農(nóng)業(yè)智能時代引航者
——記河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院教授范曉飛

祝傳海

求學期間，他在圖像處理、光譜成像、人工智能、自動化等現(xiàn)代工程技術領域艱難跋涉，在機器視覺、機器學習、圖像處理等方面成績卓著；

工作后，他選擇在生物醫(yī)學、新品種育種、種子質量檢測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化、作物表型研究等領域孜孜以求，在農(nóng)業(yè)人工智能領域開辟了一方天地；

如今，踏上祖國的大地，他依然選擇農(nóng)業(yè)，志在為中國農(nóng)業(yè)裝上智能的眼睛……

他叫范曉飛，現(xiàn)在是河北農(nóng)業(yè)大學教授，博士生導師，“太行學者”三層次引進人才，入選河北省引進高層次人才“百人計劃”。

一定要出去大洋彼岸學習先進技術

在中國民航大學，范曉飛學的是電子信息工程專業(yè)。按部就班，畢業(yè)后他的去向是民航機務。

對這個很多人向往的職業(yè)，范曉飛的看法是，“這個工作，就是拿著一張單子，讓修哪里就按照規(guī)程修哪里，規(guī)程讓怎么修就怎么修，不允許有創(chuàng)造性”。

因此，范曉飛選擇了考研。本科畢業(yè)那年，他考到了清華大學生物醫(yī)學工程專業(yè)。讀研期間，他的主要工作是利用近紅外光來檢測乳腺癌。“這個工作，與圖像處理有關”，范曉飛說：“這是我職業(yè)生涯中首次接觸機器視覺領域。”

研究生畢業(yè)，范曉飛選擇出國攻讀博士學位。2006年，他飛向大洋彼岸的美國密蘇里大學，開始博士階段的學習和生活。在密蘇里大學，他做的第一個項目是老鼠視皮層成像。“這項研究，需要把老鼠的頭皮去掉，試驗完成后需要殺死老鼠”，范曉飛覺得這個工作不適合他。

到了博士二年級的時候，范曉飛換了一個實驗，做自閉癥檢測，“就是通過光學成像的方法來檢測自閉癥，這些小孩的年齡在6～16歲”。做自閉癥檢測的設備是范曉飛他們自己研發(fā)的，原理是讓光刺激孩子的瞳孔，然后觀察孩子的反應，從反應的情況來判斷“自閉癥的可能性”。

讀博士期間，范曉飛一直在視覺圖像領域做研究。這個時期，他每周的工作時間幾乎都在八九十個小時以上，很辛苦也很充實。2010年，范曉飛進入密蘇里州的一家農(nóng)業(yè)企業(yè)，在農(nóng)業(yè)領域從事視覺機器的圖像研究。一開始，視覺機器方向，只有范曉飛一個人在做。大家有趣地稱他為“攝影師”。不過，就是這個攝影師，能為企業(yè)的每一種種子帶來上百萬甚至更多的利潤。不知不覺中，企業(yè)已經(jīng)有了100多名像范曉飛這樣的“攝影師”。在這個過程中，范曉飛有了自己的團隊。用范曉飛的話來說，他的職責就是帶領團隊幫助企業(yè)省錢。

范曉飛

機器視覺，到底是一項什么技術呢？范曉飛喜歡解釋得很明白，他說：“就是通過成像技術自動地把好種子和壞種子區(qū)分開來。”就是這么一個目標，20多項新技術在范曉飛和他的團隊誕生。比如與玉米相關的，有玉米手持式近紅外濕度儀、玉米種子高速成像與篩選系統(tǒng)、基于圖像的玉米穗尺寸檢測系統(tǒng)、基于高光譜成像的玉米胚胎篩選系統(tǒng)等；與棉花相關的，有基于X光成像的棉花種子成熟度檢測、基于成像的種子包衣均勻度定量檢測算法、棉花種子質量成像系統(tǒng)等；與大豆相關的，如大豆質量成像系統(tǒng)的開發(fā)、孟山都美國種子質檢中心自動化流水線、種子活力成像系統(tǒng)等；與蔬菜相關的，有三維重建成像對蔬菜可用移植幼苗的檢測、蔬菜種子及種子球尺寸測量成像系統(tǒng)、基于行掃描相機和傳送帶的蔬菜種子質量成像系統(tǒng)、蔬菜果實成像系統(tǒng)的開發(fā)及應用等。

到2017年，范曉飛又接手了一個新的領域，就是做技術推廣。“這個問題不是我們想象中的最后一公里問題，而是與科研結合非常緊密的一項技術問題”。范曉飛意識到了問題的嚴重性，“在實驗室做得很好的東西，測試了也沒有問題，但是當運用到生產(chǎn)環(huán)節(jié)或者質檢環(huán)節(jié)的時候，就會發(fā)現(xiàn)一些很好的技術用不上。所以，那些機器就擺在那里，最后變成一個架子，人們把各種東西堆在上面，慢慢地積滿了灰塵，再也沒有人去看它一眼”。

針對這個問題，范曉飛牽頭成立了一個技術推廣組織，就是做研發(fā)技術的推廣，特別是工程研發(fā)技術。“實際上，就是讓實驗室的技術落地，把實驗室到田間的鴻溝填平。”范曉飛說。他當時的想法是，建立一個體系讓研發(fā)很好地過渡到應用中去。所以，從2017年開始，范曉飛基本上是一邊負責研發(fā)，一邊負責推廣。

他們當時做得比較大的一個項目就是在艾奧瓦州的一個玉米加工廠，推廣種子檢測技術。企業(yè)遇到的一個很大的問題是，優(yōu)質的種子被拋棄，這個量非常驚人。范曉飛帶著研發(fā)團隊，開發(fā)出了一套成像系統(tǒng)，成功地解決了好種子和壞種子的區(qū)分問題，為企業(yè)節(jié)約了大量資金。

一定要回來為自己的祖國工作

說起在四十不惑的年齡回國，范曉飛講了三個故事。

第一個故事是一個游子的故事。范曉飛在20歲的青春年華選擇了出國，他是想出去看看，想學習發(fā)達國家的先進技術。因此，他在美國密蘇里大學拿到了統(tǒng)計學的碩士學位，生物醫(yī)學工程學的博士學位，并在生物醫(yī)學工程方向完成了博士后的研究。迫于生活的壓力和技術的稚嫩，范曉飛想去企業(yè)歷練自己。于是，他選擇了視覺圖像技術尚未形成氣候的農(nóng)業(yè)企業(yè)，從種子篩選做起。這一做，就是十幾年光陰。

十幾年的時間里，當年的毛頭小伙子已為人夫，為人父，在企業(yè)里也擁有了自己的團隊，他的物質生活變得越來越寬裕。但是，隨著年齡的增長，范曉飛的心里總是隱隱覺得，“賺錢”這個唯一的動力正在變成阻力，他不想只是為了工資而活著。而此刻，思鄉(xiāng)的心理也越來越重。他越來越覺得，自己的所學，不是在為自己的祖國工作，不是在為自己的祖國貢獻力量，將成為他最大的遺憾。

范曉飛說，他的這種感覺是從2015年開始產(chǎn)生的。到了2017年的時候，他感覺都快受不了了，“越來越堅定地想要回國，想回國為自己的國家做事”。但是，回國也不是一件容易的事，孩子的學業(yè)，自己的科研，優(yōu)越的物質條件，回國后還能不能保持？他感覺到了巨大的壓力……

第二個故事是一個呼喚游子的故事。就在范曉飛日夜思慮回國的去向的時候，河北農(nóng)業(yè)大學向他伸出了橄欖枝。這是中國成立最早的高等農(nóng)業(yè)院校之一，其前身是直隸農(nóng)務學堂。如今，學校設有29個學院（部、系），成長為以農(nóng)學為優(yōu)勢學科引領，工、管、理、經(jīng)、文、法、藝術等多學科交叉融合的一流農(nóng)業(yè)院校。在農(nóng)業(yè)科研領域，河北農(nóng)業(yè)大學在作物遺傳改良、生長調(diào)控等方向基礎雄厚，建有華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室、教育部華北作物種質資源重點實驗室、河北省蔬菜種質創(chuàng)新與利用重點實驗室、河北省作物生長調(diào)控重點實驗室等省部級科研平臺。范曉飛想去看看，這首先與他的科研方向有關，因為如果范曉飛選擇進企業(yè)，他將面臨轉行。然而，他舍不得農(nóng)業(yè)。如果他選擇進高校或者政府，那么收入將是一個非常現(xiàn)實的問題。除了回還是不回，回哪里也成為范曉飛選擇的第二個十字路口。他沒有抱太大的希望，是因為不想給自己太大的壓力。

不過，奇跡有時總是發(fā)生在一瞬間。當范曉飛一下飛機的時候，他說他感覺到的是“一種撲面而來的舒適和久違了的熟悉”。“崇德、務實、求是”，不僅僅是寫在校園里的校訓，更是深刻在骨子里的文化。在之后的回憶中，范曉飛覺得，“是河北農(nóng)業(yè)大學的樸實和接地氣吸引了他”，這里是農(nóng)業(yè)的圣地。

然而，范曉飛并沒有講的故事是，他就出生于河北的這片沃土，這里是他的家鄉(xiāng)。一踏上這片土地，他的思鄉(xiāng)之情，立刻消解。他覺得，這里的一切剛剛好。他還沒有講的另一個故事是，他的父親就畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學機電學院。這里，有他深深的愛。

第三個故事則加快了范曉飛回家的步伐。這個故事不美麗，卻那么真實。故事的內(nèi)容是，2018年3月，范曉飛受到美國某部門調(diào)查，原因是懷疑他技術泄密。第一次，范曉飛在美國家中所有的存儲設備被帶走。之后的幾個月間，范曉飛經(jīng)常被請去喝咖啡。再之后的8個月，美國機場，飛機起飛前5分鐘，范曉飛被“請”下飛機，檢查行李。“這幾乎是一次生死較量，差一點，就失去了人身自由”。飛機進入祖國的領空時，范曉飛依然驚魂未定。

之后，再想起，他感謝這次人生經(jīng)歷。他說：“這是一段特殊的經(jīng)歷，對我的成長很有幫助。之后，我對很多事情都看開了，也看淡了。所以，也就更加知道自己想要什么，在想問題的時候也能想得更清楚一些，站得也更高更遠一些。”

一定做農(nóng)業(yè)智能時代需要技術先行

回國，范曉飛想做農(nóng)業(yè)。機器視覺技術不是只能做農(nóng)業(yè)，因為這是一項前沿技術，在很多領域都亟待發(fā)展；同時范曉飛看到人工智能在中國農(nóng)業(yè)的應用時代已經(jīng)到來。他說，城鎮(zhèn)化正在急速地發(fā)展，有限的耕地+有限的農(nóng)業(yè)從業(yè)人員，亟須人工智能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)附加值，依靠大量人力投入的農(nóng)業(yè)時代將成為過去。

范曉飛講到了美國的“大農(nóng)業(yè)”和荷蘭的“精農(nóng)業(yè)”。他說，美國有著地廣人稀的天然優(yōu)勢。在美國，一個農(nóng)場主，往往擁有上千公頃土地。因此，他們對效率的要求很高，必須大規(guī)模、機械化、自動化。因此，美國對技術的要求，是適用于大企業(yè)的。他們希望通過大數(shù)據(jù)運算，解決如何施肥、如何撒藥、如何澆水，然后實現(xiàn)農(nóng)戶利益最大化的問題。荷蘭則不同，依靠填海造陸的國度，寸土寸金。因此，荷蘭的農(nóng)業(yè)是精致的。他們一般是溫室種植，耕作都非常精細，但是有更高的產(chǎn)量和更好的質量。也因此，荷蘭對技術的要求，是適用于精確農(nóng)業(yè)的。他們希望通過一項技術，將壞的剔除，留下好的，讓好的更好。以種子為例，在荷蘭某些品種的番茄種子可以賣到一美元一粒。這樣，高科技投入就成為必然。

團隊合影

在這樣的背景下，范曉飛希望為中國農(nóng)業(yè)貢獻一己之力。從2018年年底回國到2020年短短的2年時間內(nèi)，范曉飛已經(jīng)帶領他的科研團隊開展了多項研究。

基于深度學習的圖像算法與種子表型組學研究。這是在機器視覺和深度學習的基礎上，對玉米種子的不完善粒進行的研究。范曉飛和他的團隊以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡架構為基礎建立了蟲蝕、發(fā)霉、破損、色變等種子缺陷的自動識別算法。同時，基于多光譜成像技術和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法，對玉米、茄子、辣椒等種子的純度鑒別進行了研究，旨在建立分類模型。

基于多光譜成像的蔬菜葉色與光譜特征的定量分析。范曉飛和他的團隊以大白菜葉片為材料，利用多光譜成像設備采集葉片多光譜圖像，利用葉綠素儀測定SPAD值，通過關聯(lián)比較建立的最優(yōu)模型R2=0.9，表明多光譜成像方法能夠對葉片的葉綠素含量較準確地預測。

基于機器視覺及形態(tài)學特征提取的大白菜表型定量分析。范曉飛和他的團隊通過可見光成像、機器視覺技術和圖像處理算法定量獲取大白菜的表型特征，包括葉球形狀、縱剖面形狀及顏色、中心柱形狀等，并采用統(tǒng)計學方法定量研究各參數(shù)的相關性。

目前，他們正在開展的研究，是以不同結球類型的大白菜為研究對象，選取不同發(fā)育階段的葉片，通過多視角立體成像與多種圖像處理技術手段定量獲取葉片卷曲、形狀及結球方式特征，并結合葉片微觀解剖結構顯微圖像的組織分割和定量分析。其目的是，建立大白菜葉片表型的3D成像建模方法；建立基于成像技術的葉片表型和組織細胞結構特征的自動、定量提取算法；揭示不同結球基因型的大白菜葉片表型性狀與葉球層狀結構及抱合方式之間的關系，以及組織細胞發(fā)育對葉球形成的影響和規(guī)律。

之所以要從大白菜入手，范曉飛的考慮是，大白菜原產(chǎn)中國，且是我國栽培面積最大的蔬菜之一，在我國蔬菜供應中占有重要地位。隨著人們生活水平的提高，不管是消費者還是種植者都對大白菜育種提出了新的要求，而大白菜的生產(chǎn)水平與品種選育休戚相關。

憂國憂民是范曉飛作為一名知識分子最大的特點。這不僅表現(xiàn)在他的研究方向，更表現(xiàn)在他的研究態(tài)度中。采訪中，范曉飛提及最多的是“最合適的解決方案”，而不是“聽起來高大上的解決方法”。他強調(diào)最多的是落地，在生產(chǎn)中得到應用。也因此，他鼓勵自己的學生看到自己的優(yōu)勢，根據(jù)自己的優(yōu)勢制訂學習計劃或工作計劃，在優(yōu)勢上不斷加強，從而在某個領域實現(xiàn)創(chuàng)新。

一定要出去，出息了一定要回來，回來了一定做農(nóng)業(yè)，這是范曉飛20多年的人生軌跡。然而，這也是流淌著中華民族血液的炎黃子孫，對祖國最真切的愛和回報……