: 基于物联网的监测工作流用于持续分析苹果在农光互补条件下的成熟延迟与成熟模式

《Agroforestry Systems》：IoT-based monitoring workflow for continuous analysis of apple ripening delay and maturation patterns under agrivoltaics

　　

农光互补系统结合了太阳能发电与农业活动，提供了一种最大化土地效率的可持续方法。然而，这些系统可能带来挑战，例如可能影响果实质量或作物产量的潜在遮荫效应。本研究评估了高架农光互补系统对德国康斯坦茨湖附近温带果园中苹果（Malus domestica L. cv. Gala）成熟和成熟模式的影响。实验将常规条件下生长的苹果（对照组）与配备半透明光伏板的农光互补装置下生长的苹果进行了比较，该光伏板利用空间分布的电池实现40%的透光率，并以70%的地面覆盖率安装。在整个2024年生长季期间，监测了包括果实直径、长度、体积和BBCH物候阶段在内的关键指标。研究人员开发了一种基于物联网的监测工作流，结合固定RGB图像采集、自动苹果检测、基于颜色的成熟度量化和时间序列分析，以监测田间条件下的可见成熟动态。结果表明，农光互补条件下的苹果表现出可见红色发育的延迟，比对照组晚约10–12天达到可比的图像衍生颜色成熟度阈值。在9月13日（收获期），平均长度未发现显著差异，而农光互补苹果的直径显著较小（65.59 mm对70.98 mm），表明遮荫条件下尺寸略小。农光互补条件下的果实体积和重量低约16%，平均为161.16 cm³（138.6 g），而对照组为191.58 cm³（164.8 g）。延迟的可见成熟与光伏板下光照可用性降低相一致，尽管未直接测量果实层面的光照可用性和生理成熟度指标。这些发现表明，高架农光互补系统可以显著延迟苹果物候和果实成熟。根据农业目标、期望的收获时间、品种、当地气候条件、纬度和地理区域以及市场需求等因素，这可能是挑战或是有益的，例如，如果它能使作物适应气候变化影响。将基于IoT的监测与机器学习相结合，提高了农业评估的精度，为管理农光互补系统对作物发育的影响提供了宝贵的数据。

研究背景与意义
苹果是全球种植最广泛的水果作物之一，在经济和营养方面发挥着关键作用。近年来，关于苹果物候的研究指出，气候变化影响了成熟时间，如气温升高导致开花和坐果日期的提前。这种情况需要新的适应策略，而农光互补系统可能是一种可行的解决方案。农光互补系统最初于1981年被提出，近年来作为一种优化土地利用和能源生产的可持续方式获得了越来越多的关注。在水果作物和园艺系统中，常见配置是在树冠上方安装高架光伏组件。这种高架配置提供部分遮荫，限制了光照可用性，并可能影响植物生长和果实成熟。在苹果种植中，光照直接影响果实发育和质量，决定了果皮中花青素的合成，进而影响苹果的红色着色。准确判断苹果何时成熟对于决定正确的采收时机至关重要，这不仅影响品质，还影响苹果的储存时间和市场价值。传统上，评估水果成熟度依赖于农学家的经验，他们通常评估皮色、硬度和整体外观等视觉特征。许多专家基于标准化的BBCH量表进行评估，但传统方法具有主观性且并不总是精确。随着精准农业的发展，基于物联网的监测系统和机器学习算法被引入以提高评估的准确性和效率。YOLO模型在图像分析领域获得了广泛关注，最新版本之一的YOLOv8在果实检测任务中表现出卓越的性能。然而，在农光互补条件下，如何利用先进技术连续、客观地监测苹果可见成熟动态仍是一个挑战。
针对上述问题，研究人员评估了高架农光互补系统对苹果成熟和成熟模式的影响，假设农光互补系统引起的遮荫和微气候改变会影响苹果的成熟过程。研究得出结论，高架农光互补系统显著延迟了苹果物候期和果实成熟，导致果实尺寸略小。该研究发表在《Agroforestry Systems》上，其重要意义在于，不仅揭示了农光互补系统对苹果成熟的潜在影响，还提供了一种基于IoT监测工作流的新方法，为管理农光互补系统对作物发育的影响提供了宝贵的数据支持，对于平衡能源生产与农业目标具有重要参考价值。

关键技术方法
研究人员于2024年生长季在德国康斯坦茨湖附近的一个商业苹果园开展了实验。样本队列来源为嫁接在M.9砧木上的苹果树品种Gala。实验设置了农光互补区和对照区两个区域。主要关键技术方法包括：使用基于IoT的固定RGB相机系统进行时间序列图像采集；采用COCO预训练的YOLOv8模型进行自动苹果检测；应用尺度不变特征变换（SIFT）算法进行图像配准和归一化处理；在HSV颜色空间内进行基于规则的颜色分析以量化红色像素百分比作为图像衍生的可见颜色成熟度指标；使用Mann–Whitney U检验和Fisher精确检验进行统计比较分析。

研究结果
田间观察：通过在整个2024年生长季对农光互补区和对照组的连续观察得出，两者在物候发育上存在明显差异。至9月13日收获时，对照组苹果达到完全成熟，而农光互补区苹果处于成熟度较低的阶段，红着色较少且果实略小。
田间测量：通过使用游标卡尺测量果实直径、长度并计算体积和重量得出，农光互补处理的果实直径、体积和重量普遍低于对照组。9月13日收获时，农光互补组平均直径为65.59 mm，显著小于对照组的70.98 mm；平均体积为161.16 cm³，重量为138.6 g，而对照组分别为191.58 cm³和164.8 g。果实长度差异在后期不再具有统计学显著性。
BBCH物候期评估：通过BBCH量表评估得出，9月13日对照组达到BBCH89（完全成熟），而农光互补组仍处于BBCH85（成熟但不完全）。
图像衍生的成熟度指数：通过基于RGB图像颜色分析计算时间序列得出，对照组红着色发育更早、更快。至9月初，对照组图像衍生颜色成熟度达约70%，而农光互补组仅约40%。基于图像衍生成熟度阈值，农光互补区苹果达到30%、40%和50%颜色成熟度的时间分别比对照组晚约12、10和12天，表明可见红着色发育持续延迟。

讨论与结论
讨论部分总结：高架农光互补遮荫与可见的苹果成熟延迟、果实尺寸稍小及物候进程较慢有关，这与基于田间的BBCH评估、人工测量和图像衍生的成熟度指数结果一致。延迟成熟趋势与光伏结构下光照可用性降低相一致，因为光是苹果果皮中花青素合成的主要驱动因素。夜间温度未显示出明显升高，因此光照减少是延迟红着色发育的合理解释。研究还发现遮荫对果实尺寸的影响取决于品种、季节、水分可用性和系统设计。研究强调了IoT监测工作流能够提供连续、客观的果实颜色发育数据，补充了传统离散的物候评估，暴露了离散、以大小为导向的物候评估与遮荫下可见成熟度连续指标之间的潜在脱节。
研究结论翻译：本研究评估了2024年生长季德国康斯坦茨湖附近商业'Gala'果园中，一个监测常规对照区和一个监测农光互补区中苹果的成熟与成熟模式。核心贡献是开发并应用了基于IoT的监测工作流，用于持续分析田间条件下苹果的可见成熟动态。该工作流结合了固定RGB图像采集、COCO预训练YOLOv8苹果检测、基于HSV的红色像素量化和时间成熟度阈值分析，以补充传统农学和基于BBCH的评估。结果显示，与对照组相比，农光互补区的可见颜色发育延迟、BBCH进程较慢且果实尺寸略小。收获时，农光互补区苹果的平均直径、体积和重量较低，而果实长度无明显差异。图像衍生成熟度指数显示，农光互补区苹果达到可比的可见颜色成熟度阈值的时间比对照组晚约10–12天。9月13日，对照苹果达到BBCH89（完全成熟），而农光互补苹果仍处于BBCH85（成熟但不完全）。光伏结构下光照可用性降低为观察到的红着色延迟提供了合理解释。然而未直接测量果实层面光照和生理成熟度指标，因此结果应解释为区域层面的差异。提出的基于IoT的工作流提供了客观、具时间分辨力的果实颜色发育信息，有助于揭示仅靠离散人工评估难以表征的成熟差异。