建三江水稻智慧農(nóng)場(chǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

車 剛，陳正發(fā)，秦泗君，萬 霖

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)機(jī)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319；3.北大荒農(nóng)墾集團(tuán)建三江分公司農(nóng)業(yè)發(fā)展部，黑龍江 建三江 156331）

0 引言

農(nóng)業(yè)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)，隨著世界人口的增多，糧食安全問題越顯突出。我國(guó)雖為農(nóng)業(yè)大國(guó)，但農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度與農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)仍有不小的差距[1-3]。在農(nóng)業(yè)發(fā)展形勢(shì)較為嚴(yán)峻、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力流失嚴(yán)重和人口老齡化嚴(yán)重等狀況下，基于智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)為基礎(chǔ)，發(fā)展“智慧農(nóng)場(chǎng)”對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、種植效率等有關(guān)鍵促進(jìn)作用。孫忠富等[4-5]以大數(shù)據(jù)的概念與技術(shù)為切入點(diǎn)，探討了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)組織、管理與應(yīng)用需求，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用制訂了較為有效的策略。劉昊等[6-7]對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)面臨的問題提出了對(duì)策。無人農(nóng)場(chǎng)作為智慧農(nóng)業(yè)的表現(xiàn)形式，智慧農(nóng)場(chǎng)是無人農(nóng)場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來越重視智慧農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用[8-10]。

目前，有關(guān)智慧農(nóng)場(chǎng)的信息技術(shù)日益增多，國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的研究成果廣泛，但智慧農(nóng)場(chǎng)仍處于概念完善和試驗(yàn)驗(yàn)證階段。本文通過對(duì)建三江水稻智慧農(nóng)場(chǎng)的實(shí)際案例進(jìn)行分析，為推進(jìn)國(guó)內(nèi)智慧農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)提供參考。

1 建三江水稻智慧農(nóng)場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)情況

智慧農(nóng)場(chǎng)依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、定量決策、智能控制、精確投入、智慧服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、綠色等可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[11-12]。為探索智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)，通過實(shí)地調(diào)研，對(duì)建三江管理局農(nóng)場(chǎng)建設(shè)發(fā)展情況進(jìn)行調(diào)查。2019 年，建三江分公司在紅衛(wèi)農(nóng)場(chǎng)首次進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程無人試驗(yàn)項(xiàng)目的探索，完成了34 hm2水田的無人化攪漿整地、插秧、植保作業(yè)，后續(xù)完成12 hm2水田的無人收獲及整地作業(yè)試驗(yàn)，取得了一定的成效。2020 年，建三江分公司開啟了黑龍江省內(nèi)首批大面積、大規(guī)?！爸腔坜r(nóng)場(chǎng)”建設(shè)項(xiàng)目，其中在七星、二道河、創(chuàng)業(yè)、紅衛(wèi)農(nóng)場(chǎng)有限公司建設(shè)4 個(gè)水田“智慧農(nóng)業(yè)”示范點(diǎn)，在勝利、勤得利農(nóng)場(chǎng)有限公司建設(shè)2 個(gè)旱田“智慧農(nóng)業(yè)”示范點(diǎn)。

通過有序開展智慧農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)示范，建三江分公司實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃、無人自主作業(yè)、無人農(nóng)機(jī)集群協(xié)同等，提高了農(nóng)田作業(yè)機(jī)械的信息化運(yùn)維管理水平和智能化水平。

1.2 無人農(nóng)機(jī)作業(yè)情況

農(nóng)機(jī)作業(yè)無人化是系統(tǒng)化工程，僅有基礎(chǔ)建設(shè)和智能農(nóng)機(jī)還不夠，還需要更新傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)作業(yè)模式，將新農(nóng)機(jī)、新農(nóng)藝和新管理手段相融合，通過對(duì)具有一定數(shù)控化水平的傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)行智能改造，使其具備智慧農(nóng)場(chǎng)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多年試驗(yàn)，目前無人化作業(yè)技術(shù)已融入水田攪漿整地、插秧和植保等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3 農(nóng)機(jī)信息化發(fā)展情況

農(nóng)場(chǎng)智慧管理云平臺(tái)作為智慧農(nóng)場(chǎng)運(yùn)行的核心，實(shí)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和田間管理。云平臺(tái)采用農(nóng)業(yè)氣象站、作物環(huán)境傳感器、遙感無人機(jī)等監(jiān)測(cè)手段，將監(jiān)測(cè)到的作物生長(zhǎng)信息匯總到農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)，農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖，如圖1 所示。通過相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行智能感知、分析、決策，規(guī)劃相關(guān)的作業(yè)任務(wù)，發(fā)布到無人農(nóng)機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)。

圖1 農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2 水稻智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)方案

2.1 農(nóng)田及配套設(shè)施建設(shè)

智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)涉及諸多核心要素，而標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田建設(shè)是實(shí)施智慧農(nóng)場(chǎng)的基礎(chǔ)，也是獲取標(biāo)準(zhǔn)有效數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，以水田為例，其主要包括標(biāo)準(zhǔn)化格田及田間配套設(shè)施規(guī)劃，灌溉系統(tǒng)規(guī)劃等。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化格田建設(shè)

當(dāng)前水稻田無統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，地勢(shì)落差較大，田梗較多，格田尺寸大小不一且小格田較多，導(dǎo)致田間機(jī)械作業(yè)的效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度都不理想。為此，對(duì)當(dāng)前水稻田進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造，采用我國(guó)先進(jìn)的北斗衛(wèi)星平地系統(tǒng)，平地精度高達(dá)±2.5 cm，北斗衛(wèi)星平地系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 平地系統(tǒng)示意圖

2.1.2 智慧灌溉系統(tǒng)建設(shè)

智慧灌溉系統(tǒng)由管道系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及智能控制系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)微功耗傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)、云存儲(chǔ)云計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)收集各個(gè)灌區(qū)的土壤水分溫度數(shù)據(jù)，基于這些采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)比對(duì)及計(jì)算，綜合得出最優(yōu)化的灌溉方案，通過手動(dòng)或自動(dòng)方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.1.3 智能農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)

智能育秧大棚的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)信息的自動(dòng)采集、相關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)施的自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制和智能化運(yùn)營(yíng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持和有效的管理方法。同時(shí)，智能水層管理系統(tǒng)的建設(shè)能實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)土壤墑情監(jiān)管控制等。

2.2 農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)

水稻智慧農(nóng)場(chǎng)的農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)主要包括5 個(gè)部分，如表1 所示。

2.3 變量施肥及長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)

通過建立標(biāo)準(zhǔn)有效數(shù)據(jù)與土壤肥力圖之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)預(yù)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量，進(jìn)而生成農(nóng)田變量施肥處方圖；使用智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備完成變量施肥，達(dá)到節(jié)肥增產(chǎn)或不減產(chǎn)，同時(shí)也可以降低或避免農(nóng)作物倒伏風(fēng)險(xiǎn)。利用光譜分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)定期監(jiān)測(cè)大田作物實(shí)際長(zhǎng)勢(shì)情況，根據(jù)田間不同區(qū)域的長(zhǎng)勢(shì)情況及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)更合理的田間管理。

2.3.1 基于水田電導(dǎo)率的變量施肥

以水田為例，通過在地塊中測(cè)定一個(gè)平均的電導(dǎo)率作為平均肥力的指數(shù)，高于這個(gè)指數(shù)則減肥，低于這個(gè)值就正常施肥，從而達(dá)到均勻施肥、減肥、提質(zhì)和抗倒伏效果，本課題組技術(shù)團(tuán)隊(duì)在二道河農(nóng)場(chǎng)等多個(gè)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)示范與推廣。

2.3.2 基于施肥處方圖的變量施肥

通過測(cè)產(chǎn)設(shè)備或無人機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)地塊兒進(jìn)行估產(chǎn)，區(qū)分開地塊的產(chǎn)量高低分布等級(jí)圖，在不同等級(jí)產(chǎn)品的位置進(jìn)行土壤樣本取樣，實(shí)驗(yàn)室分析，建立基于GIS 技術(shù)的耕地地力等級(jí)劃分，并根據(jù)預(yù)計(jì)產(chǎn)量給出基于GIS 地圖的施肥處方圖，通過變量施肥裝置進(jìn)行變量施肥，達(dá)到節(jié)本增效目的，變量施肥工作數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 變量施肥工作數(shù)據(jù)

2.3.3 作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

利用衛(wèi)星或多光譜無人機(jī)不同波段探測(cè)數(shù)據(jù)組合而成，能反映植物生長(zhǎng)狀況的指數(shù)。采用NDVI 歸一化植被指數(shù)，能反映出植物冠層的背景影響，進(jìn)而判斷作物長(zhǎng)勢(shì)情況。

2.4 智能農(nóng)機(jī)裝備建設(shè)

智能農(nóng)機(jī)裝備建設(shè)主要包括兩部分，一是無人駕駛機(jī)具技術(shù)，配套的自動(dòng)化、智能化設(shè)施可以有效減少農(nóng)機(jī)在作業(yè)過程中的人工需求。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息的數(shù)字化、全覆蓋的高精度定位服務(wù)和高速、穩(wěn)定的通訊服務(wù)能夠?yàn)檗r(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)、作業(yè)和異常故障等事件處理提供有力的基礎(chǔ)支撐；二是農(nóng)機(jī)作業(yè)無人化，包括無人耕整地作業(yè)、無人播種及無人插秧作業(yè)、無人田間管理、無人收割作業(yè)、無人糧食儲(chǔ)存系統(tǒng)、智能測(cè)土取樣機(jī)、無人田間信息采集、作業(yè)區(qū)無人化等方面。

2.5 智慧農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)建設(shè)

智慧農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)建設(shè)主要包括智慧農(nóng)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)化和農(nóng)場(chǎng)智慧管理云平臺(tái)。智慧農(nóng)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)各類基礎(chǔ)要素之間的聯(lián)通，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸共享，實(shí)現(xiàn)信息的即時(shí)反饋，及時(shí)感知、采集各個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐，其核心是基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)場(chǎng)智慧管理云平臺(tái)，各種智能傳感器、無人農(nóng)機(jī)具、基礎(chǔ)地理信息等部分構(gòu)成了其分支節(jié)點(diǎn)。

智慧農(nóng)場(chǎng)管理云平臺(tái)作為農(nóng)場(chǎng)運(yùn)行的核心，面向農(nóng)戶、農(nóng)場(chǎng)管理者、農(nóng)業(yè)專家三個(gè)大的群體?；诘乩硇畔⒉杉癁榛A(chǔ)，對(duì)農(nóng)田內(nèi)各種智能傳感器收集的數(shù)據(jù)信息和各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行分析展示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)規(guī)劃，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行智能化管理，對(duì)無人駕駛、變量噴灑、側(cè)深施肥等智能裝備進(jìn)行合理規(guī)劃和信息采集，對(duì)環(huán)境因素、土壤基本肥力、作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量評(píng)估進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制出作物在不同階段的長(zhǎng)勢(shì)數(shù)據(jù)圖，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和田間管理。結(jié)合智能農(nóng)業(yè)裝備和智能傳感器的信息，對(duì)地塊上全作業(yè)信息進(jìn)行采集，最終結(jié)合產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得出全年度的分析報(bào)告，為用戶的種地提供指導(dǎo)依據(jù)，同時(shí)可以積累多年份農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，結(jié)合專家分析，建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模型。

3 水稻智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)案例

通過對(duì)建三江管理局二道河農(nóng)場(chǎng)水稻規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)際情況的分析，認(rèn)為其符合智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)的基本條件。因此，結(jié)合智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)方案對(duì)二道河農(nóng)場(chǎng)實(shí)施改造，并基于智慧農(nóng)業(yè)制定智慧農(nóng)場(chǎng)的項(xiàng)目規(guī)劃及配套機(jī)具設(shè)施的實(shí)施方案，如表2 所示，通過天空地一體化全方位農(nóng)情信息采集，更精準(zhǔn)的完成各類農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的無人駕駛和遠(yuǎn)程駕駛。

在二道河農(nóng)場(chǎng)第六管理區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)示范，規(guī)劃建設(shè)面積為1 000 hm2。應(yīng)用多光譜技術(shù)對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、分析、決策、預(yù)警。智慧農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了減肥減藥，對(duì)土地、肥料、水資源等利用率以及勞動(dòng)生產(chǎn)率等都有極大的提升，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時(shí)，改善了操作人員的作業(yè)環(huán)境，解放了人工勞動(dòng)力，緩解了從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員短缺的問題。

4 結(jié)語

建三江墾區(qū)在智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)方面已經(jīng)取得了一定的成果，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大型農(nóng)機(jī)在耕、種、管、收環(huán)節(jié)的無人智能化改造、環(huán)境感知層落地和基于GIS 系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)等，極大程度提高了作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率等，并改善了操作人員作業(yè)環(huán)境以及減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。但同時(shí)也面臨著很大的挑戰(zhàn)，例如部分農(nóng)機(jī)具的智能化程度有待進(jìn)一步提高等?？梢?，加快智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)和智慧農(nóng)場(chǎng)模式的推廣應(yīng)用，對(duì)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。