基于大數(shù)據(jù)的“智慧”高效日光在溫室蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

鄭慧敏 王麗輝

摘? 要：當(dāng)前，數(shù)字化技術(shù)正在引領(lǐng)農(nóng)村農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化，吉林的家庭農(nóng)場、小農(nóng)戶溫室的蔬菜種植引入基于大數(shù)據(jù)的“智慧”高效日光。在日光溫室中，采集了大量蔬菜環(huán)境數(shù)據(jù)及生長期間的數(shù)據(jù)。在相同條件下，通過監(jiān)控蔬菜的生長過程以及對(duì)病蟲害的精準(zhǔn)預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了可控的施肥與生物防治任務(wù)，降低了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)成本，推進(jìn)了“數(shù)字吉林”的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：日光溫室；高效日光；數(shù)字吉林

中圖分類號(hào)：TP39? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0151-05

Abstract： At present， digital technology is leading rural agriculture to modernization. Jilin's family farms and small farmers' greenhouses introduce “smart” efficient sunlight based on big data. In the sunlight greenhouse， we collected a large number of vegetable environmental data and data during the growth period. Under the same conditions， through monitoring the growth process of vegetables and accurate prediction of diseases and insect pests， controllable fertilization and biological control tasks have been achieved， production costs and labor costs have been reduced， and the realization of “digital Jilin” has been promoted.

Keywords： sunlight greenhouse; efficient sunlight; digital Jilin

0? 引? 言

我國是農(nóng)業(yè)大國，改革浪潮正大力推動(dòng)并支持農(nóng)業(yè)“走出去”戰(zhàn)略。2020年，我國蔬菜產(chǎn)量達(dá)74 912.9萬噸，吉林蔬菜種植面積在全國范圍占較大比例，隨著綠色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，蔬菜種植成為現(xiàn)代城市新熱點(diǎn)，發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。吉林正在利用地理優(yōu)勢大力發(fā)展蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品出口，需要大力發(fā)展先進(jìn)的溫室大棚設(shè)計(jì)和科學(xué)化管理。吉林蔬菜大棚的種植歷來以大水大肥的傳統(tǒng)管理模式為主，這種管理模式造成種植成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、種植的產(chǎn)品存在品質(zhì)良莠不齊等問題。另外以產(chǎn)量為本的種植理念，種植過程中水肥的施用效率低下，農(nóng)藥的施加量有增無減，不僅造成土壤負(fù)擔(dān)，產(chǎn)品品質(zhì)及安全也無法保障。因此，在未來蔬菜種植發(fā)展道路上，如何降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)成本，提高蔬菜品質(zhì)及產(chǎn)品安全顯得尤為迫切。

由于吉林冬季溫度較低，溫室大棚也多由塑料大棚轉(zhuǎn)為節(jié)能型日光溫室。日光溫室主要利用白天獲得的太陽輻射能，通過日光溫室墻體的材料在白天充分蓄熱，夜間釋放熱量補(bǔ)充溫室所需熱能，從而可以維持室內(nèi)溫度。大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)日光溫室的蔬菜生長環(huán)境信息、蔬菜生長期間的自然信息進(jìn)行分析處理，優(yōu)化日光溫室的管理，改進(jìn)蔬菜的生產(chǎn)模式，為蔬菜生長期提供多元化和精準(zhǔn)的技術(shù)指導(dǎo)，可提升蔬菜產(chǎn)量和質(zhì)量，不僅可降低農(nóng)民的體力成本，還可增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。在日光溫室種植蔬菜的過程中融入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)振興吉林農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)打造新的思路。“數(shù)據(jù)吉林”是吉林省新的發(fā)展戰(zhàn)略，“智慧溫室”可實(shí)現(xiàn)吉林農(nóng)業(yè)從農(nóng)業(yè)大省發(fā)展成為農(nóng)業(yè)強(qiáng)省的夢想。重點(diǎn)發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推廣與應(yīng)用[2]。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集大量日光溫室的相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)日光溫室蔬菜種植方式和技術(shù)進(jìn)行研究分析，每種蔬菜在日光溫室有不同的生長特殊性，我們對(duì)不同種類的蔬菜進(jìn)行了有針對(duì)性的數(shù)據(jù)模型化建設(shè)，利用種植模型實(shí)現(xiàn)溫濕度、需水量、日照時(shí)間、土壤營養(yǎng)和進(jìn)行合理施肥和科學(xué)種植，實(shí)現(xiàn)人為種植和科技種植的統(tǒng)一[3]。可提升溫室蔬菜的種植質(zhì)量和產(chǎn)量，優(yōu)化其種植效果，降低勞動(dòng)成本，體現(xiàn)了新技術(shù)創(chuàng)新的日光溫室蔬菜種植。

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院的日光溫室，目前已配有卷簾電機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等機(jī)械化環(huán)境控制設(shè)備和各種類別的傳感器，每一天的日光溫室都有大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，我們的研究圍繞日光溫室環(huán)境的大量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、傳輸、管理及應(yīng)用。通過使用大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，從生長監(jiān)控、科學(xué)有效的施肥控制、精準(zhǔn)預(yù)測病蟲害的發(fā)生等角度為管理者的決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，有助于進(jìn)一步提升蔬菜的產(chǎn)量，科學(xué)控制蔬菜的施肥并最大限度地減少農(nóng)藥殘留，為農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展奠定基礎(chǔ)，這是我國今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的環(huán)境控制及規(guī)范、科學(xué)、高效的管理蔬菜生長過程是本項(xiàng)目解決的關(guān)鍵問題。

1? 蔬菜生長監(jiān)控

日光溫室配備了一系列傳感器，用于收集蔬菜種植過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)和生長數(shù)據(jù)。環(huán)境數(shù)據(jù)有蔬菜生長過程中的日光溫室每天可接收的太陽光照情況，溫室內(nèi)溫濕度及CO2狀態(tài)、蔬菜生長土壤的EC值和pH酸堿度等。收集作物生長的數(shù)據(jù)信息，如葉片溫濕度、葉面積、莖稈和果實(shí)的微變參數(shù)，徑流等[4]。通過傳感器和對(duì)植株采集的數(shù)據(jù)，記錄了植株生長過程中溫室內(nèi)白天和夜間溫度、環(huán)境濕度、土壤情況等對(duì)蔬菜生長的影響。利用各種類別的傳感器收集到蔬菜生長期間全程的環(huán)境數(shù)據(jù)和自然數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)記錄了環(huán)境與蔬菜生長的關(guān)系，我們通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得真實(shí)的蔬菜生長環(huán)境與蔬菜生長的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，為后續(xù)的蔬菜種植管理提供更精準(zhǔn)的理論依據(jù)。如表1所示。

通過表1蔬菜生長狀況數(shù)據(jù)分析，根據(jù)植物的生長狀況、日光溫室內(nèi)的環(huán)境情況采用多元回歸分析、隨機(jī)森林算法進(jìn)行預(yù)測，在物聯(lián)網(wǎng)的支持下，可以控制并預(yù)測植物生長的健康程度。圖1、圖2是團(tuán)隊(duì)收集蔬菜生長過程中白天溫度以及空氣相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)分析圖，圖3、圖4是植株生長期植株高度及葉片數(shù)的數(shù)據(jù)檢測圖。

2? 蔬菜生長過程監(jiān)控施肥

在蔬菜的生長過程中，日光溫室的傳感器在蔬菜的生長過程中采集土壤相對(duì)濕度變化值、土壤的EC變化值和PH變化值、土壤中微量元素等。圖5、圖6是蔬菜生長過程中，土壤的EC變化值和pH酸堿度變化值的數(shù)據(jù)分析圖。采集蔬菜信息如植株高度、葉片數(shù)及果實(shí)的變化，依據(jù)植物的生長狀況、日光溫室內(nèi)的環(huán)境情況，通過對(duì)大數(shù)據(jù)的篩選、用建立的模型公式進(jìn)行運(yùn)算，依據(jù)蒸散量、蔬菜生長過程中株高、葉片數(shù)、目標(biāo)產(chǎn)量等多維度數(shù)據(jù)、蔬菜每天對(duì)水和肥量的需求等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，判斷需要施肥開始和終止的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，預(yù)測植物生長的健康程度。采用時(shí)間序列、并通過線性回歸預(yù)測出近一段時(shí)間蔬菜需水量、需各種肥量的數(shù)據(jù)，如需要施肥，根據(jù)土壤中所需要的營養(yǎng)元素，進(jìn)行靈活的肥料配置，以有缺補(bǔ)缺為原則，補(bǔ)充土壤所需元素，基于智能化管理可以對(duì)作物進(jìn)行極高頻次灌溉和施肥，智能化環(huán)境管理和栽培管理，降低勞動(dòng)成本并防止肥料的過度使用。為了保障蔬菜的質(zhì)量，避免因化肥的使用不當(dāng)對(duì)蔬菜造成不利的影響[5]，保證蔬菜的正常營養(yǎng)，針對(duì)土壤性質(zhì)和濕度檢測以及酸堿性控制的方式提升種植質(zhì)量。表2是土壤EC和pH酸堿度隨時(shí)間變化的線性回歸預(yù)測。表中設(shè)計(jì)了蔬菜在生長過程中每天的需水量和需肥量，通過對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，從而推測出近幾天蔬菜的需水需肥量，對(duì)作物進(jìn)行精準(zhǔn)化水肥管理決策。

3? 蔬菜生長過程的生物防治與精準(zhǔn)預(yù)測病蟲害

蔬菜的生長過程病蟲害的發(fā)生和流行與種植環(huán)境參數(shù)關(guān)系密切，病蟲害的出現(xiàn)需要一定的環(huán)境因素。通過采集大量蔬菜生長時(shí)期高密度的環(huán)境信息，經(jīng)過我們的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)分析，可以預(yù)測出不同種類蔬菜在生長的不同時(shí)期病蟲害發(fā)生臨界點(diǎn)，提示要采取適當(dāng)?shù)纳锓乐翁幚泶胧┳柚共∠x害的發(fā)生和流行，指導(dǎo)種植人員及時(shí)采取措施。如開啟通風(fēng)除濕系統(tǒng)、增加或減少光照，實(shí)現(xiàn)蔬菜生長過程中綠色防控的目標(biāo)。參考這些因素，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則Apriori算法、決策樹算法預(yù)測病蟲情況，表3是預(yù)測病蟲情況分析挖掘所需指標(biāo)及預(yù)測目標(biāo)，對(duì)蔬菜的病蟲害及時(shí)做出預(yù)警；農(nóng)民也能根據(jù)實(shí)時(shí)情況采取有效應(yīng)對(duì)措施，最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失[6]。

以草莓易染病為例，數(shù)據(jù)建模基于草莓被病蟲害侵染的過程，通過對(duì)草莓生長期的環(huán)境數(shù)據(jù)、植株的狀態(tài)數(shù)據(jù)分析草莓被侵染、病蟲害傳播及大范圍流行進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可計(jì)算并預(yù)測出草莓病蟲害發(fā)生的臨界點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)的篩選和分析，可以精準(zhǔn)預(yù)測草莓病蟲害的發(fā)生規(guī)律，如圖7所示，工作人員可以依據(jù)預(yù)警信息，做到病蟲害的及時(shí)預(yù)防并阻止病害發(fā)生和流行，實(shí)現(xiàn)草莓的綠色防控并提供精準(zhǔn)決策。這樣可以最大程度地避免草莓因病蟲害的產(chǎn)生而造成減產(chǎn)。課題組創(chuàng)建了關(guān)于草莓病蟲害的數(shù)據(jù)庫，可以幫助并指導(dǎo)農(nóng)戶實(shí)現(xiàn)草莓的綠色防控。這樣一來，農(nóng)民能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與災(zāi)害之間存在的關(guān)系，達(dá)到減災(zāi)的最終目的[7]。更進(jìn)一步，以草莓為例，在不影響作物生長的前提下進(jìn)行環(huán)境干預(yù)，可以減少農(nóng)藥使用、減少農(nóng)藥殘留、降低勞動(dòng)成本，提高經(jīng)濟(jì)收益。

4? 結(jié)? 論

通過大數(shù)據(jù)對(duì)日光溫室進(jìn)行土壤、蔬菜自然數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境等進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，根據(jù)作物和環(huán)境實(shí)時(shí)情況，可以實(shí)現(xiàn)蔬菜生長過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在蔬菜生長期間通過土壤相對(duì)濕度變化值、土壤中微量元素等進(jìn)行精準(zhǔn)的水肥管理，通過建立不同蔬菜病蟲害數(shù)字模型，幫助種植戶了解蔬菜病蟲害發(fā)生的環(huán)境條件，達(dá)到蔬菜生長期間的全程大數(shù)據(jù)管理，取代以往現(xiàn)場人工植保模式。日光溫室在大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)的支撐下，可以實(shí)現(xiàn)吉林全年的大規(guī)模蔬菜種植，為吉林鄉(xiāng)村振興、“數(shù)字吉林”注入新動(dòng)力。

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作者簡介：鄭慧敏（2002.12—），女，漢族，河南周口人，本科在讀，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程、網(wǎng)絡(luò)安全；通訊作者：王麗輝（1972.04—），女，漢族，吉林九臺(tái)人，講師，碩士，研究方向：Web開發(fā)、大數(shù)據(jù)技術(shù)。