淺析農作物智能除草技術的應用與發展

谷 毅

（上海市松江區洞涇鎮經濟發展服務中心 上海 201600）

雜草影響作物生長， 是作物減產的重要因素之一[1]。我國農田雜草約有1 430 種（變種），每年由于雜草危害造成作物減產10%，糧食減產6 000 萬t,經濟損失2 200 億元[2]。在農業生產中，除草是必不可少的環節，有著重要作用。

除草技術按照原理可分為物理除草、化學除草、生物除草等。 其中，化學除草通過對植物靶標噴施除草劑以滅殺或抑制雜草生長，見效快成本低。 然而近年來， 不合理的除草劑使用已經造成了嚴重的環境污染，給人類健康帶來了嚴重威脅，不符合農業可持續發展理念。 與此同時，長期單一的除草劑施用，也促進了雜草抗藥性的發展， 進一步增大了雜草防控的難度。 生物除草技術利用生物、微生物和他感物質與雜草之間的生態關系對雜草進行控制[3]，綠色環保安全。 但生物防控技術依然存在應用方法復雜、操作難度大、效果不穩定、廣適性差等問題，在國內農田雜草控制中暫未得到廣泛應用。 由此，對環境友好、效果穩定、 可持續性強的物理除草方式正得到越來越多的關注。 隨著人工智能技術和現代農業裝備智能化水平的提升， 物理除草技術近年來取得了快速發展。 智能除草技術被廣泛地研究和應用,成為智慧農業下農田除草的發展趨勢。

1 物理除草技術發展歷程

1.1 以中耕除草為主的傳統模式

在物理除草技術中，傳統方式包括中耕除草、輪作除草、火力除草等[4]。 其中，中耕除草最為常見。 中耕除草技術旨在通過翻耕、松土、破壞雜草根系等方式達到除草的效果。 根據作業方式不同，中耕除草可以分為人工中耕和機械中耕2 種方式。

人工中耕主要使用鋤頭、犁、耙除草。 目標明確，操作方便，除草效果好，不但可以除掉行間雜草，而且可以除掉株間的雜草，但一般情況下，人工中耕需要多次反復進行，方法比較落后、人工成本高、工作效率低。 只適合小面積農田。

機械中耕主要使用農業機械進行除草。 相比于人工中耕，機械中耕效率更高，同時也可以達到更好的耕作效果。 但機器較大，靈活性不高，控制難度較大，容易對田間環境造成破壞。 一般比較適合地形較平坦、面積較大、機械化程度較高的農場使用。

1.2 以智能除草為主的現代模式

隨著科技革命推動農業產業變革， 除草技術也迎來了轉型升級的重大發展期。 智能除草技術成為現代農業領域的研究熱點。

智能除草技術是指利用人工智能、 大數據等技術，對農作物進行精細管理，實現自動化、智能化的除草方式[5]。 這種技術精準高效，能夠提高農作物的產量和質量，遠程控制，無需人工直接操作，減少人力和物力的消耗， 對于農業生產的效率和質量有很大的幫助[6]。 其中，最具有代表性的就是智能除草機器人。

2 智能除草機器人的應用

2.1 智能除草機器人的應用原理

智能除草機器人是一種以雜草為操作對象，以完成農業生產任務為主要目的，集傳感器技術、監測技術、人工智能技術、通訊技術、圖像識別技術及自動導航控制技術等多種前沿科學技術于一身的智能農業機械[7]。 其應用原理主要包括以下幾個方面。

2.1.1 智能感知技術 感知設備是機器人的眼睛。通過搭載高清攝像頭和深度學習算法等視覺感知技術， 將拍攝到的圖像進行實時處理和分析， 再通過GPS、北斗、視覺導航等定位感知技術，實現對農作物和雜草的快速識別和定位。 如賀靜團隊[8]研究了基于機器視覺、激光雷達、跟蹤導航等多傳感器融合的水稻行識別和導航方法，提高了自動識別感知的精度。

2.1.2 智能控制系統 控制系統是機器人的大腦。它由各種具有智能特征和功能的軟硬件系統組成，通過對智能感知數據的處理和自動控制算法的調度[9]，實現對除草機器人自主導航、行駛、作業的智能控制。如傅雷揚等[10]提出了采用卷積神經網絡（CNN）識別農作物與雜草， 再利用視覺和雷達信息完成動態路徑規劃，最后發送控制指令和接收反饋結果，并通過循環神經網絡存儲和檢索歷史數據的機器人模型，提高了除草的智能化水平。

2.1.3 智能應用平臺 應用平臺是機器人的手足。它是終端執行機構，根據不同的地形和作業環境，搭載各類移動平臺和除草裝置， 在智能控制系統的指令下，執行精確除草操作。 如史婷婷等[11]設計了一臺電機驅動直線排布， 可切換伸縮式輪履復合移動平臺，搭載行間耕耘鋤、株間彈齒盤的除草機器人，可實現全地形自主行進除草作業。

2.2 智能除草機器人的應用現狀

國外對除草機器人研究較早， 美日等發達國家從20 世紀60 年代末就開始了研究， 智能除草機器人已經在一些發達國家和地區得到了相關商業化應用。 英國Garford 農機制造公司在智能農機領域深耕20 余年， 智能機器人行間和行內全方面除草技術世界領先，產品展銷全球各地。法國Na?o 機器人公司生產了多款智能除草機器人，包括典型的Dino（大田蔬菜除草機器人）和Ted（葡萄園除草機器人）產品[12]，截止2022 年底，在歐洲和美國共有超250 臺智能除草機器人投入使用。

國內除草機器人研究相對較晚， 且主要集中在科研院所，目前以理論研究和試驗性質為主。 中國農業大學的張春龍團隊[13]研發的鋤草機器人，利用四輪驅動平臺和三指手爪機械手，根據機器視覺信息，有效除草率在90%以上。 上海點甜農業專業合作社的王金悅團隊自主研發的除草機器人，利用北斗導航系統和5G 信號,將機器人行動誤差控制在2 cm 以內。

總體而言， 智能除草機器人的研究應用呈現出商品化、信息化、全球化的特點[14]。但規模應用程度不高，尤其是國內，技術還處于試驗驗證階段，目前還未進入商業化銷售階段。

2.3 智能除草機器人的應用困境

2.3.1 智能問題 智能除草機器人作業環境復雜多變，不可知因素很多，作物與雜草的布局和形態差異巨大。 往往在特定環境中測試成功的算法和模型換一個環境后就會有不同的結果。 如何調整算法和模型，使其能夠適應更廣泛復雜的作業環境，是亟待解決的問題[15]。

2.3.2 成本問題 智能除草機器人作為新興產物，研發需要投入大量成本； 它集成了多種前沿科學技術， 制造成本也會較高； 作業環境多為戶外露天條件，維護成本同樣不低。 且智能除草機器人若只針對除草環節， 功能單一， 特別是除草還具有季節性特點，利用效率低，致使其性價比不高[16]。

2.3.3 法律問題 智能除草機器人屬于智能農機，是人工智能范疇。 目前相關方面的法律法規并不完善，智能農機的應用，如安全標準、作業規范、監管規則等法規尚不明確。

3 智慧農業下除草機器人的發展展望

2023 年1 月，工業和信息化部、農業農村部等十七部門印發《“機器人+”應用行動實施方案》，方案強調農業作為重點應用領域， 要加快基礎設施和生產裝備智能化改造，推動機器人與農業生產深度融合，支撐智慧農業發展。

隨著智慧農業的深入發展， 除草技術也將不斷創新和發展， 智能除草機器人必將是未來農業應用趨勢。 目前除草機器人在實際生產中還存在一定的應用困境，需要在技術、效率、成本等方面不斷進行優化和完善。

3.1 精準智能化

隨著物聯網、云計算、大數據等數字化技術的不斷融入，智能感知技術、控制系統、應用平臺研發的不斷成熟，多傳感器信息、多學科交叉技術的不斷融合，模型和算法研究的不斷優化，數據智能、群體智能、融合智能、自主智能將是它的發展新趨勢，智能除草機器人未來智能分析、智慧決策、精準執行的人工智能化程度將會有所提升。

3.2 高效一體化

針對除草機器人功能單一、效率低等問題，一是開發播種、嫁接、除草、采摘等多功能一體機。 采用開放和兼容設計，通過應用平臺執行端更換裝置，實現農業全過程一體管理，降本增效。 二是發展輕型機器人集群。 通過研發集群控制系統，優化調度，實現人機交互、多機協同作業，提高作業質量和效率。

3.3 經濟適用化

通過優化設計和材料、降低能源成本、提高使用壽命等方式降低單臺設備制造、維修和更換成本。 此外，隨著標準化農田建設的推進， 供需平臺的搭建，以及國家支持政策的出臺， 智能除草機器人將得到更大的推廣和普及， 在市場規模擴大的同時， 勢必會降低整體成本， 滿足更廣泛的市場需求， 形成良性循環。

3.4 人機協同化

智能化爆炸的時代，ChatGPT 讓人們見識到了人工智能技術驚人的發展速度和成果， 隨著農業從業人口減少、老齡化加劇、各要素成本上漲，除草技術的革新也必將走上人工智能的賽道。 但是，發展的最終目的是為了更好的生活， 人們在不斷利用科技改進技術、改變生產模式的同時，也要對“人機關系”有更多的思考，“人機交互”“人機互補” 才應該是智能化發展的最終走向。