【论文精选】边缘计算支持的局部作物生理传感系统用于苹果水分胁迫监测

文摘   2024-12-28 10:55   美国  


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标题:

Edge compute algorithm enabled localized crop physiology sensing system for apple (Malus domestica Borkh.) crop water stress monitoring

第一作者 :Basavaraj R. Amogi 

美国华盛顿州立大学

第二作者 : Nisit Pukrongta

美国华盛顿州立大学

通讯作者 :Faßnacht, Fabian Ewald

美国华盛顿州立大学


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要素总结

  • 利用边缘计算算法改进了作物生理传感系统

  • 开发了一种用于实时监测苹果作物水分胁迫的算法

  • CWSI 与中午树干水势高度相关 (r = -0.80)

  • 使用分段遮荫冠层来估算作物水分胁迫指数(CWSI)。

图文摘要

研究背景:由于气温升高和日照强烈,苹果果园经常面临高温胁迫,这不仅会导致果实日灼伤,还会增加树木的蒸腾需求。

研究目标:利用一个本地化的边缘计算支持的作物生理感测系统(CPSS),通过该系统开发的算法实时估算作物水分胁迫指数(CWSI), 并评估该算法在不同高温胁迫缓解技术下的适用性和准确性。

研究方法:使用了一种集成了热红外和RGB成像的CPSS单元,通过边缘计算处理获取的图像数据来实时计算CWSI。研究比较了传统喷洒、喷雾、遮网和喷雾与遮网结合等四种高温胁迫缓解技术下,算法估算的CWSI与实测茎水势的相关性。

主要发现:
  • CPSS系统能够成功地实时监测和估算苹果园中的CWSI。

  • 不同的高温胁迫缓解技术对算法的敏感性和准确性有显著影响,其中喷雾处理的CWSI与茎水势的负相关性最高。

  • 研究结果表明,利用实时CWSI估算可以改进精准灌溉管理,及时调整苹果园下层滴灌系统的启动。

缓解高温胁迫处理布局。作物生理传感系统 (CPSS) 节点安装在每个处理的第三个重复中。

a) 冠层下部区域的叶子 (b) 用银箔袋装起来,使用压力室法测量 (c) 茎水势 (ψ md ),以验证使用 (d) 相应的作物生理传感系统 (CPSS) 估算的作物水分胁迫指数。

流程图描绘了作物水分胁迫指数 (CWSI) 估计算法 (b) 添加到作物生理传感系统 (CPSS) 上现有的果实表面温度 (FST) 估计算法 (a)。所有输出 (c) 都保存在 CPSS 的内部存储器中。

在 (a) 对照和 (b) 雾化处理中捕获的 RGB 图像上执行冠层分割的示例。

工作流程描述了从过滤热图像和分割冠层掩模估计 CWSI。输入 RGB 图像(黄色方块)显示不健康的叶子未充分蒸腾,温度(过滤热图像中的白色方块)相对高于其他冠层部分。

 ( a) 四种高温缓解处理和无处理对照中测量的中午茎水势 (ψ md ) 的每日变化(竖线代表平均值的两个标准误差)。测量分别在盛开 (DAFB) 后 63、64、65、76 和 80 天进行。(b) 岭图显示了高温胁迫时段(即从 12:00 到 18:00)内所有五种处理中的气温变化。(c) ψ md与作物水分胁迫指数 (CWSI) 之间的关系。

安装在(a)对照区、(b)常规区、(c)喷雾区、(d)雾网区和(e)网区的作物生理传感节点测量的茎水势[ψ md;兆帕(MPa)]与估算的作物水分胁迫指数(CWSI)之间的相关性。

 

总结:使用了边缘计算技术开发的算法,结合了热红外和RGB图像数据,能够在不同的高温胁迫缓解技术下有效估算CWSI。然而,研究也发现不同胁迫缓解技术对算法的敏感性有显著差异,尤其是在遮网处理下,由于微气候的改变,使得算法的准确性受到影响。未来的工作可以探索改进算法对不同微气候条件的适应性,进一步优化高温胁迫下的水分管理策略。推荐指数:⭐‍⭐⭐⭐

链接

https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.109137

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