當無(wu)人機在(zai)三亞的晴(qing)空緩緩升起，中國(guo)農業科(ke)學院棉花研究所南繁育(yu)種基地中控室的大屏上，基地的概貌(mao)和(he)株高、葉面積(ji)指數、冠層溫(wen)度、葉綠素含(han)量(liang)等育(yu)種專(zhuan)家關心的表(biao)型數據(ju)逐漸清晰起來。
這是中國(guo)農(nong)業(ye)科學院(yuan)棉花研究(jiu)所(suo)南(nan)繁育種基(ji)(ji)地無人機遙感田間育種表型(xing)觀(guan)測系統工作時的(de)場景。為解決南(nan)繁農(nong)業(ye)信(xin)息(xi)基(ji)(ji)礎設施不足、基(ji)(ji)礎數據缺失、信(xin)息(xi)管理系統不完善等(deng)問題，海南(nan)省投建了南(nan)繁硅谷綜合服務平(ping)臺，有了新(xin)一代農(nong)業(ye)傳感技術“加持(chi)”，南(nan)繁育種基(ji)(ji)地立刻“耳聰(cong)目(mu)明”起來。
傳感技術顯身手
傳感器技(ji)(ji)術(shu)是信息社會的重要(yao)技(ji)(ji)術(shu)基(ji)礎。”國家農業信息化工(gong)程技(ji)(ji)術(shu)研究中心副研究員(yuan)張云(yun)鶴對《中國科學報》說，“傳感器的品(pin)種、數(shu)量(liang)、質量(liang)和技(ji)(ji)術(shu)水平，直接(jie)決定(ding)了信息技(ji)(ji)術(shu)系統的功能和質量(liang)。”
提起目(mu)前農業生(sheng)產(chan)中應用的各(ge)類傳感技術，張云鶴從環境、氣體傳感，土壤、水質傳感，植物生(sheng)理傳感，無人(ren)機遙感四大類，一(yi)口氣列舉了20多種(zhong)。
在作物(wu)環境信息監測(ce)系統(tong)中，可以實時(shi)監測(ce)育種小區視頻(pin)圖像、空氣溫(wen)濕度(du)、光照(zhao)、風(feng)速、風(feng)向、雨量(liang)、土壤溫(wen)濕度(du)、電導率(lv)、pH值、土壤墑(di)情等參(can)數。也可以進行作物(wu)穗層溫(wen)濕度(du)監測(ce)。利用這些信息，系統(tong)能對不同監測(ce)點(dian)信息同步獲取、存儲、動態(tai)直(zhi)觀呈現及管理，為(wei)及時(shi)灌溉和適量(liang)灌溉、作物(wu)最佳生長條件改(gai)善等提供參(can)考。
例如，借助其遠程作物(wu)生長(chang)狀(zhuang)況(kuang)(kuang)監測系統，計算機(ji)可實時(shi)收(shou)集(ji)作物(wu)長(chang)勢、病蟲(chong)害(hai)、作物(wu)營養狀(zhuang)況(kuang)(kuang)等(deng)信(xin)息。同時(shi)，人們(men)可以在電腦端、手機(ji)端實時(shi)接(jie)受相關數據(ju)，查看(kan)現(xian)場(chang)信(xin)息，便于專家遠程指導。
憑借(jie)強大的農業傳感技術，人們足不(bu)出戶即可對作物(wu)(wu)葉片及(ji)病斑(ban)(ban)測量，并基于智能手機，進行作物(wu)(wu)葉片圖像(xiang)(xiang)信息獲(huo)取及(ji)識別，然(ran)后對圖像(xiang)(xiang)實(shi)時處理。這種(zhong)技術適用(yong)于田間(jian)環境(jing)不(bu)同作物(wu)(wu)葉面(mian)積(ji)、葉長(chang)、葉寬、病斑(ban)(ban)面(mian)積(ji)、病斑(ban)(ban)比例等信息的快速檢測，其測量誤差(cha)小于3%。
此外，利(li)用先進(jin)的傳感技術，還可(ke)進(jin)行(xing)作物葉片及(ji)病斑測量儀(yi)、多功能(neng)水肥一(yi)體化管理(li)設(she)備、電物理(li)水消毒設(she)備等(deng)，為田間育種決策(ce)提供高通量信息服務(wu)支持。
基(ji)于物聯網技(ji)術(shu)構建的(de)(de)育(yu)種(zhong)環境信(xin)息監(jian)測系(xi)統(tong)，可(ke)以實現(xian)作(zuo)物生長(chang)氣(qi)象信(xin)息、土壤情(qing)況(kuang)、長(chang)勢情(qing)況(kuang)、病蟲害以及光、溫、水(shui)、氣(qi)等相關信(xin)息的(de)(de)實時采集和監(jian)測，為育(yu)種(zhong)家提供(gong)育(yu)種(zhong)環節全過程的(de)(de)精準(zhun)數據(ju)支撐。”張云鶴說，“結合融合分析(xi)系(xi)統(tong)，能實現(xian)地塊級的(de)(de)精準(zhun)氣(qi)象及病蟲害預警，提高作(zuo)物育(yu)種(zhong)生產管控精準(zhun)化和智能化程度，有效提升育(yu)種(zhong)作(zuo)業(ye)效率(lv)和信(xin)息化水(shui)平。”
此外，通過三維(wei)實(shi)景建模及物聯網系統，管理人員可實(shi)時查(cha)看大田、溫(wen)室、辦公場所以及氣(qi)象、灌溉等相關設(she)備狀況，極大程度提高管理和(he)生產效(xiao)率。
智慧農業的基礎
目前我們都說智(zhi)慧農(nong)業、智(zhi)能(neng)農(nong)機，其(qi)核心制約(yue)因(yin)素(su)還是傳感(gan)器。”南京(jing)農(nong)業大(da)學(xue)工學(xue)院院長汪小旵(chan)對《中國科學(xue)報》說，“對于一個智(zhi)能(neng)系統來說，沒有傳感(gan)器，就相當于人(ren)成了‘瞎子’和‘聾(long)子’，后面的智(zhi)能(neng)決策就無從談起。”
汪小旵長期從(cong)事作物(wu)信息智(zhi)能化檢(jian)測(ce)和農業裝備(bei)智(zhi)能化控制研究(jiu)，在日(ri)常研究(jiu)中，他和團隊不僅大量使用傳感器(qi)，而且(qie)也從(cong)事一些傳感器(qi)的(de)開(kai)發研究(jiu)工作。比如，該(gai)團隊正在研制基(ji)于(yu)(yu)土(tu)壤原位(wei)根系檢(jian)測(ce)的(de)傳感器(qi);營養(yang)液栽培中的(de)氮、磷(lin)、鉀傳感器(qi);水產養(yang)殖中的(de)硝(xiao)酸鹽、磷(lin)酸鹽檢(jian)測(ce)的(de)傳感器(qi);基(ji)于(yu)(yu)高光譜和熒光圖(tu)像的(de)作物(wu)病蟲害監測(ce)傳感技術等(deng)。
智能(neng)控(kong)制(zhi)系(xi)統如果沒有(you)傳感(gan)器的輸入信號，就無(wu)法比對和形成閉環控(kong)制(zhi)，農(nong)業(ye)大數(shu)據系(xi)統如果沒有(you)傳感(gan)器就沒有(you)數(shu)據來源，人工智能(neng)系(xi)統就無(wu)法獲取足夠的知(zhi)識。”汪小旵說，“從這(zhe)個角度來說，傳感(gan)器完全是現(xian)代智能(neng)農(nong)業(ye)的核心技術，同時也(ye)是容(rong)易被(bei)‘卡(ka)脖子’的技術。”
2019初，美(mei)(mei)國國家科學院、美(mei)(mei)國醫學與生物工程院(AIMBE)聯合發布一份研究(jiu)(jiu)(jiu)報告，描述(shu)了美(mei)(mei)國科學家眼(yan)中農業(ye)領域亟(ji)待突破的(de)(de)五大(da)研究(jiu)(jiu)(jiu)方向(xiang)。其中第二項即(ji)“新一代傳(chuan)感器(qi)技術(shu)將(jiang)成為(wei)推動(dong)農業(ye)領域進步的(de)(de)底(di)層驅動(dong)技術(shu)”，將(jiang)高精(jing)(jing)度、精(jing)(jing)準可現場部(bu)署的(de)(de)傳(chuan)感器(qi)以及生物傳(chuan)感的(de)(de)開發、應用作為(wei)未來技術(shu)突破的(de)(de)關鍵之(zhi)一，而其余幾(ji)大(da)研究(jiu)(jiu)(jiu)方向(xiang)或與之(zhi)相關，或以此(ci)為(wei)基(ji)礎(chu)。
目(mu)前(qian)，我國的傳(chuan)(chuan)感器技術(shu)已經(jing)廣(guang)泛應用(yong)(yong)在農業領域，但主要還集中在對(dui)(dui)單個特征(zheng)，如溫、濕(shi)度的測量(liang)上，而新一代傳(chuan)(chuan)感器技術(shu)不(bu)僅(jin)僅(jin)包括(kuo)對(dui)(dui)物(wu)理環(huan)(huan)境、生物(wu)性狀(zhuang)的監(jian)測和(he)整合，更包括(kuo)運用(yong)(yong)材料科(ke)學及微(wei)電子(zi)、納米技術(shu)創(chuang)造的新型納米和(he)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感器，對(dui)(dui)諸如水(shui)分子(zi)、病(bing)原體(ti)、微(wei)生物(wu)在跨越土壤、動(dong)植物(wu)、環(huan)(huan)境時的循(xun)環(huan)(huan)運動(dong)過(guo)程進行監(jian)控。
新一代傳(chuan)感器具備快速檢測、連續監(jian)測、實時反饋、智能(neng)(neng)處理的(de)能(neng)(neng)力。”張云鶴說，“如果能(neng)(neng)在資源要素的(de)利(li)用(yong)環節即精準發現和(he)定(ding)量識別可能(neng)(neng)出現的(de)問題，并能(neng)(neng)實時進行優化調整，將徹底改變我國農業生產利(li)用(yong)方式。”
須多學科聯(lian)合攻關(guan)
今(jin)年以來，全(quan)球(qiu)小(xiao)麥、玉米(mi)、水(shui)稻(dao)三大(da)主糧產區均受(shou)到極(ji)端天(tian)氣(qi)影響(xiang)。傳(chuan)統的小(xiao)麥出(chu)(chu)(chu)口(kou)(kou)(kou)國澳(ao)大(da)利(li)亞因遭遇嚴(yan)重干旱，時隔12年后首次計劃進(jin)口(kou)(kou)(kou)小(xiao)麥;玉米(mi)出(chu)(chu)(chu)口(kou)(kou)(kou)大(da)國美(mei)國因受(shou)陰(yin)雨天(tian)氣(qi)影響(xiang)，播種創歷史同(tong)期最低水(shui)平;同(tong)受(shou)干旱影響(xiang)，水(shui)稻(dao)出(chu)(chu)(chu)口(kou)(kou)(kou)國菲律賓也出(chu)(chu)(chu)現大(da)規模(mo)歉(qian)收。
眾(zhong)所周知，我國以全球(qiu)7%的耕地養活了全球(qiu)20%的人(ren)口，但也用了全球(qiu)約1/3的化肥和1/2的農(nong)藥(yao)。提高糧食(shi)產(chan)量、減少化肥農(nong)藥(yao)用量亟須新一代傳感技術，建(jian)設(she)高標準(zhun)農(nong)田，發展精準(zhun)農(nong)業(ye)、智慧農(nong)業(ye)，新一代傳感技術已(yi)然成(cheng)為“剛需”。
汪小(xiao)旵(chan)認為，雖(sui)然(ran)對比國(guo)(guo)際先進水平，我(wo)國(guo)(guo)智慧(hui)(hui)農(nong)業發(fa)展(zhan)還處于(yu)成長期，但(dan)這也意(yi)味著價值空間(jian)大。益(yi)于(yu)中(zhong)國(guo)(guo)政策和土地政策的(de)助(zhu)推，中(zhong)國(guo)(guo)智慧(hui)(hui)農(nong)業起步晚，但(dan)發(fa)展(zhan)速度特別(bie)快。
傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)性(xing)能影響(xiang)著農業(ye)生產力的(de)(de)(de)提高(gao)，當前(qian)我國智慧農業(ye)尚處于監(jian)測環境因素(su)的(de)(de)(de)初級階段，而(er)且市(shi)場上的(de)(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)質量參差不齊(qi)。同時，智慧農業(ye)所使(shi)用的(de)(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)大部(bu)分(fen)面臨(lin)比較惡劣的(de)(de)(de)環境，低(di)功耗、耐腐蝕、抗低(di)溫性(xing)能良好(hao)成為農業(ye)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)基本要求。此外，部(bu)分(fen)農業(ye)生產者操作儀器(qi)(qi)的(de)(de)(de)水平所限(xian)，農業(ye)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)件應(ying)盡量選擇安裝方(fang)式簡(jian)單、方(fang)便(bian)攜帶、穩(wen)定性(xing)好(hao)和校正周期(qi)短的(de)(de)(de)產品。
新一(yi)代傳感器技術涉(she)及的(de)內容(rong)非常多(duo)，不是(shi)哪(na)一(yi)個(ge)學科和(he)專業可以單獨完成(cheng)的(de)，需(xu)要多(duo)學科聯合(he)攻關。”汪小旵說。
汪小旵舉例說(shuo)，監(jian)(jian)測動植(zhi)物性狀，有可能用到(dao)高光(guang)譜圖(tu)(tu)像(xiang)、熒(ying)光(guang)圖(tu)(tu)像(xiang)、納(na)(na)米(mi)(mi)技術、3D打(da)印等(deng)等(deng);要對NPK、病原體、微生物在土壤、水體等(deng)等(deng)中(zhong)的循(xun)環(huan)運(yun)動過程進行監(jian)(jian)控(kong)，就(jiu)會用到(dao)光(guang)電子學、材料學、微電子、納(na)(na)米(mi)(mi)技術等(deng)。
同時，制約新(xin)一代傳感器(qi)從實驗室(shi)走入產業的(de)(de)一個最關鍵(jian)因(yin)素，還(huan)在于新(xin)一代傳感器(qi)所(suo)具備的(de)(de)快速穩定(ding)檢測、連續(xu)可(ke)靠監測、以及和物聯(lian)網有效集成的(de)(de)能力。”汪小旵說(shuo)。(原(yuan)文(wen)采集自中國科(ke)學報，如涉及版權問題(ti)，請(qing)聯(lian)系我(wo)們刪除)
