和 作 物 生 长 提 供 不 同 生 长 条 件 下 的 植 株 长 势 信 息 和 实 现 特 定 生 产 目 标 的 环 境 调 控 信 息 为 智 慧 种 植 决 策 提 供 支 持 模 型 结 合 传 感 器 和 机 器 学 习 可 以 实 现 温 室 作 物 生 产 的 自 动 化 控 制 目 前 在 黄 瓜 番 茄 甜 椒 等 作 物 的 产 量 和 品 质 调 控 方 面 得 到 了 成 功 验 证 11 13 然 而 人 工 智 能 在 温 室 作 物 生 产 控 制 中 的 应 用 仍 然 有 限 关 于 草 莓 智 能 化 种 植 整 体 策 略 及 对 草 莓 生 产 综 合 调 控 的 研 究 也 鲜 有 报 道 本 研 究 对4 种 不 同 的 草 莓 人 工 智 能 Artifi cial Intelligence AI 辅 助 种 植 策 略 的 技 术 选 择 和 实 施 效 果 进 行 了 对 比 并 以 人 工 种 植 管 理 为 参 照 分 析 了 不 同AI 种 植 策 略 对 草 莓 生 产 的 调 控 效 果 以 期 为AI 种 植 草 莓 的 策 略 和 技 术 选 择 提 供 必 要 参 考 为 草 莓 数 字 化 种 植 技 术 改 进 提 供 思 路 2 材 料 和 方 法 2 1 试 验 环 境 2 1 1 试 验 地 点 和 作 物 草 莓 种 植 地 点 为 云 南 省 昆 明 市 富 民 县 国 家 高 原 云 果 产 业 园 25 2082 N 102 5737 E 草 莓 品 种 选 用 章 姬 其 具 有 生 长 势 强 结 果 早 坐 果 率 高 果 形 大 糖 度 高 等 特 性 于2020 年6 月20 日 至7 月19 日 对 营 养 钵 苗 进 行 短 日 照 催 花 处 理 7 月20 日 定 植 12 月 底 基 本 完 成 三 个 花 序 的 采 收 与 常 年 相 比 2020 年 种 植 期 间 气 温 和 降 水 量 基 本 在 正 常 范 围 无 较 大 波 动 2 1 2 温 室 结 构 和 设 备 本 研 究 包 括1 个AI 种 植 策 略 组 和1 个 对 照 组 AI 种 植 策 略 组 包 含4 种AI 种 植 处 理 分 别 以AI 1 AI 2 AI 3 和AI 4 表 示 人 工 种 植 作 为 对 照 组 以CK 表 示 AI 种 植 策 略 组 所 用 玻 璃 日 光 温 室 面 积 为96 m 2 12 m 8 m 配 备 荷 兰 骑 士 集 团 生 产 的 施 肥 灌 溉 开 关 窗 通 风 和 遮 阳 等 智 能 控 制 系 统 和 环 境 传 感 器 来 采 集 温 室 内 外 的 温 湿 度 CO 2 浓 度 风 速 风 向 大 气 压 光 照 和 光 合 辐 射 等 数 据 通 过 萤 石 云 摄 像 头 远 程 采 集 植 株 生 长 图 像 数 据 镜 头 分 辨 率 为1920 1080 温 室 内 设6 条 立 架 式 栽 培 槽 每 条 栽 培 槽 内 定 植 100 株 草 莓 采 用 泥 炭 和 珍 珠 岩 混 合 物 体 积 比 为8 2 作 为 栽 培 基 质 另 AI 2 处 理 额 外 添 加 了 光 合 有 效 辐 射 传 感 器 茎 粗 和 叶 片 厚 度 传 感 器 以 及 种 植 槽 水 含 量 和EC 传 感 器 以 上 设 施 设 备 均 可 以 自 动 控 制 和 远 程 操 控 CK 组 所 用 传 统 钢 架 拱 棚 面 积 为96 m 2 12 m 8 m 每 个 温 室 内 设6 条 落 地 种 植 槽 每 个 种 植 槽 定 植100 株 草 莓 栽 培 基 质 同AI 策 略 组 配 套 设 施 有 风 机 遮 阳 网 防 虫 网 水 泵 硫 磺 熏 蒸 器 滴 灌 软 管 定 1 8 4耿 闻 轩 等 人 工 智 能 辅 助 种 植 策 略 对 温 室 草 莓 生 产 调 控 效 果 对 比 研 究 Vol 4 No 2 比 施 肥 器 温 湿 度 计 EC 测 量 仪 和pH 测 量 仪 CK 组 设 施 和 设 备 均 需 手 动 操 作 不 能 进 行 自 动 控 制 和 远 程 操 控 2 2 A I 种 植 策 略 AI 种 植 策 略 组 进 行 草 莓 种 植 管 理 的 基 本 流 程 一 致 利 用 环 境 传 感 器 实 时 监 测 采 集 温 室 内 外 的 气 温 湿 度 CO 2 浓 度 以 及 基 质 温 度 EC 值 等 环 境 信 息 利 用 摄 像 头 等 实 时 采 集 作 物 生 长 的 图 像 信 息 并 将 收 集 到 的 环 境 和 作 物 信 息 数 据 经 过 AI 决 策 系 统 的 处 理 结 合 专 家 经 验 形 成 对 生 产 管 理 的 决 策 然 后 通 过 控 制 组 件 对 水 肥 药 和 光 照 温 度 空 气 等 温 室 环 境 因 子 进 行 远 程 控 制 和 调 节 在 此 基 础 上 AI 种 植 策 略 组4 个 处 理 分 别 采 用 了 个 性 化 的 AI 种 植 策 略 和 技 术 方 案 表1 2 3 作 物 生 产 管 理 方 式 AI 种 植 策 略 组 作 物 生 产 管 理 分 为 远 程 管 理 和 现 场 管 理 两 部 分 远 程 管 理 指 通 过AI 智 能 决 策 系 统 远 程 操 控 温 室 控 制 组 件 实 施 灌 溉 施 肥 遮 光 补 光 和 通 风 等 具 体 操 作 对 温 室 环 境 和 作 物 生 长 进 行 干 预 现 场 管 理 指 通 过 人 工 开 展 的 辅 助 操 作 具 体 包 括 摘 除 老 叶 疏 花 疏 果 和 果 实 采 摘 CK 组 生 产 管 理 均 采 用 人 工 操 作 包 括 开 关 棚 遮 阳 水 肥 调 控 病 虫 害 防 控 以 及 疏 花 疏 果 等 在 出 现 植 株 缺 素 或 养 分 胁 迫 时 根 据 种 植 经 验 调 整 水 肥 配 比 调 节pH 和EC 值 田 间 植 保 和 植 株 管 理 参 照 当 地 通 用 管 理 措 施 24 AI 种 植 策 略 组 和CK 组 的 果 实 在 成 熟 期 采 用 相 同 的 标 准 采 摘 测 定 产 量 和 品 质 2 4 生 长 发 育 指 标 测 定 每 两 周 测 量 记 录AI 种 植 策 略 组 作 物 茎 粗 叶 片 数 叶 长 和 叶 宽 等 生 长 指 标 的 变 化 包 括 用 数 显 游 标 卡 尺 测 定 植 株 缩 短 茎 直 径 统 计 叶 片 数 用 直 尺 测 量 各 单 株 最 新 完 全 展 开 叶 的 长 度 和 宽 度 观 测 记 录AI 种 植 策 略 组 各 处 理 第 一 花 序 第 二 花 序 和 第 三 花 序 开 花 时 间 表 1 草 莓 A I 种 植 策 略 和 技 术 方 案 Table1 Artificialintelligenceplantingstrategyandtechnicalprotocolsofstrawberry 处 理 AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 主 要 特 点 知 识 图 谱 视 觉 识 别 作 物 模 型 温 室 番 茄 种 植 模 式 迁 移 双 层 算 法 视 觉 识 别 作 物 模 型 专 家 系 统 作 物 生 长 模 型 发 育 模 型 技 术 策 略 和 实 施 过 程 结 合 草 莓 生 长 模 型 和 视 觉 识 别 通 过 知 识 推 理 14 的 方 法 实 现 温 室 管 理 决 策 以 达 到 产 量 最 优 的 目 标 首 先 将 所 调 研 的 10 位 专 家 种 植 经 验 和 环 境 及 作 物 传 感 器 数 据 翻 译 成 计 算 机 语 言 构 建 基 于Neo4j 的 草 莓 种 植 管 理 知 识 图 谱 15 然 后 利 用 作 物 水 肥 模 型 和 温 室 气 候 模 型 分 析 草 莓 植 株 的 营 养 生 长 和 生 殖 生 长 过 程 由 路 径 排 序 算 法 16 根 据 知 识 图 谱 模 拟 专 家 进 行 决 策 其 中 机 器 视 觉 识 别 主 要 针 对 作 物 来 源 数 据 采 用YOLOv4 神 经 网 络 多 特 征 融 合 法 17 实 现 草 莓 生 育 期 吐 水 情 况 花 序 和 果 实 的 识 别 通 过 与 潜 在 作 物 长 势 对 比 的 生 长 偏 差 为 知 识 图 谱 决 策 提 供 依 据 将 荷 兰 温 室 番 茄 的 智 能 种 植 模 式 11 18 迁 移 到 草 莓 种 植 通 过 改 良 后 的 机 器 学 习 和 条 件 控 制 算 法 制 定 智 能 种 植 管 理 策 略 并 引 入 深 度 学 习 处 理 作 物 图 像 信 息 数 据 预 测 和 判 断 作 物 生 长 发 育 情 况 12 19 采 用 双 层 算 法 第 一 层 算 法 是 条 件 决 策 主 要 是 根 据 专 家 经 验 设 定 阈 值 防 止 极 端 决 策 越 过 不 合 理 界 限 第 二 层 是 融 合 产 量 预 测 决 策 和 设 定 值 优 化 决 策 的 混 合 决 策 其 中 产 量 预 测 是 基 于 大 数 据 通 过 机 器 学 习 制 定 的 决 策 设 定 值 优 化 决 策 是 基 于 传 统 植 物 生 理 模 型 和 专 家 经 验 的 决 策 将 作 物 生 长 仿 真 器SUCROS87 20 应 用 于 草 莓 潜 在 产 量 预 测 计 算 得 出 在 本 试 验 条 件 下 每 株 草 莓 在 盛 果 期 每 天 最 多 可 形 成1 6 g 干 物 质 通 过 与 实 际 干 物 质 量 对 比 为 管 理 调 控 提 供 参 考 基 于 比 叶 面 积 Specific LeafArea SLA 构 建 了 WOFOST WorldFoodStudies 21 作 物 生 长 模 型 预 测 草 莓 产 量 结 合 视 觉 识 别 对 比 潜 在 长 势 和 实 际 长 势 由 专 家 系 统 提 供 种 植 策 略 其 中 利 用CNN 构 建 了 图 像 识 别 系 统 通 过 加 入 残 差 模 块 减 少 复 杂 农 业 背 景 的 干 扰 实 现 自 动 单 叶 分 割 叶 面 积 测 算 的 目 的 基 于 作 物 干 物 质 生 产 分 配 规 律 和 辐 热 积 Product ofThermal Effectiveness and PhotosynthesisActive Radiation TEP 构 建 草 莓 生 长 发 育 模 型 22 23 对 作 物 生 长 和 产 量 形 成 进 行 预 测 和 干 预 草 莓 干 物 质 生 产 模 型 主 要 包 括 叶 面 积 指 数 模 型 光 能 截 获 模 型 和 干 物 质 分 配 指 数 模 型 用 于 既 定 水 肥 条 件 下 的 产 量 预 测 辐 热 积 参 数 的 计 算 依 据 主 要 是 基 于 三 基 点 温 度 的 相 对 热 效 应 和 光 合 有 效 辐 射 通 过 作 物 生 长 模 型 和 发 育 模 型 自 动 控 制 相 应 发 育 期 的 水 分 和 肥 料 并 根 据 作 物 实 际 长 势 调 节 辐 热 积 参 数 推 迟 或 者 加 快 生 育 进 程 1 8 5Vol 4 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 2 5 产 量 和 品 质 测 定 2 5 1 产 量 测 定 将 2 0 2 0 年 9 月 1 0 日 至 1 1 月 3 0 日 采 收 的 第 一 和 第 二 花 序 的 草 莓 果 实 记 入 产 量 采 用 随 机 抽 样 法 测 定 产 量 每 3 4 天 测 产 一 次 在 每 个 温 室 中 间 的 4 条 种 植 槽 中 随 机 抽 取 连 续 的 2 0 株 作 为 测 产 对 象 共 计 8 0 株 植 株 样 本 所 采 集 的 熟 果 需 满 足 单 果 重 1 0 g 以 上 果 形 周 正 无 病 虫 害 具 有 商 品 价 值 产 量 评 价 采 取 分 级 评 价 方 式 将 符 合 要 求 的 果 实 分 为 A 级 3 0 g B 级 2 1 3 0 g C 级 1 6 2 0 g D 级 1 0 1 5 g 四 个 级 别 分 级 产 量 为 样 本 植 株 不 同 级 别 平 均 单 果 重 与 植 株 总 数 的 乘 积 总 产 量 为 A D 级 分 级 产 量 的 总 和 2 5 2 品 质 测 定 以 果 实 甜 度 作 为 品 质 衡 量 指 标 每 次 果 实 采 收 完 成 产 量 测 定 后 随 机 取10 个 果 实 分 别 从 果 实 中 部 横 切 挤 压 出 果 汁 滴 于 便 携 式 分 光 光 度 计 型 号PAL 1 日 本 东 京Atago 公 司 测 定 果 实 可 溶 性 固 形 物 含 量 计 算10 个 重 复 的 平 均 值 记 为 果 实 可 溶 性 固 形 物 含 量 表 征 果 实 甜 度 2 6 经 济 性 分 析 经 济 性 分 析 是 对 各 组 投 入 产 出 比 和 净 收 益 的 量 化 评 价 仅 以 现 场 数 据 作 为 核 算 标 准 流 通 环 节 的 成 本 不 计 入 总 收 益 根 据 往 年 云 南 省 批 发 市 场 草 莓 鲜 果 行 情 分 级 分 段 计 算 成 本 是 各 组 在 种 植 期 间 使 用 的 设 施 设 备 等 固 定 成 本 和 生 产 投 入 的 总 和 固 定 成 本 主 要 包 含 温 室 使 用 成 本 2 0 0 6 元 m 2 设 施 成 本 和 管 理 成 本 生 产 投 入 包 括 人 工 维 护 费 用 基 础 农 药 肥 料 水 电 费 用 以 及 新 增 设 施 和 生 产 资 料 的 投 入 水 价 和 电 价 分 别 按 照 4 2 0 元 t 和 1 0 0 元 k W h 计 算 因 A I 种 植 策 略 组 委 托 专 家 团 队 进 行 日 常 温 室 农 事 管 理 维 护 费 用 按 照 2 0 0 元 株 额 定 计 算 所 需 的 额 外 人 工 劳 动 按 照 1 4 0 0 元 h 累 计 核 算 化 肥 农 药 等 农 资 投 入 也 作 为 额 定 成 本 进 行 核 算 额 外 添 加 的 农 资 和 设 备 单 独 核 算 计 入 成 本 净 利 润 即 总 收 益 减 去 固 定 成 本 和 生 产 投 入 后 的 差 值 投 入 产 出 比 即 净 利 润 与 投 资 总 额 的 比 值 3 结 果 与 分 析 3 1 不 同 A I 种 植 处 理 草 莓 生 长 发 育 差 异 3 1 1 茎 粗 茎 粗 是 反 映 作 物 长 势 的 重 要 指 标 由 图1 可 知 草 莓 定 植 后AI 1 的 植 株 茎 粗 一 直 保 持 稳 定 增 长 AI 4 的 植 株 茎 粗 在 定 植 后72 d 内 缓 慢 增 长 之 后 呈 稳 定 增 粗 的 态 势 AI 2 和AI 3 定 植 后59d 内 茎 粗 稳 定 增 长 72d 左 右 打 老 叶 前 后 茎 粗 显 著 变 小 之 后 恢 复 较 快 增 长 从 定 植 后17 59 d AI 4 茎 粗 显 著 小 于 其 他 各 处 理 定 植72 d 后 AI 3 的 茎 粗 显 著 小 于 其 他 各 处 理 3 1 2 叶 片 数 叶 片 是 植 物 进 行 光 合 作 用 的 主 要 器 官 图2 显 示 了7 月20 日 至11 月 中 旬 草 莓 单 株 叶 片 数 的 动 态 变 化 定 植35d 时 各 组 草 莓 单 株 平 均 叶 片 数 集 中 在4 5 片 左 右 之 后 各 组 呈 现 不 同 的 动 态 变 化 AI 1 叶 片 数 在 前 期 增 幅 较 小 定 植80d 后 快 速 增 加 在98 d 达 到 峰 值9 35 片 株 显 著 高 于 其 他 各 组 AI 2 叶 片 数 量 在 定 植56d 之 前 为 各 组 最 高 定 植66 d 打 掉 老 叶 后 跌 至4 片 左 右 之 后 较 快 回 升 定 植 后98d 的 叶 片 数 仅 次 于AI 1 之 后 略 有 增 加 AI 3 叶 片 数 量 变 化 趋 势 与AI 2 相 近 但 作 物 生 长 期 内 比AI 2 约 少1 个 叶 片 AI 4 叶 片 数 量 自 定 植 后35d 起 持 续 稳 定 增 加 较 其 他 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 20 00 17 31 45 59 72 86 100 114 128 茎粗 mm 定植后天数 d AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 图1 草 莓 定 植 后 茎 粗 动 态 变 化 Fig 1 Dynamicchangesofthestemdiameterofstrawberry afterfieldplanting 1 8 6耿 闻 轩 等 人 工 智 能 辅 助 种 植 策 略 对 温 室 草 莓 生 产 调 控 效 果 对 比 研 究 Vol 4 No 2 组 波 动 小 3 1 3 叶 长 和 叶 宽 叶 面 积 的 大 小 直 接 影 响 光 合 作 用 的 强 弱 与 果 实 产 量 密 切 相 关 如 图3 所 示 AI 2 叶 长 和 叶 宽 在 定 植 后16 31 d 迅 速 增 大 一 直 到 定 植 后 99d 都 维 持 较 高 值 之 后 波 动 减 小 AI 1 变 化 趋 势 与AI 2 相 近 但 叶 长 和 叶 宽 值 较 小 AI 3 定 植 后 叶 长 和 叶 宽 迅 速 增 大 在 定 植44d 达 到 峰 值 后 不 断 下 降 定 植77 d 后 一 直 显 著 低 于 其 他 组 AI 4 前 期 叶 片 生 长 缓 慢 定 植58d 后 叶 长 和 叶 宽 迅 速 扩 大 定 植 后113 d 左 右 达 到 顶 峰 显 著 高 于 其 他 各 组 3 1 4 草 莓 生 长 发 育 调 控 效 果 分 析 根 据 作 物 茎 叶 相 关 指 标 的 动 态 变 化 AI 1 的 植 株 长 势 相 对 稳 健 该 处 理 综 合 运 用 知 识 图 谱 和 视 觉 识 别 将 叶 片 吐 水 情 况 作 为 表 征 作 物 水 分 需 求 状 况 的 重 要 指 标 并 纳 入 机 器 视 觉 识 别 的 范 围 实 现 作 物 数 据 的 有 效 采 集 和 处 理 并 利 用 作 物 水 肥 模 型 及 时 调 整 水 肥 供 给 该 处 理 茎 粗 波 动 小 叶 片 数 较 多 叶 长 和 叶 宽 值 较 高 且 相 对 稳 定 有 利 于 产 生 更 多 光 合 产 物 AI 2 处 理 主 要 通 过 机 器 学 习 和 条 件 控 制 算 法 制 定 种 植 策 略 对 营 养 生 长 的 调 控 以 减 少 胁 迫 为 主 要 目 标 依 靠 作 物 模 型 和 专 家 意 见 来 避 免 极 端 决 策 茎 粗 叶 片 数 和 叶 长 叶 宽 等 指 标 相 对 较 高 由 于 温 室 番 茄 的 智 能 种 植 模 式 不 能 与 草 莓 生 长 完 全 匹 配 导 致 植 株 生 长 发 育 波 动 较 大 AI 3 处 理 利 用CNN 高 残 差 网 络 图 像 识 别 系 统 实 现 对 叶 面 积 的 高 效 识 别 据 此 进 行 温 湿 调 控 植 株 前 期 长 势 旺 盛 后 期 长 势 偏 弱 不 利 于 植 株 进 行 光 合 作 用 其 原 因 可 能 是 简 化 的 作 物 生 长 仿 真 器 未 能 实 现 对 作 物 养 分 需 求 的 模 拟 和 预 测 导 致 后 期 调 控 精 准 度 下 降 AI 4 处 理 在 作 物 生 长 前 期 通 过 开 窗 通 风 等 措 施 降 低 环 境 温 度 通 过 减 少 辐 热 积 推 迟 生 育 期 导 致 前 期 茎 粗 和 叶 片 长 势 偏 弱 中 后 期 根 据 长 势 调 节 辅 热 积 参 数 加 快 了 植 株 生 育 进 程 水 分 和 肥 料 供 给 较 为 充 足 植 株 长 势 趋 强 0 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 0 6 35 45 56 66 80 98 119 叶片数 个 定植后天数 d AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 图2 草 莓 定 植 后 叶 片 数 的 动 态 变 化 Fig 2 Dynamicchangesofstrawberryleavenumbersafter fieldplanting a 叶 片 长 度 变 化 b 叶 片 宽 度 变 化 图3 草 莓 定 植 后 叶 片 长 度 和 宽 度 的 变 化 Fig 3 Dynamicchangesoftheleaflengthandwidthofstrawberryafterfieldplanting 1 8 7Vol 4 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 3 2 不 同 A I 种 植 处 理 草 莓 开 花 时 期 差 异 草 莓 各 级 花 序 开 花 时 间 的 早 晚 和 整 齐 程 度 部 分 反 映 了AI 种 植 策 略 对 营 养 生 长 向 生 殖 生 长 转 变 调 控 的 效 果 表2 显 示 了 各AI 种 植 策 略 处 理 第 一 第 二 和 第 三 花 序 开 花 时 期 的 分 布 以 半 个 月 为 期 数 值 代 表 了 不 同 时 间 段 内 各 组 植 株 的 开 花 率 整 体 来 看 AI 1 AI 2 和AI 3 处 理 绝 大 部 分 植 株 在 定 植 后27 43d 完 成 了 第 一 花 序 开 花 在 定 植 后74 104 d 完 成 了 第 二 花 序 开 花 花 期 较 为 集 中 两 次 花 序 的 间 隔 期 较 长 调 控 效 果 较 好 AI 4 处 理 前 期 通 过 降 低 温 室 内 温 度 减 少 辅 热 积 推 迟 了 第 一 花 序 后 期 通 过 增 加 辅 热 积 和 水 肥 供 给 加 快 生 育 进 程 第 二 花 序 和 第 三 花 序 比 其 他 处 理 提 前 导 致 第 一 花 序 和 第 二 花 序 花 期 间 隔 短 重 叠 度 大 3 3 不 同 A I 种 植 处 理 草 莓 果 实 采 摘 时 期 的 差 异 草 莓 果 实 采 摘 期 与 花 期 的 调 控 效 果 密 切 相 关 表3 显 示 了AI 种 植 策 略 组 各 处 理 果 实 采 摘 期 的 分 布 AI 1 AI 2 和AI 3 组 采 摘 期 基 本 集 中 在 定 植 后63 73 d 和105 134 d 74 104 d 期 间 产 量 较 低 AI 1 处 理 通 过 调 控 花 期 使 果 实 采 摘 期 明 显 推 迟 约65 40 的 果 实 集 中 在105 134 d 完 成 采 摘 平 均 单 果 重 由13 30 g 增 加 至16 20 g AI 2 处 理 的 采 摘 期 相 对 提 前 定 植 后63 73d 采 摘 果 实 的 个 数 最 多 产 量 占 其 总 产 量 的63 28 但 单 果 重 显 著 低 于 其 他 各 组 AI 3 处 理 的 果 实 采 摘 均 匀 分 布 在 定 植 后63 73d 和105 134d AI 4 处 理 第 一 花 序 果 实 成 熟 期 晚 于 其 他 三 组 集 中 在 定 植 后74 104 d 采 摘 平 均 单 果 重 显 著 高 于 其 他 三 组 第 二 花 序 果 实 集 中 在 定 植 后105 134 d 采 摘 平 均 单 果 重 为 四 组 中 最 低 其 原 因 主 要 是 该 组 调 控 推 迟 了 第 一 花 序 开 花 干 物 质 积 累 相 对 充 足 提 高 了 单 果 重 后 期 通 过 增 加 辅 热 积 加 快 生 育 进 程 第 二 花 序 提 前 但 干 物 质 积 累 相 对 不 足 同 时 第 三 花 序 开 花 提 前 与 第 二 花 序 果 实 产 量 形 成 期 有 重 叠 影 响 果 实 发 育 和 成 熟 表 2 A I 种 植 策 略 组 草 莓 花 序 分 化 时 期 分 布 Table2 InflorescencedifferentiationperioddistributionofstrawberryinAIplantinggroups 单 位 定 植 后 天 数 d 12 26 27 43 44 58 59 73 74 88 89 104 105 119 120 134 第 一 花 序 AI 1 1 25 97 50 1 250 AI 2 13 92 86 08 AI 3 5 00 91 25 1 25 2 50 AI 4 20 83 52 78 23 61 2 78 第 二 花 序 AI 1 5 00 5 00 3 75 51 25 32 50 2 50 AI 2 6 41 1 28 29 40 57 69 5 13 AI 3 3 90 1 30 28 57 63 64 2 60 AI 4 3 90 11 69 50 65 22 08 6 49 5 19 第 三 花 序 AI 1 2 50 5 00 20 00 50 00 AI 2 1 27 5 06 21 52 18 99 AI 3 2 56 21 79 73 08 AI 4 6 49 3 90 59 74 24 68 表 3 A I 种 植 策 略 组 草 莓 果 实 采 摘 时 期 分 布 Table3 HarvestingperioddistributionofstrawberryinAI plantinggroups 处 理 AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 定 植 后 天 数 d 63 73 74 104 105 134 63 73 74 104 105 134 63 73 74 104 105 134 63 73 74 104 105 134 产 量 个 177 15 363 274 4 155 309 5 259 78 97 265 平 均 单 果 质 量 g 13 3 13 3 16 2 12 0 11 7 14 3 12 5 11 5 14 1 12 8 14 5 13 1 1 8 8耿 闻 轩 等 人 工 智 能 辅 助 种 植 策 略