CN113557890A - 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法 - Google Patents

一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113557890A
CN113557890A CN202111041109.6A CN202111041109A CN113557890A CN 113557890 A CN113557890 A CN 113557890A CN 202111041109 A CN202111041109 A CN 202111041109A CN 113557890 A CN113557890 A CN 113557890A
Authority
CN
China
Prior art keywords
information
irrigation
soil
fruit
vegetables
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111041109.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113557890B (zh
Inventor
王君
李衍素
于贤昌
孙敏涛
袁泉
闫妍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Vegetables and Flowers Chinese Academy of Agricultural Sciences
Original Assignee
Institute of Vegetables and Flowers Chinese Academy of Agricultural Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Vegetables and Flowers Chinese Academy of Agricultural Sciences filed Critical Institute of Vegetables and Flowers Chinese Academy of Agricultural Sciences
Publication of CN113557890A publication Critical patent/CN113557890A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113557890B publication Critical patent/CN113557890B/zh
Priority to PCT/CN2022/094818 priority Critical patent/WO2022253057A1/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
    • A01G9/247—Watering arrangements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G25/00—Watering gardens, fields, sports grounds or the like
    • A01G25/16—Control of watering
    • A01G25/167—Control by humidity of the soil itself or of devices simulating soil or of the atmosphere; Soil humidity sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/22—Improving land use; Improving water use or availability; Controlling erosion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/25—Greenhouse technology, e.g. cooling systems therefor

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本申请涉及一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法，所述系统包括：信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；需水量预测模块，将所采集的信息输入至深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；灌溉控制模块，根据预测出的所述蔬菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。通过上述方式，本发明能够根据蔬菜的生长情况和环境参量决策灌溉时间和灌溉量，全程无需人工操作，能够实现设施栽培智能灌溉，工作效率高，且精确度高，实现蔬菜节水提质增效生产。

Description

一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及 方法
技术领域
本发明涉及农作物灌溉技术领域，尤其涉及一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法。本申请要求在2021年6月1日向中国国家知识产权局专利局提交的申请号为：CN202110607031.3的申请为优先权，其整个公开通过引用的方式全部并入此处。
背景技术
我国园艺设施面积已达2840万亩，其中，日光温室约占31％，种植果菜种类主要包含辣椒、番茄、黄瓜、茄子等。设施反季节栽培已成为人们日常果菜供应重要的组成部分。但是，在实际生产过程中，生产者多凭借经验进行粗放灌溉，造成水资源浪费，降低肥料资源利用效率和果实品质。因此，实现基于果菜水分需求规律和的外界环境精准灌溉对于节水提质变得尤为重要。
中国专利文献CN 109845625 A公开了一种基于神经网络的多维参量农作物智能灌溉控制方法，通过采集当前灌溉农田的雨量信息、土壤墒情信息、风速信息、温湿度信息、光照强度信息及流量信息等参量，基于神经网络建立以农作物需水信号为响应信息的农作物需水量模型，通过该模型对农作物多维环境参量进行计算处理，最终预测出当前农田农作物的需水量，控制器通过对需水量、降雨量及土壤墒情做出综合判决结果并根据判决结果控制电磁阀，实现对农作物的灌溉。该技术方案虽然考虑影响灌溉需水量的因素较全面，所构建的模型十分简单，需水量预测结果精度不高。
为解决上述问题，申请人利用所提出的深度神经网络进行智能水分精准灌溉控制，极大提高了需水量的预测精度。
本申请的创造性贡献在于：
1.本申请实现了对不同地域多种果菜的精准灌溉控制，即多种果菜可以采用同一套控制系统，提高了通用性。
2.本申请为了提升需水量的预测精度，采用了一种新的激励函数-余弦激励函数，用于对整个深度神经网络的训练，极大提升了训练精度。在灌溉控制领域，属于申请人首次提出，因此并非常规技术手段或公知常识。
3.本申请为了提升预测精度，预处理、分割、池化层、新的激励函数Rl(与余弦激励函数不同的一种并列实现方案)、损失函数的使用上，都采用了新的算法，以整体上提高深度神经网络的训练的精度和速度。在灌溉控制领域，属于申请人首次提出，因此并非常规技术手段或公知常识。
4.在叶片的预处理上，针对绝大部分植株叶片都是绿色的特点，对于识别到的叶片，增强其G分量，相对抑制其R、B分量，有利于提升需求量预测判断的准确性。
发明内容
为更准确理解本发明，需先简要理解回顾下面的基本概念。
深度学习的概念由Hinton等人于2006年提出。基于深信度网(DBN)提出非监督贪心逐层训练算法，为解决深层结构相关的优化难题带来希望，随后提出多层自动编码器深层结构。此外Lecun等人提出的卷积神经网络是第一个真正多层结构学习算法，它利用空间相对关系减少参数数目以提高训练性能。
深度学习是机器学习研究中的一个新的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，它模仿人脑的机制来解释数据，例如图像、声音和文本。同机器学习方法一样，深度机器学习方法也有监督学习与无监督学习之分.不同的学习框架下建立的学习模型很是不同。例如，卷积神经网络(Convolutional neural networks，简称CNNs)就是一种深度的监督学习下的机器学习模型，而深度置信网(Deep Belief Nets，简称DBNs)就是一种无监督学习下的机器学习模型。
卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络(Feedforward Neural Networks)，是深度学习(deeplearning)的代表算法之一。
深度卷积神经网络DCNN,则是具有多个CNN层的网络结构。
深度神经网络中经常采用的激励函数如下：sigmoid函数，tanh函数，ReLU函数。
sigmoid函数，该函数是将取值为(-∞,+∞)的数映射到(0,1)之间。sigmoid函数的公式如下：
Figure BDA0003247697570000031
sigmoid函数作为非线性激活函数，但是其并不被经常使用，它具有以下几个缺点：
(1)当z值非常大或者非常小时，sigmoid函数的导数g′(z)将接近0。这会导致权重W的梯度将接近0，使得梯度更新十分缓慢，即梯度消失。
tanh函数，tanh函数相较于sigmoid函数要常见一些，该函数是将取值为(-∞,+∞)的数映射到(-1,1)之间，其公式为：
Figure BDA0003247697570000032
tanh函数在0附近很短一段区域内可看做线性的。由于tanh函数均值为0，因此弥补了sigmoid函数均值为0.5的缺点。
ReLU函数，ReLU函数又称为修正线性单元(Rectified Linear Unit)，是一种分段线性函数，其弥补了sigmoid函数以及tanh函数的梯度消失问题。ReLU函数的公式如下：
Figure BDA0003247697570000033
ReLU函数的优点：
(1)在输入为正数的时候(对于大多数输入z空间来说)，不存在梯度消失问题。
(2)计算速度要快很多。ReLU函数只有线性关系，不管是前向传播还是反向传播，都比sigmod和tanh要快很多。
ReLU函数的缺点：
(1)当输入为负时，梯度为0，会产生梯度消失问题。
在能够理解上述基本概念及常规操作方式的基础上，本申请提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
需水量预测模块，将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
灌溉控制模块，根据预测出的所述果菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括果菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、空气温湿度传感器和图像传感器。
此外，本申请还提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制方法，所述方法包括：
利用信息采集模块通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
利用需水量预测模块将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
利用灌溉控制模块根据预测出的所述果菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括果菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、空气温湿度传感器和图像传感器。
本申请还对应提出了一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有程序代码，所述代码用于实现上述任一种所述的方法。
本申请还对应提出了一种计算机设备，所述设备包括处理器、存储器，所述存储器上存储有计算机指令，所述指令用于实现上述任一种所述的方法。
附图说明
图1表示本申请的基本实施例的结构示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
需水量预测模块，将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
灌溉控制模块，根据预测出的所述果菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括果菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、温湿度传感器、图像传感器。
图像传感器获取果菜的图像信息，将获取的图像信息输入至果菜识别模型，获得果菜种类及生长阶段信息。
作为一种具体的实施例，需水量预测模块利用需水量预测模型获得需水量，需水量预测模型为深度卷积神经网络DCNN，所述深度卷积神经网络DCNN可以包括：信息输入层、一个或多个卷积层、一个或多个池化层、一个或多个隐含层、全连接层；所述卷积层采用的卷积核大小为3*3；所述池化层为最大池化法进行计算；所述深度卷积神经网络DCNN采用的激励函数为余弦激励函数，记为f(),其中
Figure BDA0003247697570000061
其中，θyi表示为样本i与其对应标签yi的向量夹角；所述N表示训练样本个数；所述wyi表示样本i在其标签yi处的权重；
所述信息输入层接收来自一个或多个传感器的信息；
果蔬的需水量预测模型接收来自果菜识别模型的输出结果，包括：果菜种类、果菜生长阶段、果菜生长状态中的至少一项信息。果菜识别模型采用了VGG-16网络模型。利用训练集进行训练，训练集包含多种不同品种果菜，包括：黄瓜、番茄、辣椒、茄子等100多种果蔬图像，共25783张图像，其中75％作为训练集，25％作为测试集。为了加速训练过程，还使用了AdamOptimizer作为优化器，分别采用神经元为64×32、32×16的卷积层，使用3×3卷积核，步长为2的最大池化层，64个神经元的全连接层和softmax回归层进行实现。所述优化器包括：GradientDescentOptimizer、AdagradOptimizer、AdagradDAOptimizer、MomentumOptimizer、RMSPropOptimizer中的至少一个。
进一步，可选的，对所述获取的果菜的图像信息进行预处理，所述预处理还包括：图像信息的筛选，剔除不满足清晰度要求或未能包含至少一片完整叶片的图像；所述图像裁剪包括：将获得的图像信息进行裁剪，获得叶片信息。
进一步，可选的，对于叶片为绿色的果蔬，所述预处理还包括：将RGB空间中的R与B分量进行色彩抑制，将G通道分量进行增强。
进一步，可选的，对G分量进行增强，首先对分割后的叶片进行R、G、B分量的分离；生成G分量的调节系数：
Figure BDA0003247697570000071
然后利用调节系数进行调整：
Figure BDA0003247697570000072
利用调整后的GF逆向合成叶片图像；
其中各分量的分解及合成属于本领域的现有技术，但是上述调节方式是本发明人的首创，经过上述调整，能够充分利用叶片的绿色通道信息，使得后续的预测经过更加准确。
进一步，可选的，所述需水量预测模型具体包括多区域卷积神经网络模型，所述多区域卷积神经网络模型包括：卷积网络层，用于生成原始叶片的映射特征；多区域置信网络模型，包括多个区域的置信网络模型，用于对所述果菜的当前状态生成不同需水量的多个不同置信度值，对多个区域的不同置信度值进行拟合，确定出在不同区域中置信度值都相对较大的置信度值，将其对应的需水量确定为果菜的需水量。
进一步，可选的，所述多区域置信网络模型包括多区域池化层和完全连接层，多区域池化层包括多个区域的池化层，池化层个数为1，池化层还可替换成完全连接层；所述池化层用于生成置信度。
进一步，可选的，所述图像分割采用了改进的分水岭分割方式进行分割：
Figure BDA0003247697570000073
其中Gradient(x,y)表示像素点(x,y)的原始梯度值；
Figure BDA0003247697570000074
Figure BDA0003247697570000075
分别表示在窗口D区域内的梯度均值、梯度最小值、梯度最大值；Gra表示修正梯度值；
S＝watershed(Gra)
进一步，可选的，所述需水量预测模型包括卷积网络层及多区域置信网络，所述卷积网络层，用于生成分割出的各叶片特征；多区域置信网络为包括多个叶片区域的置信网络模型，用于对多个不同叶片缺水程度产生置信度值，当至少两个叶片区域的置信度值均满足预设的第一阈值等级范围时，以此时的缺水量作为果菜的需水量。
进一步，可选的，作为另一实施例，所述需水量预测模型包括卷积网络层及多区域置信网络，所述卷积网络层能够接收所拍摄图像的分割后叶片图像，并生成不同尺度的卷积多特征映射；所述多区域置信网络模型包括多区域池化层和完全连接层；其中，所述多区域池化层包括多个区域池化层；所述多个区域池化层用于生成果菜图像需水量的置信度值，当至少两个叶片区域的置信度值的置信度值均满足预设的第一阈值等级范围时，则确定此时的需水量作为果菜的需水量；所述多区域池化层设置为最大池化层或平均池化层；所述完全连接层用于对识别到的叶片缺水程度进行分类。
可选的，作为另一个实施例：所述需水量预测模型为深度卷积神经网络，具体包括：输入层、嵌入层、池化层、全连接层；所述输入层用于接收拍摄图像的分割后叶片图像；所述嵌入层采用的卷积核大小为5*5；激励函数记为Rl()；经过全连接层处理后进一步得到需水量预测推荐结果；
所述池化层的池化方法如下：
Figure BDA0003247697570000081
其中，xe表示当前层的输出，ue表示激励函数Rl的输入，
Rl()表示激励函数，we表示当前层的权重，φ表示损失函数，xe-1表示上一层的输出；
激励函数Rl为：
Figure BDA0003247697570000082
所述损失函数φ如下：
Figure BDA0003247697570000083
Figure BDA0003247697570000084
N表示正样本数据集的大小，i取值1～N，yi表示正样本xi对应的标签值；Wyi表示正样本特征向量xi在其标签yi处的权重，s为深度卷积神经网络的推荐参数；bj表示样本xi在其标签yi处的偏差。
此外，本申请还提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制方法，所述方法包括：
利用信息采集模块通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
利用需水量预测模块将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
利用灌溉控制模块根据预测出的所述果菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括果菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、温湿度传感器、图像传感器。
图像传感器获取果菜的图像信息，将获取的图像信息输入至果菜识别模型，获得果菜种类及生长阶段信息。
作为一种具体的实施例，需水量预测模块利用需水量预测模型获得需水量，需水量预测模型为深度卷积神经网络DCNN，所述深度卷积神经网络DCNN包括：信息输入层、一个或多个卷积层、一个或多个池化层、一个或多个隐含层、全连接层；所述卷积层采用的卷积核大小为3*3；所述池化层为最大池化法进行计算；所述深度卷积神经网络DCNN采用的激励函数为余弦激励函数，记为f(),其中
Figure BDA0003247697570000091
其中，θyi表示为样本i与其对应标签yi的向量夹角；所述N表示训练样本个数；所述wyi表示样本i在其标签yi处的权重。
所述信息输入层接收来自一个或多个传感器的信息；
果菜的需水量预测模型接收来自果菜识别模型的输出结果，包括：果菜种类、果菜生长阶段、果菜生长状态中的至少一项信息。果菜识别模型采用了VGG-16网络模型。利用训练集进行训练，训练集包含多种不同品种果菜，包括：茄子、番茄、青瓜、白菜、土豆等100多种果蔬图像，共25783张图像，其中75％作为训练集，25％作为测试集。为了加速训练过程，还使用了优化器进行优化，分别采用神经元为64×32、32×16的卷积层，使用3×3卷积核，步长为2的最大池化层，64个神经元的全连接层和softmax回归层进行实现。所述优化器包括：GradientDescentOptimizer、AdagradOptimizer、AdagradDAOptimizer、MomentumOptimizer、RMSPropOptimizer中的至少一个。
进一步，可选的，对所述获取的果菜的图像信息进行预处理，所述预处理还包括：图像信息的筛选，剔除不满足清晰度要求或未能包含至少一片完整叶片的图像；所述图像裁剪包括：将获得的图像信息进行裁剪，获得叶片信息。
进一步，可选的，对于叶片为绿色的果蔬，所述预处理还包括：将RGB空间中的R与B分量进行色彩抑制，将G通道分量进行增强。
进一步，可选的，对G分量进行增强，首先对分割后的叶片进行R、G、B分量的分离；生成G分量的调节系数：
Figure BDA0003247697570000101
然后利用调节系数进行调整：
Figure BDA0003247697570000102
利用调整后的GF逆向合成叶片图像；
其中各分量的分解及合成属于本领域的现有技术，但是上述调节方式是本发明人的首创，经过上述调整，能够充分利用叶片的绿色通道信息，使得后续的预测经过更加准确。
进一步，可选的，所述需水量预测模型具体包括多区域卷积神经网络模型，所述多区域卷积神经网络模型包括：卷积网络层，用于生成原始叶片的映射特征；多区域置信网络模型，包括多个区域的置信网络模型，用于对所述果菜的当前状态生成不同需水量的多个不同置信度值，对多个区域的不同置信度值进行拟合，确定出在不同区域中置信度值都相对较大的置信度值，将其对应的需水量确定为果菜的需水量。
进一步，可选的，所述多区域置信网络模型包括多区域池化层和完全连接层，多区域池化层包括多个区域的池化层，池化层个数为1，池化层还可替换成完全连接层；所述池化层用于生成置信度。
进一步，可选的，所述图像分割采用了改进的分水岭分割方式进行分割：
Figure BDA0003247697570000111
其中Gradient(x,y)表示像素点(x,y)的原始梯度值；
Figure BDA0003247697570000112
Figure BDA0003247697570000113
分别表示在窗口D区域内的梯度均值、梯度最小值、梯度最大值；Gra表示修正梯度值；
S＝watershed(Gra)
进一步，可选的，所述需水量预测模型包括卷积网络层及多区域置信网络，所述卷积网络层，用于生成分割出的各叶片特征；多区域置信网络为包括多个叶片区域的置信网络模型，用于对多个不同叶片缺水程度产生置信度值，当至少两个叶片区域的置信度值均满足预设的第一阈值等级范围时，以此时的缺水量作为果菜的需水量。
进一步，可选的，作为另一实施例，所述需水量预测模型包括卷积网络层及多区域置信网络，所述卷积网络层能够接收所拍摄图像的分割后叶片图像，并生成不同尺度的卷积多特征映射；所述多区域置信网络模型包括多区域池化层和完全连接层；其中，所述多区域池化层包括多个区域池化层；所述多个区域池化层用于生成果菜图像需水量的置信度值，当至少两个叶片区域的置信度值的置信度值均满足预设的第一阈值等级范围时，则确定此时的需水量作为果菜的需水量；所述多区域池化层设置为最大池化层或平均池化层；所述完全连接层用于对识别到的叶片缺水程度进行分类。
可选的，作为另一个实施例：所述需水量预测模型为深度卷积神经网络，具体包括：输入层、嵌入层、池化层、全连接层；所述输入层用于接收拍摄图像的分割后叶片图像；所述嵌入层采用的卷积核大小为5*5；激励函数记为Rl()；经过全连接层处理后进一步得到需水量预测推荐结果；
所述池化层的池化方法如下：
Figure BDA0003247697570000121
其中，xe表示当前层的输出，ue表示激励函数Rl的输入，
Rl()表示激励函数，we表示当前层的权重，φ表示损失函数，xe-1表示上一层的输出；
激励函数Rl为：
Figure BDA0003247697570000122
所述损失函数φ如下：
Figure BDA0003247697570000123
Figure BDA0003247697570000124
N表示正样本数据集的大小，i取值1～N，yi表示正样本xi对应的标签值；Wyi表示正样本特征向量xi在其标签yi处的权重，s为深度卷积神经网络的推荐参数；bj表示样本xi在其标签yi处的偏差。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
本申请还提出一种计算机可读介质，上面包含可实现上述系统的程序代码，所包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
需水量预测模块，将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
灌溉控制模块，根据预测出的所述果菜的需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
2.根据权利要求1所述的控制系统，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
3.根据权利要求1所述的控制系统，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
4.根据权利要求1所述的控制系统，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
5.根据权利要求1所述的控制系统，所述作物信息包括果菜作物种类、阶段信息、生长状态信息。
6.一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制方法，所述方法包括：
利用信息采集模块通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
利用需水量预测模块将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
利用灌溉控制模块根据预测出的所述果菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
7.根据权利要求6所述的控制方法，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
8.根据权利要求6所述的控制方法，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
9.根据权利要求6所述的控制方法，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
10.根据权利要求6所述的控制方法，所述作物信息包括果菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
CN202111041109.6A 2021-06-01 2021-09-06 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法 Active CN113557890B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2022/094818 WO2022253057A1 (zh) 2021-06-01 2022-05-25 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2021106070313 2021-06-01
CN202110607031.3A CN113141940A (zh) 2021-06-01 2021-06-01 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113557890A true CN113557890A (zh) 2021-10-29
CN113557890B CN113557890B (zh) 2022-01-28

Family

ID=76875409

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110607031.3A Pending CN113141940A (zh) 2021-06-01 2021-06-01 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法
CN202111041109.6A Active CN113557890B (zh) 2021-06-01 2021-09-06 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110607031.3A Pending CN113141940A (zh) 2021-06-01 2021-06-01 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法

Country Status (2)

Country Link
CN (2) CN113141940A (zh)
WO (1) WO2022253057A1 (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114723190A (zh) * 2022-06-09 2022-07-08 苏州农业职业技术学院 一种生产栽培中的月季花期调控方法及系统
WO2022253057A1 (zh) * 2021-06-01 2022-12-08 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法
CN115530054A (zh) * 2022-10-12 2022-12-30 河北省科学院应用数学研究所 灌溉控制方法、装置、电子设备及存储介质
CN115989763A (zh) * 2023-03-23 2023-04-21 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 温室灌溉控制方法、装置、系统及设备
CN116058195A (zh) * 2023-04-06 2023-05-05 中国农业大学 一种叶菜生长环境光照调控方法、系统及装置
CN116188196A (zh) * 2023-03-13 2023-05-30 华厦筑工(广州)技术有限公司 一种智慧园区设备可视化运营系统
CN116609672A (zh) * 2023-05-16 2023-08-18 国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司 一种基于改进的bwoa -fnn算法的储能电池soc估计方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114451257B (zh) * 2021-12-23 2023-04-07 珠海格力电器股份有限公司 基于神经网络的灌溉方法、装置、存储介质及电子设备
CN114878788A (zh) * 2022-06-14 2022-08-09 古田县恒春农业开发有限公司 一种花卉种植智能湿度检测装置
CN115777495A (zh) * 2022-12-05 2023-03-14 贵州省水利科学研究院(贵州省灌溉试验中心站) 基于参考作物需水量的烤烟栽培滴灌系统、设备及终端
CN116210565B (zh) * 2023-03-29 2023-11-14 上海华维可控农业科技集团股份有限公司 一种用于智慧灌溉下的回液处理系统及方法
CN117743975A (zh) * 2024-02-21 2024-03-22 君研生物科技(山西)有限公司 山坡耕地土壤环境改良方法
CN117882546B (zh) * 2024-03-13 2024-05-24 山西诚鼎伟业科技有限责任公司 一种面向农业作业机器人的智能化种植方法
CN117981663A (zh) * 2024-04-07 2024-05-07 黑龙江智云互联农业科技有限公司 水稻田自动化节水精准灌溉系统
CN118036830B (zh) * 2024-04-11 2024-06-14 成都信息工程大学 多熟栽培模式下花魔芋产量预测方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105046924A (zh) * 2015-08-27 2015-11-11 钦州学院 基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法
CN204884141U (zh) * 2015-08-27 2015-12-16 钦州学院 基于物联网的农田智能灌溉控制系统
CN106707757A (zh) * 2017-01-23 2017-05-24 中国农业大学 一种灌水时间动态调控方法及其系统
CN107835997A (zh) * 2015-08-06 2018-03-23 埃森哲环球服务有限公司 使用计算机视觉的用于电力线走廊监测的植被管理
CN109845625A (zh) * 2018-12-12 2019-06-07 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 一种基于神经网络的多维参量农作物智能灌溉控制方法
CN109978234A (zh) * 2019-03-01 2019-07-05 北京农业信息技术研究中心 墒情预测、灌溉决策方法和装置
CN111626518A (zh) * 2020-05-29 2020-09-04 上海交通大学 基于深度学习神经网络的城市天级需水量在线预测方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101876397B1 (ko) * 2016-11-23 2018-07-09 세종대학교산학협력단 작물의 병해충 진단 장치 및 방법
US11516976B2 (en) * 2017-12-11 2022-12-06 The Texas A&M University System Irrigation system control with predictive water balance capabilities
CN108617480A (zh) * 2018-05-11 2018-10-09 武汉理工大学 一种园林智能浇灌系统
CN110050673A (zh) * 2019-04-30 2019-07-26 黄河水利委员会黄河水利科学研究院 一种智能灌溉管理系统
CN112042353A (zh) * 2020-09-03 2020-12-08 山东锋士信息技术有限公司 一种适用于日光温室的水肥精准决策方法及系统
CN112733710A (zh) * 2021-01-08 2021-04-30 徐州展皎信息技术服务有限公司 用于灌溉装置的灌溉水压控制的神经网络的训练方法
CN113141940A (zh) * 2021-06-01 2021-07-23 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107835997A (zh) * 2015-08-06 2018-03-23 埃森哲环球服务有限公司 使用计算机视觉的用于电力线走廊监测的植被管理
CN105046924A (zh) * 2015-08-27 2015-11-11 钦州学院 基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法
CN204884141U (zh) * 2015-08-27 2015-12-16 钦州学院 基于物联网的农田智能灌溉控制系统
CN106707757A (zh) * 2017-01-23 2017-05-24 中国农业大学 一种灌水时间动态调控方法及其系统
CN109845625A (zh) * 2018-12-12 2019-06-07 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 一种基于神经网络的多维参量农作物智能灌溉控制方法
CN109978234A (zh) * 2019-03-01 2019-07-05 北京农业信息技术研究中心 墒情预测、灌溉决策方法和装置
CN111626518A (zh) * 2020-05-29 2020-09-04 上海交通大学 基于深度学习神经网络的城市天级需水量在线预测方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022253057A1 (zh) * 2021-06-01 2022-12-08 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法
CN114723190A (zh) * 2022-06-09 2022-07-08 苏州农业职业技术学院 一种生产栽培中的月季花期调控方法及系统
CN115530054A (zh) * 2022-10-12 2022-12-30 河北省科学院应用数学研究所 灌溉控制方法、装置、电子设备及存储介质
CN116188196A (zh) * 2023-03-13 2023-05-30 华厦筑工(广州)技术有限公司 一种智慧园区设备可视化运营系统
CN116188196B (zh) * 2023-03-13 2024-01-02 华厦筑工(广州)技术有限公司 一种智慧园区设备可视化运营系统
CN115989763A (zh) * 2023-03-23 2023-04-21 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 温室灌溉控制方法、装置、系统及设备
CN115989763B (zh) * 2023-03-23 2023-06-27 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 温室灌溉控制方法、装置、系统及设备
CN116058195A (zh) * 2023-04-06 2023-05-05 中国农业大学 一种叶菜生长环境光照调控方法、系统及装置
CN116609672A (zh) * 2023-05-16 2023-08-18 国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司 一种基于改进的bwoa -fnn算法的储能电池soc估计方法
CN116609672B (zh) * 2023-05-16 2024-05-07 国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司 一种基于改进的bwoa-fnn算法的储能电池soc估计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113557890B (zh) 2022-01-28
CN113141940A (zh) 2021-07-23
WO2022253057A1 (zh) 2022-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113557890B (zh) 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法
Khairunniza-Bejo et al. Application of artificial neural network in predicting crop yield: A review
CN109325495B (zh) 一种基于深度神经网络建模的作物图像分割系统及方法
US20220075344A1 (en) A method of finding a target environment suitable for growth of a plant variety
CN113545280B (zh) 一种基于植株萎蔫程度进行精准灌溉的系统及方法
Kumar et al. Classification of mango leaves infected by fungal disease anthracnose using deep learning
CN117036088A (zh) 一种ai识别绿化植物生长态势的数据采集分析方法
Sivanandhini et al. Crop yield prediction analysis using feed forward and recurrent neural network
Veeragandham et al. A review on the role of machine learning in agriculture
Liang et al. Segmentation and weight prediction of grape ear based on SFNet-ResNet18
CN111639750A (zh) 智能花盆的控制方法、装置、智能花盆及存储介质
CN114297907A (zh) 温室环境空间分布预测方法及装置
US11978210B1 (en) Light regulation method, system, and apparatus for growth environment of leafy vegetables
CN117540908A (zh) 基于大数据的农业资源整合方法和系统
Moon et al. Prediction of CO2 concentration via long short-term memory using environmental factors in greenhouses
CN111027436A (zh) 一种基于深度学习的东北黑木耳病虫害图像识别系统
Omer et al. Plant disease diagnosing based on deep learning techniques
Ji et al. Exploring the solutions via Retinex enhancements for fruit recognition impacts of outdoor sunlight: a case study of navel oranges
CN116612435B (zh) 一种玉米高产栽培方法
CN109828623B (zh) 温室作物情景感知的生产管理方法及装置
Araneta et al. Controlled Environment for Spinach Cultured Plant with Health Analysis using Machine Learning
Jain et al. Performance prediction for crop irrigation using different machine learning approaches
CN114663791A (zh) 一种非结构化环境下面向剪枝机器人的枝条识别方法
Bhandarkar et al. Deep learning and statistical models for detection of white stem borer disease in arabica coffee
Macabiog et al. Soil moisture and rain prediction based irrigation controller for the strawberry farm of La Trinidad, Benguet

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant