中药材空-天-地立体监测平台的顶层设计与应用

刘金艳 曹柏松 唐芙蓉

关键词：中药材种植；立体监测；遥感卫星；无人机；地面传感器组

0引言

中药材认可度在国内外的日益增加，人们对于中药材的需求也随之升高。中药材的生长环境对其质量和功效有着重要影响，因此对中药材生长环境进行监测具有重要意义。国家高度重视中医药行业的发展，对于中药种植行业也有相关政策指导，提到要规范中药材种植，促进中药材行业的高质量发展。而中药材的质量也影响着人民的身体健康。但传统的监测方法面临无法及时获得全面信息、数据采集成本高、环境要求较高等问题。中药材空-天-地立体监测平台，能够完成对中药材种植过程中的监测，实现实时、全面、远程监测中药材生长环境，帮助药农规范化种植、保证中药材质量、提高种植效率，促进中药材种植生产转型。立体监测平台能够响应国家政策，满足人民需求。因此，中药材空-天-地立体监测平台的顶层设计与应用具有重要应用价值。

关于中药材种植方面，宋善敏等人[1]分析了在遥感技术的支持下在贵州中药材种植的发展前景；史婷婷等人[2]则是以海南白沙黎族自治县细水乡为研究地，提出了对无人机在裸花紫珠的监测的研究；景志贤等人[3]探讨了无人机在中药领域的应用；Brovkina等人[4]采用无人机监测成功应用于云杉和银杉的分离，用来鉴定树木类别；Tetila等人[5]在大豆种植区，利用图像来跟踪大豆叶面病害。随着中药材在国际上认可度逐渐提升，需求量也在慢慢提高，因此立体监测中药材种植的设计与应用有着较大发展潜力和重要性。中医药是中国传统文化的体现之一，通过立体监测中药材种植的设计与应用，可以提高进一步提高中医药的国际竞争力。

1中药材空-天-地立体监测的顶层设计

通过对立体监测平台整体的框架设计，中药材空-天-地立体监测平台能够实现对药田的全面监测，进行整体分析，整体框架设计图如图1所示，分为数据采集层、数据传输层、数据处理层和反馈层。

中药材空-天-地立体监测的顶层设计中，系统架构设计原则应当包含统一性原则、模块化设计、分层次设计和稳定性四个方面的内容，确保系统在不同空间和时间尺度上进行监测时能够统一管理和操作，让系统更加清晰、合理。

2系统功能分析

中药材空-天-地立体监测系统的功能需求主要包含药田监测、中药材生长状态监测、中药材品质评估、病虫害预警、监测数据集成与分析和立体监测平台构建，为中药材的种植提供全面数据支持，进而实现中药材的增产降本，推动中药材产业的可持续发展。

3空-天-地立体监测平台的关键技术

基于无人机遥感和卫星遥感技术，以遥感卫星、5G无人机和地面传感器组为核心，集精准化、实时化和智能化为一体，将人工智能、物联网技术和中医药现代技术相融合，建立空-天-地立体监测平台，为传统中医药种植赋能，提供精准化种植和可视化管理，以扩大中药材产量、提高中药材质量，进而充分发挥信息化对乡村振兴的驱动作用，提升农村现代化水平。

中药材空-天-地立体监测的顶层设计主要是为了实现对中药材种植过程的全面监测，通过对获取的数据进行全面分析[6]。立体监测平台的构成如图2所示。

3.1遥感在中药材空-天-地立体监测中的应用

旱情是中药材种植的重要影响因素，在缺乏充足水分下中药材难以实现健康、正常生长，而监测干旱情况也是遥感技术的一种重要应用。因此中药材种植可以借助遥感卫星，对药田进行监测，结合算法库，利用微波遥感技术实现对药田土壤的含水量进行全方位的监测，能够获得较好的精准度。评估药田环境的旱情对于中药材的种植十分重要，但需要将具体中药材生长的水分需求与旱情结合分析[7]。利用遥感技术进行旱情监测时，可以针对不同区域的旱情进行反馈，进而完成对土壤水分状况的评估，分析中药材的受旱情况，帮助药农及时为药田浇水，为中药材构建一个合适的生长环境，从而提高中药材的品质。

借助遥感卫星能够实现对中药材的长势监测。长势监测分为过程监测与实时监测[8]，分别是从生长全过程监测与阶段性对比的监测，来对中药材的长势进行监测。一般包含长势参数选择、长势指标构建、长势指标标定三个方面的监测方法。遥感监测主要利用反演的作物参数实现对中药材长势的监测，如归一化植被指数和叶面积指数。通过监测中药材光谱特征变化，利用可见光波段和近红外波段的强吸收与强反射光谱特征等敏感波段组合生成的指数信息，反映中药材的长势，以帮助药农及时掌握中药材的生长状况，如图3所示。

将遥感卫星与现代地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）相结合，对遥感数据与药田详细信息进行统一分析，建立中药材种植地的空间数据库，实现对中药材种植地的精确定位和立体监测。

立体监测平台涉及遥感卫星的数据传输，为了提高检测效率和准确性，主要解决传统数据传输方式在中药材种植监测中的问题，如传输速度慢、数据量大等。需要选择合适的传输方式和网络架构，以确保数据能够及时传回。同时还需要考虑数据传输的安全性，采用相关加密手段，以确保数据能够安全完整的传回。

3.2无人机在中药材空-天-地立体监测中的应用

5G结合无人机采用不同带宽部分分频接入，地面区域和天空区域采用不同的BWP资源，减少空地间的干扰，以更好地完成中药材生长情况及病虫害的监测。通过搭载摄像设备，对药田进行图像信息捕捉[9]，利用影像反演得到的中药材叶面积指数、叶片生物量等长势参数，将获取到的归一化植被指数等信息与药田的实测数据相结合[10]，将各田块图像数据整合后，对中药材生长状况进行对比分析，进行药田指标计算与分析，通过中药材自身散发的热量，对中药材的长势情况进行分析。利用无人机搭载监控系统能够实现对大面积药田的监控，且无人机成本较低，可以减少成本投入。

无人机可以通过目标识别、目标分割等技术对药田内的杂草和病虫害进行识别。通过无人机的高视角，基于可见光与多光谱图像实现田间杂草的识别，以快速发现药田内的异常生长情况。无人机搭载包含蓝、红、绿近红外波段的多光谱相机，获取高分辨率图像，利用多层感知器识别中药材，并将其实时传回监测系统内。利用中药材与杂草中波段的差异信息[11]以及区域内存在的其他物质，进行分类识别，以便药农可以及时采取措施进行防治，为中药材提供一个良好的生长环境，进而可以提高中药材的产量和质量，如图4所示。

立体监测平台无人机涉及的数据传输主要解决传输数据速度慢、传输数据量大等问题，为了使药田近地侧的相关监测数据能够安全传回，需要设计一个稳定、安全且高效的传输通路，以提高监测效率和准确性。

3.3传感器组在中药材空-天-地立体监测中的应用

地面传感器组可以很好地监测遥感卫星及无人机无法监测到的土壤信息，同时利用传感器获取的信息，将无人机与遥感卫星传回的反演信息进行校正，以获得更准确的数据。

传感器是实现中药材空-天-地立体监测的关键设备，传感器的布置设计是确保监测系统能够准确、全面地获取中药材种植环境的重要任务。需要针对中药材种植的不同特点和需求，选择不同类型的传感器。根据中药材的生长特点和环境要求，可以使用土壤湿度传感器、温度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器等多种类型的传感器。气体传感器能够通过监测空气中的氧气、二氧化碳等指标，温湿度传感器用于监测中药材土壤中的温度、湿度和土壤pH值变化，实时收集中药材的生长环境参数，使药农能够实时了解中药材的生长情况，便于及时做出措施，使中药材生长环境更适宜。摄像头传感器对中药材的生长状态进行实时记录，将图像数据进行分析处理后，对中药材的生长情况进行评估，提前发现病害问题，保证中药材的茁壮生长。叶面温湿度传感器用于监测中药材叶面的温湿度，这实现了对中药材叶片生长环境的精准监测，在某种程度上也能够达到预防病虫害的目的[12]。基于无线传感网络组建气象传感网络，完成各节点数据的采集，然后再进行汇聚转发，实现对气象信息的实时采集。通过将不同类型传感器的组合，尽可能获得更加全面的信息，帮助药农进一步了解中药材的生长环境，如图5所示。

另外需要对传感器的位置进行合理规划。传感器的位置需要考虑到中药材生长的特点。同时，传感器之间应避免相互干扰，从而保证不会干扰传感器的正常工作。传感器监测到的数据通过无线或有线网络进行传输，数据的传输和管理需要充分考虑中药材种植的需求，确保实时监测数据的及时性和可靠性。

4结束语

通过对中药材的种植过程进行分析，发现传统种植方式存在许多改进和提升空间。本文探讨了关于中药材空-天-地立体监测平台的顶层设计。从“空-天-地”三个角度获取药田的详细数据，利用监测数据判断中药材的生长情况，对过程中病虫害的发生进行预警。将收集的数据进行整合分析，实现对药田的监测。通过这个平台，药农可以实时了解中药材的生长状态，当出现生长环境改变时能及时做出相关措施，保证药材产量与品质。

在未来可以进一步完善中药材空-天-地立体监测的顶层设计，通过探索更多的技术，结合相关物联网硬件提高监测的准确度。对平台内的数据处理方法和分析方法进行优化，引入相关人工智能技术，实现自动化处理，得出更科学的种植措施。将中药材种植与其他领域结合，跨学科合作，让立体监测平台变得更加完善。