崔冰冰

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的不斷增加，農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。光電技術(shù)作為一種先進(jìn)的信息技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛力。文章詳細(xì)分析了光電技術(shù)設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用，并重點(diǎn)探討了相關(guān)信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)作物病害防治等方面的應(yīng)用，以期為推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益提供參考。

關(guān)鍵詞：光電；信息技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；病害防治

文章編號：1674-7437（2024）01-0046-03 中國圖書分類號：S12 文章標(biāo)識碼：A

隨著全球人口的不斷增長和農(nóng)業(yè)資源的消耗，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如土地資源稀缺、氣候變化的影響、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全的要求等，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)難以滿足人們對高效、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的需求。因此，農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)成為解決這些問題的重要途徑。在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中，除了傳統(tǒng)的生物技術(shù)、土壤改良技術(shù)以外，還涉及機(jī)械、電子、能源和規(guī)劃等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。光電信息技術(shù)是利用光電子器件和光電子技術(shù)，將光學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息感知、傳輸和處理的一種重要的信息技術(shù)，其具有高精度、高效率的數(shù)據(jù)采集和處理能力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了新的思路和方法，在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。文章主要對光電技術(shù)中涉及的視覺系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行論述，并著重分析了光電信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)作物病害防治中的應(yīng)用情況，以期推動實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化、高效化和可持續(xù)發(fā)展，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。

1 光電信息相關(guān)系統(tǒng)

本章主要對光電信息技術(shù)聯(lián)系最為緊密的視覺系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行論述，對相關(guān)概念、主要原理和常見應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1.1視覺系統(tǒng)

光電視覺系統(tǒng)是基于光電傳感器和圖像處理算法的視覺監(jiān)測和分析技術(shù)系統(tǒng)。如圖1所示，該技術(shù)利用光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過光學(xué)系統(tǒng)將光線聚焦在感光元件上，形成圖像，并通過圖像處理算法對圖像進(jìn)行分析和處理，提取出目標(biāo)物體的特征和信息（見圖1）。光電傳感器可以根據(jù)物體的光反射、光透射或光散射等方式感知物體，具有高分辨率、高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、自動駕駛、智能安防等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的識別、跟蹤、測量和判斷，為各行業(yè)提供了強(qiáng)大的視覺信息處理技術(shù)[3]。

在農(nóng)業(yè)上，光電視覺系統(tǒng)應(yīng)用光電測距儀可以用于測量農(nóng)作物的高度、距離和路徑等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)機(jī)作業(yè)和農(nóng)田管理。例如，李小軍（2023）[4]將溫室番茄穴盤苗作為研究對象，開展了基于機(jī)器視覺的穴盤苗生長質(zhì)量檢測，并在質(zhì)量檢測基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)苗移栽路徑規(guī)劃研究，當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，待檢測穴盤苗經(jīng)傳送進(jìn)入視覺處理裝置，光電傳感器檢測到穴盤經(jīng)過，發(fā)送電信號觸發(fā)相機(jī)抓拍，采集穴盤苗原始彩色圖像并儲存在PC機(jī)指定地址，隨后圖像處理算法讀取儲存的穴盤苗圖像進(jìn)行快速處理，完成幼苗生長狀態(tài)檢測任務(wù)。

1.2監(jiān)測系統(tǒng)

光電監(jiān)測系統(tǒng)是一種通過光電傳感器、光學(xué)成像和信號處理等技術(shù)，對被監(jiān)測對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制的系統(tǒng)。其原理是利用光信號的傳感、測距、控制和識別等功能，對被監(jiān)測對象的特征和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，從而實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行精準(zhǔn)的控制和管理。常見的光電監(jiān)測系統(tǒng)包括無損監(jiān)測技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用、光電監(jiān)測技術(shù)的五個(gè)重要組成部分、虹膜技術(shù)在安防等領(lǐng)域的應(yīng)用等。該系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，能夠提高工作效率和準(zhǔn)確性，保障設(shè)備和人員的安全。農(nóng)業(yè)上，光電傳感器可以用于測量光照強(qiáng)度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)作物管理和調(diào)控。沈楷程（2022）[5]研發(fā)了光譜技術(shù)的溫室辣椒精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，該學(xué)者分析干旱脅迫下植株Fv/Fm變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過光譜分析篩選與Fv/Fm高度相關(guān)的特征波段，開發(fā)監(jiān)測裝置，構(gòu)建基于植株生長需求的灌溉決策模型，搭建溫室植株灌溉系統(tǒng)，探索結(jié)合作物生長需求的精準(zhǔn)灌溉控制方法。

如圖2所示，溫室辣椒精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)包含4G通信電路、電磁閥控制電路、電源電路、單片機(jī)及傳感器接口電路的電磁閥控制器，能夠結(jié)合空氣濕度、土壤含水率及葉片信息實(shí)現(xiàn)植株自動化智能灌溉（見圖2）。

1.3控制系統(tǒng)

光電控制系統(tǒng)是將光電傳感器與控制器相結(jié)合，通過光信號的判斷和處理，控制相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)調(diào)節(jié)。光電技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的感知能力、控制精度和自動化程度，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、智能制造和智能控制等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，光電控制系統(tǒng)可以用于實(shí)現(xiàn)自動化的農(nóng)業(yè)作業(yè)和設(shè)備控制，如智能灌溉系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)、蘋果自動化采摘裝置等。

甄暢（2022）[6]設(shè)計(jì)出一套既能識別又能控制的棉花打頂控制系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)以光電識別傳感器為高度識別模塊，并圍繞光電識別模塊展開整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是由檢測裝置（棉株高度檢測裝置和打頂?shù)毒呱蹈叨葯z測裝置）、信號處理模塊、信息放大模塊、電磁控制集成閥塊、打頂執(zhí)行裝置、識別架總成、切割裝置等組成（見圖3）。

2 光電信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用非常廣泛。通過光電傳感器、光電測距儀和光電控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的自動化作業(yè)和精準(zhǔn)管理，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動化程度和安全性能，減少人工操作，降低勞動強(qiáng)度和事故風(fēng)險(xiǎn)，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化和可持續(xù)發(fā)展。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，光電傳感器可以用于檢測和控制農(nóng)作物的生長狀態(tài)和機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)。例如，光電傳感器可以用于檢測農(nóng)作物的高度、顏色和成熟度，從而實(shí)現(xiàn)自動化采摘和分類農(nóng)作物。如智能化收割機(jī)通過攝像頭和傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)田的作物成熟度和收割情況，結(jié)合圖像處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以調(diào)整收割機(jī)的工作速度和刀具的高度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)收割，提高收割效率和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。同時(shí)，光電傳感器還可以用于檢測農(nóng)機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)，如轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制和故障檢測。如智能化播種機(jī)可以實(shí)時(shí)檢測土壤的質(zhì)地、濕度和營養(yǎng)狀況，結(jié)合圖像處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以調(diào)整播種深度、播種密度和行間距等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種，提高播種效果和農(nóng)作物的產(chǎn)量。

此外，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，光電控制系統(tǒng)可以用于實(shí)現(xiàn)自動化的作業(yè)控制和安全監(jiān)測。例如，在噴灑機(jī)械中，光電控制系統(tǒng)可以根據(jù)作物的生長情況和病蟲害的發(fā)生情況，自動調(diào)整噴灑藥劑的劑量和噴灑范圍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的病蟲害防治。同時(shí)，光電控制系統(tǒng)還可以用于監(jiān)測農(nóng)機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)和安全性能，如監(jiān)測傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和溫度，以及監(jiān)測農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的可靠性和安全性。除以上兩點(diǎn)以外，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，內(nèi)置的光電測距儀可以用于測量農(nóng)作物的高度和距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)機(jī)作業(yè)。例如，在水稻、小麥等收割機(jī)械中，光電測距儀可以測量作物的高度和密度，調(diào)整刀具的高度和間距，實(shí)現(xiàn)高效的收割作業(yè)。在棉花采摘機(jī)械中，可以在分析田間棉株的高度性狀、物理性狀、采摘應(yīng)力的基礎(chǔ)上，又加以分析棉花在棉株的實(shí)際高度及相鄰棉株之間的高度差[7-9]。

3 光電信息技術(shù)在農(nóng)作物病害防治中的應(yīng)用

在農(nóng)作物病害防治中，光電技術(shù)被廣泛應(yīng)用，例如在農(nóng)田中安裝攝像頭和傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)作物的生長狀態(tài)和病害的發(fā)生情況。攝像頭可以拍攝農(nóng)作物的圖像，通過圖像處理和分析技術(shù)，可以對病害進(jìn)行識別和分類。傳感器可以監(jiān)測農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照等，通過與病害的關(guān)聯(lián)分析，可以預(yù)測病害的發(fā)生和傳播趨勢。這些信息可以為農(nóng)民提供及時(shí)的防治建議和措施，減少病害對農(nóng)作物的危害，通過數(shù)據(jù)分析和模型建立，為農(nóng)民提供病蟲害防治的決策支持。通過收集和分析病蟲害的歷史數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和農(nóng)作物數(shù)據(jù)，可以建立病蟲害發(fā)生的模型和預(yù)測模型，為農(nóng)民提供科學(xué)的防治方案和措施，提高防治效果和農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

此外，通過光譜技術(shù)，可以對農(nóng)作物的葉片、果實(shí)等進(jìn)行光譜掃描和分析，以獲取農(nóng)作物的生理信息和病害特征。不同的病害會導(dǎo)致農(nóng)作物葉片的光譜特征發(fā)生變化，通過分析這些變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害的存在和發(fā)展趨勢。同時(shí)，光譜技術(shù)還可以用于病害的診斷和鑒定，通過與已知病害的光譜特征進(jìn)行對比，可以確定病害的類型和程度，為農(nóng)民提供精準(zhǔn)的防治措施。例如，利用光電信息技術(shù)，可以使用智能化的噴灑機(jī)器人。通過攝像頭和傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測病蟲害的發(fā)生情況和農(nóng)田的作物生長狀態(tài)，結(jié)合圖像識別和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以調(diào)整噴灑藥劑的劑量和噴灑范圍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，提高防治效果和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。無人機(jī)配備了高分辨率的攝像頭和傳感器，可以對大面積農(nóng)田進(jìn)行快速掃描，通過無人機(jī)獲取的圖像和數(shù)據(jù)，可以對農(nóng)作物的生長狀態(tài)和病害的發(fā)生情況進(jìn)行全面的監(jiān)測和分析，為農(nóng)民提供全面的病害防治信息和決策支持[10-11]。

通過應(yīng)用光電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的自動化管理和精準(zhǔn)作業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。同時(shí)，光電技術(shù)還可以提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動化程度和安全性能，減少人工操作的需求，降低勞動強(qiáng)度和事故風(fēng)險(xiǎn)，推動農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要意義。

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