曹課興
(榆林學(xué)院 陜西省榆林市 719000)
馬鈴薯作為我國重要糧食之一,種植面積較大,分布在貴州、西北、內(nèi)蒙古、東北地區(qū)等多個(gè)省市(自治區(qū))。雖然該農(nóng)作物種植面積較大,但是平均單產(chǎn)不是很高,低于世界平均水平,據(jù)統(tǒng)計(jì),單產(chǎn)15406kg/hm。由于馬鈴薯農(nóng)作物生長期間容易受環(huán)境因素影響,導(dǎo)致產(chǎn)量下降。其中,病害較為嚴(yán)重、傳播比較廣的病害為馬鈴薯晚疫病,這種病屬于氣候型病害。為了盡可能降低病害對馬鈴薯造成過大影響,我國提出將數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用至病害監(jiān)測中,開發(fā)病害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),對防治工作的開展幫助較大。由于馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)時(shí)間比較短,功能尚不全面,晚疫病侵染分析不深入,病害監(jiān)測實(shí)時(shí)性薄弱。為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,本文嘗試采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測馬鈴薯晚疫病,設(shè)計(jì)一套物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。
馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警模型(CARAH 模型)是一種適用于田間小氣候病害監(jiān)測預(yù)警工具,在馬鈴薯晚疫病監(jiān)測中有所應(yīng)用,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),得到了一些關(guān)于此病狀診斷的數(shù)據(jù)資料,這些資料將作為系統(tǒng)程序開發(fā)支撐。本研究運(yùn)用該模型,檢測環(huán)境溫度,判斷病害等級。假設(shè)某溫度環(huán)境下,馬鈴薯濕潤一段時(shí)間后葉片遭到侵染,致使農(nóng)作物產(chǎn)生晚疫病。濕潤期平均溫度范圍7 ~18℃情況下,引發(fā)輕度侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是16.3 ~10.45h;引發(fā)中等侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是19.3 ~11h;引發(fā)重等侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是22.3 ~14h;引發(fā)極重侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是25.3 ~17h。當(dāng)平均溫度范圍在19 ~22℃之間時(shí),如果測得溫度超過27℃,則判定不會發(fā)生侵染病害,如果測得溫度范圍在23 ~26℃之間時(shí),則判定發(fā)生的侵染病害只有輕度。當(dāng)溫度達(dá)到限定范圍時(shí),馬鈴薯晚疫病侵染病害嚴(yán)重性隨著濕潤期時(shí)間的延長而變得越來越重。
本研究采用Conce 方法計(jì)算CARAH 模型中的侵染病害分?jǐn)?shù),如果計(jì)算結(jié)果的積分達(dá)到7分,則結(jié)束本次侵染檢測。如果當(dāng)前檢測的侵染病害問題由前一次侵染引發(fā),那么認(rèn)為當(dāng)前侵染病害與上一次侵染屬于同一代,反之,則判定該侵染病害為新一代侵染。
本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建晚疫病監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu),利用小氣候監(jiān)測儀采集田間環(huán)境信息,對這些數(shù)據(jù)加以分析,判斷晚疫病病菌侵染狀況,在GIS 地圖上顯示侵染狀況信息。對于遭受病害侵染的馬鈴薯種植區(qū)域,采用不同的顏色標(biāo)記。如圖1 所示為系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
圖1: 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)利用自動(dòng)氣象站采集馬鈴薯田間氣候數(shù)據(jù),對比多種自動(dòng)氣象站的性能、功能、成本,選取滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求且成本較低的Davis Vantage Pro II 型號設(shè)備作為自動(dòng)氣象站。該采集站搭配現(xiàn)場核心控制器,實(shí)現(xiàn)對各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,從而獲取氣象數(shù)據(jù)。其中,涉及到的氣象數(shù)據(jù)包括田間降水、濕度、溫度等。為了得到這些數(shù)據(jù),在氣象站內(nèi)安裝了濕度傳感器、溫度傳感器、降水測量設(shè)備等,利用這些裝置采集數(shù)據(jù),通過RS485 總線,將數(shù)據(jù)傳輸至核心控制器,在此控制器的操控下,驅(qū)動(dòng)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置,將這些田間數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)層。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)傳輸功能逐漸得以完善,傳輸效率也有所提升,從4G 網(wǎng)絡(luò)上升至5G 網(wǎng)絡(luò),大大提高了田間數(shù)據(jù)傳輸效率。通過互聯(lián)網(wǎng)信號塔,將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,這些數(shù)據(jù)將作為原始數(shù)據(jù),支撐晚疫病侵染診斷。
3.2.1 晚疫病侵染分析
本系統(tǒng)利用CARAH 模型診斷晚疫病菌侵染狀況,為了得到較為精準(zhǔn)的診斷結(jié)果,將每一日的侵染數(shù)據(jù)信息積累到一起,得到侵染積分。按照模型中的診斷標(biāo)準(zhǔn),對侵染狀況進(jìn)行打分,計(jì)算多日積分結(jié)果。如果該計(jì)算結(jié)果達(dá)到了7 分,則判斷一次晚疫病侵染結(jié)束。目前,國內(nèi)病害侵染積分的計(jì)算方法較為成熟,本研究選擇計(jì)算較為簡單的Conce 方法作為計(jì)算工具,計(jì)算晚疫病侵染積分。由于晚疫病受多種因素影響,通常情況下,馬鈴薯感病品種第一次侵染3 代病菌時(shí),可以查看到中心病株;馬鈴薯抗病品種第一次侵染5代、6 代病菌時(shí),可以查看到危害中心病株。
當(dāng)田間環(huán)境數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)中,CARAH 模型將自動(dòng)診斷晚疫病菌侵染狀況,生成病害侵染曲線。通過觀察曲線變化特點(diǎn),對病害侵染狀況加以分析。如果某一次侵染結(jié)束前,發(fā)生了另外一次病害侵染,那么認(rèn)為這兩次病害侵染為同一代病害侵染。如果某一次病害侵染積分達(dá)到7 分之前,未發(fā)生病害侵染,則認(rèn)為另外一次病害侵染與該次病害不是同一代病害侵染。
CARAH 模型中晚疫病侵染病害計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),按照不同濕潤期平均溫度范圍,設(shè)定兩種計(jì)分標(biāo)準(zhǔn),如表1、表2所示。
表1: 晚疫病侵染病害計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)(濕潤期平均溫度范圍7 ~18℃)
表2: 晚疫病侵染病害計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)(濕潤期平均溫度范圍19 ~22℃)
每日將統(tǒng)計(jì)的病害診斷分?jǐn)?shù)累積到一起,得到積分結(jié)果,如果達(dá)到了7 分,則認(rèn)為一代晚疫病侵染結(jié)束,開始下一代病害侵染。所得病害侵染結(jié)果,將作為晚疫病防治策略設(shè)計(jì)參考依據(jù)。
哎呀,我大叫一聲,眼前頓時(shí)一片漆黑,仿佛墜入無邊的深淵,越沉越深。這一回黑暗再也無法消退,意識模糊起來。隱隱約約的,我感覺自己就要死了。奇怪的是,我有一種解脫了的高興,感覺自己好像在飛。我的肉體往下沉,靈魂卻往上升。
3.2.2 晚疫病侵染情況統(tǒng)計(jì)分析
為了便于開展晚疫病防治工作,本系統(tǒng)增加了晚疫病侵染情況統(tǒng)計(jì)分析功能,包括區(qū)域病害侵染分析、時(shí)間段病害侵染分析。此項(xiàng)功能的開發(fā),運(yùn)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù),按照統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同,設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu),通過設(shè)定表結(jié)構(gòu)主鍵,建立數(shù)據(jù)表體系,以便查詢相關(guān)數(shù)據(jù),形成不同查詢服務(wù)機(jī)制。例如,按照區(qū)域查詢病害侵染狀況,輸入需要查詢的區(qū)域范圍,系統(tǒng)將自動(dòng)訪問數(shù)據(jù)庫,查詢與此區(qū)域相關(guān)的晚疫病侵染數(shù)據(jù)信息,生成查詢結(jié)果表格,供用戶分析病害狀況。
3.2.3 未來晚疫病侵染變化趨勢預(yù)測分析
為了盡可能提高晚疫病防治效率,本系統(tǒng)增加了未來晚疫病侵染變化趨勢預(yù)測分析功能。該項(xiàng)功能將近期60 天馬鈴薯生產(chǎn)環(huán)境病害分析數(shù)據(jù)作為參考依據(jù),根據(jù)該時(shí)間范圍內(nèi)的病害侵染變化趨勢,預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)的病害變化情況。本系統(tǒng)支持未來1 ~3d 病害預(yù)測,對病害積分狀況進(jìn)行計(jì)算,給出病害預(yù)測結(jié)果。該結(jié)果將作為防治建議生成的參考依據(jù),按照病害預(yù)測嚴(yán)重性等級,給予病害防治先后順序建議。
本系統(tǒng)開發(fā)GIS 預(yù)警功能、GIS 插值分析預(yù)警功能,根據(jù)系統(tǒng)病害侵染監(jiān)測結(jié)果,判斷是否發(fā)出預(yù)警信號。GIS 預(yù)警功能的開發(fā),如果病害侵染積分結(jié)果不為0,判定馬鈴薯遭受晚疫病侵害。按照病害積分?jǐn)?shù)值不同,利用不同顏色標(biāo)注侵染嚴(yán)重程度,隨著顏色的加深,病害侵染更加嚴(yán)重。當(dāng)檢測到病害侵染積分大于0 時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出病害侵染預(yù)警信號,通過GIS 軟件操作界面展示病害程度,同時(shí)標(biāo)注侵染屬于哪一代。關(guān)于GIS 插值分析預(yù)警功能的開發(fā),采用IDW 方法分析侵染代次情況,生成晚疫病侵染監(jiān)測結(jié)果。該項(xiàng)功能根據(jù)晚疫病侵染分析結(jié)果,生成侵染代次數(shù)據(jù),用于描述病害侵染差別。
為了便于晚疫病防治工作的開展,本系統(tǒng)增加了防治決策建議生成功能。按照病害侵染程度監(jiān)測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果,從防治方案中選擇較為適合的防治方案??紤]到病害狀況較為復(fù)雜,存在現(xiàn)有狀況與數(shù)據(jù)庫病害狀況不符情況,此時(shí)選擇相似狀況下的防治策略作為防治建議,結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化防治策略,并將優(yōu)化后的防治策略錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,而后更新數(shù)據(jù)庫。為了便于用戶查看防治決策內(nèi)容,本系統(tǒng)增加了計(jì)算機(jī)訪問終端和無線訪問終端,具備系統(tǒng)訪問權(quán)限的用戶可以通過不同訪問終端獲取防治決策信息。
4.1.1 晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)傳輸延遲測試
選取6 個(gè)不同病害程度的馬鈴薯種植區(qū)域作為晚疫病監(jiān)測區(qū)域,記為監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域2、監(jiān)測區(qū)域3、監(jiān)測區(qū)域4、監(jiān)測區(qū)域5、監(jiān)測區(qū)域6,利用系統(tǒng)監(jiān)測各個(gè)區(qū)域的晚疫病病害程度和病害代數(shù),統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果,與實(shí)際病害程度和病害代數(shù)進(jìn)行對比。另外,測試各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸延遲情況,要求控制在1s 之內(nèi)。
4.1.2 晚疫病侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能測試
以監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域2 作為晚疫病侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能測試區(qū)域,設(shè)定預(yù)測時(shí)間為1 ~3d,預(yù)測晚疫病侵染病害程度和病害代數(shù),記錄預(yù)測結(jié)果,將該結(jié)果與實(shí)際晚疫病侵染病害程度和病害代數(shù)進(jìn)行對比。另外,測試系統(tǒng)預(yù)警功能,以1 代輕度及以上病害程度作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn),一旦發(fā)現(xiàn)病害,立即向系統(tǒng)用戶發(fā)出預(yù)警。記錄監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域晚疫病侵染病害預(yù)警情況。
按照系統(tǒng)測試內(nèi)容與方法,分別對晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度、侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能進(jìn)行測試,結(jié)果如表3、表4 所示。
表3: 晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)傳輸延遲測試結(jié)果
表4: 晚疫病侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能測試結(jié)果
表3 中6 個(gè)監(jiān)測區(qū)域的晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度測試結(jié)果顯示,監(jiān)測病害程度、監(jiān)測病害代數(shù)與實(shí)際狀況相符。除了監(jiān)測區(qū)域2 以外,其他區(qū)域均存在晚疫病侵染問題。其中,監(jiān)測區(qū)域4 的病害代數(shù)最高,達(dá)到了3 代。其次為監(jiān)測區(qū)域2,該區(qū)域的晚疫病達(dá)到了2 代極重侵染程度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延遲最大數(shù)值為0.2s,在控制允許范圍之內(nèi)。
2 個(gè)監(jiān)測區(qū)域的馬鈴薯晚疫病3d 預(yù)測中,預(yù)測病害程度、預(yù)測病害代數(shù)與實(shí)際狀況相符。其中,監(jiān)測區(qū)域1 的晚疫病預(yù)測1 ~2d,預(yù)測病害程度、預(yù)測病害代數(shù)未發(fā)生改變,到達(dá)第3d 時(shí),病害程度有所加重,與實(shí)際病害程度、病害代數(shù)相符。由此看來,病害程度、病害代數(shù)的預(yù)測精準(zhǔn)度較高。另外,當(dāng)馬鈴薯出現(xiàn)1 代輕度及以上病害程度時(shí),系統(tǒng)皆發(fā)出預(yù)警,符合系統(tǒng)功能開發(fā)要求。
本文圍繞馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案展開研究,為了提高病害監(jiān)測實(shí)時(shí)性,本設(shè)計(jì)方案采用無線傳輸功能模塊作為數(shù)據(jù)傳輸裝置,借助信號塔傳輸田間數(shù)據(jù)采集信號。通過構(gòu)建CARAH 模型,對病害程度及病害代數(shù)進(jìn)行診斷,通過訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)病害數(shù)據(jù)處理與診斷、預(yù)測病害程度及病害代數(shù),并發(fā)出預(yù)警信號。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示,本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確診斷和預(yù)測晚疫病病害程度及病害代數(shù),支持病害預(yù)警功能。