人工智能技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的實踐應(yīng)用分析

余慶澤 毛為慧 盧秀萍

摘 要：國務(wù)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(yīng)用，培育壯大人工智能產(chǎn)業(yè)，發(fā)展智能農(nóng)業(yè)。人工智能技術(shù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)新發(fā)展，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的新方向。鑒于國外發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域領(lǐng)先國內(nèi)，梳理人工智能在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主要實踐應(yīng)用基礎(chǔ)上，分析農(nóng)業(yè)發(fā)展新態(tài)勢及主要技術(shù)應(yīng)用，挖掘國外發(fā)展經(jīng)驗對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可借鑒之處，以期促進(jìn)我國智能農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：人工智能;智能農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

中圖分類號：S106 文獻(xiàn)標(biāo)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(lǐng)世界未來發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)，世界主要發(fā)達(dá)國家把發(fā)展人工智能作為提升國家競爭力、維護(hù)國家安全的重大戰(zhàn)略。人工智能是經(jīng)濟發(fā)展的新引擎，是新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，將催生新技術(shù)、新業(yè)態(tài)等，深刻改變?nèi)祟惿a(chǎn)、生活方式和思維模式，實現(xiàn)社會生產(chǎn)力整體躍升。國務(wù)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(jīng)濟發(fā)展進(jìn)入深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革時期，必須加快人工智能深度應(yīng)用，培育壯大人工智能產(chǎn)業(yè)，為我國經(jīng)濟發(fā)展注入新動能;到2025年，我國人工智能產(chǎn)業(yè)要進(jìn)入全球價值鏈高端，人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過4 000億元，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過5萬億元，其中要“發(fā)展智能農(nóng)業(yè)，建立典型農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能決策分析系統(tǒng)，開展智能農(nóng)場、智能化植物工廠、智能果園、農(nóng)產(chǎn)品加工智能車間、農(nóng)產(chǎn)品綠色智能供應(yīng)鏈等集成應(yīng)用示范”。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，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(shù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率是最迫切的任務(wù)之一。本文對國外發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)利用人工智能等新技術(shù)的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行分析，以期他山之石可以攻玉，助力我國智能農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1 人工智能在農(nóng)業(yè)的主要應(yīng)用

在農(nóng)產(chǎn)品和田間耕作技術(shù)方面，農(nóng)業(yè)正在采用人工智能（Artificial Intelligence，AI）和機器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）以提供認(rèn)知解決方案，特別是認(rèn)知計算將成為農(nóng)業(yè)服務(wù)中最具顛覆性的技術(shù)。認(rèn)知計算能夠理解、學(xué)習(xí)和響應(yīng)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(nóng)民合作，為其提供播種、土地、化肥等方面的咨詢服務(wù)，幫助農(nóng)民把每公頃農(nóng)作物的平均產(chǎn)量同比提高了30%。①物聯(lián)網(wǎng)推動產(chǎn)量增長：物聯(lián)網(wǎng)每天生成大量的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)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(guān)，促進(jìn)產(chǎn)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(jù)融合的兩種技術(shù)，這兩種技術(shù)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(jù)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(jīng)將數(shù)據(jù)收集軟件與機器人技術(shù)相結(jié)合，為玉米種植準(zhǔn)備最好的肥料以最大限度地提高產(chǎn)量。③農(nóng)產(chǎn)品最佳組合確定：通過人工智能技術(shù)，根據(jù)土壤條件、天氣預(yù)報、種子種類、某一地區(qū)蟲害情況等多個參數(shù)，向農(nóng)戶推薦農(nóng)作物和雜交種子的最佳選擇，并根據(jù)農(nóng)場的需求、當(dāng)?shù)貤l件、價格和過去成功耕作的數(shù)據(jù)等多種內(nèi)外因素提供個性化耕作解決方案。④農(nóng)作物健康監(jiān)測：利用遙感技術(shù)、超光譜成像技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建農(nóng)作物健康生長的影響指標(biāo)，幫助農(nóng)戶有效監(jiān)測農(nóng)作物生長，把控整個生命周期并監(jiān)控農(nóng)田，及時處理異常情況。⑤灌溉自動化技術(shù)：機器人可以根據(jù)歷史天氣模式、土壤質(zhì)量和種植的作物種類進(jìn)行自動灌溉，減少農(nóng)業(yè)勞動力，提高總體產(chǎn)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(nóng)民更好地管理水資源問題。⑥生產(chǎn)管理：微軟已推出Cortana智能套件（包括機器學(xué)習(xí)和Power BI）提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)咨詢服務(wù)，包括使用人工智能播種APP，向農(nóng)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(wù)，還可確定最佳播種期、歷史氣候數(shù)據(jù)、每日降雨和土壤濕度的實時水分充足數(shù)據(jù)（Moisture Adequacy Data，MA），從而建立可預(yù)測、可視化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，為農(nóng)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(jìn)行田間分析、作物監(jiān)測、田間掃描等。無人機圖像數(shù)據(jù)可以實時生成警報。Aerialtronics公司把計算機視覺技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和無人機數(shù)據(jù)結(jié)合起來，在商用無人機上實現(xiàn)了IBM Watson物聯(lián)網(wǎng)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(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物疾病檢測、作物準(zhǔn)備標(biāo)識和現(xiàn)場作業(yè)管理。

2 農(nóng)業(yè)發(fā)展新態(tài)勢及主要技術(shù)應(yīng)用

人工智能、云機器學(xué)習(xí)、衛(wèi)星圖像和計算機高級分析等新技術(shù)的出現(xiàn)，為智能農(nóng)業(yè)創(chuàng)造了一個新的生態(tài)系統(tǒng)。這些技術(shù)的融合使農(nóng)業(yè)以更低成本獲得更高產(chǎn)量?；谛录夹g(shù)應(yīng)用，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化正在向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)新態(tài)勢發(fā)展。

2.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Farming）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也叫精確農(nóng)業(yè)或定點作物管理（Site-specific Crop Management），是指利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行精耕細(xì)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(chǎn)合適的、更高產(chǎn)量的農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)新生產(chǎn)方式。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有利于在農(nóng)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(zhǔn)管理。①精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過精確算法，可以全面、準(zhǔn)確、有效地利用資源，取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中重復(fù)性和勞動密集型部分，改善社會、環(huán)境和經(jīng)濟績效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)更好、更快、可持續(xù)發(fā)展。②精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)（Remote Sensing）、集成電子通信（Integrated Electronic Communication）、可變利率技術(shù)（Variable Rate Technology）、決策支持系統(tǒng)（DSS）以及變量（撒布）技術(shù)（VRT），一般可以分成三大組成部分：田間數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理及處方?jīng)Q策;按處方變量撒布（噴灑）。③精耕細(xì)作管理應(yīng)用。一是通過植物的高分辨率圖像和多個傳感器數(shù)據(jù)來“識別植物應(yīng)力水平”（Identi?cation of Stress Level）。這些大量的數(shù)據(jù)被用作機器學(xué)習(xí)的輸入以支持用于應(yīng)力識別的數(shù)據(jù)融合和特征識別。二是基于植物圖像的機器學(xué)習(xí)模型可以用來識別植物的應(yīng)力水平，經(jīng)過識別、分類、量化和預(yù)測四個階段，機器人可以幫助做出更好決策。

2.2 數(shù)字農(nóng)業(yè)（Digital Farming）

數(shù)字農(nóng)業(yè)的核心在于“數(shù)據(jù)”（數(shù)字化），而不是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的“人”（勞力化）。農(nóng)戶可以利用先進(jìn)的信息采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析處理，選擇耕作的種類、方式，在生產(chǎn)過程中使用具有變量施肥、噴藥功能的農(nóng)用機械，根據(jù)不同地塊的情況進(jìn)行精耕細(xì)作，從而有效提高產(chǎn)出、節(jié)約投入、減少環(huán)境污染。機器人正在促進(jìn)數(shù)字農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，有利于農(nóng)業(yè)向“精耕細(xì)作、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、資源少”的新業(yè)態(tài)發(fā)展[4]，實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能灌溉、智能溫室、精準(zhǔn)飼養(yǎng)等農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營方式。數(shù)字農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)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(nóng)業(yè)的例子。

3 智能農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

雖然人工智能等新技術(shù)能為農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來巨大的發(fā)展機遇，但智能農(nóng)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(nóng)戶對高科技及機器學(xué)習(xí)提出的智能解決方案不熟悉。第二，農(nóng)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(nóng)業(yè)大國，發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、促進(jìn)高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)是必經(jīng)之路，智能農(nóng)業(yè)勢在必行。為此，要在學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的同時，培養(yǎng)智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)人才，并大力培訓(xùn)大批農(nóng)戶熟悉新技術(shù)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)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.

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