CHEN Chengcheng1, WU Jiaping1, YU Helong2(
)
Received:2025-07-31
Online:2025-10-23
Foundation items:The National Natural Science Foundation of China(32501793); Government-Funded Project of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People's Republic of China(NK202302020205); Sub-project of the National Key R&D Program of China(2022YFD200160202); Research Start-up Fund for Talents of Shenyang Aerospace University(23YB05); Youth Project of the Basic Scientific Research Program for Higher Education Institutions of the Liaoning Provincial Department of Education(JYTQN2023078); Basic Scientific Research Program for Higher Education Institutions of the Liaoning Provincial Department of Education(2024061101); Science & Technology Innovation Base (Platform) Construction Project of Jilin Province(YDZJ202502CXJD006)
About author:CHEN Chengcheng, E-mail: chenccj18@gmail.com
corresponding author:
CLC Number:
CHEN Chengcheng, WU Jiaping, YU Helong. Frontiers and Future Trends in Data Sensing Technologies for Opto-Intelligent Agriculture: From Optical Sensors to Intelligent Decision Systems[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202507049.
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URL: https://www.smartag.net.cn/EN/10.12133/j.smartag.SA202507049
Table1
The advantages and disadvantages of common optical sensing technologies for opto-intelligent agriculture
| 技术名称 | 应用领域 | 优点 | 缺点 | 常用设备 |
|---|---|---|---|---|
| 高光谱成像 | 精准养分诊断[ 病虫害精准识别[ 活力预测[ 品种分类[ | 光谱信息极丰富 诊断精准 | 数据庞大处理复杂 模型依赖强 成本高昂 | 机/星载高光谱仪 高光谱成像系统 专业无人机载荷 |
| 多光谱成像 | 病虫害早期发现[ 作物健康监测[ 产量预估[ | 快速宏观 成本效益高 技术成熟 | 间接测量 易受环境光影响 | 无人机多光谱相机 卫星传感器 |
| 叶绿素荧光成像 | 光和效率评估[ 胁迫早期预警[ | 直接探测生理功能 极其灵敏 | 需暗环境 专业性强 设备昂贵 | 手持式脉冲振幅调制叶绿素荧光(Pulse-Amplitude-Modulation,PAM )成像仪 表型平台 |
| 量子点阵列传感 | 病原体快速检测[ 金属离子检测[ | 超高灵敏度 可多重检测 | 多为实验室阶段 成本高 | 实验室荧光检测仪 原型传感器 |
| 荧光寿命成像 | 植物体内离子/分子动态示踪[ | 对微环境敏感 定量精准 | 需荧光探针 设备极昂贵 | 荧光寿命成像系统 |
| LiDAR | 表型分析[ 地形测绘[ 农机导航[ | 直接3D信息 可穿透 | 数据量大 受天气影响 成本高 | 无人机/农机搭载LiDAR |
| 立体视觉 | 全局测绘[ 采摘定位[ 农机导航[ | 成本低 同时获取色彩与深度 | 依赖光照与纹理 计算复杂 | 双目相机 RGB-D相机 |
| 结构光三维成像 | 室内高精度表型[ 果实分拣[ | 精度高 速度快 细节清晰 | 仅限室内使用 易受环境光干扰 | 工业3D扫描仪 手持3D扫描仪 分选线设备 |
Table2
Comparative analysis of intelligent decision-making technologies in opto-intelligent agriculture
| 分析维度 | 统计分析 | 预测与评估模型 | 多源数据融合 |
|---|---|---|---|
| 代表性技术与方法 | 回归分析 聚类分析 | 机理模型:APSIM, 农业技术转移决策支持系统(Decision Support System for Agrotechnology Transfer, DSSAT)等 数据驱动模型:卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN), 支持向量机(Support Vector Machine, SVM)等 | 决策级融合 特征级融合 |
| 主要数据输入 | 单一或少数来源的数据集 | 规整的、用于训练或驱动模型的数据集 | 光学感知数据 物理环境数据 土壤理化数据 |
| 典型输出结果 | 全阶段培养方案[ 作物气候要求分析[ 病害预警[ | 水肥管理[ 气候变化影响评估[ | 多目标协同的优化决策[ 作物生长异常诊断[ |
| 核心优势 | 预测精度高 自适应能力强 | 机理模型外推性好 数据驱动模型对复杂模式捕捉力强 | 决策可靠性高、误判率低 决策考虑更全面,系统性更强 鲁棒性强,决策效率高 |
| 主要局限/挑战 | 难以揭示复杂非线性关系 对动态过程预测能力弱 | 机理模型定位性强 数据驱动模型依赖大量高质量数据 | 融合规则设计严重依赖专家经验 对数据的质量和时空同步要求极高 系统复杂度高 |
Table 3
Core equipment and functions of the execution control layer in opto-intelligent agriculture
| 技术类型 | 设备名称 | 核心功能 |
|---|---|---|
| 光环境调控 | 可调光谱LED补光系统[ | 实现作物全生育期光配方动态编程 |
| 激光光生物调控装置[ | 特定波长精准刺激种子/植株关键生理过程 | |
| 环境综合调控 | 光伏-冷凝水智能灌溉系统[ | 光伏冷凝水智能收集灌溉 |
| 蓝莓植物工厂化生产控制系统[ | 蓝莓智能温室促早熟生产控制 | |
| 自动化作业 | 激光雷达与植保无人机[ | 可变速率喷洒系统 |
| 多品种蔬菜收获机[ | 仿生触觉反馈与机器视觉融合抓取 |
Table5
Principal Application Scenarios and Key Technological Approaches in Opto-Intelligent Agriculture
| 应用场景 | 关键技术手段 | 实际成效 |
|---|---|---|
| 病虫害治理 | 小麦赤霉病自动化监测仪、AI大模型 | 模型以94%的准确率实现赤霉病精准预测[ |
| 无人机、智能系统 | 蓝莓成熟周期显著缩短5个月,实现病害提前两周预警,产量提升30%[ | |
| 灌溉与施肥 | 智能水肥一体化技术 | 作物产量增长率33%、水肥利用率提高42%[ |
| 多光谱无人机、智慧平台 | 降低成本,协同周边农户年均每公顷增收约6 000元[ | |
| 施肥智能决策系统、多光谱相机、地面传感网络 | 水稻肥料利用率提升35%以上,农药减少 40%,综合增产15%~20%[ | |
| 生长动态与产量管理 | 数智农服系统 | 预测现蕾误差控制在1天内,百亩节电4.8万元、火龙果提前15天上市[ |
| 间作与综合管理 | 多光谱无人机、智能监测设备 | 亩均提高产量约8%,管理效率获得35%的显著增幅,带动用工成本降低逾25%,同时保障农药化肥施用量减少10%~15%[ |
| 智能配水系统,探地雷达、多光谱激光探测 | 实现间作作物节水20%~35%,产量增幅15%~25%[ |
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