大田作物智慧種植作為智慧農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展目標，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。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)領域發(fā)揮著核心作用分別是：

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

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

云：云計算和云服務，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，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)是大田智慧種植業(yè)的基礎，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術是智慧農(nóng)業(yè)時代數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)應用的工具;

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)轉型升級和高質量發(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：缺乏原位精準測量技術與農(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，對原位精準測量技術有迫切需求。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：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。由于缺乏標準和規(guī)范，物聯(lián)網(wǎng)在該領域的標準化應用受到限制。

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)病蟲害診斷機器學習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，指導農(nóng)業(yè)精細生產(chǎn)時還有局限。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術目前面臨的挑戰(zhàn)是如何使大數(shù)據(jù)轉化為便于農(nóng)民接受和使用的智能數(shù)據(jù)，為精細農(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)裝備應用：需要進一步解決好農(nóng)機/農(nóng)藝相結合問題。農(nóng)業(yè)的作業(yè)對象是土壤、動植物等有系統(tǒng)組織結構和生物活性的客體，智能農(nóng)業(yè)裝備只有與農(nóng)業(yè)科學和生物與生命科學技術相互交叉、滲透、融合，才能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工藝技術要求，農(nóng)機與農(nóng)藝的契合性仍需進一步挖掘。

二、關鍵技術

“感、移、云、大、智”是大田作物智慧種植業(yè)技術體系的關鍵環(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)關鍵技術的分析、遴選，最終確定了5個一級技術以及相應的18個二級技術。5個一級技術是環(huán)境與生物信息感知技術、信息移動互聯(lián)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算與云服務技術、大數(shù)據(jù)分析與決策技術，以及智能農(nóng)機裝備與農(nóng)業(yè)機器人技術。

1、環(huán)境與生物信息感知技術

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

土壤是農(nóng)業(yè)的基礎，現(xiàn)有的現(xiàn)場快速檢測設備在檢測靈敏度、精密度和準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)權的土壤多參數(shù)快速檢測核心硬件和集成技術。

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

作物表型組學的測量目標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，通過表型測量技術對作物形態(tài)學參數(shù)和生理學參數(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)量和質量的重要生物災害，對病蟲害進行早期預警和防控對減少農(nóng)業(yè)化學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

該技術包含物聯(lián)網(wǎng)技術、5G技術和智能手機農(nóng)業(yè)應用。

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、倉儲等全過程的復合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

基于5G的新一代移動互聯(lián)技術在大田種植中發(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)品電子商務等智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關的功能。

3、云計算與云服務技術

該技術包含大田作物與環(huán)境模擬模型技術和云計算與云服務平臺技術。

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)境模擬模型技術為大田作物智慧種植云計算與云服務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

該技術數(shù)據(jù)挖掘與機器學習技術，無人機遙感應用與災害防控技術。

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術包括清洗、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)提供指導和服務。機器學習是人工智能的核心研究領域之一，利用機器學習提供的技術進行數(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數(shù)據(jù)。中國的無人機植保已成為發(fā)展最快的新興領域，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

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

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

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

灌溉、收獲、水肥藥一體化等精細作業(yè)技術和農(nóng)業(yè)機器人是現(xiàn)代信息技術與現(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、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鍵技術，完成所有農(nóng)場生產(chǎn)、管理任務的一種全天候、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，將引領大田作物智慧種植業(yè)的發(fā)展。

審核編輯 黃宇