無人農(nóng)場有“ 腦 ”農(nóng)業(yè)

文/本刊特邀記者 李晨

在成都市新都現(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后的平整土地上，目不轉(zhuǎn)睛地看著屏幕上的現(xiàn)場直播。這是一場智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新示范觀摩會。

只見無人機起飛，屏幕上實時顯示它的飛行軌跡。很快，無人機“看到”的地塊信息實時傳輸?shù)健爸腔坜r(nóng)業(yè)大腦”，果園大小、地形，果樹數(shù)量、位置，樹冠大小、長勢，還有雜草分布，都在屏幕上逐一顯示。

緊接著，“果園偵察兵”智能巡田機器人出動了，它能代替人類走進果園感受作物的細(xì)微變化?！皞刹毂鲍@取的信息也被反饋給“大腦”。

“大腦”向果園中的“手腳”發(fā)出指令，水肥一體化灌溉系統(tǒng)按需智能化灌溉，噴藥機器人在發(fā)現(xiàn)病蟲害的地方停下噴藥，除草機器人走過之后，什么雜草也沒留下。

這套農(nóng)業(yè)云操作系統(tǒng)，出自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所（以下簡稱“資劃所”）的智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新團隊。團隊首席科學(xué)家吳文斌說，它能助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“知天而作”。

“種子是農(nóng)業(yè)的芯片，農(nóng)田則是農(nóng)業(yè)的母板?！痹谥袊茖W(xué)院院士周成虎看來，中國農(nóng)業(yè)的智慧大腦正在形成。

中國工程院院士唐華俊指出，我國正處在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段，也就是將要進入農(nóng)業(yè)4.0階段—智慧農(nóng)業(yè)。

千里眼和順風(fēng)耳

作物氣味傳感器、浮空器、水稻信息獲取低空遙感平臺、智慧氣象、北斗導(dǎo)航農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)……有了這些，現(xiàn)代農(nóng)人就有了“千里眼”和“順風(fēng)耳”，足不出戶也能全面了解田間地頭的情況。

要問“千里眼”“順風(fēng)耳”從何而來？如何“看”與“聽”？這都要拜信息科技所賜。

在過去半個世紀(jì)里，沒有哪一項技術(shù)能像信息科技那樣深刻廣泛地影響人類認(rèn)知世界、改造世界和推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的能力?！爸腔邸币辉~體現(xiàn)著信息科技的成果，今天，這一科技力量已經(jīng)深深浸潤到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，并形成了智慧農(nóng)業(yè)這一新興業(yè)態(tài)。

那么，智慧農(nóng)業(yè)到底什么樣？

“智慧農(nóng)業(yè)是數(shù)字中國建設(shè)的重要內(nèi)容。”唐華俊說，智慧農(nóng)業(yè)就是更好地利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、云計算、智能控制等現(xiàn)代信息技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)精準(zhǔn)化種植、互聯(lián)網(wǎng)銷售、智能化決策和社會化服務(wù)，實現(xiàn)全程智能化管理。

中國工程院院士、國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任趙春江認(rèn)為，智慧農(nóng)業(yè)的特征包括現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合，有先進的生產(chǎn)工具（智能化設(shè)備），高質(zhì)量、高效率、高效能，方便快捷與人性化，安全與風(fēng)險自主可控。

“農(nóng)業(yè)信息的獲取進入‘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)。

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)達國家，建設(shè)世界水平農(nóng)業(yè)具有重要意義。

在我國，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)被列入“十三五”國民經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃綱要中，近三年的中央一號文件都提到了大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，實施智慧農(nóng)業(yè)工程。

在聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）原副總干事何昌垂看來，智慧農(nóng)業(yè)恰逢其時?！皬闹袊厣纳鐣髁x發(fā)展階段看，智慧農(nóng)業(yè)是數(shù)字中國、智慧社會的重要基礎(chǔ)；智慧農(nóng)業(yè)融合了農(nóng)耕社會、工業(yè)社會和信息社會的特質(zhì)而成為第六產(chǎn)業(yè)，是中國農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推手。”他說。

“數(shù)字土壤”粉墨登場

無人噴藥機器人可實現(xiàn)智能噴藥

“以后的農(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。

那么，無人農(nóng)場或者說一個人的農(nóng)場究竟如何實現(xiàn)呢？

首先，需要做數(shù)字農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，完成農(nóng)業(yè)本底資源的數(shù)字化才能為智慧農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)支撐。

“數(shù)字土壤”就是農(nóng)業(yè)本底資源中最重要的一個部分。資劃所牽頭聯(lián)合12家專業(yè)科研院所共同完成的中國高精度數(shù)字土壤已經(jīng)粉墨登場。

“數(shù)字土壤”就是數(shù)字化的土壤，它利用地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)方法，模擬和重現(xiàn)土壤類型、土壤養(yǎng)分等土壤性狀的空間分布特征。高精度數(shù)字土壤能直觀、精細(xì)展現(xiàn)土壤資源與質(zhì)量狀況，為農(nóng)業(yè)、環(huán)境和科學(xué)研究提供重要信息。

從上世紀(jì)80年代開始，我國完成了一系列土壤調(diào)查和大比例尺土壤調(diào)查圖件及資料。但限于當(dāng)時技術(shù)手段，各地完成的紙質(zhì)手繪圖件份數(shù)稀少，一個縣也就是兩三份，經(jīng)過40年的存放，紙質(zhì)圖件和資料狀況不佳。對它們的搶救性收集刻不容緩。

然而，受到方法制約，要想把不同地區(qū)、時期的調(diào)查資料“變成”數(shù)字化的土壤資料，還面臨一系列科學(xué)問題和技術(shù)困難，世界各國的相關(guān)進展都很緩慢。

該項目負(fù)責(zé)人張維理說，他們首創(chuàng)的土壤大數(shù)據(jù)方法的核心是，將數(shù)據(jù)科學(xué)、自動控制與人工智能設(shè)計原理引入土壤學(xué)研究領(lǐng)域，即人工智能和人機互動，土壤科學(xué)家以科學(xué)層面的設(shè)計來帶動數(shù)據(jù)分析規(guī)則的設(shè)計，讓機器學(xué)會規(guī)則后，代替人工去完成大數(shù)據(jù)的處理工作，人工智能技術(shù)大大加快了將紙質(zhì)圖像資料轉(zhuǎn)化為數(shù)字資料的速度。

在此基礎(chǔ)上建成的中國高精度數(shù)字土壤與五萬分之一土壤圖籍，是我國迄今最完整和精細(xì)的土壤資源與質(zhì)量科學(xué)記載。其數(shù)據(jù)量達到TB級別，覆蓋我國全域；精度達到100米，而網(wǎng)格尺寸100米的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)可直接供農(nóng)民進行農(nóng)田管理；涵蓋九大圖層多要素，全面反映土壤質(zhì)量；時間跨度達到40年，可反映土壤質(zhì)量變化。

他們利用“數(shù)字土壤”研究發(fā)現(xiàn)，“與上世紀(jì)80年代相比，我國30厘米以內(nèi)農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量增加了9.18%?！边@得益于我國農(nóng)作物產(chǎn)量大幅增加，土壤中的根系殘留物隨之增加，土壤生產(chǎn)力上升。未來20～30年，隨著秸稈還田、退耕還林等措施的持續(xù)推進，土壤有機物含量還會繼續(xù)增加。

此外，高精度數(shù)字土壤還能提供多項土壤資源與質(zhì)量理化性狀，可用于耕地保護與農(nóng)田管理、農(nóng)田培肥與修復(fù)、農(nóng)業(yè)保險、流轉(zhuǎn)土地的價值評估、適種作物評價、食品安全管理、農(nóng)田氮磷流失控制、土壤污染防治與修復(fù)、水土流失防治與減災(zāi)等方面。

張維理介紹，采取邊建設(shè)、邊應(yīng)用方式，該項成果自2003年向各行業(yè)共享和開放以來，已被我國60余家專業(yè)科研機構(gòu)應(yīng)用于耕地質(zhì)量演變、流域氮磷流失量估算、環(huán)境容量測算、溫室氣體減排、醫(yī)藥、水利、林業(yè)、測繪等方面的科學(xué)研究。全國31個省份的農(nóng)業(yè)、環(huán)境、自然資源管理部門將其用于實施耕地保護與地力提升、面源污染防治、土地整治、測土配方施肥、基本農(nóng)田建設(shè)等國家工程，取得了巨大社會效益和經(jīng)濟效益。

張維理說，未來會有更多、更好的土壤大數(shù)據(jù)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品進入農(nóng)業(yè)、環(huán)境多個行業(yè)與人們的社會生活中。例如，將高精度數(shù)字土壤加載到耕地機械、施肥機械和灌溉機械芯片中，可實現(xiàn)精確施肥、耕作與灌溉；利用土壤時空大數(shù)據(jù)，對重點農(nóng)區(qū)和流域?qū)崿F(xiàn)分區(qū)、分類、量化管理，能在減少農(nóng)用化學(xué)品投入量的同時，增加作物產(chǎn)量，保障食品安全。

移動式農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘與服務(wù)平臺

此外，基于“數(shù)字土壤”設(shè)計的互動施肥技術(shù)也是他們的目標(biāo)。如何利用數(shù)字土壤開發(fā)過硬的技術(shù)和產(chǎn)品，讓農(nóng)民既可增產(chǎn)、增收，又能有效減少農(nóng)用化學(xué)品投入量？該研究團隊已有具體想法和技術(shù)儲備。

農(nóng)業(yè)研究“表型時代”需要中國聲音

近年來，植物基因組學(xué)研究已取得巨大進展。在獲得海量作物基因組信息之后，全球科學(xué)家面臨著一個全新的挑戰(zhàn)：如何高分辨、高效率地解析基因功能、植物表型及環(huán)境響應(yīng)三者的相互作用機理，以及植物表型與產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性之間的關(guān)系。

其實，大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)除了助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還可以在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)研究中大顯身手。

“對植物的系統(tǒng)研究來說，表型組學(xué)研究占據(jù)決定性地位。表型是第一性的，基因型是第二性的。研究植物首先從表型開始?！敝袊こ淘涸菏可w鈞鎰?wù)J為，農(nóng)作物表型和基因研究的深度和廣度，直接影響著種質(zhì)資源利用效率和現(xiàn)代種業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

植物表型是指能夠反映植物細(xì)胞、組織、器官、植株和群體結(jié)構(gòu)及功能特征的物理、生理和生化性狀。

蓋鈞鎰解釋道，傳統(tǒng)上，作物表型，特別是涉及作物的產(chǎn)量，要等“長出來”才能“看見”；而作物的抗病性，要等發(fā)病了才知道；作物的抗蟲性也需要在田里觀察。于是，如何快速、準(zhǔn)確地測定多種作物的表型，就成為新的科研問題。

“表型研究可以在基因型和表型之間架起一座橋梁?！蹦暇┺r(nóng)業(yè)大學(xué)副校長丁艷鋒教授表示，隨著機器人技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、高通量成像技術(shù)的不斷發(fā)展，表型研究實現(xiàn)了以前靠人工無法實現(xiàn)的事情。

例如，通過將圖像分析與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，利用無人機拍照，可以對作物器官，如穗、花序、果實等，進行精確檢測和計數(shù)。

如果靠人工，想要數(shù)清楚一萬株高粱上面有多少穗，不僅要砍掉高粱，而且要耗費一周時間。但用無人機拍攝圖片加深度學(xué)習(xí)AI分析，只需要10分鐘，而且無須破壞高粱。

這樣，不用等到成熟期，育種學(xué)家就可以提前預(yù)測作物產(chǎn)量，篩選出表現(xiàn)好的品種，從而大大縮短選育時間。

“表型組學(xué)研究將推動高通量、大數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)生物信息的生命科學(xué)時代到來，成為發(fā)展現(xiàn)代種業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、智能裝備的重要利器。我們要加大力量促進作物表型研究?！倍∑G鋒說，現(xiàn)在測定基因序列的能力很強，但是獲取表型的能力還很弱。

產(chǎn)量、穗粒結(jié)構(gòu)、抗病性、株型、抗倒指標(biāo)、根部形態(tài)等育種目標(biāo)性狀，葉面積、干物質(zhì)、氮含量、生育期、光合效率等生理特征……表型是生命體可以觀測的一切性狀和特征，是基因型和環(huán)境互作的結(jié)果。表型研究需要高速、準(zhǔn)確地獲取田間作物的大數(shù)據(jù)信息。

因此，表型組學(xué)的支撐學(xué)科包括數(shù)學(xué)、生物學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等，其應(yīng)用范疇也包括諸多學(xué)科。丁艷鋒認(rèn)為，表型組是推動學(xué)科交叉融合、培育新型學(xué)科增長點的“利刃”。

國內(nèi)外表型組學(xué)已經(jīng)呈現(xiàn)出五大發(fā)展趨勢：由科學(xué)家個人興趣轉(zhuǎn)向規(guī)?；暮献餮芯浚硇蜋z測手段由單一轉(zhuǎn)向綜合化、智能化，由單一尺度轉(zhuǎn)向多尺度聯(lián)合分析，由關(guān)鍵時間點轉(zhuǎn)向全生命周期連續(xù)觀測，由組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析轉(zhuǎn)向組間關(guān)聯(lián)分析。

目前，美、英、法等主要發(fā)達國家都在積極布局，相繼出臺國家級研究計劃。

蓋鈞鎰?wù)J為，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)正在籌建的作物表型組學(xué)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，將在全球范圍內(nèi)組建跨學(xué)科研究團隊，引領(lǐng)農(nóng)業(yè)植物科學(xué)發(fā)展，保障國家糧食安全。據(jù)介紹，目前南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物表型組學(xué)研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目已列入《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》后備項目。

“作物表型研究對全球糧食安全而言意義重大，它是育種的基礎(chǔ)，能夠幫助科學(xué)家準(zhǔn)確培育出人們需要的新品種。只有加速推進作物表型研究，才能不斷推出新品種用于生產(chǎn)。”蓋鈞鎰?wù)f。