中藥材空-天-地立體監測平臺的頂層設計與應用

劉金艷 曹柏松 唐芙蓉

關鍵詞：中藥材種植；立體監測；遙感衛星；無人機；地面傳感器組

0引言

中藥材認可度在國內外的日益增加，人們對于中藥材的需求也隨之升高。中藥材的生長環境對其質量和功效有著重要影響，因此對中藥材生長環境進行監測具有重要意義。國家高度重視中醫藥行業的發展，對于中藥種植行業也有相關政策指導，提到要規范中藥材種植，促進中藥材行業的高質量發展。而中藥材的質量也影響著人民的身體健康。但傳統的監測方法面臨無法及時獲得全面信息、數據采集成本高、環境要求較高等問題。中藥材空-天-地立體監測平臺，能夠完成對中藥材種植過程中的監測，實現實時、全面、遠程監測中藥材生長環境，幫助藥農規范化種植、保證中藥材質量、提高種植效率，促進中藥材種植生產轉型。立體監測平臺能夠響應國家政策，滿足人民需求。因此，中藥材空-天-地立體監測平臺的頂層設計與應用具有重要應用價值。

關于中藥材種植方面，宋善敏等人[1]分析了在遙感技術的支持下在貴州中藥材種植的發展前景；史婷婷等人[2]則是以海南白沙黎族自治縣細水鄉為研究地，提出了對無人機在裸花紫珠的監測的研究；景志賢等人[3]探討了無人機在中藥領域的應用；Brovkina等人[4]采用無人機監測成功應用于云杉和銀杉的分離，用來鑒定樹木類別；Tetila等人[5]在大豆種植區，利用圖像來跟蹤大豆葉面病害。隨著中藥材在國際上認可度逐漸提升，需求量也在慢慢提高，因此立體監測中藥材種植的設計與應用有著較大發展潛力和重要性。中醫藥是中國傳統文化的體現之一，通過立體監測中藥材種植的設計與應用，可以提高進一步提高中醫藥的國際競爭力。

1中藥材空-天-地立體監測的頂層設計

通過對立體監測平臺整體的框架設計，中藥材空-天-地立體監測平臺能夠實現對藥田的全面監測，進行整體分析，整體框架設計圖如圖1所示，分為數據采集層、數據傳輸層、數據處理層和反饋層。

中藥材空-天-地立體監測的頂層設計中，系統架構設計原則應當包含統一性原則、模塊化設計、分層次設計和穩定性四個方面的內容，確保系統在不同空間和時間尺度上進行監測時能夠統一管理和操作，讓系統更加清晰、合理。

2系統功能分析

中藥材空-天-地立體監測系統的功能需求主要包含藥田監測、中藥材生長狀態監測、中藥材品質評估、病蟲害預警、監測數據集成與分析和立體監測平臺構建，為中藥材的種植提供全面數據支持，進而實現中藥材的增產降本，推動中藥材產業的可持續發展。

3空-天-地立體監測平臺的關鍵技術

基于無人機遙感和衛星遙感技術，以遙感衛星、5G無人機和地面傳感器組為核心，集精準化、實時化和智能化為一體，將人工智能、物聯網技術和中醫藥現代技術相融合，建立空-天-地立體監測平臺，為傳統中醫藥種植賦能，提供精準化種植和可視化管理，以擴大中藥材產量、提高中藥材質量，進而充分發揮信息化對鄉村振興的驅動作用，提升農村現代化水平。

中藥材空-天-地立體監測的頂層設計主要是為了實現對中藥材種植過程的全面監測，通過對獲取的數據進行全面分析[6]。立體監測平臺的構成如圖2所示。

3.1遙感在中藥材空-天-地立體監測中的應用

旱情是中藥材種植的重要影響因素，在缺乏充足水分下中藥材難以實現健康、正常生長，而監測干旱情況也是遙感技術的一種重要應用。因此中藥材種植可以借助遙感衛星，對藥田進行監測，結合算法庫，利用微波遙感技術實現對藥田土壤的含水量進行全方位的監測，能夠獲得較好的精準度。評估藥田環境的旱情對于中藥材的種植十分重要，但需要將具體中藥材生長的水分需求與旱情結合分析[7]。利用遙感技術進行旱情監測時，可以針對不同區域的旱情進行反饋，進而完成對土壤水分狀況的評估，分析中藥材的受旱情況，幫助藥農及時為藥田澆水，為中藥材構建一個合適的生長環境，從而提高中藥材的品質。

借助遙感衛星能夠實現對中藥材的長勢監測。長勢監測分為過程監測與實時監測[8]，分別是從生長全過程監測與階段性對比的監測，來對中藥材的長勢進行監測。一般包含長勢參數選擇、長勢指標構建、長勢指標標定三個方面的監測方法。遙感監測主要利用反演的作物參數實現對中藥材長勢的監測，如歸一化植被指數和葉面積指數。通過監測中藥材光譜特征變化，利用可見光波段和近紅外波段的強吸收與強反射光譜特征等敏感波段組合生成的指數信息，反映中藥材的長勢，以幫助藥農及時掌握中藥材的生長狀況，如圖3所示。

將遙感衛星與現代地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS）相結合，對遙感數據與藥田詳細信息進行統一分析，建立中藥材種植地的空間數據庫，實現對中藥材種植地的精確定位和立體監測。

立體監測平臺涉及遙感衛星的數據傳輸，為了提高檢測效率和準確性，主要解決傳統數據傳輸方式在中藥材種植監測中的問題，如傳輸速度慢、數據量大等。需要選擇合適的傳輸方式和網絡架構，以確保數據能夠及時傳回。同時還需要考慮數據傳輸的安全性，采用相關加密手段，以確保數據能夠安全完整的傳回。

3.2無人機在中藥材空-天-地立體監測中的應用

5G結合無人機采用不同帶寬部分分頻接入，地面區域和天空區域采用不同的BWP資源，減少空地間的干擾，以更好地完成中藥材生長情況及病蟲害的監測。通過搭載攝像設備，對藥田進行圖像信息捕捉[9]，利用影像反演得到的中藥材葉面積指數、葉片生物量等長勢參數，將獲取到的歸一化植被指數等信息與藥田的實測數據相結合[10]，將各田塊圖像數據整合后，對中藥材生長狀況進行對比分析，進行藥田指標計算與分析，通過中藥材自身散發的熱量，對中藥材的長勢情況進行分析。利用無人機搭載監控系統能夠實現對大面積藥田的監控，且無人機成本較低，可以減少成本投入。

無人機可以通過目標識別、目標分割等技術對藥田內的雜草和病蟲害進行識別。通過無人機的高視角，基于可見光與多光譜圖像實現田間雜草的識別，以快速發現藥田內的異常生長情況。無人機搭載包含藍、紅、綠近紅外波段的多光譜相機，獲取高分辨率圖像，利用多層感知器識別中藥材，并將其實時傳回監測系統內。利用中藥材與雜草中波段的差異信息[11]以及區域內存在的其他物質，進行分類識別，以便藥農可以及時采取措施進行防治，為中藥材提供一個良好的生長環境，進而可以提高中藥材的產量和質量，如圖4所示。

立體監測平臺無人機涉及的數據傳輸主要解決傳輸數據速度慢、傳輸數據量大等問題，為了使藥田近地側的相關監測數據能夠安全傳回，需要設計一個穩定、安全且高效的傳輸通路，以提高監測效率和準確性。

3.3傳感器組在中藥材空-天-地立體監測中的應用

地面傳感器組可以很好地監測遙感衛星及無人機無法監測到的土壤信息，同時利用傳感器獲取的信息，將無人機與遙感衛星傳回的反演信息進行校正，以獲得更準確的數據。

傳感器是實現中藥材空-天-地立體監測的關鍵設備，傳感器的布置設計是確保監測系統能夠準確、全面地獲取中藥材種植環境的重要任務。需要針對中藥材種植的不同特點和需求，選擇不同類型的傳感器。根據中藥材的生長特點和環境要求，可以使用土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器等多種類型的傳感器。氣體傳感器能夠通過監測空氣中的氧氣、二氧化碳等指標，溫濕度傳感器用于監測中藥材土壤中的溫度、濕度和土壤pH值變化，實時收集中藥材的生長環境參數，使藥農能夠實時了解中藥材的生長情況，便于及時做出措施，使中藥材生長環境更適宜。攝像頭傳感器對中藥材的生長狀態進行實時記錄，將圖像數據進行分析處理后，對中藥材的生長情況進行評估，提前發現病害問題，保證中藥材的茁壯生長。葉面溫濕度傳感器用于監測中藥材葉面的溫濕度，這實現了對中藥材葉片生長環境的精準監測，在某種程度上也能夠達到預防病蟲害的目的[12]?；跓o線傳感網絡組建氣象傳感網絡，完成各節點數據的采集，然后再進行匯聚轉發，實現對氣象信息的實時采集。通過將不同類型傳感器的組合，盡可能獲得更加全面的信息，幫助藥農進一步了解中藥材的生長環境，如圖5所示。

另外需要對傳感器的位置進行合理規劃。傳感器的位置需要考慮到中藥材生長的特點。同時，傳感器之間應避免相互干擾，從而保證不會干擾傳感器的正常工作。傳感器監測到的數據通過無線或有線網絡進行傳輸，數據的傳輸和管理需要充分考慮中藥材種植的需求，確保實時監測數據的及時性和可靠性。

4結束語

通過對中藥材的種植過程進行分析，發現傳統種植方式存在許多改進和提升空間。本文探討了關于中藥材空-天-地立體監測平臺的頂層設計。從“空-天-地”三個角度獲取藥田的詳細數據，利用監測數據判斷中藥材的生長情況，對過程中病蟲害的發生進行預警。將收集的數據進行整合分析，實現對藥田的監測。通過這個平臺，藥農可以實時了解中藥材的生長狀態，當出現生長環境改變時能及時做出相關措施，保證藥材產量與品質。

在未來可以進一步完善中藥材空-天-地立體監測的頂層設計，通過探索更多的技術，結合相關物聯網硬件提高監測的準確度。對平臺內的數據處理方法和分析方法進行優化，引入相關人工智能技術，實現自動化處理，得出更科學的種植措施。將中藥材種植與其他領域結合，跨學科合作，讓立體監測平臺變得更加完善。