“種子是農(nóng)業(yè)的芯片,農(nóng)田則是農(nóng)業(yè)的母版。”在中國科學(xué)院院士周成虎看來,中國農(nóng)業(yè)的智慧大腦正在形成。在已可通過遙感和地面觀測確認(rèn)地球上有3.04萬億棵樹的今天,發(fā)展新技術(shù),實現(xiàn)對每一塊農(nóng)田的精準(zhǔn)測量和動態(tài)監(jiān)測,構(gòu)建地塊級農(nóng)田大數(shù)據(jù),促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展,已經(jīng)觸手可及。
近日,在“2019年智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新研討會暨示范觀摩會”上,與會專家實地觀摩考察,并圍繞“科技興農(nóng)、數(shù)據(jù)賦能”的主題深入探討了我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和前景。
“天空地海網(wǎng)”動態(tài)立體時代
周成虎指出,當(dāng)前,世界進(jìn)入了智能化與綠色化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化相互交織的時期。把握時代的脈搏,抓住歷史性機(jī)遇,發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù),是智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展的重要內(nèi)容,具有戰(zhàn)略性重大意義。
“農(nóng)業(yè)信息的獲取進(jìn)入‘天空地海網(wǎng)’動態(tài)立體時代?!敝艹苫⒄f,億級互聯(lián)的地面?zhèn)鞲芯W(wǎng),獲取了海量的農(nóng)情數(shù)據(jù);高低軌、光學(xué)與微波組合的綜合對地系統(tǒng),組成全球覆蓋的農(nóng)情觀測天網(wǎng)。在一切都可以數(shù)據(jù)化的世界,在一切數(shù)據(jù)都可以業(yè)務(wù)化的時代,農(nóng)業(yè)信息化、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的核心組成部分。
農(nóng)業(yè)遙感傳統(tǒng)上服務(wù)于農(nóng)作物生長狀態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物種植面積監(jiān)測與估算、農(nóng)作物單產(chǎn)監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測及損失評估、農(nóng)作物產(chǎn)量估算、糧食供需平衡與安全預(yù)警等。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷進(jìn)步,國際上已經(jīng)開始將農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)農(nóng)業(yè)、訂單農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展;我國也將農(nóng)業(yè)遙感的服務(wù)范圍擴(kuò)展到承包地確權(quán)登記、耕地質(zhì)量監(jiān)測與保育,以及農(nóng)業(yè)補貼支撐等方面。
“高空間分辨率影像為農(nóng)田地塊的精確測量提供了可能?!敝艹苫⒄f,借助于現(xiàn)代航天航空技術(shù),可以精確劃定地塊邊界、精確監(jiān)測播種面積,了解每一地塊的內(nèi)部細(xì)節(jié)。
這樣的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù),被華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授蘭玉彬視作實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分,是智慧農(nóng)業(yè)的直接體現(xiàn)。
蘭玉彬認(rèn)為,“智慧農(nóng)業(yè)”與現(xiàn)代生物技術(shù)、農(nóng)藝技術(shù)等高新技術(shù)的融合,對我國趕超發(fā)達(dá)國家,建設(shè)世界水平農(nóng)業(yè)具有重要意義。“生態(tài)無人農(nóng)場”應(yīng)運而生。
“生態(tài)無人農(nóng)場”整合農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)裝備、綠色植保技術(shù)、無人機(jī)、人工智能、大數(shù)據(jù)、 3S 、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù);采用天空地一體化技術(shù)獲取農(nóng)情信息,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的精準(zhǔn)感知;使用地空一體化智能農(nóng)機(jī)裝備等協(xié)同作業(yè),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率;實現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化種植、智能決策、可視化管理和智能化操控。
“生態(tài)無人農(nóng)場”通過一系列技術(shù)實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,包括基于精準(zhǔn)施藥的農(nóng)藥減量技術(shù)、基于水肥一體化精準(zhǔn)管理的減肥節(jié)水技術(shù)、生態(tài)沃土技術(shù)、生物防治技術(shù)、秸稈綜合再利用技術(shù)、畜禽糞便有機(jī)化處理與施用技術(shù)、農(nóng)場閉環(huán)優(yōu)化管理技術(shù)。
“生態(tài)無人農(nóng)場”融合生物防控、綠色植保、無人機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等眾多高新技術(shù)?!耙院蟮霓r(nóng)民不再是體力勞動者,而是新農(nóng)民。一個人管理整個農(nóng)場的目標(biāo)將會成為現(xiàn)實。生態(tài)無人農(nóng)場是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)變革的第一步。該領(lǐng)域的全球化競爭剛剛開始?!碧m玉彬說。
助力農(nóng)業(yè)“知天而作”
在成都市新都區(qū)泰興鎮(zhèn)四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院新都現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新示范園內(nèi),數(shù)百名專家聚在一塊剛剛收割小麥后平整的土地上,目不轉(zhuǎn)睛地看著屏幕上的現(xiàn)場直播。
農(nóng)情無人機(jī)起飛,電腦屏幕上實時顯示它的飛行軌跡。當(dāng)無人機(jī)的飛行軌跡逐漸覆蓋整個目標(biāo)地塊后,科研人員開始根據(jù)無人機(jī)傳回的數(shù)據(jù)解析地塊信息,了解果園面積、地形,果樹數(shù)量、位置、樹冠大小、長勢,以及雜草分布等生產(chǎn)信息。
從天上看到的信息還不夠精確,每棵果樹有多少果實,果實成熟度、大小、有沒有病蟲害等更加精細(xì)的信息該如何獲取呢?這時候,“果園偵察兵”智能巡田機(jī)器人出動了,它能代替人類走進(jìn)果園感受作物的細(xì)微變化。
通過智能設(shè)備收集的數(shù)據(jù)很快傳遞到“智慧農(nóng)業(yè)大腦”——農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘與服務(wù)平臺中。這個“大腦”包括天空地一體化農(nóng)情信息處理一體機(jī)、智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘與可視化系統(tǒng)、云邊端一體化田間服務(wù)一體機(jī),具有數(shù)據(jù)管理與可視化云邊端協(xié)同計算的深度人工智能算力。它經(jīng)過智能分析判斷,向果園智能作業(yè)裝備發(fā)出正確的操作指令。
例如,水肥一體化灌溉系統(tǒng)接收到處方圖,對水肥精準(zhǔn)控制,按需智能化灌溉,省錢省時省力。
一臺紅色的無人噴藥機(jī)器人根據(jù)處方圖走起來了,在有病蟲害發(fā)生的地方,它停下噴藥,既可以提升農(nóng)藥利用效率,又能避免作業(yè)人員農(nóng)藥中毒情況發(fā)生。
無人除草機(jī)器人馬力強大,就算是一棵小灌木擋在它面前,它也能毫不猶豫地碾壓過去,迅速將其粉碎。在它身后,什么雜草也沒留下。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員史云告訴《中國科學(xué)報》,中國農(nóng)科院智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊的這套農(nóng)業(yè)云操作系統(tǒng),包括天空地農(nóng)情信息時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)觀測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)多維可視化系統(tǒng)、農(nóng)情智能診斷與監(jiān)測系統(tǒng)、智能裝備對接與管理系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)云平臺等,能助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“知天而作”。
智慧農(nóng)業(yè)需要內(nèi)外兼修
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力成本占70%,而目前農(nóng)村勞動力平均年齡55歲,農(nóng)村老齡化持續(xù)加大。“20年后誰來種地、種菜、養(yǎng)豬、養(yǎng)魚?”中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院教授李道亮如是說。
面對資源節(jié)約、產(chǎn)出高效、環(huán)境友好、產(chǎn)品安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需求,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨轉(zhuǎn)型升級。李道亮認(rèn)為,未來方向是生產(chǎn)裝備化、裝備數(shù)字化、監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)化、管理智能化和作業(yè)無人化。
智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn),就是要“讓人類能以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活,提升人對農(nóng)業(yè)物理世界實時控制和精確管理能力,從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的資源優(yōu)化配置和科學(xué)智能決策”。
李道亮認(rèn)為,智慧農(nóng)業(yè)是高度的學(xué)科交叉,涵蓋農(nóng)業(yè)科學(xué)、機(jī)械科學(xué)、材料科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、控制工程、人工智能等知識和技術(shù)。而其中的“卡脖子”技術(shù)包括農(nóng)業(yè)傳感器、動植物生長信息模型、農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人、動植物表型關(guān)鍵技術(shù)、農(nóng)業(yè)專用芯片開發(fā)等。
他建議加強智慧農(nóng)業(yè)與智能裝備學(xué)科建設(shè),重點發(fā)展農(nóng)業(yè)空天地一體化獲取技術(shù)、動植物生長優(yōu)化調(diào)控模型、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、智慧加工與營養(yǎng)健康、動植物表型、農(nóng)村信息社會研究。
與此同時,智慧農(nóng)業(yè)還需要其他農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的支撐。
日本東京大學(xué)研究員郭威長期從事基于機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像的高通量多尺度作物表型研究。他告訴《中國科學(xué)報》,通過深度學(xué)習(xí)技術(shù),科學(xué)家研發(fā)的機(jī)器人對作物果實的識別率已經(jīng)可以達(dá)到97%的精度。
不過,目前的作物品種有些尚未適應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求,這與實際的農(nóng)業(yè)栽培現(xiàn)場有密切的關(guān)系。以甘蔗為例,中國西南地區(qū)的育種方向是適合山區(qū)小規(guī)模分散種植,品種特性尚不能適應(yīng)當(dāng)前主要服務(wù)于大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù),面臨更進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。而諸如水稻、大棚果蔬等,已經(jīng)適應(yīng)當(dāng)前數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù),可以大量提高生產(chǎn)效率,增強食品生產(chǎn)可追溯性。
武漢大學(xué)教授史良勝認(rèn)為,要想實現(xiàn)計算機(jī)替代人,還有很多空間需要去挖掘。由于農(nóng)田系統(tǒng)非常復(fù)雜,所以“很關(guān)鍵的一點在于,我們怎樣理解農(nóng)田信息與研究對象的因果關(guān)系,我們需要知道這些信息代表著什么,以及如何去解析這些信息”。
史良勝提出,應(yīng)該弱化模型對數(shù)據(jù)的依賴,因為農(nóng)田系統(tǒng)包含很多物理機(jī)理和生物化學(xué)過程,這些過程的數(shù)據(jù)是沒法通過目前的智能設(shè)備獲取和反映的,所以要把物理機(jī)理與數(shù)據(jù)信息結(jié)合起來,這樣才有可能讓模型具有更高的預(yù)測能力。