淺談智慧農(nóng)業(yè)

籍延寶 姚鑫鋒 袁 濤 田明璐 馬 超 李琳一

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海市奉賢區(qū) 201403；2上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海市奉賢區(qū) 201403）

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的預(yù)測報告，到2050年，世界總?cè)丝趯⑦_到97億。隨著世界人口的迅速增長，對糧食的需求也迅速增長，預(yù)計到2050年，世界需增加現(xiàn)有糧食總量的60%～70%，才能養(yǎng)活未來新增的20多億人口，這就意味著需要在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域投入更多科技，并對全球糧食耕作制度和農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做出更深刻的變革。但鑒于土地資源緊缺（未來30年增長不到5%），增加糧食產(chǎn)量只能從提高農(nóng)作效率上下功夫。

智慧農(nóng)業(yè)是指人類將信息技術(shù)應(yīng)用到作物栽培或動物飼養(yǎng)的過程中，更高效地獲取食物和原材料的過程。它不但強調(diào)地理位置，更強調(diào)數(shù)據(jù)的變量率、對周圍環(huán)境的感知和對即時事件的決策，從而可極大提升農(nóng)作效率，它是開啟未來農(nóng)業(yè)的一把鑰匙。因此，人類可以通過發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)來達到養(yǎng)活自己的目的。

1 智慧農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容及運作過程

整個智慧農(nóng)業(yè)的運作過程就像人類軀體一樣，可以簡單地分為3個部分，其中，既有視覺、觸覺等這樣的感知部分，也有大腦這樣的運算、智能決策部分，同時還有手腳這樣的行為部分，這3個部分缺一不可，通過互相傳輸信息供這3個部分進行協(xié)同作業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)的重要任務(wù)是找到合適的應(yīng)用場景和打造出剛需的產(chǎn)品，進而改善用戶體驗，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，為農(nóng)業(yè)創(chuàng)造出真正的價值。

1.1 傳感器和物聯(lián)網(wǎng)——智能感知和監(jiān)測

傳感器和物聯(lián)網(wǎng)極大地提高了人類對現(xiàn)實情況的感知能力，能使人類在第一時間獲取大數(shù)據(jù)，用于分析和制定決策，主要是通過物聯(lián)網(wǎng)、遠程控制、預(yù)測性維護和預(yù)測性診斷等來提高農(nóng)作效率，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

目前，傳感器和物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)上已有很多實用事例。例如，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的植物工廠或蔬菜種植大棚，能實現(xiàn)周年往復(fù)的農(nóng)作物生產(chǎn)；利用物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控環(huán)境溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液配比等，利用數(shù)據(jù)來驅(qū)動更好地生產(chǎn)管理，如CropX是一家智能灌溉企業(yè)，通過其獨特的物聯(lián)網(wǎng)水分傳感器、灌溉控制器以及智能化的算法，幫助農(nóng)民更高效地管理灌溉，提高水資源利用率；利用各種傳感器進行墑情監(jiān)測、病原檢測、雜草監(jiān)測、營養(yǎng)診斷、長勢評估以及產(chǎn)量預(yù)測等，如Sentera公司的光譜相機產(chǎn)品及數(shù)據(jù)分析平臺，為大田農(nóng)業(yè)提供作物營養(yǎng)診斷、病蟲害診斷的快速數(shù)據(jù)獲取方案，又如麥飛科技推出的“麥?zhǔn)咸结槨焙椭悄芑N植體系，提高了遙感數(shù)據(jù)獲取、精準(zhǔn)施藥的效率和智能化水平。這些技術(shù)均對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進行了變革，大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)了節(jié)本、提質(zhì)、增效的目的。

1.2 人工智能——智能分析、規(guī)劃和決策

人工智能就是應(yīng)用計算機的軟硬件，模擬人類某些智能行為的基本理論、方法和技術(shù)，能極大地提高決策速度和準(zhǔn)確度，實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、智能的決策。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，人工智能有助于提高土地生產(chǎn)率和勞動生產(chǎn)率，例如，可以通過水分傳感器及時感知土壤墑情并指導(dǎo)灌溉；可以通過攝像機有效識別病蟲害；可以通過遙感影像輔助農(nóng)作物營養(yǎng)診斷和制定施肥策略；可以通過全球定位系統(tǒng)和導(dǎo)航技術(shù)讓農(nóng)機在大田內(nèi)自主作業(yè)；可以通過農(nóng)產(chǎn)品歷史價格數(shù)據(jù)分析進行未來價格的監(jiān)測預(yù)警，并綜合考慮作物、環(huán)境、人類活動等因素進行決策；可以利用語音數(shù)據(jù)進行自然語言理解；可以利用視覺和光譜數(shù)據(jù)進行農(nóng)業(yè)“四情”（墑情、苗情、病蟲情及災(zāi)情）的定性和定量分析；可以利用GPS、陀螺儀數(shù)據(jù)進行動物行為監(jiān)測、農(nóng)機調(diào)度等。總之，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要智能化決策的使用場景也無處不在，也成為了智慧農(nóng)業(yè)未來的主要研發(fā)和應(yīng)用方向。

目前，人工智能在智慧農(nóng)業(yè)上的實踐已有很多，例如，Gamaya公司利用無人機上的攝像機來捕捉田地的光譜圖，通過利用人工智能算法對這些光譜數(shù)據(jù)進行分析，并將其轉(zhuǎn)換為可操作的處方圖，提醒農(nóng)民注意田地的改變情況并給出預(yù)測結(jié)果，農(nóng)民可以利用這些信息減少肥料和水資源的使用，或種植更多的作物；Agrilyst是一家用SaaS和數(shù)據(jù)分析來改善室內(nèi)農(nóng)業(yè)的公司，其軟件可通過植入溫室的傳感器獲得農(nóng)作物生長情況等數(shù)據(jù)，幫助經(jīng)營方提升溫室管理效率；CropMetrics是一家專注于精準(zhǔn)灌溉管理的農(nóng)業(yè)企業(yè)，其產(chǎn)品和服務(wù)包括VRI優(yōu)化（可變速率灌溉）、土壤濕度探測、虛擬優(yōu)化器PRO等，可使某些具有地形或土壤變異性的農(nóng)田灌溉盈利能力達到最大化，進而提高農(nóng)作物產(chǎn)量及其資源利用率。

1.3 自動化裝備——智能執(zhí)行

在農(nóng)業(yè)一線人口老齡化、勞動力短缺的大背景下，農(nóng)業(yè)自動化裝備、機器人以及精準(zhǔn)導(dǎo)航技術(shù)和自動化技術(shù)得到了快速發(fā)展。同時，隨著自動化裝備的快速發(fā)展，機器在單一領(lǐng)域的存儲容量、運算速度都比人類強很多。例如，機器人或智能農(nóng)機能極大地解放人類雙手，實現(xiàn)節(jié)本、提質(zhì)和增效，因此，以前由人類做的工作，預(yù)計到2050年將有一半會被機器所取代。

目前，自動化裝備在智慧農(nóng)業(yè)上的實踐已有很多，例如，國外的AMERICAN ROBOTICS公司和國內(nèi)的云圣智能公司，都看好無人機這一市場，并很早布局，相信在不遠的將來，這些企業(yè)的植保無人機可以完全自主地進行田間作物監(jiān)測和農(nóng)藥噴灑；Abundant Robotics公司主打蘋果采摘機器人，利用像真空吸塵器的結(jié)構(gòu)把蘋果從樹上吸下來，采摘蘋果的速度達到1個/s，并可以24 h不間斷工作；法國機器人公司Naio Technologies推出的自主機器人，旨在幫助農(nóng)民完成機械除草和收割任務(wù)，并最大限度地消除農(nóng)藥和化學(xué)品的使用；EcoRobotix公司主打田間除草機器人，通過機器視覺技術(shù)，可以準(zhǔn)確識別雜草，通過機械手臂對雜草進行除草劑噴灑。

2 智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展重點——數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)是智慧農(nóng)業(yè)運作的第一需要，且推動著整個智慧農(nóng)業(yè)的向前發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)范疇已完全超越了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大數(shù)據(jù)常常被用于提供預(yù)測性的農(nóng)事操作，實現(xiàn)驅(qū)動即時的農(nóng)事操作決策，以及重塑商業(yè)模式。

而隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測和自動化領(lǐng)域可以實現(xiàn)即時數(shù)據(jù)的高速傳輸，故在大面積、高速率、全方位的數(shù)據(jù)獲取方面，在邊緣計算領(lǐng)域、機器人協(xié)同作業(yè)領(lǐng)域，以及AR/VR/MR技術(shù)的智能設(shè)備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用方面，數(shù)據(jù)收集和分析的市場逐漸爆發(fā)出來，特別是農(nóng)場領(lǐng)域，成為了各大IT和云服務(wù)公司的主要爭奪目標(biāo)。例如，F(xiàn)armLogs是一家利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行農(nóng)作物生長監(jiān)測的智慧農(nóng)業(yè)公司，其產(chǎn)品能幫助農(nóng)場主跟蹤各種指標(biāo)（熱量的累積、降水以及土壤組成等），通過遙感影像服務(wù)于廣大種植戶；AgDNA同樣是一家利用大數(shù)據(jù)來服務(wù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的企業(yè)，其產(chǎn)品整合了精準(zhǔn)種植數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，可幫助商業(yè)種植者增加利潤；John Deere（約翰迪爾）公司通過Web大數(shù)據(jù)平臺聚合土壤傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)、其它農(nóng)場的數(shù)據(jù)以及能幫助農(nóng)民優(yōu)化生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)效率的數(shù)據(jù)，通過平臺為更多的農(nóng)場主服務(wù)。

3 結(jié) 語

目前，我國人多、地少的現(xiàn)狀決定了未來農(nóng)業(yè)必須盡可能地精耕細作、大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，從而最大限度地提高了土地生產(chǎn)率和勞動生產(chǎn)率。在通往智慧農(nóng)業(yè)的道路上，不僅要重視農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升，更多的是要注重全局資源配置、科學(xué)技術(shù)和人力均衡投入帶來的效益提高。因此，筆者相信，隨著物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的發(fā)展、人工智能以及自動化機器人技術(shù)的快速應(yīng)用、5G技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合數(shù)據(jù)處理、挖掘和決策技術(shù)等，帶來土地生產(chǎn)率和勞動生產(chǎn)率的大幅提升，實現(xiàn)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的深度變革，進而有效解決未來人類的糧食危機。