大田作物智慧種植存在挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)

大田作物智慧種植作為智慧農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展目標(biāo)，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，作為大田作物智慧種植目標(biāo)。智慧種植業(yè)是信息經(jīng)濟時代基于新一代ICT與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化深度融合發(fā)展的集成體系，其技術(shù)核心可以概括為“感、移、云、大、智”五個主要環(huán)節(jié)，在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著核心作用分別是：

感：高效感知技術(shù)，包括農(nóng)業(yè)信息先進感知技術(shù)和農(nóng)業(yè)傳感器;

移：移動通信和移動互聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的實時傳遞和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時調(diào)控;

云：云計算和云服務(wù)，支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化和信息化;

大：大數(shù)據(jù)技術(shù)，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)是大田智慧種植業(yè)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)時代數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的工具;

智：包括智慧和智能，例如大田種植智慧管理決策、大田種植智能裝備等等，是智慧農(nóng)業(yè)的核心;

一、主要挑戰(zhàn)

從發(fā)展大田作物智慧種植業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的需求出發(fā)，“感移云大智”還存在如下問題與挑戰(zhàn)。

1、信息獲取技術(shù)：缺乏原位精準(zhǔn)測量技術(shù)與農(nóng)業(yè)專用傳感器。大田種植業(yè)由于其作業(yè)環(huán)境受到氣象環(huán)境和地域差異性影響非常大，而且作業(yè)具有農(nóng)時限制較大等因素，對原位精準(zhǔn)測量技術(shù)有迫切需求。然而，大多科研成果僅適用于某些作物或者某些區(qū)域，缺乏普適性，導(dǎo)致智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展所依賴的獲取信息源頭出現(xiàn)偏差，影響到后期數(shù)據(jù)的分析和控制決策。

2、信息傳輸技術(shù)：實時性、可靠性、通用性和穩(wěn)定性還有待改進。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特點和低功耗傳感器的技術(shù)需求對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸提出了實時性、可靠性、通用性和穩(wěn)定性等更高的要求。由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，物聯(lián)網(wǎng)在該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用受到限制。

3、信息處理與決策：模擬模型與實際生產(chǎn)差別較大。目前，在大田智慧種植中，農(nóng)業(yè)知識模型、農(nóng)業(yè)模式識別、農(nóng)業(yè)知識表示、農(nóng)業(yè)病蟲害診斷機器學(xué)習(xí)等方面都取得了顯著進展。但部分模型、算法還不足以全面反映客觀現(xiàn)實，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精細(xì)生產(chǎn)時還有局限。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)是如何使大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為便于農(nóng)民接受和使用的智能數(shù)據(jù)，為精細(xì)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)的研究與實踐提供知識支撐。

4、智能農(nóng)業(yè)裝備應(yīng)用：需要進一步解決好農(nóng)機/農(nóng)藝相結(jié)合問題。農(nóng)業(yè)的作業(yè)對象是土壤、動植物等有系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和生物活性的客體，智能農(nóng)業(yè)裝備只有與農(nóng)業(yè)科學(xué)和生物與生命科學(xué)技術(shù)相互交叉、滲透、融合，才能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，農(nóng)機與農(nóng)藝的契合性仍需進一步挖掘。

二、關(guān)鍵技術(shù)

“感、移、云、大、智”是大田作物智慧種植業(yè)技術(shù)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此本文重點圍繞這五個環(huán)節(jié)開展了智慧種植業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的分析、遴選，最終確定了5個一級技術(shù)以及相應(yīng)的18個二級技術(shù)。5個一級技術(shù)是環(huán)境與生物信息感知技術(shù)、信息移動互聯(lián)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算與云服務(wù)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)，以及智能農(nóng)機裝備與農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)。

1、環(huán)境與生物信息感知技術(shù)

該技術(shù)包含土壤肥力信息感知技術(shù)、作物生長信息感知技術(shù)、作物表型信息感知技術(shù)、作物病蟲害信息感知等技術(shù)。

土壤是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的現(xiàn)場快速檢測設(shè)備在檢測靈敏度、精密度和準(zhǔn)確度方面無法滿足對土壤多參數(shù)原位快速檢測的需求，而且核心部件主要依賴進口。因此，急需研發(fā)和推廣具有自主知識產(chǎn)權(quán)的土壤多參數(shù)快速檢測核心硬件和集成技術(shù)。

大田作物生長發(fā)育實時監(jiān)測技術(shù)可以監(jiān)測和預(yù)測作物各方面的生長狀況指標(biāo)，對于作物的田間智慧管理、產(chǎn)量預(yù)測、品質(zhì)檢測和采收等具有切實的指導(dǎo)意義。

作物表型組學(xué)的測量目標(biāo)多為常見的糧食和經(jīng)濟作物，如小麥、玉米、高粱、大麥和豆類等，通過表型測量技術(shù)對作物形態(tài)學(xué)參數(shù)和生理學(xué)參數(shù)的自動化高通量測量，為作物的智慧育種以及智慧管理提供關(guān)鍵信息。

作物病蟲害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中影響糧食產(chǎn)量和質(zhì)量的重要生物災(zāi)害，對病蟲害進行早期預(yù)警和防控對減少農(nóng)業(yè)化學(xué)藥劑的使用量和殘留量，促進生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品安全，以及對于中國糧食貿(mào)易策略制定和社會經(jīng)濟發(fā)展均具有重要戰(zhàn)略意義。

2、信息移動互聯(lián)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

該技術(shù)包含物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)和智能手機農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

目前中國已經(jīng)發(fā)展了多項大田種植類農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式，包括水稻、小麥、玉米、棉花、果樹和菌類等作物種類，形成的應(yīng)用模式包括智能灌溉、土壤墑情監(jiān)測和病蟲害防控等單領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也包括涵蓋育苗、種植、采收、倉儲等全過程的復(fù)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

基于5G的新一代移動互聯(lián)技術(shù)在大田種植中發(fā)揮著重要作用，利用5G大帶寬、低時延特性，可實現(xiàn)農(nóng)機的無人化作業(yè)，包括無人拖拉機、無人插秧機和無人收割機等。

智能手機正在逐漸成為重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，通過APP完成農(nóng)田信息獲取、農(nóng)業(yè)機械操控以及農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)等智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的功能。

3、云計算與云服務(wù)技術(shù)

該技術(shù)包含大田作物與環(huán)境模擬模型技術(shù)和云計算與云服務(wù)平臺技術(shù)。

作物生長模型是根據(jù)作物品種特性、氣象條件、土壤條件以及作物管理措施，采用數(shù)學(xué)模型方法描述作物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用，以及營養(yǎng)等機理過程，可以準(zhǔn)確模擬作物在單點尺度上生長發(fā)育的時間演進以及產(chǎn)量的形成動態(tài)過程。

作物和環(huán)境模擬模型技術(shù)為大田作物智慧種植云計算與云服務(wù)平臺提供了有力工具。以作物識別為例，把作物生長模型及各項參數(shù)輸入云服務(wù)器，通過云平臺強大的分析運算功能可以識別區(qū)分不同作物或者作物的不同生長階段，區(qū)分雜草和作物以優(yōu)化除草劑實施方案等。

4、大數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)

該技術(shù)數(shù)據(jù)挖掘與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，無人機遙感應(yīng)用與災(zāi)害防控技術(shù)。

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)包括清洗、集成、融合和挖掘等，以發(fā)現(xiàn)隱藏其間的數(shù)據(jù)價值，為發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供指導(dǎo)和服務(wù)。機器學(xué)習(xí)是人工智能的核心研究領(lǐng)域之一，利用機器學(xué)習(xí)提供的技術(shù)進行數(shù)據(jù)挖掘來分析農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，二者協(xié)同互補促進大田種植大數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)的發(fā)展。

在農(nóng)作物種植前采用無人機對土壤進行監(jiān)測分析，對農(nóng)業(yè)種植的前期規(guī)劃具有至關(guān)重要的作用。生長期的作物生長無人機檢測可為農(nóng)田的智慧管理提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。中國的無人機植保已成為發(fā)展最快的新興領(lǐng)域，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一。

5、智能農(nóng)機裝備與農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)

該技術(shù)包括農(nóng)業(yè)機械自動導(dǎo)航技術(shù)、電動農(nóng)業(yè)機械、精準(zhǔn)灌溉裝備、谷物自動測產(chǎn)技術(shù)、農(nóng)田作業(yè)機器人技術(shù)、水肥藥一體化技術(shù)，以及無人農(nóng)場技術(shù)。

北斗系統(tǒng)的建成與應(yīng)用保證了中國農(nóng)業(yè)機械的自動導(dǎo)航技術(shù)的可靠性和健康發(fā)展。農(nóng)機自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)主要應(yīng)用于播種、開溝、起壟、中耕、打藥等對直線度及結(jié)合線精度要求較高的作業(yè)。

電機和電池技術(shù)的發(fā)展尤其是低速大扭矩電機技術(shù)的成熟，為電動農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。

灌溉、收獲、水肥藥一體化等精細(xì)作業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)機器人是現(xiàn)代信息技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)深度融合的典范，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低污染、節(jié)水、節(jié)能、智能和現(xiàn)代化方向發(fā)展。

無人農(nóng)場是在人不進入農(nóng)場的情況下，綜合采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、智能農(nóng)機裝備和農(nóng)業(yè)機器人等上述的所有關(guān)鍵技術(shù)，完成所有農(nóng)場生產(chǎn)、管理任務(wù)的一種全天候、全過程、全空間的無人化生產(chǎn)作業(yè)模式。無人農(nóng)場代表著最先進的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，將引領(lǐng)大田作物智慧種植業(yè)的發(fā)展。

審核編輯 黃宇