羅錫文：中國工程院院士、華南農業大學教授、《智慧農業（中英文）》顧問委員
數字農業以農業物聯網、農業大資料、精準農業、智慧農業和人工智慧等先進技術與農學、生態學、農業工程等基礎學科有機結合，對作業物件、作業環境和作業過程進行視覺化表達、數字化設計和資訊化管理。數字農業使資訊科技與農業生產各個環節有效融合，對改造傳統農業、轉變農業生產方式具有重要意義。數字農業技術已被應用於農業領域且發展迅速，在農業農村各個領域的全面應用和融合加速是“十四五”時期發展的重點，將迎來重要戰略機遇。
壹
數字農業技術提升農機裝備智慧化水平
近年來，我國數字農業技術得到快速發展，提高了智慧農機裝備的智慧感知、自動導航、精準作業和智慧管理水平。
01 智慧感知
智慧農機作業前和作業時必須準確獲取各種農情資訊，包括土壤資訊，如土壤耕作阻力，土壤養分（氮、磷、鉀等）和土壤水分等；作物長勢資訊和作物病蟲草害資訊等。“星基地”，即衛星，飛機（有人駕駛飛機和無人駕駛飛機）和地面觀測儀器，可為各種農情資訊的獲取提供強有力的支援。華南農業大學研究成功帶GNSS的土壤耕作阻力測定裝置，中國農業大學研究成功可準確獲取土壤水分和土壤壓實狀況的車載式感測器。由於至今尚無可以在田間實時準確測定土壤中氮、磷、鉀的感測器，華南農業大學研究成功帶GNSS的自動土壤取樣器。水是影響作物生長的重要因素之一，華南農業大學研究成功既可以測定田面水層深度又可以測定水田土壤中含水量的無線感測器，為水稻生產自動灌溉提供了支援。國家農業資訊化工程技術研究中心研究成功土壤耕深監測系統，可準確測定深松深度和深松面積。現在，各種多光譜、高光譜儀安裝在無人機和地面移動式車輛上，可獲取不同生長時期的作物長勢和作物病蟲害情況，為精準施肥和精準灌溉提供了支援。華南農業大學採用無人機獲取水稻氮素資訊，制定施肥處方圖，並據此進行精準對靶變數施肥，2019年在廣東羅定縣早稻生產中應用的結果表明，可減少氮肥28%。
施肥處方圖
變數施肥無人機
02 自動導航
自動導航技術可以大幅度提高農業機械的作業質量和作業效率，是現代農業的重要內容和標誌。美國等發達國家自上世紀80年代中期即開展了農業機械自動導航技術的研究。我國的農業機械自動導航技術研究起步較晚，但經過20多年的努力，目前與發達國家總體上處於“並跑”狀態，突破了十大關鍵技術，包括導航定位、路徑跟蹤、電液轉向、電機轉向、速度線控、機具操控、自動避障、主從導航、車載終端和系統整合技術。取得了三大創新成果，包括農業機械自動導航定位與姿態檢測技術、農業機械自動導航控制技術和農業機械自動導航作業系統整合技術。創制了適用於旱地和水田作物耕、種、管、收等作業環節的電液轉向和電機轉向系列產品，包括自動導航作業的旋耕機、播種機、插秧機、噴霧機和收穫機。在旱地作業中，行駛速度在18km/h內，路徑跟蹤精度為2.5cm；在水田作業中，針對水田硬底層不平，土壤鬆軟、農機側滑嚴重、俯仰橫滾姿態變化頻繁且幅度大的問題，在農機導航複合路徑跟蹤控制器中增加了側滑估計補償器，顯著提高了農機導航系統的水田抗側滑干擾能力。行駛速度在8km/h內，路徑跟蹤精度為4.4cm。華南農業大學研究成功無人駕駛主從導航收穫機系統，收穫機與運糧車在直線行駛段的橫向位置誤差不超過5cm，縱向位置誤差不超過10cm，可以保證收穫機的糧食準確地卸在運糧車中，大大提高了收穫機的作業效率。目前，我國水田作業機械自動導航和主從導航收穫機系統居國際領先水平。採用自動導航的農業機械經濟社會效益顯著，可提高作物產量2%~3%，減少肥料和農藥用量5%~10%，降低生產成本5%~10%，可提高土地利用率0.5%~1%，還可以24小時不間斷作業，大大提高了農機利用率。
無人駕駛主從收穫（跟車卸糧模式）
03 精準作業
精準作業，包括精準耕整、種植、田間管理、收穫和乾燥，是現代農業的基本要求，是提高農業機械化水平的重要支撐。近二十年來，我國農業機械精準作業水平不斷提高，與發達國家的差距不斷縮小。
精準種植方面，保護性耕作技術在全國大面積推廣，面積超過1億畝。深松、少耕、免耕技術已成為各地的主推技術。採用保護性耕作技術，有利於控制風蝕水蝕，減少水土流失；有利於改良土壤結構，提高土壤地力；有利於提高土壤節水抗旱能力，減少溫室氣體排放，增加作物產量。試驗結果表明，採用保護性耕作技術，可降低風蝕34%以上，增加土壤的水入滲率20%以上，可減少40%以上的土壤徑流，乾旱年份可達60%以上。鐳射平地技術已在旱地和水田精準平整中推廣應用，玉米精量播種基本實現了單粒等距和等深。棉花播種採用覆膜精量穴播，單產翻了一番多。華南農業大學研究成功的“三同步”水稻精量穴直播技術可實現常規稻、雜交稻和超級雜交稻精量直播，取得了一批高產記錄，在新疆三年畝產超過1000kg。
水稻精量旱穴直播機
水稻精量水穴直播機
精準管理包括水、肥、藥的管理。根據作物生長需水規律，採用滴灌、噴灌、微噴灌、間歇交替灌溉、膜下滴灌和水肥一體化灌溉等精準灌溉技術，大幅度提高了灌溉水的利用率，減少了水的灌溉用量。我國化肥用量居世界第一，但利用率低，氮肥與磷肥的當季利用率分別只有30%~35%和15%~20%，發達國家氮肥利用率可達50%~60%，歐盟國家的氮肥利用率高達70%~80%，採用精準施肥技術，可以節約肥料15%~40%，單位肥料產出提高30%~60%。水稻插秧同步側深施肥、小麥、玉米和大豆變數免耕施肥播種技術大幅度提高了肥料利用率，減少了施肥量和生產成本，提高了作物產量。
目前，在我國農業生產中，農民過度依賴農藥，病蟲害抗藥性增加，農藥用量增加（用量居世界第一），生產成本增加，環境汙染加劇，食品安全事故時有發生。針對上述問題，近20年來，我國大力推廣精準植保技術，取得了重大進展，高地隙寬幅噴施技術與機具在生產中大面積推廣，效益顯著；無人機施藥技術因速度快、效率高，深受農民的親睞，2020年，無人機植保作業面積超過10億畝次。2015年，我國農業部啟動了到2020年化肥使用量和農藥使用量零增長行動，取得明顯成效，提前三年實現了行動目標。
無人駕駛高地隙噴霧機施肥作業
精準收穫方面，高效低損稻麥收穫機、果穗型和籽粒型玉米收穫機、馬鈴薯和油菜收穫機等糧食作物和經濟作物收穫技術與機具大面積推廣應用，實現了豐產豐收，並向通用化、智慧化和舒適安全方向加速發展。收穫產量和收穫面積感測器進入推廣應用階段，自動生成的產量分佈圖為精準農業提供了依據。收穫後秸稈粉碎還田和秸稈打捆技術和機具日趨成熟，並在生產中推廣應用。
精準乾燥方面，過去，由於乾燥不及時，我國稻穀常年黴爛損失在250萬噸左右。為此，華南農業大學研究成功糧食通風乾燥過程解析演算法、高精度糧食水分檢測儀及線上取樣裝置和稻穀乾燥智慧控制儀，建成稻穀乾燥中心，採用這種乾燥中心，稻穀含水率由28.4%降到13.6%，每小時可處理稻穀14.13噸，每噸的乾燥成本僅15.16元。
04 智慧管理
農業機械作業時間相對集中，但作業地點比較分散，作業工況複雜，因此，亟需透過資訊科技提高農業機械的智慧管理水平，包括遠端排程，機具狀態和作業質量監控，故障預警和維修保養。
遠端排程方面，在農業機械上安裝衛星訊號接收系統後，農機管理人員可以利用“網際網路+”等技術遠端實時獲取農業機械的作業地點，作業軌跡和作業進度，並根據當地生產需求和作業機具分佈情況，按最短轉移路徑和作業需求緊迫情況等原則進行排程，以充分利用農機資源，提高農機使用效率。
機具狀態和作業質量監控方面，在農業機械關鍵部位安裝相應的感測器後，作業時就可以實時將機具狀態和作業質量傳送至農機生產企業和農機管理部門，如拖拉機的發動機引數，PTO轉速，行駛速度、動力換擋引數等；收穫機的脫粒滾筒轉速，清選風扇轉速，前進速度、割臺速度，割臺高度，實際割幅和發動機引數等；播種機的播種量，播種深度和排種器堵塞狀況；施肥機的施肥量，排肥輪轉速的堵塞狀態等；噴霧機的噴霧壓力、藥液流量和噴頭噴霧狀態等。
故障預警和維修保養方面，農機生產企業和農機管理部門根據實時獲取的機具狀態和作業質量資訊，對機具的作業狀態作出判斷，如發現收穫機的脫粒滾筒轉速降低過多，就提醒駕駛員脫粒滾筒可能發生堵塞，建議駕駛員降低收穫機前進速度或減少割幅，以減少喂入量，防止堵塞。一旦發生故障，就透過網際網路遠端指導駕駛員進行維修，對於一些駕駛員無法排除的故障，則立即通知距故障農機最近的農機維修人員前去維修。
貳
無人農場是數字農業實現的重要途徑
依託生物技術、智慧農機和資訊科技建設的無人農場是數字農業實現的重要途徑之一。智慧農機是建設無人農場的物質支撐。華南農業大學整合相關的智慧農機裝備，建立了水稻無人農場並在廣東增城進行了實踐，2020年中稻試驗面積為1.87hm²，2021年早稻和晚稻試驗面積為3.33hm²。增城水稻無人農場從2020年5月3日開始旋耕，至8月30日收穫，歷時120天，實現了水稻生產耕、種、管、收全程無人作業。水稻無人農場的稻穀產量均高於當地的平均產量，表明了其巨大的發展潛力。2021年早稻生產採用優質絲苗米品種“19香”，產量9943.35kg/hm²，高於當地的平均產量7500kg/hm²。
無人駕駛旋耕機旱旋耕作業
無人駕駛水稻旱直播作業
無人駕駛高地隙噴霧機施藥作業
無人駕駛主從收穫機（等待卸糧模式）
水稻無人農場具有耕、種、管、收生產環節全覆蓋，機庫田間轉移作業全自動，自動避障異況停車保安全，作物生產過程實時全監控和智慧決策精準作業全無人等5個特點。
（1）耕、種、管、收生產環節全覆蓋，即覆蓋農作物生產中的耕整、種植、田間管理（水、肥、藥）和收穫的各個環節。
（2）機庫田間轉移作業全自動，即農機自動從機庫轉移到田間，完成田間作業後自動回到機庫。
（3）自動避障異況停車保安全，即在農機轉移和作業過程中能實現自動避障，遇到異常情況能自動停車，以確保安全。
（4）作物生產過程實時全監控，即能對作物生產過程中的長勢和病蟲草害情況進行實時監控。
（5）智慧決策精準作業全無人，即能根據作物的長勢和病蟲草害情況及時作出決策並自動進行精準作業，包括精準灌溉、精準施肥和精準施藥等。
在大田生產作業中可實現耕、種、管、收全程無人化，提高作業質量和作物產量，降低生產成本，實現24小時不間斷作業，為解決誰來種地提供了一條切實可行的途徑。
叄
無人農場發展
華南農業大學建設的水稻無人農場表明了其在發展數字農業中的巨大潛力，也為我國無人農場建設發揮了示範作用，數字化感知、智慧化決策、精準化作業和智慧化管理將是無人農場發展的方向。
數字化感知：採用農業生產環境、動植物生長、病蟲草害、農機作業情況等資訊感知技術和感測器，並結合物聯網等實現全環節全流程感知數字化，為決策、作業和管理提供資料支撐。
智慧化決策：結合大資料、雲計算、人工智慧等技術，開展資料探勘、知識發現等技術研究，實現農場生產決策智慧化。
精準化作業：包括智慧農機裝備技術、自動駕駛技術、多機協同技術和精準作業技術，實現無人化智慧裝備自主精準作業。
智慧化管理：包括農作物生長管理、農機管理和農場管理，實現農業生產“耕、種、管、收”高效協同作業和農場生產全流程智慧化管理。
本文來源：《大資料時代》世界數字農業博覽會專刊
2021年10期
編輯/楊有韋
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