人工智能技術在現(xiàn)代農業(yè)中的實踐應用分析

余慶澤 毛為慧 盧秀萍

摘 要：國務院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要加快人工智能深度應用，培育壯大人工智能產業(yè)，發(fā)展智能農業(yè)。人工智能技術推進農業(yè)新發(fā)展，是農業(yè)現(xiàn)代化生產的新方向。鑒于國外發(fā)達國家在該領域領先國內，梳理人工智能在現(xiàn)代農業(yè)主要實踐應用基礎上，分析農業(yè)發(fā)展新態(tài)勢及主要技術應用，挖掘國外發(fā)展經驗對我國現(xiàn)代農業(yè)可借鑒之處，以期促進我國智能農業(yè)快速發(fā)展。

關鍵詞：人工智能;智能農業(yè);農業(yè)現(xiàn)代化

中圖分類號：S106 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0017-03

Practical Application Analysis of Artificial Intelligence

Technology in Modern Agriculture

——Based On Foreign Development Trends

YU Qingze MAO Weihui LU Xiuping

Abstract： The state council New Generation of Artificial Intelligence Development Plan proposes to speed up the deep application of artificial intelligence， cultivate and expand the artificial intelligence industry， develop intelligent agriculture. Artificial intelligence technology promotes the new development of agriculture and becomes the new direction of agricultural modernization production. In view of the fact that foreign developed countries are in the lead in this field at home， based on combing the main practical application of artificial intelligence in modern agriculture， this paper analysed the new situation of agricultural development and the main technology application， and excavated the reference of foreign development experience for modern agriculture in China， with a view to promoting the rapid development of Intelligent Agriculture in China.

Keywords： artificial intelligence;intelligent agriculture;agricultural modernization

人工智能是引領世界未來發(fā)展的戰(zhàn)略性技術，世界主要發(fā)達國家把發(fā)展人工智能作為提升國家競爭力、維護國家安全的重大戰(zhàn)略。人工智能是經濟發(fā)展的新引擎，是新一輪產業(yè)變革的核心驅動力，將催生新技術、新業(yè)態(tài)等，深刻改變人類生產、生活方式和思維模式，實現(xiàn)社會生產力整體躍升。國務院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[1]（國發(fā)〔2017〕35號）提出，我國經濟發(fā)展進入深化供給側結構性改革時期，必須加快人工智能深度應用，培育壯大人工智能產業(yè)，為我國經濟發(fā)展注入新動能;到2025年，我國人工智能產業(yè)要進入全球價值鏈高端，人工智能核心產業(yè)規(guī)模超過4 000億元，帶動相關產業(yè)規(guī)模超過5萬億元，其中要“發(fā)展智能農業(yè)，建立典型農業(yè)大數(shù)據智能決策分析系統(tǒng)，開展智能農場、智能化植物工廠、智能果園、農產品加工智能車間、農產品綠色智能供應鏈等集成應用示范”。

根據聯(lián)合國糧農組織的數(shù)據，到2050年，世界人口將增加20億。然而，耕種土地只能增加4%。要解決世界糧食問題，利用新技術提高農業(yè)生產效率是最迫切的任務之一。本文對國外發(fā)達國家農業(yè)利用人工智能等新技術的發(fā)展動態(tài)進行分析，以期他山之石可以攻玉，助力我國智能農業(yè)發(fā)展。

1 人工智能在農業(yè)的主要應用

在農產品和田間耕作技術方面，農業(yè)正在采用人工智能（Artificial Intelligence，AI）和機器學習（Machine Learning，ML）以提供認知解決方案，特別是認知計算將成為農業(yè)服務中最具顛覆性的技術。認知計算能夠理解、學習和響應不同的情景，提高效率。微軟公司曾與印度安得拉邦的175名農民合作，為其提供播種、土地、化肥等方面的咨詢服務，幫助農民把每公頃農作物的平均產量同比提高了30%。①物聯(lián)網推動產量增長：物聯(lián)網每天生成大量的結構化和非結構化數(shù)據。這些數(shù)據與歷史天氣模式、土壤報告、新研究、降雨、蟲害、無人機和照相機拍攝的圖像等有關，促進產量提高。②土壤測試：近距離遙感和遙感是目前主要用于智能數(shù)據融合的兩種技術，這兩種技術均借助傳感器來實現(xiàn)，尤其是前者，需要有與土壤接觸或與土壤距離非常近的傳感器，以便能根據特定地點的地表以下土壤來確定土壤特性。Rowbot公司致力于提供人工智能硬件解決方案，已經將數(shù)據收集軟件與機器人技術相結合，為玉米種植準備最好的肥料以最大限度地提高產量。③農產品最佳組合確定：通過人工智能技術，根據土壤條件、天氣預報、種子種類、某一地區(qū)蟲害情況等多個參數(shù)，向農戶推薦農作物和雜交種子的最佳選擇，并根據農場的需求、當?shù)貤l件、價格和過去成功耕作的數(shù)據等多種內外因素提供個性化耕作解決方案。④農作物健康監(jiān)測：利用遙感技術、超光譜成像技術和三維激光掃描技術構建農作物健康生長的影響指標，幫助農戶有效監(jiān)測農作物生長，把控整個生命周期并監(jiān)控農田，及時處理異常情況。⑤灌溉自動化技術：機器人可以根據歷史天氣模式、土壤質量和種植的作物種類進行自動灌溉，減少農業(yè)勞動力，提高總體產量。更重要的是，全球近70%的淡水用于灌溉，灌溉自動化可以幫助農民更好地管理水資源問題。⑥生產管理：微軟已推出Cortana智能套件（包括機器學習和Power BI）提供農業(yè)生產咨詢服務，包括使用人工智能播種APP，向農戶推薦播種日期、土地整理、土壤試驗施肥、堆肥施用、種子處理、最佳播種深度等服務，還可確定最佳播種期、歷史氣候數(shù)據、每日降雨和土壤濕度的實時水分充足數(shù)據（Moisture Adequacy Data，MA），從而建立可預測、可視化的生產管理系統(tǒng)，為農戶提供理想播種條件。⑦圖像洞察：基于無人機的圖像可以深入地進行田間分析、作物監(jiān)測、田間掃描等。無人機圖像數(shù)據可以實時生成警報。Aerialtronics公司把計算機視覺技術、物聯(lián)網和無人機數(shù)據結合起來，在商用無人機上實現(xiàn)了IBM Watson物聯(lián)網平臺和用于實時圖像分析的視覺識別系統(tǒng)，把計算機視覺技術應用于農作物疾病檢測、作物準備標識和現(xiàn)場作業(yè)管理。

2 農業(yè)發(fā)展新態(tài)勢及主要技術應用

人工智能、云機器學習、衛(wèi)星圖像和計算機高級分析等新技術的出現(xiàn)，為智能農業(yè)創(chuàng)造了一個新的生態(tài)系統(tǒng)。這些技術的融合使農業(yè)以更低成本獲得更高產量。基于新技術應用，農業(yè)現(xiàn)代化正在向精準農業(yè)和數(shù)字農業(yè)新態(tài)勢發(fā)展。

2.1 精準農業(yè)（Precision Farming）

精準農業(yè)也叫精確農業(yè)或定點作物管理（Site-specific Crop Management），是指利用現(xiàn)代信息技術進行精耕細作，在節(jié)約資源的同時優(yōu)化投入回報[2，3]。其是一種在合適的地點、合適的時間生產合適的、更高產量的農產品的農業(yè)新生產方式。精準農業(yè)有利于在農作物輪作、最佳種植和收獲時間、水分管理、養(yǎng)分管理、蟲害防治等方面給出精準管理。①精準農業(yè)通過精確算法，可以全面、準確、有效地利用資源，取代傳統(tǒng)農業(yè)中重復性和勞動密集型部分，改善社會、環(huán)境和經濟績效，促進農業(yè)更好、更快、可持續(xù)發(fā)展。②精準農業(yè)的關鍵技術包括高精度定位系統(tǒng)（High Precision Positioning System）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、地理制圖（Geo Mapping）、自動操舵系統(tǒng)（Automated Steering System）、遙感技術（Remote Sensing）、集成電子通信（Integrated Electronic Communication）、可變利率技術（Variable Rate Technology）、決策支持系統(tǒng)（DSS）以及變量（撒布）技術（VRT），一般可以分成三大組成部分：田間數(shù)據采集;數(shù)據處理及處方決策;按處方變量撒布（噴灑）。③精耕細作管理應用。一是通過植物的高分辨率圖像和多個傳感器數(shù)據來“識別植物應力水平”（Identi?cation of Stress Level）。這些大量的數(shù)據被用作機器學習的輸入以支持用于應力識別的數(shù)據融合和特征識別。二是基于植物圖像的機器學習模型可以用來識別植物的應力水平，經過識別、分類、量化和預測四個階段，機器人可以幫助做出更好決策。

2.2 數(shù)字農業(yè)（Digital Farming）

數(shù)字農業(yè)的核心在于“數(shù)據”（數(shù)字化），而不是傳統(tǒng)農業(yè)的“人”（勞力化）。農戶可以利用先進的信息采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)進行綜合分析處理，選擇耕作的種類、方式，在生產過程中使用具有變量施肥、噴藥功能的農用機械，根據不同地塊的情況進行精耕細作，從而有效提高產出、節(jié)約投入、減少環(huán)境污染。機器人正在促進數(shù)字農業(yè)快速發(fā)展，有利于農業(yè)向“精耕細作、高產、優(yōu)質、資源少”的新業(yè)態(tài)發(fā)展[4]，實現(xiàn)精準農業(yè)、智能灌溉、智能溫室、精準飼養(yǎng)等農業(yè)新型經營方式。數(shù)字農業(yè)的關鍵技術包括機器人和傳感器、多光譜相機和激光掃描儀、計算機幻象和ML算法和決策支持系統(tǒng)等。圖1是機器人助力數(shù)字農業(yè)的例子。

3 智能農業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

雖然人工智能等新技術能為農業(yè)發(fā)展帶來巨大的發(fā)展機遇，但智能農業(yè)發(fā)展仍面臨著較大挑戰(zhàn)。第一，世界上大部分地區(qū)的農戶對高科技及機器學習提出的智能解決方案不熟悉。第二，農業(yè)受天氣條件、土壤條件和害蟲等外部因素影響較大，智能規(guī)劃方案未必能成為最佳解決方法，勞力介入仍然是一個重要的因素。我國是農業(yè)大國，發(fā)展農業(yè)現(xiàn)代化、促進高產和優(yōu)產是必經之路，智能農業(yè)勢在必行。為此，要在學習借鑒國外先進技術的同時，培養(yǎng)智能農業(yè)領域的專業(yè)人才，并大力培訓大批農戶熟悉新技術應用。

參考文獻：

[1]國務院.國務院關于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].（2017-07-21）[2019-06-01].http：//www.cac.gov.cn/2017-07/21/c_1121353529.htm.

[2] Mcbratney A ， Whelan B ， Ancev T ， et al. Future Directions of Precision Agriculture[J]. Precision Agriculture， 2005（1）：7-23.

[3] Whelan B M， Mcbratney A， Unkovich M， et al. Definition and interpretation of potential management zones in Australia.[C]// Solutions for A Better Environment： Australian Agronomy Conference. 2003.

[4]梁穎慧，蔣志華.國外人工智能技術在現(xiàn)代農業(yè)中的應用及其對中國的啟示[J].安徽農業(yè)科學，2019（17）：254-255，265.