专题系列报告十丨城乡生态环境北京实验室基于生命活动的节水灌溉技术研发助力智慧林业发展
智慧林业是指充分利用云计算、物联网、大数据、移动互联网等新一代信息技术，通过感知化、物联化、智能化的手段，形成林业立体感知、管理协同高效、生态价值凸显、服务内外一体的林业发展新模式。智慧林业的核心是利用现代信息技术，建立一种智慧化发展的长效机制，实现林业高效高质发展。是统领未来林业工作、拓展林业技术应用、增强林业发展质量、促进林业可持续发展的重要支撑和保障。
“基于生命活动的节水灌溉技术研发”研究专题依托工学院林业电气化与自动化学科的专业优势，针对苗木花卉新品种培育要求，根据植物生命需水状况，采用“互联网+”技术、传感技术、无线通讯技术，并结合大数据处理方法，实时监测温室微环境参数及土壤墒情，进行智能决策，实现温室精准灌溉控制智能化、管理信息化，为苗木、花卉新品种研发提供基础数据及精准灌溉保障。
智能灌溉控制策略完善和智能灌溉控制系统开发
在河南鄢陵龙源花木公司北京林业大学鄢陵科研中心的2400平米温室示范与应用智能精准灌溉控制系统。针对盆栽苗、苗床、地表苗的具体需水特点，建立滴剑、滴灌、雾化微喷及小孔出流等相结合的复合灌溉系统。动态实时监测土壤-植物系统水循环和植物茎杆水分的基础上增加植物微环境及生理参数采集新方法，在实时采集微环境的土壤墒情、土壤温度、光照强度、全辐射、光合有效辐射、CO2浓度、空气温湿度、土壤PH值、管道压力及水流量等参数的基础上，通过智能决策，自动控制电磁阀及水泵的启停，实现智慧苗圃精准灌溉控制。
针对北方地区城市绿化中常用乔木杨树，直接测定土壤温湿度、空气温湿度、光合有效辐射以及茎干水分等微环境参数集，进而估算得到植物茎干水分生理状况，更加精准深入的研究植物水分调解过程和运移规律，实现智能精量供水。
图1 智能灌溉控制决策系统工作原理图
图3 智能灌溉控制柜示意图
图4 智能灌溉控制柜实物图
图5 智慧苗圃灌溉示意图
完善智慧林业生态监测站
遵循天人合一理念，采用“物联网+”、卫星通讯和大数据处理方法搭建的智慧林业生态监测平台（www.intelforestry.org/web），实现北京地区林业生态信息智能监测；新建林区微环境监测站8个：内蒙古海拉尔1个、红花尔基1 47 31405 47 14942 0 0 2781 0 0:00:11 0:00:05 0:00:06 2889、张家口崇礼地区1个和呼和浩特5个；在巴彦淖尔新建土壤温湿度监测站3个；扩大林业生态监测范围，扩充林业生态监测大数据，提升林木抚育水平和濒危物种保护机制、提高森林资源调查效率并且为森林病虫害防治和盗砍盗伐提供技术支持。
图6 林区微环境监测站和内部示意
图7 智慧林业生态监测平台示意
研究基于压缩感知的植物微环境及生理参数采集方法
微环境监测站定时采集植物微环境及生理参数：土壤温湿度、空气温湿度、降雨量、茎体水分、茎流信息，将这些信息视为原始信号，尝试在不同的稀疏基(DFT、DCT)下对原始信号进行稀疏表达和高频去噪，应用压缩感知算法压缩植物微环境及生理参数的时域信号，探究植物微环境及生理参数信息在不同稀疏基下的压缩性能。
图9 基于DFT滤波及压缩后的茎干水分信号
图10基于DCT滤波及压缩后的茎干水分信号
研究表明于植物微环境及生理参数的时域信号，DFT基比DCT基具有更好的去噪效果和更高的数据压缩比。
专题负责人
赵燕东
北京林业大学工学院教授，博士生导师，林业电气化与自动化学科和控制工程学科负责人，北京市优秀教师。担任中国农业机械学会基础分会副主任委员、人工智能+生态专业委员会委员、全国林业信息数据标准化技术委员会委员和《农业机械学报》编委会委员职务。主持国家级科研项目4项、省部级科研项目3项、横向课题多项。主要从事智能检测与信号处理方面的研究。在林区生态智能监测网络、土壤水分、土壤冻融特性、植物生理水分信息快速获取及精准节水灌溉控制技术取得多项学术成果。在国内外学术期刊上发表学术论文100余篇，主编并出版《精准节水灌溉控制技术》专著1部。授权发明专利7项、实用新型专利十余项。获得省部级科技进步三等奖励1项。
专题主要参加人员
郑一力
北京林业大学工学院林业电气化与自动化学科副教授，硕士生导师， 研究方向为：林业装备与自动化，互联网+林业。
专题其他参加人员
王海兰、陈锋军、林剑辉
张超一、颜小飞、赵玥
研究生方向分别为林业装备与自动化、互联网+林业、林区生态智能监测网络、土壤水分、土壤冻融特性、植物生理水分信息快速获取及精准节水灌溉控制技术。
责任编辑：王俊杰