油菜角果叶绿素含量传感检测技术在农业信息化中的应用研究.pdf

2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业油菜角果叶绿素含量传感检测技术在农业信息化中的应用研究陈敏1，廖桂平1*，苏招红2（1.湖南农业大学 信息与智能科学技术学院，长沙 410128；2.湖南农业大学 化学与材料科学学院，长沙 410128）传统农业管理模式在面对人民日益增长的美好生活需要和环境变化时显得力不从心。为了更有效地应对这一挑战，以智慧农业1为指引的农业信息化技术应运而生。在这个背景下，油菜角果叶绿素含量成为农业生产中一个重要的监测指标。叶绿素是植物中进行光合作用的关键色素，其含量直接关系到植物的生长状态、健康状况、养分吸收利用效率以及植物真实的硝基需求量，是否需要施加氮肥等。因此，通过对油菜叶绿素含量传感检测技术的深入研究，不仅可以为农业生产提供科学依据，提高农产品质量和产量，还能有效降低农业生产对环境的影响，实现可持续发展2。1油菜叶绿素与农业信息化的研究现状1.1叶绿素含量在油菜生长周期中的研究叶绿素是植物中的重要生化分子，其主要功能是参与光合作用，是光合作用的关键色素。通过吸收阳光中的光能，叶绿素能够将二氧化碳和水转化成氧气和葡萄糖，为植物提供能量和养分。因此，叶绿素含量直接影响植物的光合效率，高叶绿素含量通常表明植物更具有良好的光合作用能力，从而也可以反映植物的生长状态。文献3中，研究者通过高光谱指数和叶绿素 MCARI 指数相结合，构建了一种能够有效辨别油菜成熟程度的方法。这种方法不仅可以为油菜最佳收获时间的确定提供科学依据，同时也为农业信息化中对不同生长阶段作物的监测提供了实用的技术手段。由于目前叶绿素测量方法主要分为分光光度计法、活体叶绿素仪法和光声光谱法等，所以文献4针对叶绿素测量方法，特别是分光光度计法，进行了深入研究，通过探究方式、时间及温度等因素对叶绿素提取的影响，有助于提高叶绿素测量的准确性。这为农业信息化中叶绿素监测方法的选择和优化提供了有益的经验。植物叶绿素含量是其健康和生长的关键指标。这一含量反映了植物对光合作用、营养状况和环境适应性的反应。通过监测叶绿素含量，可及时发现并应对诸如营养不良、病虫害、土壤问题等多种生长挑战。文献5则通过将叶绿素荧光作为探针，对不同生长时期的油菜及不同氮量的油菜进行分析。这项研究不仅深化了对叶绿素含量在不同环境下的变化规律的理解，同时也为调控氮素供应以提高油菜生产效益提供了实证依据。1.2农业信息化的发展现状随着社会的进步和科技的发展，农业信息化已经成基金项目：湖南省现代农业（油菜）产业技术体系产业融合及功能扩展岗位专家（湘农发 2019 105 号）第一作者简介：陈敏（1998-），女，硕士研究生。研究方向为农业信息技术。*通信作者：廖桂平（1964-），男，教授，博士。研究方向为农业信息技术。摘要：该文研究油菜叶绿素含量传感检测技术在农业信息化中的应用，探讨其在作物生长监测、营养管理与施肥优化、病虫害预测与防控等方面的重要性。通过分析突出该技术在提高农业生产效率、实现资源精细管理方面的广泛应用。最后，该文也讨论该技术面临的测量误差与精度问题、传感器的稳定性与耐久性等挑战，期望通过不断深化研究，该技术能够更好地服务于现代农业的可持续发展与智能化管理。关键词：油菜；叶绿素含量；传感检测；农业信息化；应用研究中图分类号院TP212.6文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤08-0021-05Abstract:In this paper,the application of rape chlorophyll content sensing technology in agricultural informatization wasstudied,and its importance in crop growth monitoring,nutrition management and fertilization optimization,pest prediction and controlwas discussed.Through the analysis,it highlights the wide application of this technology in improving agricultural productionefficiency and realizing fine management of resources.Finally,this paper also discusses the measurement error and accuracy,thestability and durability of the sensor and other challenges faced by the technology.It is expected that through deepening theresearch,the technology can better serve the sustainable development and intelligent management of modern agriculture.Keywords:rape;chlorophyll content;sensing and detection;agricultural informatization;application researchDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.08.00621-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture为农业管理的重要手段。对于叶绿素含量的监测需求在农业信息化中变得尤为显著。农业信息化技术的应用可以提高农业生产的精细化程度，为农业决策提供科学依据，从而提高农业生产的效益6-8。通过农业信息化技术，农业生产者可以实现对大面积农田的实时监测。传感器网络、卫星遥感等先进技术的应用，使得农田中的植物状况能够被高效、全面地获取。叶绿素含量作为植物生长状态的关键指标之一，其监测结果可以实现对植物生长状况的即时把握。这对于合理制定农业生产计划、调整灌溉和施肥方案并及时防控病虫害具有重要意义。农业信息化还能够整合各类数据资源，为农业生产提供全方位的服务。通过将叶绿素含量数据与其他环境参数、气象数据等结合，农业生产者可以更全面地了解农田的生态环境，从而更好地优化生产管理。这种信息整合方式有助于农业系统的智能化，提高资源利用效率，减少农业对环境的负面影响。在农业信息化中，叶绿素含量的监测需求也促使了相关技术的不断创新。针对不同农业生产环境和作物种类，研究者们通过不同的传感技术和数据处理算法等手段，提高了叶绿素监测的准确性和精度。因此，农业信息化对叶绿素监测的需求不仅推动了技术的发展，也为农业生产提供了更多的可操作性。2油菜叶绿素含量传感检测技术的原理与方法2.1叶绿素含量的测量原理叶绿素含量的测量原理是油菜叶绿素传感技术的核心。叶绿素是一种色素，其在可见光谱范围内具有吸收特性，特别是在蓝光和红光区域表现出较强的吸收峰。基于这一特性，利用光谱学原理设计了多种测量方法9-10。一种常见的测量方法是反映在叶绿素吸收光谱上的特征波峰或波谷。通过测量这些特定波段的光谱反射率或透过率，可以间接推断叶绿素含量。这种方法对于大范围的叶绿素含量监测具有一定的实用性，但也受到环境条件和植物结构的影响。另一种常见的方法是利用叶绿素的荧光特性进行测量。当叶绿素受到特定波长的激发光照射时，会发生荧光发射。叶绿素的荧光强度与其含量关系呈正相关。因此，通过测量叶绿素的荧光信号，可以精确获取叶绿素含量信息。这种方法具有高灵敏度和准确性，特别适用于实时监测。电化学检测方法作为一门由多学科融合发展出来的新技术，已成为电化学分析中热门研究领域。在电化学传感中，通过测量物质的电流、电压或电阻等电化学信号实现对目标物质的定量或定性分析。电化学传感检测分析技术包括电极材料的选择、电极表面修饰技术、电化学检测方法、微流控技术和数据处理与分析技术。这种方法具有成本低、体积小和易便携的优点，因其可产业化的特点，为科研人员检测叶绿素含量提供新的研究思路11。2.2传感技术的分类与特点在油菜叶绿素含量传感技术中，主要采用的传感技术包括光谱传感技术、电化学传感技术和生物传感技术。2.2.1光谱传感技术这是一种基于叶绿素对光的吸收和反射特性进行测量的技术，包括近红外光谱、可见光谱和紫外光谱等。光谱传感技术具有非侵入性、实时性等优势，能够在大范围内实现叶绿素含量的监测。2.2.2电化学传感技术这类传感技术主要通过电化学传感器测量叶绿素含量。传感器通常由工作电极、参比电极和辅助电极等组成。通过叶绿素与电极之间的电化学反应，测量电流或电位变化，从而推断叶绿素的含量。这种技术具有高灵敏度和较好的实时性。2.2.3生物传感技术这类技术基于生物学元素，如酶、抗体等对叶绿素的特异性识别和反应。通过检测生物元素与叶绿素结合后的生化信号，实现对叶绿素含量的测量。这种技术在特异性和选择性方面表现优越，但通常需要较复杂的操作。2.3主要测量方法的优缺点比较叶绿素含量测量具体方法及其优势见表1。在实际应用中，通常可以根据具体的监测需求和环境条件选择合适的测量方法，或者结合多种方法，以提高叶绿素含量监测的准确性和稳定性。此外，随着科技的不断进步，不同测量方法之间的融合也成为未来发展的一个重要趋势，以综合利用各自技术的优势，更全面地反映叶绿素含量的实际情况。3农业信息化中油菜叶绿素含量传感技术的应用3.1作物生长监测油菜叶绿素含量传感技术在作物生长监测中充当着现代农业管理的“智能眼睛”。通过实时监测油菜田地中的叶绿素含量，农业生产者得以深入了解作物的生长状态，为决策提供科学依据，从而全面提升农田管理效率。一方面，监测油菜的叶绿素含量有助于分析作物生长的阶段性特征。不同生长阶段的油菜对养分、水分等需求存在显著差异，而叶绿素含量的变化往往能够反映作物的生长水平。通过在不同时期的叶绿素监测，农业生产者可以精准判断作物所处的生育期，有利于及时采取相应的管理措施，以确保作物能够充分发挥其潜力。22-2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业测量方法 优势 缺点 光谱传感技术 实时性好，非侵入性，能够在大范围内进行远程监测 受环境光照和植物结构的影响，需要进行复杂的光谱分析 电化学传感技术 具有高灵敏度，对叶绿素含量的实时监测响应迅速 需要维护电化学传感器，使用中可能受到杂质影响 生物传感技术 具有很高的特异性和选择性，适用于特定叶绿素的测量 操作较为繁琐，需要复杂的生物元素制备 表 1叶绿素含量测量方法比较另一方面，油菜叶绿素含量监测也是实现差异化管理的有力手段。在监测的基础上，结合土壤水分、气象条件等多维度信息，农业生产者能够制定个性化的灌溉计划。通过适时、适量的灌溉，可有效提高水分利用效率，防止作物由于缺水或过湿而出现生长异常。这种差异化管理策略有助于最大限度地发挥油菜生长的潜力，提高产量和品质。叶绿素传感技术还可用于判断作物的叶面积指数，进而评估作物的光合作用效率。通过充分了解油菜的生长状态，农业生产者可以更加科学地制定施肥方案，确保作物获得充足的养分供应。这种精准的施肥管理不仅有助于提高产量，还能够减少养分的浪费，降低农业对环境的负面影响。3.2营养管理与施肥优化在现代农业管理中，油菜叶绿素含量传感技术在营养管理与施肥优化方面的应用是农业可持续发展的关键一环。通过实时监测油菜叶绿素含量，农业生产者能够更精准地了解作物对养分的需求，实现施肥方案的科学调整，从而提高农田的养分利用效率。3.2.1精准调控养分供应油菜生长过程中，不同生长阶段对氮、磷、钾等养分的需求存在差异。通过监测叶绿素含量，农业生产者可以实时获取作物的养分状况，根据不同生长时期的需求差异，科学制定养分供应计划。特别是氮素，作为影响叶绿素形成的主要养分，其合理的施用量直接关系到油菜的生长状况和产量。3.2.2避免养分浪费与过度施肥传统的施肥方法往往基于经验和固定的施肥方案，容易导致养分的浪费和过度施肥。通过叶绿素含量传感技术，农业生产者能够根据实时数据进行动态调整，避免在作物不需要时过量施肥。这不仅降低了生产成本，还减少了对土壤和水资源的负面影响，推动了农业的可持续发展。3.2.3实现差异化施肥管理不同部位、不同生长阶段的油菜植株叶绿素含量存在差异，因此可以实现差异化的施肥管理。通过精准监测，农业生产者可以根据农田内部的差异性，调整施肥策略，实现在不同区域、不同植株之间的个性化养分管理。这种差异化施肥管理有助于最大程度地发挥土地资源的效益，提高产量和品质。总体而言，油菜叶绿素含量传感技术在营养管理与施肥优化方面的应用，不仅提高了农业生产的智能化水平，也为农业的可持续发展提供了有力的支持12。3.3病虫害预测与防控油菜叶绿素含量传感技术在病虫害预测与防控方面发挥着关键作用，为农业生产者提供了一种先进而有效的手段，以及时应对植物健康受到威胁的情况。3.3.1提前发现植物生长异常病虫害的侵袭通常伴随着植物生长状态的异常变化，而油菜叶绿素含量的监测能够提前发现这些异常情况。由于叶绿素含量直接反映了植物的生理状态，任何影响植物健康的因素都会在叶绿素含量的波动中留下痕迹。因此，通过实时监测叶绿素含量，农业生产者能够迅速察觉到病虫害的初期迹象，为及时采取控制措施提供了宝贵的时间窗口。3.3.2与农业信息化技术的结合将油菜叶绿素含量传感技术与其他农业信息化技术相结合，如无人机影像和卫星遥感，可以实现对农田整体的病虫害监测。无人机和卫星能够提供高分辨率的影像，结合叶绿素含量数据，农业生产者可以更全面地了解农田中植物的健康状况。这种多源数据的综合分析有助于精准判断病虫害的发生、分布和严重程度，为农业防控决策提供更为科学的依据。3.3.3针对性防治措施当监测到叶绿素含量异常升高的区域时，农业生产者可以立即采取针对性的防治措施。通过对病虫害的种类、数量、分布进行准确判断，选择合适的农药或生物防治方法，将对农田生态环境的影响最小化。这种精准、有针对性的防治方式不仅提高了防治效果，还减少了农药的使用量，降低了生产成本。3.3.4降低环境负担通过油菜叶绿素含量传感技术实现的精细化病虫害防控不仅有益于农业生产，还有助于减少对环境的负面影响。减少农药的过量使用，降低了土壤和水体的污染风险，有助于维护生态平衡。同时，通过提高防治效果，还减少了农业生产中的资源浪费，推动了农业的绿色化发展。3.4智能化农业生产系统中的应用油菜叶绿素含量传感技术在智能化农业生产系统中23-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture的应用案例日益增多。智能化农业系统通过整合传感技术、大数据分析和人工智能等技术，实现农业生产的自动化和智能化。在智能化农业体系中，油菜叶绿素含量传感技术可以与自动化灌溉系统、智能施肥机械等设备无缝连接。当传感器监测到叶绿素含量异常或特定情况时，系统可以自动触发相应的控制措施，如调整灌溉量、改变施肥方案等，从而实现农业生产的高效、智能管理。这种智能化农业生产体系不仅提高了生产效益，还减轻了农业从业者的工作负担，推动了农业信息化水平的不断提升。同时，通过实时数据的收集和分析，系统还能为农业决策提供科学的支持，促进农业的可持续发展。总之，油菜叶绿素含量传感技术在农业信息化中的应用不仅提高了农业生产的效益和智能化水平，也为可持续农业发展提供了关键支持。通过作物生长监测、营养管理、病虫害防控和智能收割等应用，这一技术成为农业管理的重要工具，为实现绿色、高效的现代智慧农业提供了技术保障。4技术挑战与问题4.1测量误差与精度问题油菜叶绿素含量传感技术在应用过程中面临的一个研究难点是测量误差与精度问题。叶绿素含量的准确测量对于科学决策和精准管理至关重要。然而，存在一些因素可能引起测量误差，例如大气条件变化、光谱干扰等。具体原因见表 2。4.2传感器的稳定性与耐久性传感器的稳定性和耐久性是油菜叶绿素含量传感技术面临的另一个关键问题。在实际农田环境中，传感器需要经受复杂多变的气象条件和土壤条件等影响，因此其稳定性显得尤为重要。误差因子 原因 解决方法 大气条件 大气中的湿度、温度等因素可能对传感器的测量结果产生干扰特别是在不同季节或不同地域，气象条件的变化可能导致叶绿素含量的测量结果出现偏差 解决这个问题需要对大气条件进行传感器的校正，并在保证测量的准确性和可靠性的基础上，给出一定的宽裕度 光谱干扰 光谱干扰是叶绿素含量测量中常见的问题之一。有些物质的光谱特性与叶绿素相似，可能导致测量结果的误差 传感器需要具备高度的光谱分辨率和准确的光谱校正技术，以降低光谱干扰对测量精度的影响 表 2测量误差影响因素分析4.2.1环境适应性不同地域、不同季节的农田环境条件可能会对传感器的性能产生影响。例如，极端的气温、高湿度、大风等环境因素可能使传感器的工作稳定性下降。因此，传感器需要具备较强的环境适应性，以适应各种气象条件下的工作需求。4.2.2耐久性在农田实际应用中，传感器需要长时间连续运行以确保数据的连续性和可靠性。因此，传感器的耐久性是一个关键问题。耐久性的提升涉及材料的选择、防水防尘设计、工作温度范围等方面的技术挑战。传感器需要能够在复杂的农田环境中稳定可靠地工作，保证长期监测的有效性。所以，需要不断提升测量技术的准确性和稳定性，油菜叶绿素含量传感技术才能更好地为农业信息化提供可靠的数据支持，促进现代农业的可持续发展。5结论5.1总结本文探讨了油菜叶绿素含量传感技术在农业信息化中的应用研究，旨在充分认识叶绿素含量对植物健康和生长状态的关键作用，并探讨该技术在现代农业管理中的重要性。在作物生长监测方面，油菜叶绿素含量监测技术为农业生产者提供了实时、精准的作物生长状态信息，为科学管理农田提供了重要依据。在营养管理与施肥优化方面，该技术帮助农业生产者更精准地调整施肥方案，提高养分利用效率，推动了农业的可持续发展。在病虫害预测与防控方面，油菜叶绿素含量监测技术通过提前发现植物生长异常，为病虫害的预测和防控提供了有效手段，降低了农药使用量，减轻了环境负担。然而，本文也分析了该技术面临的技术挑战与问题13，如测量误差与精度问题、传感器的稳定性与耐久性等。这些问题需要在未来的研究中得到更深入的解决，以进一步提高传感技术在农业信息化中的可靠性和实用性。5.2对未来研究的展望未来在油菜角果叶绿素含量传感技术的研究中，可以围绕表 3 的几个方面展开。通过不断强化细节、解决技术难题，油菜叶绿素含量传感技术有望成为现代农业信息化管理中的一项重要工具，为农业的可持续发展、精准化管理和智能化应用提供更为科学的支持。渊下转 29 页冤24-2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture实验 研究田园式游学、休闲旅游等特色产业链，升级特色小镇整体环境，打造宜学、宜居特色小镇。5结束语常州殷村职业教育特色小镇的建设在政府、企业、高职院校等多方的参与下已经形成了具有职业教育特色的田园式小镇，未来殷村职业教育特色小镇将继续贯彻开放共享理念，以人才强市为战略导向，为行业发展提供更多高水平技术技能型人才；以乡村振兴为战略导向，为常州市城乡可持续发展提供有力保障。参考文献院1 程成，孙文致，陈国辉，等.民族地区特色小镇发展评价体系研究广西中渡镇的实证J.广西民族研究，2022（1）：174-186.2 刘继为.特色小镇研究的现状、热点与趋势基于 CNKI 和CiteSpace 的可视化分析J.中国农业资源与区划，2021，42（8）：107-117.3 余婧.职业教育特色小镇发展路径研究以西安市为例J.科技经济市场，2020（6）：129-130.4 赵辉，王玥，张旭东，等.基于云模型的特色小镇 PPP 项目融资风险评价J.土木工程与管理学报，2019，36（4）：81-88.5万树，徐玉胜，张昭君，等.乡村振兴战略下特色小镇 PPP 模式融资风险分析J.西南金融，2018（10）：11-16.6 胡钰，王一凡.文化旅游产业中 PPP 模式研究J.中国软科学，2018（9）：160-172.7丁叙文，孙逸君.职教小镇的建设理念与创新发展路径以常州市殷村职教小镇为例J.学理论，2019（2）：24-26.8 李飞.协同治理视角下高职院校产教融合治理研究D.杭州：浙江工商大学，2023.9李文辉，郭丽娟.基于新结构经济学的特色小镇理论解释框架J.福建农林大学学报（哲学社会科学版），2018，21（1）：16-21.10 洪志生，洪丽明.特色小镇众创平台运营创新研究J.福建农林大学学报（哲学社会科学版），2016，19（5）：41-47.11 张蔚文，黄杉，卓何佳，等.基于大数据的浙江省特色小镇人口活力测度与评价J.浙江社会科学，2022（8）：22-33.12 卫龙宝，史新杰.浙江特色小镇建设的若干思考与建议J.浙江社会科学，2016（3）：28-32.13 王洪光，杨凯量，党晓荣，等.优化土地要素配置推进特色小镇建设J.浙江国土资源，2016（7）：29-31.14梁晓鸣，农稚楠.PPP 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增强传感器稳定性和耐久性 利用新材料和工程技术，提高传感器在不同环境条件下的稳定性和耐久性，确保长时间的连续监测 多技术融合 将油菜叶绿素含量传感技术与其他先进的农业信息化技术融合，如人工智能、大数据分析等，构建更智能化、高效化的农业管理体系 推动标准化与规范化 推动相关行业制定标准与规范，确保油菜叶绿素含量传感技术在农业领域的广泛应用，为产业化发展提供更稳定的技术支撑 渊上接 24 页冤29-