空天地一体化智慧果园平台设计与应用

潘 明，张丽慧，黄晓财，王 明，侯阳笛

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510620；2.广州市健坤网络科技发展有限公司，广东 广州 510620；3.湖南省气象局，湖南 长沙 410118）

0 引言

果园是一个综合、复杂的生态系统，影响果树生长的因子很多，如生态环境、气象、地势、土壤、病虫害、工业“三废”和种植技术等。传统果园对果树的水、肥、农药的投放全凭经验，人为因素占主导，管理手段粗放、效率低下。传统果园很少利用信息化工具来进行果园的精准化管理，亦未对果园生产数据进行采集，无法掌握果树生长所需数据[1,2]。传统果园为了提高果树产量，一般采取品种改进、给土壤增加肥力以及加强传统植保等手段，耗费人力和损耗农业资源，但果树产量和果品品质仍难以保障。传统果园模式已经无法满足现代化果园发展的要求，借助空天地一体化监测网络、信息技术、自动化控制技术、智能设备设施等给传统果园赋能，将传统果园改造升级为智慧果园是果园发展的必经之路[3]。

本文围绕“空天地一体化”及“智慧果园”的理念，设计了空天地一体化智慧果园平台，将传统果园与信息技术深度融合，用设施设备和数字技术为果园赋能，促进果园转型升级，实现果园科学生产、精细管理、智能控制、数字决策[4,5]。

1 总体设计思路

空天地一体化智慧果园的设计按照“统一规划、统一标准、统一建设、资源整合、服务应用”的思路，强化顶层设计，以遥感卫星、移动互联网、物联网、大数据、人工智能等先进技术为创新依托，集成智能农机装备和智能终端，设计果园智慧化应用[5-7]，实现果园智慧化建设5 个目标：①一个中心：以提质增效、降本减施为中心目标，建立融合环境感知、作业监测、绿色防控、水肥智能的果园数字化生产管理体系。②两两融合：促进装备、农技、农艺深度融合，深化落地场景。③三位一体：打造种植生产、应用示范、科技培训“三位一体”，兼具生产、示范、培训多重功能。④四管齐下：通过果园标准化建设、果园宜机化改造、果园设施装备配套、果园数字化建设等4 项工程，促进果园升级改造。⑤五化协同：实现品种优质化、防控绿色化、水肥智能化、生产机械化、管理数字化，全面提升果园现代化建设水平。空天地一体化智慧果园模型如图1所示。

图1 空天地一体化智慧果园模型

2 平台总体架构

通过参考空天地一体化智慧果园模型和结合常用软件架构设计模式，平台总体架构采用分层架构，兼顾松耦合、高可靠性、高扩展性进行设计[8]，包括感知层、传输层、数据层和应用层，如图2 所示。平台核心功能主要体现在3 个方面：①应用遥感卫星、物联网、传感器终端等技术构建空天地一体化监控系统，实现对果园“空-天-地”不同角度的全方位、全周期的数据采集，是智慧果园数字化管理的基础；②应用卫星导航、物联网、移动通信、自动化控制技术等为果园的设备设施配置作业监测终端和智能控制系统，实现对设备设施的联网控制，开展精准作业和远程操控，是智慧果园智能化管理的基础；③应用大数据、人工智能等技术构建智慧果园的“中枢神经”与“智慧大脑”，实现果园的智能感知、智能分析、智能决策、智能作业、智能预警、智能调度，是智慧果园数字化决策、未来无人化管理的基础。

图2 空天地一体化智慧果园平台总体架构图

感知层是平台的数据源基础。①集成果园各类监测传感器，依靠物联网技术下的传感器网络来采集数据，包括果园气象、土壤墒情、果树生理、病虫害、视频等各类数据；②集成遥感卫星、无人机所采集的果园定位、果园面积、地面环境、土壤养分、果树长势等空间影像数据；③集成作业监测终端和智能控制系统，依靠物联网技术来采集作业数据和控制各类设备设施[9]。

传输层是平台的数据传输媒介，主要是通过4G网络、Zigbee、LoRa、Wifi、AIoT 等媒介传输，把感知层采集的数据上传到数据层中。

数据层负责平台的数据存储，主要是对采集的果园各类数据进行集中标准化存储和开展数据治理以提高数据质量，最终形成果园数据资源池，是果园的数据资产。数据层的核心是数据治理和数据服务，数据治理包括：数据整理、数据清洗、数据加工、数据运算、数据入库、数据归类、数据维护等；数据服务是以统一规范的数据格式对外提供数据共享，采用数据接口的方式提供，支持RESTful、Web Service 和RPC 等方式。

应用层是平台应用的集合，实现一系列的业务逻辑，通过界面组件与用户进行交互。应用层通过数据层的数据服务对数据进行读取、计算、处理和分析，形成应用场景为用户提供可视化呈现、远程控制、智能提示和分析决策等。应用层也支持多种形态的产品，如：移动应用APP、电脑端软件、嵌入式应用。

3 平台应用系统

基于平台总体架构、遵循以人为本和使用方便简单的原则，设计和开发面向果园管理者的应用系统，以移动应用APP 和电脑端软件的方式来提供。果园管理者通过手机安装APP 就能掌握果园的生产经营数据、设备设施控制、智能预警和农事指导等服务；电脑端软件通过一张图实现对果园的综合管理、果园全要素的参数设置、设备设施控制和系统管理等。

平台应用系统包括4 个方面：①空天地一体化监控系统；②精准作业和自动化控制系统；③数据服务中台；④智慧果园应用服务。应用系统结构如图3 所示。

图3 应用系统结构图

3.1 空天地一体化监控系统

空天地一体化监控系统是通过空天地一体化监测网络对果园进行全立体、全周期监测[5]，实现果园各类数据的采集、实时传输和存储加工，将数据以统一数据规范格式存储在数据服务中台。

空天地一体化监控系统的功能模块按空间分类进行划分：

1）天基（遥感卫星）监测网络。利用遥感卫星对大范围内的果园开展果园位置、果园范围及面积测算，果园地面环境、果树长势、果园土壤养分、产量预估等的精准感知与信息获取。遥感卫星还能提供大范围内果园的精准气象监测和农业旱涝、高温热害、低温冻害、台风冰雹等灾情预报预警服务。天基监测网络能为大范围果园提供精准监测。

2）空基（无人机）监测网络。利用无人机搭载多光谱、视频器件等设备对特定果园进行果树计数、果园地面环境、果树长势、果树叶面、果树病虫害等的精准感知与信息获取[9]。无人机还能搭载农药对果园进行喷洒作业，无人机的行动轨迹、喷洒农药量、工作时长等数据都会实时记录。空基监测网络能为特定果园提供精准监测。

3）地基（物联网）监测网络。在果园的种植区域部署一系列的数据监测终端，终端通过物联网技术实现监测数据的采集和上传。数据监测终端包括：气象站能实时监测果园空气温湿度、风速风向、降雨量、太阳辐射等信息；叶面传感器能实时监测叶面温度、湿度等信息；土壤墒情能实时监测果园不同深度的土壤温湿度、pH 值、EC 值等信息；虫情监测是利用智能虫情灯实现对果园虫情发生情况的监测；视频监控能实时监测果树长势、果园环境及治安情况；AI 摄像头通过结合病虫害图谱能对果园的病虫害进行实时自动识别。地基监测网络覆盖果园土壤、生态环境、果树个体及群体的立体化监测服务，能提高果园监测效率与数据可信度[10]。

3.2 精准作业和自动化控制系统

精准作业和自动化控制系统主要实现果园农机装备的精准作业和果园设施的自动化远程控制。

1）精准作业系统。在果园农机设备上安装作业监测终端和自动化控制组件，使农机装备能开展自动化、精准作业。功能包括农机装备管理、农机机具管理、农机定位、农机状态监测、作业管理、作业面积统计、作业轨迹回放、作业查询等。

2）自动化控制系统。在果园的设施上安装传感器和自动化控制组件，使其能自动化、远程控制，设施包括灌溉系统、水肥一体化、蓄水池等。功能包括设施运转状态监测、设施开启及关闭、能耗统计、自动化参数设置、水肥一体化管理等。

3.3 数据服务中台

数据服务中台主要是管理果园数据资源池和提供应用服务开发工具，实现对果园各类数据的采集、数据存储、数据治理、数据安全、数据运营和数据共享，同时提供各类公共组件快速开发智慧果园应用[4]。内容包括：

1）果园数据资源池。对果园各类数据进行集中标准化存储和开展数据治理，形成果园数据资产。内容包括果园地理环境、果园基本信息、果园区域、果树信息、果树长势、果园气象、果园墒情、果园土壤、果树叶面、果园病虫害、病虫害图谱、果园知识库、果园遥感、无人机植保、农机装备、农机作业、设施运行、农业资源消耗等。

2）数据服务和公共组件。采用微服务架构对外提供数据服务，注重数据服务能力的可扩展性和高可靠性，并加强数据的安全性。提供常用的公共组件、农业应用中间件和系统工具，具备快速开发果园智慧化应用的能力。

3.4 智慧果园应用服务

智慧果园应用服务主要是面向果园管理者，围绕果园生产、管理和决策的数字化应用[6]。内容包括：

1）智慧果园一张图。①通过无人机对果园进行航拍建模，建立果园数字化模型，将果园土地资源、果园种植分区、果树品种、果园农机设备、果园设施、果园道路、监测终端等进行整编入模，实现果园数字孪生、数据可视化展示。②将设备设施与果园数字化模型进行深度融合，在一张图上就能为设备规划路线、实时浏览设备的运行状态和作业轨迹、随时控制设施的开启和关闭，做到所见即所得。③提取果园生产关键性数据指标，建立果园数据专题，利用各类图表、电子地图、遥感卫星、VR全景等方式将数据集中在一张图上进行展示，满足汇报、浏览和管理等需要，通过一张图就能轻松全览果园全貌、生产经营情况、资源消耗情况，进行设备设施集中管控和应急指挥调度。

2）智慧果园APP。为果园用户提供移动式的果园数字化管理工具和增值服务，果园用户通过手机就能轻松管理整个果园。内容包括果园生产管理、果园物联网、农机作业、设施控制、果品溯源、行业动态、果园圈、专家咨询、病虫害图谱、果园知识库、价格行情、产销对接、预警预报、信息提醒等。

3）智慧果园物联网。对安装在果园的传感器和监控设备所采集的数据进行统一管理，对采集的数据以不同的图表方式进行展示，数据可以按照不同时间范围、不同维度进行统计汇总，并根据设定的阈值进行异常报警。

4）果园一树一码。对果园的果树进行编码和建模，以便准确定位并查找果树的具体位置及相关信息。通过一树一码，可以实现果树精细化管理和果树认领服务。

4 平台应用示范

本文所设计的空天地一体化智慧果园平台已在广东茂名250 亩荔枝果园成功应用示范，通过智慧果园一张图对荔枝果园进行数字化建模，可直观掌握荔枝种植区域及地块、荔枝生产数据，并实现掌上水肥一体化控制、农机装备位置及作业路线规划、视频监控、农事建议、预警预报等，满足可视化管理荔枝果园的需求，如图4 所示。通过该平台的成功实施，解决了该果园管理粗放、无法准确掌握荔枝生长情况和机械化精准作业等问题。

图4 智慧果园一张图

5 结语

空天地一体化智慧果园平台是一个复杂、综合、专业的大集成系统，是信息技术与果园生产全要素结合的产物。平台利用空天地一体化监测网络的优势实现对果园全方位信息感知；结合物联网、自动化控制技术实现果园设备设施的联网和远程控制；将大数据、人工智能与农技农艺结合构建智慧果园大脑。该平台的推广应用可以帮助传统果园向智慧果园转型升级，能节约劳动力成本和提高果园管理效率、促进果品质量的提升,增加果园经济效益。