本發(fā)明涉及柑橘自動化肥水技術領域，特別涉及一種柑橘自動施肥的方法及系統(tǒng)。

背景技術：

柑橘肥水是現(xiàn)代柑橘類水果生產(chǎn)的主要關注點之一，然而目前廣泛采用的柑橘施肥方法一般依賴專家的建議以及農(nóng)民日積月累的柑橘種植知識。換言之，柑橘肥水容易受到知識本質(zhì)有效性的影響，它會因為個體多樣性而極大地變化，所以不夠嚴謹。以山城重慶為例，據(jù)官方統(tǒng)計重慶的總柑橘種植面積接近1.26*10⁵hm²，在2011年總產(chǎn)量超過1.8*10⁶噸，創(chuàng)造了0.5億美元的收入。然而，重慶柑橘果園多在山地，這些地方一般土壤質(zhì)量差，土壤條件復雜。由于缺乏專業(yè)判斷土壤肥力和柑橘生長狀況的方法，平常施肥方法均憑借種植戶的種植經(jīng)驗，因此導致了很多問題的出現(xiàn)，包括過度施肥，施肥不足以及不適當?shù)氖┓实?，除了導致嚴重的?jīng)濟損失外，還會造成土壤結構破壞與環(huán)境污染，甚至威脅人類生存。另一方面，隨著人口的遷移，我國農(nóng)村人口存在著嚴重的勞動力不足的問題，所以在農(nóng)業(yè)種植方面由原來的個體經(jīng)營逐步發(fā)展到農(nóng)場化、承包化，現(xiàn)為了實現(xiàn)在更少務農(nóng)人口的基礎上帶來更多的農(nóng)副業(yè)產(chǎn)品的豐收，迫切需要提高農(nóng)村產(chǎn)業(yè)的機械化程度。我國北方現(xiàn)階段采用承包化和機械化的方法節(jié)省大量人力物力，達到集中種植、收割的效果，但是在南方丘陵梯田等地區(qū)，機械化生產(chǎn)的程度還相當?shù)?，特別是在南方的柑橘產(chǎn)業(yè)，其種植和管理方式均為人工，費時費力。隨著農(nóng)村人口的減少，柑橘果園的機械化種植和管理的重要性日益突顯。因此，為了節(jié)省人力成本，優(yōu)化施肥的可靠性，并且以最低的費用確保最佳的產(chǎn)量和質(zhì)量，關于柑橘自動肥水的研究就顯得非常有意義。尤其是解決了這一難題之后，舉一反三，我們可以將這項研究應用到其他種植領域。

另一方面，本發(fā)明中用到的核心技術：本體。它是領域知識中概念、屬性及其相互關系形式化描述的基礎。形式化定義的本體不僅能夠描述特定領域內(nèi)的相關概念，而且能夠描述概念之間的語義聯(lián)系。使用本體作為信息檢索的載體，用戶能夠方便地在概念上描述信息需求，構造復雜的語義查詢獲取相關信息。具體而言，本體是一種描述術語及術語間關系的概念模型。它的形式可簡單可復雜，最簡單的詞匯表(只定義術語集合，不定義術語之間的關系)也可以看成是一種“本體”，但嚴格意義上的本體，是既定義了術語、也定義了術語之間關系的，譬如圖書館里的圖書分類法就是我們生活中最常見的“本體”。在計算機領域，本體提供了某個領域的一個共享的理解，這種理解對于克服術語上的差異必不可少，本體對語義互操作性提供了很大的幫助，是此次發(fā)明的核心思想。

縱觀中國國情，為保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實施增產(chǎn)、減排、節(jié)能，必須實施精準施肥。因此，在中國政府部門和農(nóng)業(yè)研究人員的推動下，精準施肥成為了精準農(nóng)業(yè)的重點發(fā)展方向，其目標是提高肥料利用率，從而有效地減輕土壤環(huán)境污染。因此，構建基于語義本體的柑橘施肥決策信息系統(tǒng)，作為決策支撐系統(tǒng)應用于自動化灌溉施肥設備，支持針對不同柑橘果園的精準施肥活動的相關研究是非常重要的且有必要的。最終，通過智能化施肥實現(xiàn)柑橘生產(chǎn)管理現(xiàn)代化，以期達到柑橘高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、養(yǎng)分高效、改良果園土壤、增加農(nóng)民收益的目的。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明實施例提供的方案解決的技術問題是柑橘施肥主要依賴專家的建議以及農(nóng)民日積月累的柑橘種植知識，造成了施肥方式不夠嚴謹而且浪費大量的人力資源。

根據(jù)本發(fā)明實施例提供的一種柑橘自動施肥方法，包括：

柑橘管理終端構建并保存基于語義的柑橘施肥本體；

柑橘采集終端獲取柑橘的基本生長信息和柑橘所處環(huán)境信息，并將所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息發(fā)送給柑橘管理終端；

柑橘管理終端利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，生成柑橘施肥建議，并將所生成的柑橘施肥建議發(fā)送給柑橘施肥終端；

柑橘施肥終端接收并保存所述柑橘施肥建議，并按照所述柑橘施肥建議添加或減少相應的柑橘肥料種類，得到當前柑橘需要的施肥肥料，以便按照所述當前柑橘需要的施肥肥料對所述柑橘進行施肥處理。

優(yōu)選地，所述柑橘施肥本體包括柑橘的基本生長信息、柑橘所處環(huán)境信息、柑橘生長階段信息、柑橘生長階段相對應的正常生長狀態(tài)、所含正常微量元素和正常施肥種類信息、柑橘生長階段相對應的異常生長狀態(tài)、所述異常微量元素和異常施肥種類信息。

優(yōu)選地，所述柑橘的基本生長信息包括柑橘生長的地理信息，柑橘土壤及地形信息、柑橘種植類型信息、柑橘種植時間信息、柑橘當前生長階段信息、柑橘當前土壤養(yǎng)分信息以及柑橘當前生長基本狀況信息；所述柑橘所處環(huán)境信息包括柑橘近期所處的溫度和濕度信息、柑橘近期所處的日照時長信息。

優(yōu)選地，所述柑橘管理終端利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，生成柑橘施肥建議包括：

所述柑橘管理終端利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，判斷柑橘當前生長階段是否處于正常的生長狀態(tài)；

若判斷柑橘當前生長階段處于正常的生長狀態(tài)，則所述柑橘管理終端生成正常的微量元素的正常柑橘施肥建議；

若判斷柑橘當前生長階段處于異常的生長狀態(tài)，則所述柑橘管理終端獲取柑橘當前缺乏或過量的微量元素，并根據(jù)所得到的柑橘當前缺乏或過量的微量元素，生成增加或減少相應微量元素的異常柑橘施肥建議。

優(yōu)選地，所述柑橘施肥終端按照所述柑橘施肥建議添加或減少相應的柑橘肥料種類包括：

所述柑橘施肥終端獲取正常生長狀態(tài)下相應的柑橘肥料種類；

所述柑橘施肥終端按照所述異常柑橘施肥建議，在所獲取的正常微量元素相應的柑橘肥料種類中添加或減少相應的柑橘肥料種類。

根據(jù)本發(fā)明實施例提供的一種柑橘自動施肥系統(tǒng)，包括：

柑橘采集終端，用于獲取柑橘的基本生長信息和柑橘所處環(huán)境信息，并將所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息發(fā)送給柑橘管理終端；

柑橘管理終端，用于構建并保存基于語義的柑橘施肥本體，以及利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，生成柑橘施肥建議，并將所生成的柑橘施肥建議發(fā)送給柑橘施肥終端；

柑橘施肥終端，用于接收并保存所述柑橘施肥建議，并按照所述柑橘施肥建議添加或減少相應的柑橘肥料種類，得到當前柑橘需要的施肥肥料，以便按照所述當前柑橘需要的施肥肥料對所述柑橘進行施肥處理。

優(yōu)選地，所述柑橘施肥本體包括柑橘的基本生長信息、柑橘所處環(huán)境信息、柑橘生長階段信息、柑橘生長階段相對應的正常生長狀態(tài)、所含正常微量元素和正常施肥種類信息、柑橘生長階段相對應的異常生長狀態(tài)、所述異常微量元素和異常施肥種類信息。

優(yōu)選地，所述柑橘的基本生長信息包括柑橘生長的地理信息，柑橘土壤及地形信息、柑橘種植類型信息、柑橘種植時間信息、柑橘當前生長階段信息、柑橘當前土壤養(yǎng)分信息以及柑橘當前生長基本狀況信息；所述柑橘所處環(huán)境信息包括柑橘近期所處的溫度和濕度信息、柑橘近期所處的日照時長信息。

優(yōu)選地，所述柑橘管理終端具體用于利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，判斷柑橘當前生長階段是否處于正常的生長狀態(tài)，當判斷柑橘當前生長階段處于正常的生長狀態(tài)，則生成正常的微量元素的正常柑橘施肥建議，以及當判斷柑橘當前生長階段處于異常的生長狀態(tài)，則所述柑橘管理終端獲取柑橘當前缺乏或過量的微量元素，并根據(jù)所得到的柑橘當前缺乏或過量的微量元素，生成增加或減少相應微量元素的異常柑橘施肥建議。

優(yōu)選地，所述柑橘施肥終端具體用于獲取正常生長狀態(tài)下相應的柑橘肥料種類，并按照所述異常柑橘施肥建議，在所獲取的正常微量元素相應的柑橘肥料種類中添加或減少相應的柑橘肥料種類。

根據(jù)本發(fā)明實施例提供的方案，通過創(chuàng)建柑橘施肥本體，構建基于語義的柑橘施肥決策支撐系統(tǒng)，然后將該決策支撐系統(tǒng)應用于自動灌溉施肥設備，指導并驅動其完成精準的施肥管理工作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種柑橘自動施肥方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種柑橘自動施肥系統(tǒng)的示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的基于語義本體的柑橘自動化肥水工作流程圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的柑橘肥水管理決策的系統(tǒng)架構圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的八個果園的氮元素在萌芽期的使用量示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例提供的八個果園的氮元素在穩(wěn)果期的使用量示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例提供的八個果園的氮元素在壯果期的使用量示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例提供的八個果園的氮元素在采果期的使用量示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例提供的八個果園的磷元素在萌芽期的使用量示意圖；

圖10是本發(fā)明實施例提供的八個果園的磷元素在穩(wěn)果期的使用量示意圖；

圖11是本發(fā)明實施例提供的八個果園的磷元素在壯果期的使用量示意圖；

圖12是本發(fā)明實施例提供的八個果園的磷元素在采果期的使用量示意圖；

圖13是本發(fā)明實施例提供的八個果園的鉀元素在萌芽期的使用量示意圖；

圖14是本發(fā)明實施例提供的八個果園的鉀元素在穩(wěn)果期的使用量示意圖；

圖15是本發(fā)明實施例提供的八個果園的鉀元素在壯果期的使用量示意圖；

圖16是本發(fā)明實施例提供的八個果園的鉀元素在采果期的使用量示意圖；

圖17是本發(fā)明實施例提供的在果園的不同階段的語義處理所需的時間開銷示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明，應當理解，以下所說明的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種柑橘自動施肥方法的流程圖，如圖1所示，包括：

步驟s101：柑橘管理終端構建并保存基于語義的柑橘施肥本體；

步驟s102：柑橘采集終端獲取柑橘的基本生長信息和柑橘所處環(huán)境信息，并將所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息發(fā)送給柑橘管理終端；

步驟s103：柑橘管理終端利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，生成柑橘施肥建議，并將所生成的柑橘施肥建議發(fā)送給柑橘施肥終端；

步驟s104：柑橘施肥終端接收并保存所述柑橘施肥建議，并按照所述柑橘施肥建議添加或減少相應的柑橘肥料種類，得到當前柑橘需要的施肥肥料，以便按照所述當前柑橘需要的施肥肥料對所述柑橘進行施肥處理。

其中，所述柑橘施肥本體包括柑橘的基本生長信息、柑橘所處環(huán)境信息、柑橘生長階段信息、柑橘生長階段相對應的正常生長狀態(tài)、所含正常微量元素和正常施肥種類信息、柑橘生長階段相對應的異常生長狀態(tài)、所述異常微量元素和異常施肥種類信息。

其中，所述柑橘的基本生長信息包括柑橘生長的地理信息，柑橘土壤及地形信息、柑橘種植類型信息、柑橘種植時間信息、柑橘當前生長階段信息、柑橘當前土壤養(yǎng)分信息以及柑橘當前生長基本狀況信息；所述柑橘所處環(huán)境信息包括柑橘近期所處的溫度和濕度信息、柑橘近期所處的日照時長信息。

其中，所述柑橘管理終端利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，生成柑橘施肥建議包括：所述柑橘管理終端利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，判斷柑橘當前生長階段是否處于正常的生長狀態(tài)；若判斷柑橘當前生長階段處于正常的生長狀態(tài)，則所述柑橘管理終端生成正常的微量元素的正常柑橘施肥建議；若判斷柑橘當前生長階段處于異常的生長狀態(tài)，則所述柑橘管理終端獲取柑橘當前缺乏或過量的微量元素，并根據(jù)所得到的柑橘當前缺乏或過量的微量元素，生成增加或減少相應微量元素的異常柑橘施肥建議。

其中，所述柑橘施肥終端按照所述柑橘施肥建議添加或減少相應的柑橘肥料種類包括：所述柑橘施肥終端獲取正常生長狀態(tài)下相應的柑橘肥料種類；所述柑橘施肥終端按照所述異常柑橘施肥建議，在所獲取的正常微量元素相應的柑橘肥料種類中添加或減少相應的柑橘肥料種類。

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種柑橘自動施肥系統(tǒng)的示意圖，如圖2所示，包括：柑橘采集終端201，用于獲取柑橘的基本生長信息和柑橘所處環(huán)境信息，并將所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息發(fā)送給柑橘管理終端；柑橘管理終端202，用于構建并保存基于語義的柑橘施肥本體，以及利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，生成柑橘施肥建議，并將所生成的柑橘施肥建議發(fā)送給柑橘施肥終端；柑橘施肥終端203，用于接收并保存所述柑橘施肥建議，并按照所述柑橘施肥建議添加或減少相應的柑橘肥料種類，得到當前柑橘需要的施肥肥料，以便按照所述當前柑橘需要的施肥肥料對所述柑橘進行施肥處理。

其中，所述柑橘施肥本體包括柑橘的基本生長信息、柑橘所處環(huán)境信息、柑橘生長階段信息、柑橘生長階段相對應的正常生長狀態(tài)、所含正常微量元素和正常施肥種類信息、柑橘生長階段相對應的異常生長狀態(tài)、所述異常微量元素和異常施肥種類信息。

其中，所述柑橘的基本生長信息包括柑橘生長的地理信息，柑橘土壤及地形信息、柑橘種植類型信息、柑橘種植時間信息、柑橘當前生長階段信息、柑橘當前土壤養(yǎng)分信息以及柑橘當前生長基本狀況信息；所述柑橘所處環(huán)境信息包括柑橘近期所處的溫度和濕度信息、柑橘近期所處的日照時長信息。

其中，所述柑橘管理終端202具體用于利用所述柑橘施肥本體對所獲取的柑橘基本生長信息和環(huán)境信息進行分析，判斷柑橘當前生長階段是否處于正常的生長狀態(tài)，當判斷柑橘當前生長階段處于正常的生長狀態(tài)，則生成正常的微量元素的正常柑橘施肥建議，以及當判斷柑橘當前生長階段處于異常的生長狀態(tài)，則所述柑橘管理終端獲取柑橘當前缺乏或過量的微量元素，并根據(jù)所得到的柑橘當前缺乏或過量的微量元素，生成增加或減少相應微量元素的異常柑橘施肥建議。

其中，所述柑橘施肥終端203具體用于獲取正常生長狀態(tài)下相應的柑橘肥料種類，并按照所述異常柑橘施肥建議，在所獲取的正常微量元素相應的柑橘肥料種類中添加或減少相應的柑橘肥料種類。

圖3是本發(fā)明實施例提供的基于語義本體的柑橘自動化肥水工作流程圖，如圖3所示，包括以下步驟：

步驟1：首先部署在柑橘果園的傳感器采集果樹生長狀態(tài)以及環(huán)境信息(注：也可由果農(nóng)在用戶接口輸入可直接觀測到的相關信息來觸發(fā)施肥活動)；

步驟2：語義推理系統(tǒng)對收集的原始數(shù)據(jù)進行分析，結合其上下文信息將模擬信號轉換為數(shù)字信號。例如，柑橘的生長狀態(tài)和土壤類型被描述為模擬信號，必須轉換為相應的數(shù)字信號，作為語義處理的輸入數(shù)據(jù)；

步驟3：語義推理系統(tǒng)根據(jù)輸入的生長狀態(tài)和環(huán)境信息訪問施肥本體，推斷自動施肥的決策信息(譬如肥料的類型和具體的使用量)；

步驟4：最后接收到基于語義決策支撐系統(tǒng)提供的施肥決策命令，自動化施肥設備嚴格執(zhí)行相應的柑橘施肥活動。

具體地說，在構建施肥本體時，首先通過對柑橘主產(chǎn)區(qū)養(yǎng)分施用狀況的調(diào)查研究，明確柑橘施肥現(xiàn)狀及存在問題，了解影響柑橘高產(chǎn)和養(yǎng)分高效利用的主要障礙因素。其次，通過系統(tǒng)的調(diào)查采樣和室內(nèi)分析，弄清市柑橘園土壤養(yǎng)分豐缺狀況，為橘園土壤的改良培肥和建立基于土壤養(yǎng)分測試的推薦施肥技術提供理論依據(jù)。最終，結合柑橘生產(chǎn)指導手冊、專著等信息，構建柑橘施肥本體。本體的基礎信息數(shù)據(jù)是由一系列相關的rdf(resourcedescriptionframework，資源描述框架)三元組構成，其中每一條rdf三元組采用“資源”(resources)、“屬性”(properties)以及“聲明”(statements)來描述事務或者知識。

圖4是本發(fā)明實施例提供的柑橘肥水管理決策的系統(tǒng)架構圖，如圖4所示，決策應用程序訪問關系數(shù)據(jù)庫(存儲傳感器或者用戶采集的包括如土壤類型、果樹樹齡等信息)和語義數(shù)據(jù)庫(存貯柑橘肥水管理相關的語義數(shù)據(jù))，經(jīng)相應計算后產(chǎn)生施肥決策。如前所述，通過以rdf、uri(uniformresourceidentifier，統(tǒng)一資源標識符)等為代表的語義技術對多源和異構涉農(nóng)知識語義集成，將生成的柑橘語義本體存放于語義數(shù)據(jù)庫。利用sparql(simpleprotocolandrdfquerylanguage，簡單協(xié)議和rdf查詢語言)進行語義查詢和推理，為決策支撐應用程序產(chǎn)生施肥建議提供基礎信息。最終，通過精準的自動化施肥實現(xiàn)柑橘生產(chǎn)現(xiàn)代化，以期達到柑橘高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、養(yǎng)分高效、改良果園土壤、增加農(nóng)民收益的目的。

此外，為了方便用戶(果農(nóng))使用項目所研究設計的柑橘自動化施肥系統(tǒng)，擬提供用戶與系統(tǒng)的接口。即用戶可以通過該接口向柑橘自動化施肥系統(tǒng)輸入觀測得到的相關信息，比如土壤類型、果樹樹齡、上一年度產(chǎn)量和果樹生長階段等信息，通過施肥管理決策支撐系統(tǒng)的語義推理得到的施肥決定，達到觸發(fā)精準地自動化施肥活動的目的。

如圖5至圖17所示，包括八個果園，其中八個果園的果園情形如下：1號果園：山腳、上年產(chǎn)量600kg；2號果園：山坡，上年產(chǎn)量1000kg；3號果園：山峰，上年產(chǎn)量2000kg；4號果園：山腳，上年產(chǎn)量900kg；5號果園：山坡，上年產(chǎn)量1150kg；6號果園：山峰，上年產(chǎn)量1630kg；7號果園：山腳，上年產(chǎn)量580kg；8號果園：山坡，上年產(chǎn)量1470kg，其中，圖5至圖8是八個果園的氮元素分別在萌芽期、穩(wěn)果期、壯果期以及采果期的使用量；圖9至12是八個果園的磷元素分別在萌芽期、穩(wěn)果期、壯果期以及采果期的使用量；圖13至16是八個果園的鉀元素分別在萌芽期、穩(wěn)果期、壯果期以及采果期的使用量；圖17是果園的不同階段的語義處理所需的時間開銷。

根據(jù)本發(fā)明實施例提供的方案，達到了以下兩種成效：

(1)利用大規(guī)模自動語義推理，實現(xiàn)智能決策支撐，對農(nóng)戶面臨的大量、典型、重復發(fā)生的柑橘施肥問題，能夠提供及時的自動服務，大幅度降低了管理成本，提高施肥質(zhì)量。

(2)基于語義技術的智能信息服務系統(tǒng)能夠整合來自不同渠道的涉農(nóng)數(shù)據(jù)和信息，例如氣象、水利、市場、物流等領域，通過適當?shù)恼Z義推理，為其它農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)和管理提供全面、精準的指導信息。

盡管上文對本發(fā)明進行了詳細說明，但是本發(fā)明不限于此，本技術領域技術人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進行各種修改。因此，凡按照本發(fā)明原理所作的修改，都應當理解為落入本發(fā)明的保護范圍。