人工智能技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

山東中農(nóng)云信息科技有限公司 劉波 江沐沐 叢鑫 沈海南 史國院

近年來，中央高度重視農(nóng)業(yè)信息化，2012年的中央一號文件提出把農(nóng)業(yè)科技擺在更加突出的位置，大幅增加農(nóng)業(yè)科技投入，推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技跨越發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)是一種全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)，已然成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然方向[1]。智慧農(nóng)業(yè)融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等一系列現(xiàn)代化信息技術(shù)，為農(nóng)業(yè)提供精準(zhǔn)決策、智能調(diào)控、精確感知，并提供個(gè)性化、定制化服務(wù)。

1 人工智能技術(shù)對智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的意義

1.1 應(yīng)用人工智能可以解決農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足

隨著我國城鎮(zhèn)化不斷發(fā)展，促使農(nóng)村勞動(dòng)力不斷向城鎮(zhèn)聚集，2021年，中國社科院人口與勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)研究所及社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社發(fā)布《人口與勞動(dòng)綠皮書：中國人口與勞動(dòng)問題報(bào)告No.22》，研究所推測，預(yù)計(jì)到2035年，我國的城鎮(zhèn)化率有可能達(dá)到74.39%；同時(shí)，伴隨人口年齡結(jié)構(gòu)失衡、老齡化問題加重，城鄉(xiāng)收入差距加大等問題，未來，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力將會(huì)嚴(yán)重不足，甚至步入無人參與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的困境。人工智能以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，可貫穿于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后等多個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)智能化的動(dòng)態(tài)管理，在減輕農(nóng)業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)省農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方面展示出巨大的潛力[2]。例如，應(yīng)用人工智能技術(shù)的無人植保機(jī)，能夠通過視頻監(jiān)控以及遙感等技術(shù)精準(zhǔn)區(qū)別雜草和農(nóng)作物，識別病蟲害植株和健康植株，從而使植保作業(yè)更精準(zhǔn)、更均勻。一臺無人機(jī)的工作效率也是傳統(tǒng)人力作業(yè)的幾倍，因此，想要解決農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足的問題，在智慧農(nóng)業(yè)中發(fā)展中應(yīng)用人工智能技術(shù)是一個(gè)重要選擇。

1.2 應(yīng)用人工智能可以提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與效益

經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，國人的消費(fèi)結(jié)構(gòu)、飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化。從前人們只求能吃飽，而現(xiàn)在，不僅要吃飽，更要吃好、吃得健康、更有營養(yǎng)；過去人們購物注重實(shí)用性，現(xiàn)在人們更加關(guān)注商品的內(nèi)涵、環(huán)保等其他屬性。因此，農(nóng)業(yè)發(fā)展也要與時(shí)俱進(jìn)，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，尤其是人工智能的強(qiáng)力加盟，不斷推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)改造升級，人工智能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、無人化監(jiān)測，并能根據(jù)農(nóng)作物生長及時(shí)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理，精準(zhǔn)化運(yùn)作。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多是“靠天吃飯”，近幾年發(fā)展的設(shè)施農(nóng)業(yè)雖然減弱了某些因素對作物生長的影響，但大多數(shù)設(shè)備運(yùn)行起來還需要人工操作，在某些方面來講，近幾年興起的設(shè)備只是節(jié)省了農(nóng)民在生產(chǎn)方面的人力投入，并不是真正的“智慧農(nóng)業(yè)”，設(shè)施農(nóng)業(yè)尚且如此，更不用說環(huán)境相對受限的大田農(nóng)業(yè)。

在智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上應(yīng)用AI技術(shù)，能夠助力實(shí)現(xiàn)真正的智慧農(nóng)業(yè)。根據(jù)智能算法，結(jié)合各種農(nóng)業(yè)設(shè)備收集到的海量大數(shù)據(jù)，人工智能可以對農(nóng)作物生長所需環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)控，并在適當(dāng)時(shí)智能調(diào)節(jié)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與科技的深度融合。通過精細(xì)化控制和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理，為不同作物制定不同的調(diào)節(jié)策略，滿足植物個(gè)性化需求，相較于傳統(tǒng)的粗略式管理，投入人工智能可以明顯提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

1.3 應(yīng)用人工智能可以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)發(fā)展基本依靠無止境地消耗自然資源以及生態(tài)環(huán)境，代價(jià)較大。傳統(tǒng)農(nóng)民粗放式的施肥、打藥、澆水等行為造成土壤板結(jié)化嚴(yán)重、酸堿度失調(diào)、自然生態(tài)破壞等問題；伴隨著近年來病蟲害抗藥性的增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在土地中投入的藥物含量較從前已經(jīng)翻了數(shù)倍。種種因素共同作用下，糧食安全問題已經(jīng)成為威脅人民健康的一大隱患。人工智能農(nóng)業(yè)備受追捧，不僅因其產(chǎn)生的強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)效益，更是因?yàn)槿斯ぶ悄茉诃h(huán)境保護(hù)方面的優(yōu)異表現(xiàn)。

生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械工程在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用都曾在一段時(shí)間內(nèi)為農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，但在其應(yīng)用過程中也加劇了環(huán)境惡化，當(dāng)下，人工智能的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)環(huán)保工作帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。智慧農(nóng)業(yè)在生態(tài)環(huán)保方面逐漸呈現(xiàn)出多元價(jià)值，首先，農(nóng)業(yè)發(fā)展告別了傳統(tǒng)農(nóng)耕對耕地的消耗，將各生產(chǎn)要素有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)損耗最小化、收益最大化；其次，黨的十八大以來，提出“兩山”理論等一系列有關(guān)生態(tài)文明方面的創(chuàng)新理論，將生態(tài)文明建設(shè)提上了一個(gè)高度。因此，積極詮釋智慧、生態(tài)和綠色特征，將全面提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展價(jià)值[3]。

2 人工智能發(fā)展存在的問題

2.1 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)缺乏

人工智能正常運(yùn)行依賴于海量數(shù)據(jù)，在對大量數(shù)據(jù)的不斷模擬中才能實(shí)現(xiàn)迭代升級。對于人工智能來說，大數(shù)據(jù)和算法技術(shù)缺一不可，二者共同構(gòu)成了人工智能的底層邏輯。而對于農(nóng)業(yè)來說，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期普遍較長，再加上應(yīng)用高新技術(shù)的歷史很短、信息收集設(shè)備不普遍等，造成農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)收集進(jìn)度緩慢、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題，限制了人工智能在農(nóng)業(yè)方面的發(fā)展速度。此外，不同的農(nóng)業(yè)區(qū)位在水土、氣候、病蟲害以及微生物環(huán)境等方面存在較大差異，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的量化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與收集都增加了難度。

2.2 AI人才匱乏

近年來，隨著人工智能的快速發(fā)展，該領(lǐng)域的人才需求不斷增加，而人工智能領(lǐng)域的門檻較高，導(dǎo)致目前我國人工智能領(lǐng)域人才供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足行業(yè)需求，企業(yè)發(fā)展面臨較為嚴(yán)重的專業(yè)人才短缺問題，并且由于人工智能領(lǐng)域人才的培養(yǎng)難度高于一般技術(shù)人才，人才短缺問題難以在短期內(nèi)得到有效解決[4]。對比工農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)在人才儲備方面遠(yuǎn)優(yōu)于農(nóng)業(yè)，新技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用、普及以及升級速度往往是出人意料的，故智慧工業(yè)的發(fā)展很迅速。而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，大部分農(nóng)民的生態(tài)環(huán)保意識以及高新技術(shù)能力較為薄弱，這在一定程度上限制了智慧生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[5]。

嚴(yán)重的人才短缺雖然抬高了人工智能相關(guān)人才的薪資水平，但是由于農(nóng)業(yè)本身存在科技基礎(chǔ)差、生產(chǎn)效益低以及技術(shù)結(jié)合復(fù)雜等現(xiàn)狀，加之部分人對農(nóng)業(yè)工作的誤解，使得涉農(nóng)人工智能領(lǐng)域人才更顯短缺。

2.3 土地碎片化經(jīng)營

自20世紀(jì)開始實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以來，我國農(nóng)村用地逐漸被分割，形成了碎片化經(jīng)營的格局，伴隨著農(nóng)業(yè)市場化發(fā)展進(jìn)程，過度碎片化給農(nóng)機(jī)發(fā)展造成了一定影響，對大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣使用造成了一定阻礙，也限制了人工智能智慧農(nóng)機(jī)的推廣。這些弊端產(chǎn)生的原因不在制度本身，而是小規(guī)模、土地碎片化和農(nóng)業(yè)機(jī)械化融合發(fā)展的路徑問題[6]。隨著農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)政策的推進(jìn)，大田規(guī)?；N植將逐步實(shí)現(xiàn)，為人工智能技術(shù)的應(yīng)用提供必要條件。

3 人工智能發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的途徑探索

3.1 人工智能通過改進(jìn)生產(chǎn)工具發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)

人工智能作為一種高精度、復(fù)雜的集成技術(shù)，必須與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具結(jié)合起來，才能更好地在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用[7]。經(jīng)過兩者結(jié)合的智能設(shè)備就是最新最高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人、智慧灌溉系統(tǒng)、無人機(jī)、智慧農(nóng)機(jī)等。首先，智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具具有傳統(tǒng)機(jī)器無法比擬的靈活性，能根據(jù)算法在各種環(huán)境下及時(shí)分析，迅速做出反應(yīng)。其次，高智能農(nóng)機(jī)可以依靠大數(shù)據(jù)分析執(zhí)行更多樣的農(nóng)事作業(yè)任務(wù)，農(nóng)機(jī)利用效率大大提升，且全過程自動(dòng)化，無須人力參與。最后，與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)相比，智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具實(shí)現(xiàn)真正的“智慧化”，能夠邊執(zhí)行任務(wù)并完成學(xué)習(xí)積累，并在工作中及時(shí)糾正偏差，如智慧北斗能提前為農(nóng)事作業(yè)拖拉機(jī)劃定行駛軌跡，一旦拖拉機(jī)發(fā)生偏航，系統(tǒng)能自動(dòng)操控其方向盤，實(shí)現(xiàn)無人駕駛。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，應(yīng)用人工智能工具可以收集到肉眼不可見的信息，如土壤微量元素、含水量、土壤肥力、溫度等，并將這些信息數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)靠經(jīng)驗(yàn)來耕作，數(shù)據(jù)化的信息更具有針對性，不會(huì)造成資源浪費(fèi)；并且人工智能可以利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出精準(zhǔn)指導(dǎo)方案，從而提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本投入。例如智能水肥一體灌溉設(shè)備，可以根據(jù)作物不同生長期設(shè)定灌溉施肥時(shí)間、灌溉方式等，定時(shí)定量保證肥料留存于作物主要根層，精準(zhǔn)施肥避免肥料浪費(fèi)；大大提高灌溉精準(zhǔn)度，有效避免水資源浪費(fèi)。

在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行過程中，智能工具的使用更顯得重要。在農(nóng)機(jī)具上安裝各類智能設(shè)備，能夠精準(zhǔn)了解農(nóng)機(jī)具的作業(yè)情況，并通過終端監(jiān)管、控制農(nóng)機(jī)，相較于傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)作業(yè)，智慧農(nóng)機(jī)不需要過多的人力資源，并且作業(yè)更精準(zhǔn)、更高效。例如智慧農(nóng)業(yè)經(jīng)常使用的無人植保機(jī)，不僅可以通過智能計(jì)算來合理規(guī)劃飛行軌跡、高效工作，而且還能精準(zhǔn)投放藥物、肥料等，節(jié)省成本、提高產(chǎn)量。通過與勞動(dòng)工具充分結(jié)合，人工智能大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面引領(lǐng)了一場革命。

3.2 人工智能通過節(jié)約勞動(dòng)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)

我國雖然幅員遼闊，但農(nóng)業(yè)科技發(fā)展一直落后于西方國家。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)高度依賴勞動(dòng)力投入，是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，而隨著城鎮(zhèn)化加速，農(nóng)業(yè)“老齡化”“女性化”等問題更使農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力成為緊缺資源，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入人工智能技術(shù)恰恰能解決這一困境。

人工智能與智慧農(nóng)機(jī)結(jié)合，只需要少數(shù)人對設(shè)備進(jìn)行控制，查看農(nóng)機(jī)工作現(xiàn)場視頻，工作效率是傳統(tǒng)人力的幾倍甚至幾十倍，極大節(jié)約人力資源投入、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率?！爸悄茏詣?dòng)化”是人類勞動(dòng)能力的延伸，它不僅會(huì)強(qiáng)化勞動(dòng)，而且比人工作業(yè)更加精準(zhǔn)高效，自動(dòng)采摘機(jī)器人、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品等級分類系統(tǒng)等搭載人工智能技術(shù)的裝備和系統(tǒng)，可以全方位不間斷地進(jìn)行作業(yè)及監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)耕地、播種、灌溉、施肥以及農(nóng)產(chǎn)品收獲全程自動(dòng)化，并提供農(nóng)產(chǎn)品智能分級等后續(xù)工作。

3.3 人工智能通過變革農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)

大環(huán)境變動(dòng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出了更高的要求，融入人工智能后，整個(gè)行業(yè)的技術(shù)得到了換血式升級，具體體現(xiàn)在農(nóng)作物生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)中。在耕整地方面，人工智能可以精確計(jì)算出作物適宜生長的深度，在土地深松旋耕等作業(yè)進(jìn)行時(shí)利用傳感器控制農(nóng)機(jī)，使作業(yè)達(dá)標(biāo)。在播種方面，人工智能給農(nóng)戶提供了大量的創(chuàng)新方案，不僅能夠精確播種數(shù)量，而且能實(shí)現(xiàn)不同作物同時(shí)播種。在農(nóng)業(yè)病蟲害防治方面，利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、遙感等能夠在地圖中篩查出病蟲害植株，并能精準(zhǔn)識別患病類型，提供治理所需的藥物信息。在水肥一體灌溉方面，人工智能能夠根據(jù)智能水肥一體機(jī)提供的土壤水分肥力數(shù)據(jù)，計(jì)算出農(nóng)作物所需水肥比例，精準(zhǔn)向植物供水施肥。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)意義上靠經(jīng)驗(yàn)和隱性知識來實(shí)現(xiàn)的歷史，實(shí)現(xiàn)了向以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智慧生產(chǎn)階段的邁進(jìn)。