一种番茄植株病害监测方法

本发明属于番茄病害防治、智能化监测，具体涉及一种番茄植株病害监测方法。

背景技术：

1、番茄是一种营养丰富、对人体健康有益的蔬果，其种植过程受到气候变化和季节更替的影响。为了提高产量和质量，种植人员通常利用温室大棚技术栽培番茄，通过调节温度、湿度和光照等因素，确保番茄能够在良好的环境中生长，达到较高的产量和质量水平，避免了露地种植番茄产量较低或冬季无法供应的问题。

2、在番茄种植的过程中，常面临各种病害的威胁，如各种真菌或害虫引起的早疫病或晚疫病导致的叶片、叶柄、茎和果实出现白斑、水渍状病斑、萎蔫掉落等，直接影响了番茄种植的效益。为了监测这些问题，目前通常采用图像识别的方法，通过定期获取番茄植株的图像并运用人工智能技术来判断是否存在病害以及病害的类型。

3、然而，当前的图像识别方法通常仅关注侵染性疾病，即病虫、病菌等病原体侵染番茄植株导致的病变。但是在温室大棚的种植环境中，为了便于管理，其气体环境较为密闭，因此除了侵染性疾病外，番茄植株还容易受到非侵染性疾病的威胁，即温室大棚环境产生的有害气体导致植株病变。这些有害气体通常包括多年灌溉抑制硝化细菌活动导致大量亚硝态酸积累而散发出的二氧化氮、施肥过量和棚内高温产生的氨气、温室大棚加温时产生的二氧化硫以及大棚的塑料膜在暴晒或高温下挥发的乙烯、氯气等。这些有害气体导致的非侵染性疾病也会使番茄植株表现出白斑、水渍状病斑、枯萎、落花落果等病变，与病原体感染的侵染性疾病存在一定程度上的相似，因此使用图像识别的方法会出现误判，导致种植人员根据识别结果使用相对应的杀虫剂或杀菌剂后，不但无法解决病害，还造成了成本浪费，甚至错过了最佳防治时间，大大影响了番茄产量和质量。因此，在监测番茄种植过程中，除了关注侵染性疾病外，还应考虑非侵染性疾病，需要一种番茄植株病害监测方法以确保能够在植株病害扩散前及时采取正确的防治措施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种番茄植株病害监测方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种番茄植株病害监测方法，所述方法包括以下步骤：

3、s100，初始化番茄种植温室大棚场景，在该场景中布置气体检测仪；

4、s200，利用气体检测仪进行浓度测定，并结合各个测定结果获取浓度特征值；

5、s300，通过连续测量获得的浓度特征值进行氮量异常分析，并获得氮量异常特征；

6、s400，根据获得的氮量异常特征进行病害监测预警。

7、进一步地，在步骤s100中，初始化番茄种植温室大棚场景，在该场景中布置气体检测仪的方法是：在同个温室大棚俯视平面中均匀选取若干个点作为第一采集点，定义第一采集点地面上方1.5m~2m处为第二采集点，以第二采集点作为采集单元，在每个采集单元的位置布置气体检测仪，通过气体检测仪测量空气中二氧化氮的浓度值。

8、进一步地，在步骤s200中，利用气体检测仪进行浓度测定，并结合各个测定结果获取气体浓度特征值的方法是：任一时刻下各个采集单元实时测量并且获得测量值，同一个时刻下各个测量值的标准差记为测量幅值；设立一个时间段作为观测间隔tgap，tgap∈[30,120]秒，其中观测间隔至少为实时测量间隔的10倍；每隔tgap获取一次气体浓度特征值，气体浓度特征值为：选择观测间隔内各个测量幅值中拥有最小值的时刻，在该时刻下各个测量值中的最大值作为气体浓度特征值。

9、进一步地，在步骤s300中，通过连续测量获得的浓度特征值进行氮量异常分析，并获得氮量异常特征的方法是：设定第一反馈周期fpd,fpd∈[30,60]分钟；设定第二反馈周期spd,spd＝2×fpd；设定第三反馈周期tpd,tpd＝4×fpd；

10、分别计算定义当前fpd时间段、当前spd时间段以及当前tpd时间段内获得的各个浓度特征值的平均值，所得值分别对应设定为第一周期水平flv、第二周期水平slv和第三周期水平tlv；记当前时刻获得的浓度特征值为rfeat；

11、设定异一阶分类条件：若当前时刻满足flv＞max{slv,tlv}，则标记当前时刻为异一阶点，并将异一阶点的阶点系数arf取值为1,否则设定异二阶分类条件：若当前时刻满足flv＜min{slv,tlv}，则标记当前时刻为异二阶点，并将异二阶点的阶点系数arf取值为4；若当前时刻不满足二阶分类条件，则为异三阶点，并将异三阶点的阶点系数arf取值为2；根据阶点系数计算当前时刻的阶点残差scl_feat为:scl_feat＝rfeat(1＋e-arfmax{|flv－slv|,|flv－tlv|})；

12、若当前时刻较其前一个时刻的浓度特征值数值大，并且当前时刻为异一阶点，则定义当前时刻为准异阶点，计算第一反馈周期内各个第一周期水平中的最大值，所得值与第一反馈周期内准异阶点的数量的比值记为异阶量seg_vl，将同一时刻下的异阶量和阶点残差构成的二元组记为异阶数组(seg_vl,scl_feat)；将第一反馈周期中各个异阶数组作为输入，通过polyfit函数进行拟合并求得斜率值，所得斜率值记为氮量异常特征。

13、由于在上述氮量异常特征计算过程中存在时序独立分类行为，即量化过程对当前时刻所得数值的依赖性较强，会导致出现模型过拟合问题，尤其当大棚内昼夜温差较大的时候该问题尤其明显，容易引起预警模型灵敏度过高的误判行为，然而现有技术并无法解决所述的过拟合问题，为了使预警模型精确度更高并解决该问题，消除模型灵敏度过高现象，所以本发明提出了一个更优选的方案如下：

14、优选地，在步骤s300中，通过连续测量获得的浓度特征值进行氮量异常分析，并获得氮量异常特征的方法是：设定第一反馈周期fpd,fpd∈[30,60]分钟；定义当前fpd时间段内获得的各个浓度特征值的平均值为第一周期水平；

15、则同时刻下第一周期水平与浓度特征的差值为水平溢出量sdg；则当前fpd时间段内各个水平溢出量的极差为溢出幅值svl；从当前时刻逆时间顺序遍历各个第一周期水平并搜索首个出现的极大值作为当前时刻的回溯峰值，回溯峰值所在时刻与当前时刻的时间间隔为回溯间隔；计算回溯峰值与第一周期水平的差值，并定义所得差值与回溯间隔的比值为溢出效率ort；定义第一反馈周期内各个溢出效率的平均值为溢出阈值oths；

16、设定集性分类条件为：((ort＞oths)and(ort＞0))or((ort＜oths)and(ort＜0))；将第一反馈周期内满足集性分类条件的各个时刻记为偏集刻度，其余时刻记为平集刻度；定义第一反馈周期内偏集刻度与平集刻度数量的比值为偏集比；根据偏集比和水平溢出量计算获得偏集因子scmp_idx：

17、；

18、其中i1为偏集刻度的序号，n_sc为第一反馈周期内偏集刻度的数量；ds{}为极差函数，通过极差函数返回集合中各个元素的极差值；exp为自然常数e为底数的指数函数，sdgi1和sdgi1+1分别代表第i1和第i1+1个偏集刻度的水平溢出量，r(n_sc)表示偏集比；

19、获取各个时刻下的溢出幅值并构成幅值演变序列；预设演变系数zig，zig∈[0.7,0.95]; 在演变序列中，任一元素与其前一个元素中，最小值与最大值元素的比值为该元素对应时刻的演变实值zrvl，当zrvl＜zig则定义该时刻发生急演变；根据偏集因子计算氮量异常特征rcf：

20、；

21、其中i2为累加变量，n_hv为第一反馈周期内发生急演变的时刻数量；e.svl为第一反馈周期内各个发生急演变的时刻下溢出幅值的平均值，svli2和scmp_idxi2分别代表第一反馈周期内第i2个发生急演变的时刻下的溢出幅值和偏集因子,err.scmp_idx代表第一反馈周期内各个时刻下偏集因子的标准差。

22、有益效果：在大棚类型的特殊栽培环境中，由于常年比较高温，长时期下的灌溉、施肥或者施肥堆积，则会引起土壤硝化细菌的活动的抑制问题，导致没有办法及时降解亚硝酸类的物质，并进一步引起二氧化氮的大量放出，或者亚硝酸大量释放，同时因为大棚具有封闭性，该类些气体往往无法及时释放最终引起番茄植株的疾病。由于通过氮量异常特征是通过二氧化氮浓度进行计算，有效识别浓度变化度在大棚中的规律性，量化了二氧化氮在番茄种植大棚场景中排出量异常行为的发生程度，从而为分析区别有害气体导致的非侵染性疾病与病原体感染的侵染性疾病提供可靠数理依据，从而对番茄植株表现出白斑、水渍状病斑、枯萎、落花落果等病变进行更科学和高效的辨别，进而增强防治效率和质量。

23、进一步地，在步骤s400中，根据获得的氮量异常特征进行病害监测预警的方法是：以一个自然日作为一个监测单元，将监测单元平均分成12~48个子时段，各个子时段分别对应自然日中不同的时间段；将子时段内获得的各个氮量异常特征的最大值作为该子时段的第一病害风险，获取各个监测单元同一子时段下的第一病害风险并构成序列，以该序列的上四分位值作为该子时段的病害风险阈值；若当前监测单元任一子时段下的第一病害风险大于该子时段对应病害风险阈值，则定义该子时段为子风险段；若当前监测单元中任意子风险段在前一监测单元中也属于子风险段，则定义该子风险段为实测风险段，当前监测单元中实测风险段的数量作为实测级数，当前监测单元中子风险段的数量作为险段级数；预设正整数rrd作为监测空间，设实测级数与险段级数的比值为氮量致病风险，当氮量致病风险的数值持续在连续rrd个监测单元中增大，则向管理员客户端发出氮量致病预警。

24、优选地，其中，本发明中所有未定义的变量，若未有明确定义，均可为人工设置的阈值。

25、本发明还提供了一种番茄植株病害监测系统，所述一种番茄植株病害监测系统包括：处理器、存储器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种番茄植株病害监测方法中的步骤，所述一种番茄植株病害监测系统可以运行于桌上型计算机、笔记本电脑、掌上电脑及云端数据中心等计算设备中，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器、服务器集群，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

26、种植场景布置单元，用于初始化番茄种植温室大棚场景，在该场景中布置气体检测仪；

27、数据特征提取单元，用于利用气体检测仪进行浓度测定，并结合各个测定结果获取浓度特征值；

28、氮量异常分析单元，用于通过连续测量获得的浓度特征值进行氮量异常分析，并获得氮量异常特征；

29、监测预警单元，用于根据获得的氮量异常特征进行病害监测预警。

30、本发明的有益效果为：本发明提供一种番茄植株病害监测方法，通过监测温室大棚内有害气体的浓度，对番茄植株非侵染性疾病的风险进行了有效量化，弥补了图像识别方法导致的误判问题，从而真实地判断出番茄非侵染性病害，防止了种植人员误用杀虫剂或杀菌剂引起的成本浪费，在大棚类型的特殊栽培环境中，由于常年比较高温，长时期下的灌溉、施肥或者施肥堆积，则会引起土壤硝化细菌的活动的抑制问题，导致没有办法及时降解亚硝酸类的物质，并进一步引起二氧化氮的大量放出，或者亚硝酸大量释放，同时因为大棚具有封闭性，该类些气体往往无法及时释放最终引起番茄植株的疾病。由于通过氮量异常特征是通过二氧化氮浓度进行计算，有效识别浓度变化度在大棚中的规律性，量化了二氧化氮在番茄种植大棚场景中排出量异常行为的发生程度，从而为分析区别有害气体导致的非侵染性疾病与病原体感染的侵染性疾病提供可靠数理依据，从而对番茄植株表现出白斑、水渍状病斑、枯萎、落花落果等病变进行更科学和高效的辨别，进而增强防治效率和质量。有效地预判番茄病害并发出告警，确保种植人员能够及时采取正确措施，提高了番茄生产效率和效益，为高质高量的番茄供应提供了有力的技术支持。