智能傳感模塊在判斷樹木疾病診斷中的應用

摘要：隨著技術的發展，傳感器的功能越來越完善，已經運用到各行各業。樹木是城市綠色發展中的重要組成部分，具有改善生態環境等多種效能。而不健康的樹木結構會影響樹木生態與景觀功能的發揮，而且還可能威脅人民的生命與財產安全。及時調查、正確評估園林樹木的健康狀況及其潛在危險，因樹和因地制宜地采取相應的養護管理措施，不僅有助于園林樹木生態功能的發揮以及園林植物景觀的可持續發展，還可以確保樹木不會對居民、設施與財產安全構成威脅。

關鍵詞：智能傳感模塊；樹木疾??；疾病診斷

一些國家已制定明確的制度進行定期檢查，美國農業農村部林務局要求每年都要對城市樹木的安全性進行檢查；新加坡每隔18個月會由具有執業資格的園藝師對城市樹木的健康進行徹底檢查[1]。然而對于樹木疾病的檢測方面，我國的發展仍處于起步階段，大多數農林、園林、城市綠植工作者仍依賴人工，用眼睛觀察，利用經驗判斷樹木的健康情況，很多時候會出現判斷不準確、判斷不及時等問題，因而造成不必要的財產損失。本文提出一種利用智能傳感器模塊進行樹木疾病診斷的方式，將幾類傳感器綜合運用起來，可以更加智能、科學地判斷樹木的健康情況。

1 現有樹木疾病診斷情況

國外城市樹木的活力診斷有許多方法，包括葉片礦物質分析法、維管組織電阻分析法、葉綠素熒光檢測法、紅外光照相檢測法及計算機x射線斷層攝影檢測法等。然而，大多數方法僅應用于試驗中，不能廣泛應用到生產實踐中[3]。應力波、超聲波檢測和振動檢測方法是利用拾取波穿透林木的初至（即首波到時），解析波場傳播速度或頻譜NIw8+fIljAQJFo/1MmOkKQ==特征變化來確定林木內部結構特征；射線檢測法是測試射線穿透介質后場強衰減變化情況，用吸收系數表征，評價木材及木質復合材料的密度、含水率變化以及缺陷等。受樹木結構限制，所布設的數據采集觀測系統對探測分辨率及成像效果等都會有一定影響。

2 智能傳感模塊的選取與介紹

2.1 傳感模塊選取標準

傳感模塊的選取遵循物盡其用原則，根據診斷需求進行選擇。研究表明，樹木疾病與自身所處環境相互影響，因此在樹木疾病診斷中，需對樹木周邊環境進行探測，判斷樹木所處環境溫濕度等環境指標，選取溫濕度傳感模塊；對于樹木內部情況，依據啄木鳥仿生原理，對樹木進行敲擊，收集其反饋的震動數據，判斷樹木主干是否有腐蝕情況或中空情況，選擇頻率收集模塊；對于樹木表面，依據其枝葉的生長狀況、枝葉繁茂程度及顏色，判斷其是否有枝葉類疾病，選擇圖像采集模塊；綜合采集的數據信息，與健康樹木狀況進行對比，判斷其健康情況。

2.2 傳感模塊選取

2.2.1 溫濕度傳感模塊

溫度與濕度是植物生長環境中最基礎的環境因素之一，研究表明，植物的疾病會引起周邊環境的微量變化。溫濕度傳感模塊也是發展較為成熟的傳感模塊之一。在溫濕度傳感模塊的選取上，應遵循響應速度快、抗干擾能力強、高性價比的選擇標準，選取DHT11溫濕度傳感器（見圖2）。DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器（見圖3）[5]。DHT11在傳輸數據時，一次傳輸4個字節溫濕度值數據和1字節的數據校驗，其數據格式為：1B濕度整數數據+1B濕度小數數據+1B溫度整數數據+1B溫度小數數據+1B校驗[4]。

2.2.2 頻率收集模塊

根據樹木經過敲擊后反饋出的頻率，可以簡單判斷出樹木內部的健康情況。通過采集敲擊樹木之后產生的聲音信息，獲得相應的頻率特征，進行對樹木內部健康狀況的具體判斷。本研究選取max4466麥克風對聲音進行采集并放大，通過單片機adc采集將數據儲存在單片機內部，經過傅里葉變換（FFT）計算頻譜值，最后通過oled顯示屏將具體音頻數值顯示出來。將計算出的頻譜值與相應樹種的健康樹木數值進行比較，從而判斷樹木的內部健康狀況。

2.2.3 圖像采集模塊

通過外觀上的檢查、評價也能較好地反映樹木的生長狀況，樹木的許多疾病會在其外觀特征上反映出來，對其外觀圖像信息進行采集是非常必要的。前人常根據樹木的樹形、樹高、干周、枝葉比、新梢 生長量、葉色、葉面積大小等形態或外貌情況來判斷樹木的生長勢。這些都是樹木生長發育的基礎生物學指標，是樹木在每個生長階段對自然條件和栽培條件的綜合反映。樹木生長位置、樹干、樹冠損傷狀況、病蟲害狀況等也是檢查樹木健康狀況需要考慮的因素[1]。圖像采集模塊選取Open MV4 H7 R2智能攝像頭搭配MT9V034模組進行圖像采集與信息處理（表1）。

2.2.4 綜合信息處理模塊

對樹木外部、內部、周邊環境等信息進行采集之后，綜合的信息處理與對比是得出最終結果的必要過程。綜合信息處理的過程包括信息收集與整理、信息對比與概率判斷、得出結論。通過對不同樹木在不同環境以及不同病情下的環境信息、內部頻率特征以及外部圖像特征進行采集整理，得到相應的特征數據庫，以便信息采集后進行數據對比。綜合環境信息、內部頻率特征以及外部圖像特征的對比信息，以及計算得出其相應的影響水平，最后可以得出樹木的健康狀況結論，并且診斷出可能存在的疾病及隱患。

3 樹木健康評判的影響

3.1 樹木大小對評判的影響

樹木在不同樹齡與大小下體現出的對疾病的抵抗能力有所不同，測量出的數據反映其感病狀況的準確性也大不相同。成年樹木樹冠上部的凌晨水勢最低，其次是樹冠下部，林下幼樹與林窗幼樹的凌晨水勢最高且差異不顯著[2]。另外，不同樹齡以及不同大小的樹木盡心敲擊后所反饋出的聲音及頻率也有細微差別。因此在利用此方法診斷樹木疾病時需要優先判斷樹木的年齡，進行疾病診斷時應根據樹木年齡的不同與不同的數據進行對比，對比的數據需處于健康的數據庫區間內。

3.2 樹木品種對評判的影響

不同樹木品種對周邊環境的影響也有所不同，測量的同一溫濕度環境指標下，對于喜濕喜干、喜溫喜涼的不同品種樹木所給出的評判應有所不同。并且，不同品種的樹木在外觀上也有所不同，具體主要體現為樹木枝葉的特征上。樹木葉片的顏色與形狀是判斷樹木一些疾病的必要檢測標準，根據不同樹木特有的枝葉形狀與顏色，應設置不同的信息庫進行比較。

3.3 樹木位置對評判的影響

不同的位置會對樹木的生長情況有所影響，同種樹木在不同緯度生長會表現出不同的特征。并且，部分木材干縮性和濕脹性有隨緯度增加而增大的趨勢。不同的栽種位置在測量過程中也會導致測量結果有不同程度的差異。

4 智能傳感模塊在判斷樹木疾病診斷中的不足

樹木疾病的診斷需要對樹木周邊環境及自身的相關數據進行測量，智能傳感模塊的作用就是可以簡單快捷地測量出相關數值。現有傳感模塊大多發展較為完善，但在使用其進行樹木相關數據測量時，也顯示出很多弊端。利用傳感器進行樹木疾病監測的前提是準確采集數據和建立龐大的健康樹木所具有的數據特征信息庫。

首先，基于傳感器本身，樹木本身處于自然界中，周邊環境變化莫測，其中，不免出現惡劣環境，例如，高溫、粉塵、潮濕、電磁干擾等，在此環境下，部分傳感器表現出適應能力不強、反應較慢、精度不高、穩定性較差的特點。并且，在對樹木相關數據進行測量時，要求數據精度足夠高，尤其是頻率收集模塊。而同時，若想要取得足夠高的精度，其成本就會大大增加。

其次，數據庫方面，同一種樹木，需尋找不同樹齡大小、不同位置，以及不同大小年齡下患有不同疾病的樹木、不同位置下患有不同疾病的樹木等各種樣本。一種樹木的數據庫就非常龐大，需要耗費大量的時間與精力。其中不免會有少量樹木品種沒有被收錄進此數據采集基本平臺，數據庫不全面，可能會造成判斷失誤的情況。

5 展望

傳感器在樹木疾病檢測診斷方面的應用在未來會更加成熟，運用會更加廣泛。除了從溫濕度、頻率、圖像方面進行勘測，未來會增加更多方面的傳感器進行綜合使用，使得對樹木疾病的檢測更加便捷與精準。需要逐漸完善樹木數值的數據庫，增加測量樹木的品種以及同種樹木的測量位置，增加測量的樹木疾病種類，有助于準確、快速判斷出樹木是否健康，并且可以診斷出具體的疾病以及相應處理方案。

參考文獻

[1] 黎彩敏，翁殊斐，林云.園林樹木健康與安全性評價研究進展[J].廣東農業科學，2009，36（7）：186-189.

[2] 陳志成，劉暢，劉曉靜，等.光強和樹體大小對銳齒櫟樹木水、碳平衡的影響[J].林業科學，2017，53（9）：18-25.

[3] 韓明臣，李智勇，張德成.國外城市單株樹木的評估方法及管理特點[J].安徽農業科學，2011，39（16）：9620-9622+9625.

[4] 陳黔，馮志君，易向東，等.智能農業環境監測方案的設計與實現[J].福建電腦，2023，39（10）：98-101.

[5] 付文新，王洪豐.基于STM32單片機和DHT11溫濕度傳感器的溫濕度采集系統的設計與實現[J].光源與照明，2022（3）：119-121.