[發明專利]魚菜共生系統及基于魚類行為的蔬菜氮元素需求估算方法

在審

• 申請號: 202110661641.1
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113516635A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 李道亮;劉暢;王廣旭;杜玲
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/80;G06N3/04;G06N3/08;G06Q50/02
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 閆萍

本發明屬于智能魚菜共養技術領域，涉及一種魚菜共生系統及基于魚類行為的蔬菜氮元素需求估算方法。魚菜共生系統包括：種菜池、養魚池、抽水泵、攝像機、過濾器和計算機。估算方法包括以下步驟：步驟1：建立魚菜共生系統；步驟2：分析和統計魚類行為數據；步驟3：建立魚類活躍度與氮元素濃度之間的模型關系；步驟4：將測試集輸入到訓練好的最優模型中，得到水中氮元素含量的預測值。本申請采用機器視覺與數學模型分析結合的方式綜合計算魚類行為數據，充分反映魚類在不同氮元素濃度條件下的活躍程度，更全面可靠地將魚類行為與植物營養程度聯系起來；將人工智能和魚菜共生系統進行有機融合，具有廣闊的應用前景和較高應用價值，可實現產業化。

技術領域

本發明屬于智能魚菜共生養殖技術領域，涉及一種魚菜共生系統及基于魚類行為的蔬菜氮元素需求估算方法。

背景技術

魚菜共生是利用水產養殖排放水為植物提供營養，利用魚飼料這種氮源生產魚和蔬菜兩種農產品，具有水和氮源利用效率高、不使用化肥和抗生素和對環境友好等特點，是一種可持續的農業發展方式。在傳統的魚菜共生系統中，氮元素作為蔬菜最主要的營養來源，包括：氨態氮(簡稱：氨氮)、亞硝態氮和硝酸態氮三種，其中，可被蔬菜直接吸收的為氨態氮和硝酸態氮，也是魚菜共生系統中蔬菜最主要的氮元素來源。其診斷方法可以分為兩類，一類是采用現代生物技術及化學實驗手段，通過生理生化及組織形態分析，可以判斷植物的營養平衡狀況，直接對水培蔬菜中的氮元素進行檢測和診斷。例如：利用蔬菜葉片各組織形態檢驗氮營養元素水平，也可以用解剖學與組織化學相結合的方法來檢驗植物中的營養平衡狀況。另一類是：利用計算機視覺的方法，蔬菜在生長期如果缺乏氮元素，葉片會失綠黃化，或葉脈間失綠，果實的色澤和形狀等也會出現異常等。因此可利用計算機視覺分析植物的特定癥狀、長勢長相及葉片顏色等外觀特性進行營養診斷。

以上現有技術具有以下缺點或不足：

生物化學的檢測方法無法實時自動化地對植物氮元素的缺乏做出判斷，效率較低；在采樣過程中對植株損害嚴重，植物的全氮分析只能在實驗室進行，結果較慢，且耗時耗力。光譜及計算機視覺的診斷方法也只有在植物表現出明顯癥狀后才能進行診斷，因而不能及時發現問題，起不到主動預防的作用。且由于此種診斷依賴采集的植物圖像，易與機械及物理損傷相混淆，更難做出正確的判斷，所以在實際應用中有很大的局限性和延后性。除此之外，上述兩類檢測方法只是單一關注植物的生長狀況，而忽略魚類的個體狀況。在魚菜共生系統中，魚和菜的生長是息息相關的。其效益的最大化建立在魚類健康與蔬菜正常生長的前提下，通常情況下，水中氮元素含量對魚類的影響更加直觀和迅速，例如：氨氮含量增加時，魚類會出現明顯的應激行為，撞壁和擺尾次數明顯增加，游速變快。除此之外，當硝酸態氮含量增加到一定程度時，反而會抑制魚類的行為，出現明顯的攝食量下降，活躍程度降低和游速變慢等不同程度的變化。因此，根據魚類出現的不同行為可直接反應出水中氨態氮和硝酸態氮含量的變化，從而間接反應水中氮元素對植物的影響。只有不斷調節水質環境，才能充分保證魚和菜的正常生長，從而實現魚菜共生體系的生態平衡。

發明內容

本申請根據魚菜共生養殖系統的實際情況，利用攝像機對魚類行為進行全天候的實時監測。將采集到的視頻數據進行處理，統計魚菜共生養殖系統中魚類的每天的活躍程度，包括：游泳速度、運動距離和撞壁次數。再通過改變水中的氮元素含量，對不同氮元素含量下的魚類活躍程度和蔬菜長勢進行統計分析，建立氮元素含量與魚類活躍程度和蔬菜營養之間的函數模型關系。從而將魚的行為與蔬菜營養聯系起來，解決傳統方法中，只單一診斷蔬菜營養，而忽略魚類生長的問題。

本申請利用計算機視覺技術監測魚的行為，是一種無接觸的診斷方法，且魚類行為會因水中氮元素含量的改變，而迅速發生變化。因此，根據計算機采集到的魚類行為變化的數據，可間接反應出當前魚菜共生系統中氮元素含量的變化情況，從而為蔬菜是否需要補充營養元素做出輔助判斷。