人工智能在綠色農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用

劉忠穎

摘 ? ?要：隨著社會(huì)不斷發(fā)展和國民要求的不斷提升，食品安全問題、改善環(huán)境以及減少農(nóng)業(yè)污染源成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟及農(nóng)業(yè)智能化迅猛發(fā)展，很大程度上改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)而大大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量及生態(tài)環(huán)境安全問題。介紹了發(fā)展智能化綠色種植技術(shù)的原因、綠色種植技術(shù)帶來的好處和未來綠色種植技術(shù)需要突破的難關(guān)及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：人工智能;綠色種植技術(shù);物聯(lián)網(wǎng)

文章編號(hào)：1005-2690（2021）19-0087-02 ? ? ? 中國圖書分類號(hào)：F323.3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的提升，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)也隨之提高，國民在滿足基本生活需求的同時(shí)更加注重提高生活品質(zhì)，關(guān)注食品安全問題，以及對綠色無公害農(nóng)產(chǎn)品日益增長的需求，探索在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中綠色環(huán)保的種植技術(shù)勢在必行[1]，農(nóng)業(yè)智能化的開發(fā)及應(yīng)用是至關(guān)重要的。

1 ? 智能化綠色種植技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

為了促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，我國出臺(tái)了化肥農(nóng)藥雙減政策，提倡遵守生態(tài)安全、資源安全和農(nóng)產(chǎn)品安全的準(zhǔn)則。綠色農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，能更好地輔助國家政策的執(zhí)行，推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展，滿足人民的需求。綠色農(nóng)業(yè)種植技術(shù)是以生物的循環(huán)再生為基礎(chǔ)、展現(xiàn)自然生物的發(fā)展規(guī)律、使生態(tài)環(huán)境保持原貌的技術(shù)[2]。隨著人工智能的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展中開始廣泛應(yīng)用人工智能理論開發(fā)不同性能的智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)、快速、節(jié)能、綠色的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。例如，在農(nóng)業(yè)種植過程中的智能選種、種植，對農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及分析等智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)，符合人們對于綠色環(huán)保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的要求且農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益也得到了保障。

1.1 ? 農(nóng)業(yè)智能化監(jiān)控

20世紀(jì)80年代末，一些發(fā)達(dá)國家提出了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的概念。由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定時(shí)、定位、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。在監(jiān)控和分析農(nóng)作物生長方面，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）技術(shù)（簡稱”3S”技術(shù)）和傳感器技術(shù)，采集田間的各種數(shù)據(jù)，例如，鑒于量、濕度、農(nóng)作物的需水量、水壓、微氣候數(shù)據(jù)、樹冠生物量以及葉綠素等，對農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)控，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)視覺算法對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及作出合理的決策。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，更加及時(shí)地了解并且報(bào)告農(nóng)作物的生長狀況。農(nóng)民通過這些數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)關(guān)注農(nóng)作物的生長情況，不再依靠主觀經(jīng)驗(yàn)與猜測，而是通過實(shí)際的測量值或擁有大量高層次、多方面農(nóng)業(yè)專業(yè)知識(shí)的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)作出更加準(zhǔn)確的預(yù)測，進(jìn)而有針對性地采取一些自動(dòng)化措施，比如遠(yuǎn)程灌溉技術(shù)、自動(dòng)施肥技術(shù)、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥等。智能化的終端系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)對農(nóng)作物作出準(zhǔn)確的分析，使得農(nóng)作物更好地生長，為農(nóng)戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)收益。

1.2 ? 病蟲害防治

病蟲害是影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的主要因素。經(jīng)過調(diào)查研究，我國每年因病蟲害的發(fā)生和危害導(dǎo)致直接的糧食損失約占總產(chǎn)量的30%。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中病蟲害防治的主要手段是施用農(nóng)藥、利用害蟲趨光的生物特性以及實(shí)用的電擊式物理方法進(jìn)行防治。但長期大量地使用農(nóng)藥，會(huì)降低農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)重污染自然環(huán)境，對人體健康造成巨大的傷害。單一地利用生物特性和電擊式驅(qū)蟲方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無法大規(guī)模使用，如電蚊拍、粘蟲板、捕蟲籠等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于解決病蟲害問題，主要包括3方面即識(shí)別病蟲害、檢測病蟲害和防治病蟲害。比較常見的識(shí)別病蟲害的手段有圖像處理技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）結(jié)合遷移學(xué)習(xí)識(shí)別病蟲害，利用充分網(wǎng)絡(luò)資源來克服大樣本難以獲取的問題，提高農(nóng)作物病害識(shí)別效率。

在病蟲害檢測方面，主要是使用基于高光譜、多光譜遙感技術(shù)的無人機(jī)進(jìn)行高效、無損的病蟲害檢測。正確、實(shí)時(shí)地識(shí)別和檢測病蟲害是病蟲害防治的前提，也是達(dá)到理想防治效果的關(guān)鍵所在，利用這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，才能對遭受病蟲害的農(nóng)作物及時(shí)地進(jìn)行精準(zhǔn)的農(nóng)藥噴灑，而不是大范圍地按照常規(guī)、不加分析地執(zhí)行完全相同的操作。

為推動(dòng)新型農(nóng)業(yè)、新型主體的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了提前防治害蟲、降低損耗、科學(xué)使用農(nóng)業(yè)化學(xué)品的綠色農(nóng)業(yè)環(huán)保防治的目的，且能為農(nóng)戶降低勞動(dòng)力的成本、減少農(nóng)業(yè)成本的支出。智能化病蟲害防治能廣泛地應(yīng)用，為綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展奠基。

2 ? 太陽能殺蟲燈在綠色農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用

在防治蟲害方面，智能化設(shè)備只能減少農(nóng)藥的使用量，卻不能杜絕施用農(nóng)藥，無法滿足人們對于零農(nóng)藥、健康綠色食品的要求。達(dá)爾文的進(jìn)化論提醒人們，隨著農(nóng)業(yè)化學(xué)品的不斷升級，害蟲亦在不斷地進(jìn)化且產(chǎn)生更強(qiáng)的抗藥性，噴灑農(nóng)藥防治害蟲似乎成為一個(gè)無盡的循環(huán)，農(nóng)業(yè)化學(xué)品對生態(tài)環(huán)境以及對人體健康的傷害不斷加劇，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。與施用農(nóng)藥相比，利用害蟲的生物特征及物理方法防治害蟲更佳，從根本上解決農(nóng)藥帶來的危害且滿足人們對于無農(nóng)藥綠色健康食品的追求，如利用害蟲趨光性進(jìn)行誘殺、黑光燈、頻振式殺蟲燈、電擊式殺蟲燈、扇（風(fēng)）吸式殺蟲燈等物理方法，殺蟲燈的出現(xiàn)“照亮”農(nóng)業(yè)綠色防控，促進(jìn)農(nóng)業(yè)污染控制，使得農(nóng)田生態(tài)環(huán)境更好。

自2005年以來，我國開始廣泛地應(yīng)用太陽能殺蟲燈，根據(jù)不同種類農(nóng)作物的蟲害特點(diǎn)，選擇適用性更強(qiáng)的太陽能殺蟲燈，以便提升殺蟲率，充分發(fā)揮太陽能殺蟲燈的作用。例如，作為我國主要的糧食玉米和水稻，關(guān)乎我國的國民經(jīng)濟(jì)和人民的生活，卻一直遭受到蟲害的破壞。對于水稻田間害蟲的防治，從殺蟲燈的穩(wěn)定性、誘捕效果、實(shí)際的田間情況和不同種類害蟲的損害程度作比較，電擊式太陽能殺蟲燈能夠更好地降低稻縱卷葉螟和稻飛虱的田間蟲量及危害程度，生產(chǎn)實(shí)踐過程中電擊式太陽能殺蟲燈防治效果更好。在玉米田中防治害蟲比較常見的太陽能殺蟲燈是扇式太陽能殺蟲燈，采用風(fēng)吸式、進(jìn)蟲口向下的設(shè)計(jì)，具有較大的誘捕范圍，誘捕效率比較高。不同類型的太陽能殺蟲燈，既解決了糧食的害蟲問題以及保障糧食的產(chǎn)量，又有效地避免農(nóng)殘超標(biāo)帶來的風(fēng)險(xiǎn)以及農(nóng)業(yè)污染問題，且不會(huì)給生態(tài)環(huán)境安全帶來負(fù)面影響。但在實(shí)際應(yīng)用中，僅依靠物理方法處理農(nóng)業(yè)蟲害問題，具有一定的制約性，并未達(dá)到比較理想的效果且不能滿足農(nóng)戶對于蟲害防治的要求。

殺蟲燈與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，很好地克服了物理方法防治害蟲過程中存在的困難。將適用于大規(guī)模部署和區(qū)域監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)與太陽能殺蟲燈（Solar Insecticidal Lamps，SILs）結(jié)合，形成一種新型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)——太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)（Solar Insecticidal Lamps Internet of Things，SIL-IoTs）。白天，通過太陽能板收集能量，再將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)蓄電池中;晚上，利用害蟲的趨光性引誘害蟲，當(dāng)害蟲接觸金屬網(wǎng)時(shí)釋放高壓脈沖電流殺死害蟲。除了滅蟲功能，還具有殺蟲計(jì)數(shù)、蟲害區(qū)域定位、輔助濃情檢測等功能。與太陽能殺蟲燈相比，在農(nóng)田中太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)具有更好的應(yīng)用性、殺蟲效果更加理想。由于太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)的硬件設(shè)備成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遭到不同程度的破壞和被盜的情況，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)出無人機(jī)殺蟲燈輔助設(shè)備，由具有通信功能的無人機(jī)與智能化的殺蟲燈組成，既具備追蹤功能，又能夠及時(shí)彌補(bǔ)太陽能殺蟲燈被破壞或被盜帶來的損失，這已經(jīng)成為太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。

太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)是“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”和“智慧農(nóng)業(yè)”的典型應(yīng)用，是結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新型農(nóng)業(yè)蟲害防治模式。目前，這項(xiàng)技術(shù)還不是非常成熟，依然存在很多問題和挑戰(zhàn)。比如，由于其部署于野外，受外界環(huán)境影響較大，容易出現(xiàn)故障，無法長期發(fā)揮殺蟲作用，需要不斷優(yōu)化太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署方案的算法，研究實(shí)用性更強(qiáng)的硬件設(shè)備，充分利用人工智能理論以及相關(guān)的技術(shù)對太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行更加智能化的控制，解決已出現(xiàn)的和潛在的問題，以達(dá)到更好的防治效果，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)種植的發(fā)展。

3 ? 智能化綠色種植技術(shù)的發(fā)展方向

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，智能化的綠色種植技術(shù)發(fā)揮著巨大的作用，既能省時(shí)省力地保障糧食的產(chǎn)量和品質(zhì)，又能減少農(nóng)業(yè)化學(xué)品帶來的危害，還能夠克服農(nóng)業(yè)AI技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的限制性。在計(jì)算機(jī)硬件不斷更新、優(yōu)化的過程中，借鑒已有的工業(yè)上的智能化控制的技術(shù)，構(gòu)建出更加完善、更具有實(shí)用性的計(jì)算機(jī)算法，克服現(xiàn)存的種種困難。①解決農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源問題。②發(fā)展農(nóng)業(yè)人工智能。例如通過深度學(xué)習(xí)建立農(nóng)業(yè)知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)作物病蟲害和動(dòng)物個(gè)體智能識(shí)別與診斷，研究智能語音精準(zhǔn)信息服務(wù)系統(tǒng)等。③開展繼承應(yīng)用示范。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及人工智能與其他物理方法相結(jié)合，開發(fā)出更多的綠色防治害蟲的技術(shù)等，以便更好地輔助綠色農(nóng)業(yè)種植政策。目前，物理方法及生物防治特性與各種計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合是克服農(nóng)業(yè)現(xiàn)存缺陷的最好途徑之一，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)化學(xué)品減量控害的目標(biāo)。在病害蟲防治上充分利用物理方法、害蟲的生物特性與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的方法，開發(fā)出更多的智能化綠色農(nóng)業(yè)防護(hù)技術(shù)，保護(hù)自然環(huán)境、節(jié)約自然資源，這是農(nóng)業(yè)發(fā)展中重要的研究方向。為了推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，充分利用深度學(xué)習(xí)處理農(nóng)業(yè)種植過程中出現(xiàn)的問題，以便收集數(shù)據(jù)信息。

參考文獻(xiàn)：

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