竹子在全球范圍內(nèi)有著廣泛的分布，被譽(yù)為“世界第二大森林”。我國(guó)是世界上擁有竹資源（包括種類(lèi)、面積）最多的國(guó)家，約占全球的1/3。竹子不僅在吸收二氧化碳、防止水土流失、維持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用，還能為人類(lèi)提供多種優(yōu)質(zhì)的加工材料，竹筍更是營(yíng)養(yǎng)豐富的綠色健康食品，同時(shí)林下種植和養(yǎng)殖也是大有前景的經(jīng)營(yíng)模式。對(duì)竹子（筍）生長(zhǎng)、生理、生境參數(shù)予以高效、精準(zhǔn)的原位監(jiān)測(cè)，可以有效促進(jìn)竹資源培育、管理和開(kāi)發(fā)利用水平的提升，對(duì)改善我國(guó)竹產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力少、成本高、效率低、效益差的現(xiàn)狀具有重要意義。
竹子（筍）的生長(zhǎng)指標(biāo)主要包括高度、莖粗、發(fā)筍量、林分密度、林分高度、根系/竹鞭形態(tài)等，關(guān)鍵生理指標(biāo)主要包括液流、水勢(shì)、光合效率等，竹林環(huán)境參數(shù)主要包括空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等。對(duì)于地面生長(zhǎng)指標(biāo)的獲取，除利用花桿、塔尺、卷尺等測(cè)量工具的常規(guī)調(diào)查法外，目前主要采用便攜式的檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，包括測(cè)樹(shù)槍和自制的光學(xué)測(cè)量設(shè)備；對(duì)于地下竹筍、竹鞭的探測(cè)，除了成本很高的地面穿透雷達(dá)法，尚無(wú)更合適的檢測(cè)手段；對(duì)于生理指標(biāo)的檢測(cè)則主要依賴(lài)相應(yīng)的專(zhuān)用儀器。總體來(lái)看，現(xiàn)有方法普遍采用便攜式儀器檢測(cè)，缺乏時(shí)間和空間的連續(xù)性，且在數(shù)據(jù)的采集、通信和處理方面沒(méi)有充分發(fā)揮當(dāng)前最新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；此外，由于竹子主要生長(zhǎng)在山區(qū)，地形起伏大，環(huán)境復(fù)雜，植株高大密集，供電和通信較為困難，因此現(xiàn)有的常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)大范圍、多參數(shù)、高效、精準(zhǔn)的原位監(jiān)測(cè)。2018年，國(guó)際竹藤中心牽頭承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“竹資源高效培育關(guān)鍵技術(shù)研究”，并設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的課題子任務(wù)來(lái)研究和解決上述難題。經(jīng)過(guò)近3年的攻關(guān)，課題組融合電子測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算、新型無(wú)線通信和電源等技術(shù)，設(shè)計(jì)了先進(jìn)的智能監(jiān)測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)方案，研制了一系列原位監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)或終端，開(kāi)發(fā)了配套的算法和軟件，構(gòu)建了較為完善的毛竹監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)毛竹生長(zhǎng)、生理、生境的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行大范圍、高效、精準(zhǔn)的原位監(jiān)測(cè)，并可動(dòng)態(tài)接入其他檢測(cè)儀器以進(jìn)一步擴(kuò)展監(jiān)測(cè)種類(lèi)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可通過(guò)表格、曲線或圖像等多種方式呈現(xiàn)，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)、便攜式電腦和智能手機(jī)等設(shè)備隨時(shí)隨地進(jìn)行查看。目前，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在安徽省涇縣、霍山縣等地開(kāi)展示范應(yīng)用，效果良好，為行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力支持。竹筍數(shù)量及高生長(zhǎng)率監(jiān)測(cè)竹筍品質(zhì)、成竹產(chǎn)量等與發(fā)筍量、竹筍高生長(zhǎng)率密切相關(guān)，因此及時(shí)了解這些信息至關(guān)重要，有助于采取相應(yīng)的生產(chǎn)措施來(lái)滿足對(duì)筍用林的培育需求，進(jìn)而促進(jìn)林下經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但也要注意到，竹筍的龐大數(shù)量、快速增長(zhǎng)的高度，外加竹林環(huán)境的限制，使得實(shí)時(shí)、高效、精準(zhǔn)的信息檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的竹筍數(shù)量主要靠人工計(jì)數(shù)，而高生長(zhǎng)速率則一般通過(guò)卷尺、標(biāo)桿等工具以人工接觸方式測(cè)得高度后再行計(jì)算。目前，若采用超聲波、激光雷達(dá)、高光譜等新技術(shù)，可能存在成本較高、精度偏低等問(wèn)題，若采用無(wú)人機(jī)平臺(tái)檢測(cè)模式則會(huì)存在檢測(cè)尺度過(guò)大等問(wèn)題。相較而言，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像測(cè)量是一種可行的解決方案，其基本流程是將由低成本的固定式網(wǎng)絡(luò)攝像頭定期采集的竹林圖像無(wú)線傳輸?shù)皆品?wù)器，再利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的圖像處理和分析算法，自動(dòng)獲得竹筍數(shù)量和高生長(zhǎng)率。
圖像處理和分析算法是計(jì)算機(jī)視覺(jué)方案的核心，主要分為傳統(tǒng)方法和深度學(xué)習(xí)方法。傳統(tǒng)方法的重點(diǎn)是圖像分割，只有把竹筍分割出來(lái)才能進(jìn)一步計(jì)算數(shù)量參數(shù)和高度參數(shù)。由于受背景、光照等因素影響較大，分割算法需要綜合運(yùn)用顏色、紋理、形態(tài)等特征，導(dǎo)致其復(fù)雜度高且效果不佳，后續(xù)還需進(jìn)行一系列復(fù)雜的圖像處理操作，同時(shí)也可能引入誤差。深度學(xué)習(xí)方法是當(dāng)前人工智能的核心技術(shù)，通過(guò)大樣本訓(xùn)練獲得高性能的識(shí)別模型或檢測(cè)模型，將特征提取和模式識(shí)別融為一體，另外隨著樣本數(shù)的增加，經(jīng)過(guò)持續(xù)訓(xùn)練的模型性能也將會(huì)有進(jìn)一步的提升。課題組采用傳統(tǒng)和深度學(xué)習(xí)兩種方法進(jìn)行竹筍數(shù)量及高生長(zhǎng)率的監(jiān)測(cè)，都取得了較好的效果。當(dāng)采用YOLOv4深度學(xué)習(xí)竹筍檢測(cè)模型時(shí)，效果尤為突出，且該模型應(yīng)用簡(jiǎn)便，性能優(yōu)異，可快速而準(zhǔn)確地獲得一幀圖像中所有竹筍檢測(cè)框（即為竹筍數(shù)量）及其頂點(diǎn)坐標(biāo)，再對(duì)檢測(cè)框頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行排序、篩選和運(yùn)算操作，即可得出每個(gè)竹筍的高生長(zhǎng)率。
毛竹液流監(jiān)測(cè)
液流（Sap flow）是植物重要的生理指標(biāo)之一，是土壤－植物－大氣連續(xù)體水流路徑中的一個(gè)關(guān)鍵鏈接，承接了龐大地下根系所吸收和匯集的土壤水，決定了整個(gè)冠層的蒸騰量，并能夠反映出植物體內(nèi)的水分傳輸狀況、對(duì)水分的利用特征及其對(duì)環(huán)境的響應(yīng)。現(xiàn)有的植物液流檢測(cè)方法主要有熱脈沖法、激光熱脈沖法、熱平衡法和熱擴(kuò)散法等。其中，熱擴(kuò)散探針?lè)ǎ═DP）具有低成本、低能耗、易用、易安裝等特點(diǎn)，其原理是將一對(duì)TDP探針（熱電偶）上下排列插入待測(cè)植物的邊材，通過(guò)加熱在上探針產(chǎn)生恒定的熱量。由于植物的蒸騰作用會(huì)隨晝夜、天氣等變化，導(dǎo)致液流所帶走的上探針的熱量發(fā)生改變，使其與作為參考端的下探針的電壓差隨之變化，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量上下探針間的電壓差來(lái)估算液流量。常用的液流檢測(cè)儀器分為商業(yè)化儀器和“探針+恒流加熱+數(shù)采儀”組合的模塊化設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)，國(guó)外的商用液流儀價(jià)格偏高，而模塊化液流儀在體積、性能、野外供電和通信等方面尚存在諸多不足之處。
以我國(guó)栽培歷史悠久、分布面積最廣和經(jīng)濟(jì)價(jià)值最為重要的毛竹為例，課題組針對(duì)毛竹液流監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，結(jié)合毛竹中空、木質(zhì)層較薄以及探針輸出信號(hào)僅為0.1 毫伏級(jí)電壓差、幅值較低且易受干擾等具體情況，運(yùn)用集成化設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)出一款基于熱擴(kuò)散原理的便攜式、可擴(kuò)展的毛竹液流監(jiān)測(cè)儀。其采用嵌入式微處理器STM32作為主控芯片，以單片儀表放大器AD620和低噪聲運(yùn)算放大器OP07組成的三級(jí)高增益、精密放大電路為核心，采用5～10毫米TDP探針，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的探針恒流加熱電路以及SD卡讀寫(xiě)、GPRS通信、太陽(yáng)能供電和電量監(jiān)測(cè)報(bào)警等電路，運(yùn)用迭代算法獲得當(dāng)天測(cè)量電壓差最大值，即時(shí)計(jì)算出毛竹液流密度。測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用表明，該儀器性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、功耗低，當(dāng)采用雙通道監(jiān)測(cè)時(shí)，在無(wú)光照情況下可連續(xù)工作7天，在有光照情況下可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)工作；此外，當(dāng)需要進(jìn)行多目標(biāo)監(jiān)測(cè)時(shí)，通道也易于擴(kuò)展。總體來(lái)看，該液流監(jiān)測(cè)儀操作簡(jiǎn)便，性?xún)r(jià)比高，具有良好的市場(chǎng)前景。
竹林環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)
對(duì)竹林環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、高精度、遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)是竹子（筍）生長(zhǎng)發(fā)育管理和林下種植養(yǎng)殖管理的重要環(huán)節(jié)。雖然近年來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，但對(duì)竹林生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)依然面臨諸多困難，主要包括所需監(jiān)測(cè)參數(shù)較多、通信不便、成本較高以及野外供電困難等。針對(duì)上述問(wèn)題，課題組選用一體化數(shù)字式環(huán)境傳感器，采用低功耗電路設(shè)計(jì)和蓄電池+太陽(yáng)能供電，利用窄帶（NB）無(wú)線通信技術(shù)，研制了實(shí)用化的竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，可監(jiān)測(cè)空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強(qiáng)度以及二氧化碳濃度；課題組還設(shè)計(jì)了低成本、可擴(kuò)展的采集節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置采集間隔、增減傳感器數(shù)量。總體來(lái)看，該環(huán)境傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，能夠滿足全天候連續(xù)工作的需求。作為一種新興的通信技術(shù)，窄帶無(wú)線通信構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上，占用大約180千赫茲的載波帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，使用License頻段，具有帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波3種部署方式，可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。相比于其他工作在非授權(quán)頻段的LoRa，SigFox等技術(shù)，窄帶無(wú)線通信擁有低功耗、低成本、大連接、廣覆蓋等優(yōu)勢(shì)。綜合考慮建設(shè)成本、信號(hào)強(qiáng)度、連接規(guī)模、運(yùn)營(yíng)商政策支持、功耗等因素，窄帶無(wú)線通信技術(shù)相比其他類(lèi)型的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)更適合長(zhǎng)延時(shí)、低數(shù)據(jù)量的農(nóng)林物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，尤其是在高大毛竹存在大量遮擋等惡劣通信條件下依然能夠保證良好的信號(hào)質(zhì)量。
毛竹監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用在研發(fā)完成核心檢測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，課題組兼顧其他多種便攜式檢測(cè)設(shè)備的接入需求，構(gòu)建了毛竹監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。毛竹監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的前端包括各種傳感器、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和便攜式檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）實(shí)現(xiàn)信息采集和匯聚，再通過(guò)GPRS、NB-IoT、4G等多種協(xié)議的廣域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，最終傳輸至中心站點(diǎn)的阿里云服務(wù)器。基于JavaScript語(yǔ)言、React框架、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)的后臺(tái)信息服務(wù)軟件，可以實(shí)現(xiàn)毛竹參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)、查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)等功能。曾經(jīng)傳統(tǒng)的竹產(chǎn)業(yè)幾乎完全依賴(lài)于人工和經(jīng)驗(yàn)，缺乏有效的監(jiān)測(cè)體系，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)竹資源產(chǎn)量不足、生產(chǎn)力下降、經(jīng)營(yíng)成本上升，而如今，課題組利用掀起世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成多元感知、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)，形成兼具系統(tǒng)性和整體性的植物生長(zhǎng)過(guò)程智能化監(jiān)測(cè)體系，促進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)逐漸從以人力為中心的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門(mén)和從業(yè)者提供精準(zhǔn)信息和決策支持，提升資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，并通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+竹產(chǎn)業(yè)”的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略，協(xié)同推進(jìn)創(chuàng)新機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式，提升竹林的綜合效益，助推竹產(chǎn)業(yè)邁向現(xiàn)代化。目前，總體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為竹林環(huán)境、毛竹生長(zhǎng)和毛竹生理三大方面。竹林環(huán)境的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度；生長(zhǎng)指標(biāo)包括筍/鞭形態(tài)、毛竹筍發(fā)生和高生長(zhǎng)，其中對(duì)筍/鞭形態(tài)的探測(cè)包含兩種方法；生理指標(biāo)包括液流和水勢(shì)，其中對(duì)液流的檢測(cè)包含兩種原理。為了便于擴(kuò)展，系統(tǒng)還預(yù)留了其他檢測(cè)項(xiàng)目（如光合生理參數(shù)等）的接口。未來(lái)，隨著項(xiàng)目研發(fā)工作的不斷推進(jìn)，課題組仍將繼續(xù)致力于自主研發(fā)新的檢測(cè)技術(shù)和終端，例如目前正在研制的基于土壤電阻抗特性的冬筍探測(cè)儀等；在系統(tǒng)中接入更多現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備，例如光合生理檢測(cè)儀等，以擴(kuò)大監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；持續(xù)優(yōu)化硬件和軟件設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的實(shí)用性和性?xún)r(jià)比；基于監(jiān)測(cè)獲得的大數(shù)據(jù)，繼續(xù)開(kāi)展筍-竹生長(zhǎng)性狀的評(píng)價(jià)研究和應(yīng)用。
在安徽省涇縣、霍山縣等地示范應(yīng)用近兩年來(lái)，智能監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已收集數(shù)據(jù)2萬(wàn)余條，性能穩(wěn)定、通用性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)竹子主要生長(zhǎng)、生理、生境參數(shù)的高效、精準(zhǔn)的原位監(jiān)測(cè)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。相信在課題組等科研人員和相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的共同努力下，竹子檢測(cè)技術(shù)和智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，使這位竹產(chǎn)業(yè)的“偵察兵”早日正式上崗，長(zhǎng)期扎根竹林，即時(shí)精準(zhǔn)地采集和分析筍-竹全生育期的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并精準(zhǔn)定位，為筍-竹生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的研判、病蟲(chóng)害防治的強(qiáng)化、采筍時(shí)間的精確預(yù)測(cè)、竹林經(jīng)營(yíng)技術(shù)水平和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)能力的提升，以及相關(guān)竹制品的溯源等全產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度提供有效指導(dǎo)和科學(xué)決策，為后世留下綠水青山的同時(shí)，也將肩負(fù)起鄉(xiāng)村振興的重任，助力竹農(nóng)致富，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的兼顧，為我國(guó)構(gòu)建現(xiàn)代化的新型竹產(chǎn)業(yè)添磚加瓦。致謝：感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“筍-竹生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制與生長(zhǎng)性狀評(píng)價(jià)”（課題編號(hào)：2018YFD0600101）的支持。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年1月刊。
