CN115989796A - 一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法及系统，涉及水产养殖领域，方法包括：根据初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型确定当前作物氮营养需求值；判断当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值；若否，则将鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式；若是，则维持鱼菜全循环模式的开启状态；在预设时间段之后，获取工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据预设的作物氮营养诊断模型确定作物更新后的氮营养数据，进而调控鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式的开闭状态。本发明可保证工厂化鱼菜共生系统全生命周期氮营养的可靠供给。
Description
技术领域
本发明涉及水产养殖技术领域，特别是涉及一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法及系统。
背景技术
鱼菜共生系统是一种集水产养殖和作物水培于一体的生态养殖模式，其充分利用水产养殖尾水中所含有的氮营养元素(主要包括氨氮、亚硝态氮、硝态氮等)，为作物提供必需的氮营养补给(主要是硝态氮)。但是，鱼菜共生系统存在以下问题：(1)养殖对象和水培作物生命周期不同步的固有问题，且生物处理单元将氨氮转换为作物易于吸收的硝态氮需要一定的作用时间，导致养殖尾水中的氮营养供给动态变化。(2)水培作物不同生长阶段的氮营养需求存在差异性。(3)养殖对象对水体环境要求较高，养殖过程中主要以养殖对象为重心，忽略水培作物的氮营养供给及调控。这种情况下，动态变化的氮营养供给一定程度上很难保证水培作物全生命周期的氮营养需求，易导致作物产量不稳，进而导致鱼菜共生系统整体产量及经济效益不佳。
目前，大多数作物氮营养诊断及调控相关的研究主要集中于大田、设施两大主要种植场景，而在工厂化鱼菜共生场景和生态种养模式下鲜有人研究及探索。氮营养诊断及调控方法多为单一模型诊断，且面对的主要是单一对象，不存在异类对象之间的环境互斥性，在应对复杂、动态变化场景时存在一定的误判风险。因此，亟需一种适用于工厂化鱼菜共生系统的氮营养诊断及调控策略。
发明内容
本发明的目的是提供一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法及系统，解决工厂化鱼菜共生系统水培作物的氮需求和氮供给问题，进而保证工厂化鱼菜共生系统的鱼菜整体产量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，工厂化鱼菜共生系统的工作模式包括鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式；所述鱼菜全循环模式用于养殖池与种植槽之间的水体循环流通；所述养殖自循环模式用于养殖池内部的水体循环流通；所述种植自循环模式用于种植槽内部的水体循环流通；
所述工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法包括：
获取所述工厂化鱼菜共生系统中的初始作物冠层图像；所述初始作物冠层图像为所述鱼菜全循环模式下的作物冠层图像；
根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值；
判断所述当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值，以得到第一结果；
若所述第一结果表示否，则将所述鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式；
若所述第一结果表示是，则维持所述鱼菜全循环模式的开启状态；
在预设时间段之后，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据；
根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态。
可选地，所述作物临界氮营养需求模型的构建步骤包括：
获取不同采样周期内，所述工厂化鱼菜共生系统中每种试验作物的平均冠层覆盖度、地上部干重以及氮浓度；
针对任一种试验作物，对所述试验作物的地上部干重、平均冠层覆盖度以及对应的氮浓度进行方差分析，以得到限氮组和非限氮组；所述限氮组中的试验作物为施氮量不能满足生长需求；所述非限氮组中的试验作物为施氮量满足生长需求；
对于所述限氮组中的多个试验作物，将所述地上部干重、所述平均冠层覆盖度分别与所述试验作物的氮浓度进行线性拟合，以对应得到地上部干重-氮浓度曲线、平均冠层覆盖度-氮浓度曲线；
对于所述非限氮组中的多个试验作物，计算地上部干重的平均值、平均冠层覆盖度的平均值，以分别得到平均干重值和平均冠层覆盖度的平均值；所述平均干重值的限氮组和非限氮组划分，与所述平均冠层覆盖度的平均值的限氮组和非限氮组划分一一对应；
以所述平均干重值为横坐标向所述地上部干重-氮浓度曲线所处坐标系的横坐标轴做第一垂线，获取所述第一垂线与所述地上部干重-氮浓度曲线交点的第一纵坐标值；以所述平均冠层覆盖度的平均值为横坐标向所述平均冠层覆盖度-氮浓度曲线所处坐标系的横坐标轴做第二垂线，获取所述第二垂线与所述平均冠层覆盖度-氮浓度曲线的交点的第二纵坐标值；
根据所述第一纵坐标值和所述第二纵坐标值确定所述试验作物的临界氮浓度值；
根据不同采样周期内得到的所述试验作物的临界氮浓度值以及对应的平均冠层覆盖度，确定模型公式Nc＝aX-b中的系数a和系数b，以得到所述试验作物的作物临界氮营养需求模型；
其中，Nc为作物临界氮浓度值，即作物氮营养需求值，X为平均冠层覆盖度。
可选地，根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值，具体包括：
根据所述初始作物冠层图像，计算单株作物的平均冠层覆盖度；
将所述平均冠层覆盖度输入至预设的作物临界氮营养需求模型中，以得到当前作物氮营养需求值。
可选地，所述作物氮营养诊断模型包括氮营养指数子模型和预训练好的氮营养分级子模型；
根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据，具体包括：
获取所述更新后作物冠层图像对应的实际氮浓度值；
根据所述更新后作物冠层图像和所述预设的作物临界氮营养需求模型，计算更新后作物氮营养需求值；
将所述实际氮浓度值和所述更新后作物氮营养需求值，输入至所述氮营养指数子模型，以得到氮营养指数；
将所述更新后作物冠层图像输入至所述氮营养分级子模型，以得到氮营养分级指数；所述氮营养指数和所述氮营养分级指数构成作物更新后的氮营养数据。
可选地，所述氮营养指数子模型为：
NNI＝Nt/Nc；
其中，NNI表示氮营养指数，Nt表示实际氮浓度值，Nc表示作物氮营养需求值；
所述氮营养分级子模型为：
Ni＝ConvNeXt(image)；
其中，Ni表示氮营养分级指数；Ni＝[N0，N1，N2，N3，N4，N5]，image表示作物冠层图像数据；N0，N1，N2均表征氮缺乏，N3表征氮最佳，N4、N5均表征氮过量。
可选地，根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态，具体包括：
当f≤NNI≤g，且氮营养分级指数为N3时，关闭所述种植自循环模式，将所述养殖自循环模式更改为所述鱼菜全循环模式；其中，f表示第一设定值，g表示第二设定值；
当NNI<f，且氮营养分级指数为N0，N1，N2的其中之一时，维持所述种植自循环模式的开启状态和所述养殖自循环模式的开启状态。
可选地，所述工厂化鱼菜共生系统包括养殖池、物理过滤单元、生化处理单元、爆气增氧单元、种植槽、营养液循环缸和营养液母液缸；
所述物理过滤单元用于对所述养殖池排出的养殖尾水进行尾水中固形物的去除处理；所述生化处理单元用于对所述物理过滤单元排出的尾水进行硝化细菌的硝化作用处理；所述爆气增氧单元用于对所述生化处理单元排出的尾水进行增氧处理；所述营养液母液缸用于为所述营养液循环缸输送营养液母液；
其中，所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元、所述种植槽依次首尾连通，构成鱼菜全循环回路；所述鱼菜全循环回路用于执行所述鱼菜全循环模式；
所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元依次首尾连通，构成养殖自循环回路；所述养殖自循环回路用于执行所述养殖自循环模式；
所述营养液循环缸和所述种植槽双向连通，构成种植自循环回路；所述种植自循环回路用于执行所述种植自循环模式。
为达上述目的，本发明还提供了如下技术方案：
一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统，工厂化鱼菜共生系统的工作模式包括鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式；所述鱼菜全循环模式用于养殖池与种植槽之间的水体循环流通；所述养殖自循环模式用于养殖池内部的水体循环流通；所述种植自循环模式用于种植槽内部的水体循环流通；
所述工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统包括：
图像获取模块，用于获取所述工厂化鱼菜共生系统中的初始作物冠层图像；所述初始作物冠层图像为所述鱼菜全循环模式下的作物冠层图像；
氮营养需求值计算模块，用于根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值；
氮营养判断模块，用于判断所述当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值，以得到第一结果；
第一模式调节模块，用于当所述第一结果表示否时，将所述鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式；当所述第一结果表示是时，维持所述鱼菜全循环模式的开启状态；
氮营养诊断模块，用于在预设时间段之后，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据；
第二模式调节模块，用于根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法及系统，根据初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值，即作物的最低氮营养需求，然后通过与水体中实际的氮营养含量值对比来进行初步的氮营养供给充分与否的评估；如果当前种植槽水体氮营养含量值满足作物需要，则维持鱼菜全循环模式；若果不能满足，则将鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后打开种植自循环模式，为种植槽中的水体增加氮营养；在此基础上工作设定时间后，通过预设的作物氮营养诊断模型计算作物更新后的氮营养数据，然后再对三种循环模式的开闭进行调控。本发明适用于工厂化鱼菜共生系统，可保证工厂化鱼菜共生系统全生命周期氮营养的可靠供给，且不会对养殖对象的水体环境造成破坏，能够达到稳固工厂化鱼菜共生系统整体产量及经济效益的目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法的流程示意图；
图2为本发明工厂化鱼菜工程系统的结构示意图；
图3为本发明工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
基于鱼菜共生系统作物的主要氮营养来源是养殖池的饵料残留以及养殖对象的粪便，这些物质会通过尾水循环的方式输送至种植区域。而尾水中大多是氨态氮，在实际生产过程需要先将尾水输入生化池进行硝化反应，将氨氮转化为作物易于吸收的硝态氮，同时去除对养殖对象有害的氨态氮。但是，由于养殖池饵料投喂频次、养殖对象生长阶段差异性以及相关环境因素的干扰，导致种植区接收的氮营养供给实际上处于动态变化的状态。据实际调研发现，大多数情况下养殖尾水中的氮营养供给不能满足规模化水培作物的实际生长需求。且养殖对象对养殖水体的要求较高，适宜作物生长所需的化学肥料不能进入养殖池，否则将导致养殖对象死亡的可能。因此，本发明针对上述问题及难点，结合作物临界氮营养需求模型、双模型协同监管的作物氮营养诊断模型以及作物氮营养调控策略在保证养殖池安全的前提下解决工厂化鱼菜共生系统水培作物的氮需求以及氮供给难题。
实施例一
如图1所示，本发明提出一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，方法包括：
步骤100，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的初始作物冠层图像；所述初始作物冠层图像为所述鱼菜全循环模式下的作物冠层图像。
其中，工厂化鱼菜共生系统的工作模式包括鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式；所述鱼菜全循环模式用于养殖池与种植槽之间的水体循环流通；所述养殖自循环模式用于养殖池内部的水体循环流通；所述种植自循环模式用于种植槽内部的水体循环流通。
步骤200，根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值。
步骤200具体包括：1)根据所述初始作物冠层图像，计算单株作物的平均冠层覆盖度。2)将所述平均冠层覆盖度输入至预设的作物临界氮营养需求模型中，以得到当前作物氮营养需求值。
其中，作物临界氮营养需求模型主要解决工厂化鱼菜共生系统水培生菜全生命周期的氮需求问题，反映生菜不同生长时期保证最大干物质积累时的最低氮需求量。所述作物临界氮营养需求模型的构建步骤包括：
1)获取不同采样周期内，所述工厂化鱼菜共生系统中每种试验作物的平均冠层覆盖度、地上部干重以及氮浓度。
2)针对任一种试验作物，对所述试验作物的地上部干重、平均冠层覆盖度以及对应的氮浓度进行方差分析，以得到限氮组和非限氮组；所述限氮组中的试验作物为施氮量不能满足生长需求；所述非限氮组中的试验作物为施氮量满足生长需求。
具体地，采用方差分析对整个采样周期中的每次采样日不同氮浓度处理下的多品种生菜植株干物质量进行分析，将不同氮处理分为限氮组与非限氮组。同时，由于冠层覆盖度与生菜地上部鲜重、干重强相关，且在实际应用中冠层覆盖度获取方法及精准度优于地上部干重。因此，可根据上述限氮组和非限氮组中作物对应的的冠层覆盖度，将冠层覆盖度对应划分为两组。
3)对于所述限氮组中的多个试验作物，将地上部干重、平均冠层覆盖度分别与所述试验作物的氮浓度进行线性拟合，以对应得到地上部干重-氮浓度曲线、平均冠层覆盖度-氮浓度曲线；具体地，分别以不同品种生菜的地上部干物质量和/或平均冠层覆盖度为横坐标，以相应的地上部氮浓度为纵坐标，分别对不同品种生菜的相关数据进行线性拟合。
4)对于所述非限氮组中的多个试验作物，计算试验作物的地上部干重的平均值、平均冠层覆盖度的平均值，以分别得到平均干重值和平均冠层覆盖度的平均值；所述平均干重值的限氮组和非限氮组划分，与所述平均冠层覆盖度的平均值的限氮组和非限氮组划分一一对应。
5)以所述平均干重值为横坐标向所述地上部干重-氮浓度曲线所处坐标系的横坐标轴做第一垂线，获取所述第一垂线与所述地上部干重-氮浓度曲线交点的第一纵坐标值；以所述平均冠层覆盖度的平均值为横坐标向所述平均冠层覆盖度-氮浓度曲线所处坐标系的横坐标轴做第二垂线，获取所述第二垂线与所述平均冠层覆盖度-氮浓度曲线的交点的第二纵坐标值。
6)根据所述第一纵坐标值和所述第二纵坐标值确定所述试验作物的临界氮浓度值。具体地，对所述第一纵坐标值和所述第二纵坐标值求取平均值，以得到所述试验作物的临界氮浓度值，但在实际生产中营养液水体在循环过程中实际上无法达到一个恒定的浓度值，因此，在实际应用中，以所述第一纵坐标值和所述第二纵坐标值为基准设定实际生产过程中的水体氮浓度调控区间，以得到所述试验作物的临界氮浓度值调控范围。
本发明中以平均冠层覆盖度-氮浓度曲线得到的第二纵坐标值，能够更便于实现对于作物氮浓度的实时测算和精准化数据表达。
7)依据GREENWOOD等对临界氮浓度稀释曲线模型的定义，该模型符合冥函数关系，具体如下式所示：
Nc＝aX-b。
因此，根据不同采样周期内得到的所述试验作物的临界氮浓度值以及对应的平均冠层覆盖度，确定模型公式Nc＝aX-b中的系数a和系数b，以得到所述试验作物的作物临界氮营养需求模型；其中，Nc为作物临界氮浓度值，即作物氮营养需求值，X为平均冠层覆盖度，系数a表示地上部干物质量达到1g/株时的临界氮浓度，系数b主要决定临界氮浓度稀释曲线的斜率。
步骤300，判断所述当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值，以得到第一结果。
步骤400，若所述第一结果表示否，则将所述鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式。
步骤500，若所述第一结果表示是，则维持所述鱼菜全循环模式的开启状态。
步骤600，在预设时间段之后，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据。
基于作物临界氮营养需求模型可知不同生长阶段水培作物的临界氮营养需求量，而在实际生长过程中，工厂化鱼菜共生系统缺乏实时的水培作物氮营养诊断工具及方法。因此，通过构建双模型协同监管的作物氮营养诊断模型来实现作物生长过程中的氮营养状况精准诊断。其中，所述作物氮营养诊断模型包括氮营养指数子模型和预训练好的氮营养分级子模型。
所述氮营养指数子模型为：
NNI＝Nt/Nc；
其中，NNI表示氮营养指数，Nt表示实际氮浓度值，Nc表示作物氮营养需求值。当NNI＝1时表示生菜植株氮营养状况最佳；当NNI>1时表示生菜植株氮营养过剩；当NNI<1时表示生菜植株氮营养亏缺。
基于冠层表型信息的氮营养分级子模型为采用最新的人工智能方法ConvNeXt构建所得，模型简化如下：
Ni＝ConvNeXt(image)；
其中，Ni表示氮营养分级指数；Ni＝[N0，N1，N2，N3，N4，N5]，image表示作物冠层图像数据；N0，N1，N2均表征氮缺乏，N3表征氮最佳，N4、N5均表征氮过量。
通过结合氮营养指数子模型和预训练好的氮营养分级子模型构建所得双模型协同监管的作物氮营养诊断模型，可实现工厂化鱼菜共生系统水培作物氮营养诊断的实时性和准确性，为后续的氮营养调控策略提供理论指导和技术支撑。
其中，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据，具体包括：
1)获取所述更新后作物冠层图像对应的实际氮浓度值。2)根据所述更新后作物冠层图像和所述预设的作物临界氮营养需求模型，计算更新后作物氮营养需求值。3)将所述实际氮浓度值和所述更新后作物氮营养需求值，输入至所述氮营养指数子模型，以得到氮营养指数。4)将所述更新后作物冠层图像输入至所述氮营养分级子模型，以得到氮营养分级指数；所述氮营养指数和所述氮营养分级指数构成作物更新后的氮营养数据。
步骤700，根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态。
基于鱼菜共生系统作用机理及原理，在保证不破坏养殖池水体环境的前提下(即后续氮营养调控不会威胁养殖对象)，本发明所述工厂化鱼菜共生系统中集成了养殖自循环模式、种植自循环模式、鱼菜全循环模式。如图2所示，所述工厂化鱼菜共生系统包括养殖池、物理过滤单元、生化处理单元、爆气增氧单元、种植槽、营养液循环缸和营养液母液缸。
所述物理过滤单元用于对所述养殖池排出的养殖尾水进行尾水中固形物的去除处理；所述生化处理单元用于对所述物理过滤单元排出的尾水进行硝化细菌的硝化作用处理，将水体中的氨氮转化为适宜作物吸收的硝态氮，消除对养殖对象有害的氨态氮；所述爆气增氧单元用于对所述生化处理单元排出的尾水进行增氧处理，该处理过程不仅可增加水培作物的根部溶氧，提升作物对营养物质的吸收能力，同时也可保障养殖水体中有足够的溶解氧供养殖对象支配；所述营养液母液缸用于为所述营养液循环缸输送营养液母液。
(一)所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元、所述种植槽依次首尾连通，构成鱼菜全循环回路；所述鱼菜全循环回路用于执行所述鱼菜全循环模式。
具体地，养殖池通过不断注入达标水和排出养殖尾水的方式保持养殖水体始终处于适宜养殖对象生长的状态，排出的养殖尾水依次输送至物理过滤单元、生化处理单元和爆气增氧单元；经过爆气后的尾水输送至种植槽，种植槽中的作物对尾水中的硝态氮进行吸收利用，转化为自身的干物质积累；待种植槽中积累的水体达到漫溢出口时，流回养殖池。如此形成一个闭环通道实现鱼菜共生系统的生态效益，且该模式也是工厂化鱼菜共生系统的初始模式。
进一步地，养殖池、物理过滤单元、生化处理单元、爆气增氧单元和种植槽之间均通过水体输送管道连通，水体输送管道通过电磁通断阀控制。
(二)所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元依次首尾连通，构成养殖自循环回路；所述养殖自循环回路用于执行所述养殖自循环模式。
具体地，养殖池通过不断的注入达标水和排出养殖尾水的方式保持养殖水体始终处于适宜养殖对象生长的状态，排出的养殖尾水依次输送至物理过滤单元、生化处理单元、爆气增氧单元对处理后的尾水进行增氧，流回至养殖池，该处理过程可保障养殖水体中有足够的溶解氧供养殖对象支配。如此往复形成养殖单元自循环，该循环为工厂化鱼菜共生系统水培作物氮营养调控的备用环节。
所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元之间均通过水体输送管道连通，水体输送管道通过电磁通断阀控制。
(三)所述营养液循环缸和所述种植槽双向连通，构成种植自循环回路；所述种植自循环回路用于执行所述种植自循环模式。
具体地，营养液母液缸内存储有已知浓度的营养液母液，通过泵和水体输送管道将定量的营养液母液输送至营养液循环缸，然后与营养液循环缸中的尾液进行混合后输送至种植槽供水培作物吸收利用，然后待种植槽中积累的水体达到漫溢出口时，返回营养液循环缸。如此往复形成种植单元自循环，该循环为工厂化鱼菜共生系统水培作物氮营养调控的关键环节。
基于上述工厂化鱼菜共生系统，步骤700，具体包括：
1)当f≤NNI≤g，且氮营养分级指数为N3时，关闭所述种植自循环模式，将所述养殖自循环模式更改为所述鱼菜全循环模式；其中，f表示第一设定值，g表示第二设定值。2)当NNI<f，且氮营养分级指数为N0，N1，N2的其中之一时，维持所述种植自循环模式的开启状态和所述养殖自循环模式的开启状态。
在一个具体实际应用中，通过鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式之间的通断协作共同完成工厂化鱼菜共生系统水培作物的氮营养调控，进而保证养殖对象和种植对象双丰收。工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法的具体流程包括：
(1)工厂化鱼菜共生系统默认初始状态为鱼菜全循环模式，如图2所示，该模式下，阀1关闭、阀2开启、阀3开启、阀4关闭、阀5关闭、阀6关闭。
(2)待系统运行一定时间后，通过摄像头定期获取水培作物冠层图像数据，然后通过作物临界氮营养需求模型计算得到当前条件下作物的氮营养需求值Nc，与当前水体中的氮营养含量Nw比较。如果Nc<Nw，系统正常运行(在实际规模化生产中供过于求的情况很少见)。反之，系统运行模式由鱼菜全循环模式变更为养殖自循环模式，再启动种植自循环模式。此时，系统中阀1开启、阀2关闭、阀3关闭、阀4开启(定时)、阀5开启、阀6关闭。
(3)待系统运行一定时间后，摄像头获取水培作物冠层图像数据，然后通过双模型协同监管诊断模块对当前作物的氮营养状况进行双重保障核实。
如果NNI处于0.9-1.1范围内且氮营养分级指数为N3(实际中NNI表示适宜状况的参考范围为0.9-1.1，很难达到1这个恒值)，则说明当前系统中作物氮营养状况恢复正常。系统运行模式在返回鱼菜全循环模式之前，需要先阀1开启、阀2关闭、阀3关闭、阀4关闭、阀5关闭、阀6开启，将种植槽中含有对养殖对象生长发育存在威胁的营养液进行清空，回流至营养液循环缸。这一步进行彻底之后正式将系统运行模式恢复至鱼菜全循环模式，此时，系统中阀1关闭、阀2开启、阀3开启、阀4关闭、阀5关闭、阀6关闭。
如果NNI<0.9且氮营养分级指数为N0，N1，N2的其中之一，则说明当前系统中作物氮营养仍然不足。系统运行模式亟需保持种植单元自循环模式，直至作物氮营养状况恢复正常。此时，系统中阀1开启、阀2关闭、阀3关闭、阀4开启(定时)、阀5开启、阀6关闭。
在实际的规模化生产中，NNI>1.1且氮营养分级指数为N4，N5的其中之一这种情况出现的几率很小，此处不做调控逻辑的设计。如果在生产过程中存在大面积收获水培作物而未及时进行作物补充时出现了这种情况，则继续维持当前工作模式。
综上，本发明中作物临界氮营养需求模型主要是基于作物全生命周期平均冠层覆盖度的变化来评估作物的最低氮营养需求，然后通过比对水体中实际的氮浓度来进行初步的氮营养供给充分与否的评估；双模型协同监管的作物氮营养诊断模型主要是通过结合氮营养分级模型和氮营养指数模型双重保障的方式判别当前生长条件下的作物是否存在氮营养不足等现象，为后续的氮营养调控决策提供依据。基于双模型协同监管的作物氮营养诊断模型的判别结果，采用养殖自循环、种植自循环、鱼菜全循环3种循环模式的密切配合实现工厂化鱼菜共生系统全生命周期的氮营养诊断及调控。本发明可保证工厂化鱼菜共生系统全生命周期氮营养的可靠供给，且不会对养殖对象的水体环境造成破坏，从而达到稳固工厂化鱼菜共生系统整体产量及经济效益的目标。
实施例二
如图3所示，为了执行实施例一中的技术方案，本实施例提供一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统，工厂化鱼菜共生系统的工作模式包括鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式；所述鱼菜全循环模式用于养殖池与种植槽之间的水体循环流通；所述养殖自循环模式用于养殖池内部的水体循环流通；所述种植自循环模式用于种植槽内部的水体循环流通；
所述工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统包括：
图像获取模块101，用于获取所述工厂化鱼菜共生系统中的初始作物冠层图像；所述初始作物冠层图像为所述鱼菜全循环模式下的作物冠层图像。
氮营养需求值计算模块201，用于根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值。
氮营养判断模块301，用于判断所述当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值，以得到第一结果。
第一模式调节模块401，用于当所述第一结果表示否时，将所述鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式；当所述第一结果表示是时，维持所述鱼菜全循环模式的开启状态。
氮营养诊断模块501，用于在预设时间段之后，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据。
第二模式调节模块601，用于根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，工厂化鱼菜共生系统的工作模式包括鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式；所述鱼菜全循环模式用于养殖池与种植槽之间的水体循环流通；所述养殖自循环模式用于养殖池内部的水体循环流通；所述种植自循环模式用于种植槽内部的水体循环流通；
所述工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法包括：
获取所述工厂化鱼菜共生系统中的初始作物冠层图像；所述初始作物冠层图像为所述鱼菜全循环模式下的作物冠层图像；
根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值；
判断所述当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值，以得到第一结果；
若所述第一结果表示否，则将所述鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式；
若所述第一结果表示是，则维持所述鱼菜全循环模式的开启状态；
在预设时间段之后，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据；
根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态。
2.根据权利要求1所述的工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，所述作物临界氮营养需求模型的构建步骤包括：
获取不同采样周期内，所述工厂化鱼菜共生系统中每种试验作物的平均冠层覆盖度、地上部干重以及氮浓度；
针对任一种试验作物，对所述试验作物的地上部干重、平均冠层覆盖度以及对应的氮浓度进行方差分析，以得到限氮组和非限氮组；所述限氮组中的试验作物为施氮量不能满足生长需求；所述非限氮组中的试验作物为施氮量满足生长需求；
对于所述限氮组中的多个试验作物，将所述地上部干重、所述平均冠层覆盖度分别与所述试验作物的氮浓度进行线性拟合，以对应得到地上部干重-氮浓度曲线、平均冠层覆盖度-氮浓度曲线；
对于所述非限氮组中的多个试验作物，计算地上部干重的平均值、平均冠层覆盖度的平均值，以分别得到平均干重值和平均冠层覆盖度的平均值；所述平均干重值的限氮组和非限氮组划分，与所述平均冠层覆盖度的平均值的限氮组和非限氮组划分一一对应；
以所述平均干重值为横坐标向所述地上部干重-氮浓度曲线所处坐标系的横坐标轴做第一垂线，获取所述第一垂线与所述地上部干重-氮浓度曲线交点的第一纵坐标值；以所述平均冠层覆盖度的平均值为横坐标向所述平均冠层覆盖度-氮浓度曲线所处坐标系的横坐标轴做第二垂线，获取所述第二垂线与所述平均冠层覆盖度-氮浓度曲线的交点的第二纵坐标值；
根据所述第一纵坐标值和所述第二纵坐标值确定所述试验作物的临界氮浓度值；
根据不同采样周期内得到的所述试验作物的临界氮浓度值以及对应的平均冠层覆盖度，确定模型公式Nc＝aX-b中的系数a和系数b，以得到所述试验作物的作物临界氮营养需求模型；
其中，Nc为作物临界氮浓度值，即作物氮营养需求值，X为平均冠层覆盖度。
3.根据权利要求1所述的工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值，具体包括：
根据所述初始作物冠层图像，计算单株作物的平均冠层覆盖度；
将所述平均冠层覆盖度输入至预设的作物临界氮营养需求模型中，以得到当前作物氮营养需求值。
4.根据权利要求1所述的工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，所述作物氮营养诊断模型包括氮营养指数子模型和预训练好的氮营养分级子模型；
根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据，具体包括：
获取所述更新后作物冠层图像对应的实际氮浓度值；
根据所述更新后作物冠层图像和所述预设的作物临界氮营养需求模型，计算更新后作物氮营养需求值；
将所述实际氮浓度值和所述更新后作物氮营养需求值，输入至所述氮营养指数子模型，以得到氮营养指数；
将所述更新后作物冠层图像输入至所述氮营养分级子模型，以得到氮营养分级指数；所述氮营养指数和所述氮营养分级指数构成作物更新后的氮营养数据。
5.根据权利要求4所述的工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，所述氮营养指数子模型为：
NNI＝Nt/Nc；
其中，NNI表示氮营养指数，Nt表示实际氮浓度值，Nc表示作物氮营养需求值；
所述氮营养分级子模型为：
Ni＝ConvNeXt(image)；
其中，Ni表示氮营养分级指数；Ni＝[N0，N1，N2，N3，N4，N5]，image表示作物冠层图像数据；N0，N1，N2均表征氮缺乏，N3表征氮最佳，N4、N5均表征氮过量。
6.根据权利要求5所述的工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态，具体包括：
当f≤NNI≤g，且氮营养分级指数为N3时，关闭所述种植自循环模式，将所述养殖自循环模式更改为所述鱼菜全循环模式；其中，f表示第一设定值，g表示第二设定值；
当NNI<f，且氮营养分级指数为N0，N1，N2的其中之一时，维持所述种植自循环模式的开启状态和所述养殖自循环模式的开启状态。
7.根据权利要求1所述的工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控方法，其特征在于，所述工厂化鱼菜共生系统包括养殖池、物理过滤单元、生化处理单元、爆气增氧单元、种植槽、营养液循环缸和营养液母液缸；
所述物理过滤单元用于对所述养殖池排出的养殖尾水进行尾水中固形物的去除处理；所述生化处理单元用于对所述物理过滤单元排出的尾水进行硝化细菌的硝化作用处理；所述爆气增氧单元用于对所述生化处理单元排出的尾水进行增氧处理；所述营养液母液缸用于为所述营养液循环缸输送营养液母液；
其中，所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元、所述种植槽依次首尾连通，构成鱼菜全循环回路；所述鱼菜全循环回路用于执行所述鱼菜全循环模式；
所述养殖池、所述物理过滤单元、所述生化处理单元、所述爆气增氧单元依次首尾连通，构成养殖自循环回路；所述养殖自循环回路用于执行所述养殖自循环模式；
所述营养液循环缸和所述种植槽双向连通，构成种植自循环回路；所述种植自循环回路用于执行所述种植自循环模式。
8.一种工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统，其特征在于，工厂化鱼菜共生系统的工作模式包括鱼菜全循环模式、养殖自循环模式和种植自循环模式；所述鱼菜全循环模式用于养殖池与种植槽之间的水体循环流通；所述养殖自循环模式用于养殖池内部的水体循环流通；所述种植自循环模式用于种植槽内部的水体循环流通；
所述工厂化鱼菜共生系统中氮营养调控系统包括：
图像获取模块，用于获取所述工厂化鱼菜共生系统中的初始作物冠层图像；所述初始作物冠层图像为所述鱼菜全循环模式下的作物冠层图像；
氮营养需求值计算模块，用于根据所述初始作物冠层图像和预设的作物临界氮营养需求模型，确定当前作物氮营养需求值；
氮营养判断模块，用于判断所述当前作物氮营养需求值是否小于当前种植槽水体氮营养含量值，以得到第一结果；
第一模式调节模块，用于当所述第一结果表示否时，将所述鱼菜全循环模式更改为养殖自循环模式，然后开启种植自循环模式；当所述第一结果表示是时，维持所述鱼菜全循环模式的开启状态；
氮营养诊断模块，用于在预设时间段之后，获取所述工厂化鱼菜共生系统中的更新后作物冠层图像，根据所述更新后作物冠层图像和预设的作物氮营养诊断模型，确定作物更新后的氮营养数据；
第二模式调节模块，用于根据所述作物更新后的氮营养数据，调控所述鱼菜全循环模式、所述养殖自循环模式和所述种植自循环模式的开闭状态。
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