國內水稻智慧農業(yè)的發(fā)展現狀_陳文德.pdf

nullnull 農業(yè)開發(fā)與裝備 2025年第11期 智能技術 國內水稻智慧農業(yè)的發(fā)展現狀 陳文德 廣州新科睿斯生物科技有限公司 廣東廣州 510000 摘要 隨著大數據 智能機器人 物聯網等先進技術 大力發(fā)展 以及近年來農業(yè)人口的短缺 智慧農業(yè)生 產逐步成為近年來國家發(fā)展的重要一環(huán) 而水稻作為 國內最主要的糧食作物之一 其生產過程的數據化 智能化 自動化更是農業(yè)生產的重中之重 從水稻生 產過程中的農情信息智能感知 農情分析決策 智慧 生產作業(yè) 農業(yè)生產管理大數據中心等方面在智慧農 業(yè)上的發(fā)展情況進行簡述 綜合概括了目前國內水稻 智慧農業(yè)生產逐步從數據化走向智能化 無人化的發(fā) 展現狀 關鍵詞 水稻 智慧農業(yè) 無人化 1 國內外智慧農業(yè)發(fā)展現狀 1 1 國外智慧農業(yè)發(fā)展現狀 隨著大數據技術 智能機器人等先進技術的迅速 發(fā)展 美國 日本 以色列等發(fā)達國家逐漸發(fā)展出一 套適合自身農業(yè)發(fā)展模式的智慧農業(yè)種植模式 美國 依靠其農業(yè)規(guī)模較大的優(yōu)勢 利用物聯網技術等迅速 實現農業(yè)信息化 建立出一套信息化 智能化農業(yè)體 系 日本則專注于發(fā)展精簡農業(yè) 集約農業(yè) 通過大 力發(fā)展溫室 農業(yè)機器人等農業(yè)設施設備 實現智慧 化高效高值農業(yè)的運作 1 1 2 國內智慧農業(yè)發(fā)展現狀 近年來 國家越來越重視智慧農業(yè)的發(fā)展 2021年 國家發(fā)布中央一號文件 中共中央 國務院關于全面 推進鄉(xiāng)村振興加快農業(yè)農村現代化的意見 農業(yè)農 村部發(fā)布 關于落實好黨中央 國務院 2021 年農業(yè)農 村重點工作部署的實施意見 共同提出要加快發(fā)展 智慧農業(yè) 加強高標準農田建設 大力推進農業(yè)機械 化 強化農業(yè)科技支撐服務 建立農業(yè)農村大數據體 系 2022年中央一號文件 中共中央 國務院關于做 好2022年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作的意見 繼續(xù)提 出大力推進發(fā)展智慧農業(yè) 在國家政策支持下 國內智 慧農業(yè)行業(yè)逐漸發(fā)展出一批高新技術企業(yè) 在農業(yè)物聯 網技術 智能農業(yè)裝備等領域開拓出新市場 逐漸實現 農業(yè)信息化 朝著農業(yè)智能化 智慧化發(fā)展 2 國內水稻智慧農業(yè) 水稻智慧農業(yè)生產過程中 主要可以分為農情信 息智能感知 農情分析決策 智慧生產作業(yè)三個步 驟 首先是對農情信息如環(huán)境信息 病蟲草害信息 作物長勢信息進行監(jiān)測和提取 然后通過決策中心對 收集到的農情信息進行智能化識別分析 對病蟲草 害 氣象災害等情況做出合理判斷 形成病蟲草害防 治方案 處方圖等分析結果 并給出相應的作業(yè)指 導 根據決策結果進行對應的農事措施 同時作業(yè)過程 實時進行監(jiān)管 將作業(yè)質量等情況反饋到決策中心 2 1 農情信息智能感知 農情信息感知在水稻生產過程中尤為重要 在現 代智慧農業(yè)生產中 可以通過智能設備代替人進行信 息感知 通過遙感技術進行農情監(jiān)測 通過氣象站監(jiān) 測氣象數據 通過病蟲害監(jiān)測站監(jiān)測病蟲害發(fā)生情 況 通過無人機等設備監(jiān)測作物長勢 為后續(xù)的決策 分析提供了更加全面 更加準確 更加詳細的信息 2 1 1 環(huán)境信息感知 氣象感知技術目前已經較為成熟 市面上生產的 大部分氣象儀能夠監(jiān)測空氣溫濕度 降雨量 風速 光照強度等氣象數據 同時提供氣象預測預報 在防 范氣象災害上有顯著成效 有效支撐了水稻整個生育 周期的肥水管理和災害預防 土壤的含水量 大量元素含量等因素極大地影響 著水稻的分蘗率 結實情況 目前水稻土壤監(jiān)測儀器 大部分能夠有效監(jiān)測土壤中的含水量 電導率等數 據 但對于水稻生長的輔助作用較小 且對于土壤中 大量元素含量 微量元素含量等信息無法實時監(jiān)測 對于土壤中有機質含量 有效態(tài)成分等信息的監(jiān)測 收集和分析尚處于開發(fā)研究階段 2 2 1 2 作物生長信息感知 科學院建立的 中國農情遙感速報系統(tǒng) CropWatch 現已發(fā)展成為 全球農情遙感速報系 統(tǒng) CropWatch 形成了對植被健康指數等作物長 勢監(jiān)測 耕地種植情況監(jiān)測等體系化全鏈條的農情遙 感檢測體系 3 同時 市面上多家農業(yè)企業(yè)也陸續(xù)推出 農情遙感相關產品 如中化現代農業(yè)有限公司推出的 作者簡介 陳文德 1996 男 大學本科 助理農藝師 研 究方向 水稻栽培 育種 植保 nullnull 農業(yè)開發(fā)與裝備 2025年第11期智能技術 MAP智農 手機APP能夠實現對作物長勢 冠層水分 等的農情遙感 目前 農情遙感技術已經趨于成熟 在水稻智慧農業(yè)生產中 可以通過無人機代替巡 田工作 目前無人機生產企業(yè)如深圳市大疆創(chuàng)新科技 有限公司 廣州極飛科技股份有限公司等已經研發(fā)出 農業(yè)飛巡無人機和配套的智慧農業(yè)體系 2023年 深 圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司推出DJI Mavic3多光譜版 能夠實現智能定點巡田和多光譜分析 配合大疆智圖 和大疆智慧農業(yè)平臺生成 NDVI 植被指數圖 捕捉作 物長勢差異 2 1 3 病蟲草害信息感知 在智慧農業(yè)生產中 水稻田通常采用無人機 蟲 情監(jiān)測站 孢子儀等智能化設備進行病蟲草害感知 通過無人機遙感技術 可以對水稻病害 蟲害 草害 信息進行采集 搭載數碼相機 紅外相機 多光譜相 機等進行低空拍照 基于圖像識別 機器學習等方 式 實現對水稻病蟲草害的識別診斷 4 除了低空遙感感知病蟲草害以外 目前水稻生產 上還通過蟲情監(jiān)測站 孢子儀等實現對病蟲害的監(jiān) 測 目前的水稻蟲情監(jiān)測站已經比較成熟 基本上都 是通過誘蟲燈采集蟲體 對蟲體進行圖像識別的方式 進行蟲害識別 能夠識別稻縱卷葉螟 稻飛虱等水 稻主要害蟲 為水稻植保提供有效支撐 在病害識別 上 也是通過采集病菌孢子 對孢子高清拍照的方式 進行圖像識別 能夠識別出稻瘟病 紋枯病等病原孢 子 目前 孢子儀在水稻種植上仍存在其局限性 尚 未實現大面積應用 2 2 農情分析決策 在收集到田間的氣象 病蟲害 作物長勢等信息 后 現代水稻智慧化生產可以應用AI算法進行識別 分析 乃至做出決策 形成植保作業(yè)處方圖 農機調 度方案等指令 2 2 1 智能識別分析 在水稻智慧農業(yè)生產中 對水稻長勢 病蟲害的 智能識別分析主要基于計算機視覺技術 包括可見光 成像 多光譜等不同波長波段的光譜 通過高空遙 感 低空無人機遙感 田間智能設備采集等多種方式 收集光譜數據 結合歸一化差異植被指數 NDVI 葉面積植被指數 LAI 等參數進行分析 正確判斷 水稻當前的長勢和病蟲害發(fā)生情況 根據分析結果判 斷需要采取的相對應的農事措施 目前已經有多種算 法能夠對采集到的光譜數據進行解析 演算出相應結 論 如王澤等提取無人機和田間固定相機圖像 通過 圖像處理 三維建模和機器學習自動測算出田間水稻 冠層參數 5 2 2 2 農情智能決策 結合氣象數據 土壤墑情 病蟲害預警等信息 構建農情智能決策模型 能夠精準制定灌溉 施肥 施藥等管理方案 助力水稻高效 優(yōu)質生產 目前 農業(yè)無人機作業(yè)過程中 基本上采用的是 定時定量噴灑或播撒的方式進行作業(yè) 在地力不均勻 的地塊容易出現長勢不均勻的現象 而在智慧農業(yè) 生產中 通過多光譜數據監(jiān)測歸一化差異植被指數 NDVI 等作物長勢相關數據 形成無人機作業(yè)處方 圖 能夠實現變量施肥施藥 有效提高了肥料和農藥 利用率 當前 已有大量關于無人機變量施肥施藥的 研究 如于豐華等采用無人機高光譜技術建立水稻處 方圖 進行水稻無人機精準施肥 6 市面上應用較多的 大疆農業(yè)無人機和極飛農業(yè)無人機也在無人機作業(yè)處 方圖的方向上有所研究和應用 大型水稻生產農場在實際生產中 通常會涉及農 機作業(yè)調度和作業(yè)質量監(jiān)管的問題 智慧農業(yè)生產通 過建立農機調度平臺 集合農機和農機手信息 構 建農機調度模型 輔助或自主進行農機調度決策 同時在農機作業(yè)過程中 實時監(jiān)測作業(yè)質量 及時反 饋到作業(yè)平臺進行調整或整改 目前 在農機作業(yè) 調度上 已經有很多研發(fā)機構和農機生產廠家進行 研發(fā) 如謝婷婷等等設計了基于遺傳算法 Genetic algorithm GA 的農機作業(yè)調度系統(tǒng) 智能生成農機 調度方案 7 2 3 智慧生產作業(yè) 智能農業(yè)設備是智慧農業(yè)生產中的關鍵一環(huán) 目 前市場上已經有相當多的智能農機 智能灌溉等智能 設備實現無人化 現代化作業(yè) 2 3 1 智能農機作業(yè) 大規(guī)模水稻生產中離不開插秧機 拖拉機 收割 機等農機具的使用 其智能作業(yè)的發(fā)展路徑主要是從 輔助駕駛到無人駕駛再到全局協同作業(yè)的發(fā)展方向 目前國內大型農場的農業(yè)機械都已經安裝了北斗導航 系統(tǒng) 能夠輔助駕駛 減輕駕駛員勞動量 國內研發(fā) 機構如華南農業(yè)大學 上海交通大學 中國農業(yè)大學 等單位相繼研發(fā)出農機自動駕駛系統(tǒng) 能夠實現農機 導航 路徑規(guī)劃 自主避障 農具控制 多機協同 等 8 9 在水稻生產上 目前主要采用在原有農機基 礎上進行加裝或改裝成自動駕駛系統(tǒng)的方式實現自動 化 技術比較成熟 能夠實現在水稻生產上的全程無 nullnull 農業(yè)開發(fā)與裝備 2025年第11期 智能技術 人農機作業(yè) 2020年 華南農業(yè)大學在廣州增城設立 無人農場 取得了優(yōu)異的成效 10 在農業(yè)無人機出現后 其便捷性 高效性使得農 業(yè)無人機行業(yè)迅速發(fā)展 逐步替代了部分傳統(tǒng)農機的 作業(yè)任務 我國的農業(yè)無人機行業(yè)發(fā)展一直處于世界 領先地位 其中以深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司和廣 州極飛科技股份有限公司為領頭企業(yè) 這兩家企業(yè)生 產的農業(yè)無人機近年來逐步實現了路徑規(guī)劃 自動避 障 高精度噴灑 播撒等全自動作業(yè) 有效實現了水 稻生產過程中直播 植保 施肥等作業(yè)的無人化 同 時 羽人無人機 珠海 有限公司還開發(fā)出了多旋翼 水稻精量直播無人機 深圳天鷹兄弟無人機創(chuàng)新有限 公司開發(fā)出了油電混動多旋翼農用無人機 更加豐富 了農業(yè)無人機的應用場景 2 3 2 智能灌溉 水稻生產過程中全程需水 因此其水分管理也是 水稻栽培過程中的重中之重 近幾年來隨著高標準農 田的建設 國內大型農場基本實現了進排水渠的硬 化 部分農場配備了智能灌溉系統(tǒng) 在田塊進排水口 設置進排水閘閥 通過遠程控制的方式 控制閘閥的 開啟和關閉 實現稻田灌溉的遠程控制 同時在田間 設置水位監(jiān)測系統(tǒng) 能夠實時監(jiān)測水位高度 與智能 閘閥進行聯動后 通過后臺設置進排水水位高度 實 現自動進排水 11 但目前在水位監(jiān)測過程中 因稻田 整田高度不一致等原因 無法實現水位一致 因此水 位監(jiān)測可能存在監(jiān)測數據不準確的情況 2 4 農業(yè)生產管理大數據中心 通過建立農情信息智能感知系統(tǒng) 農情分析決策 系統(tǒng) 智慧生產作業(yè)系統(tǒng) 整合形成農業(yè)生產管理大 數據中心 是水稻智慧農業(yè)種植的主要發(fā)展趨勢 大 數據中心統(tǒng)籌管理水稻智慧農業(yè)生產過程中的栽培管 理 病蟲害防治 水肥管理等項目 總覽農事 農 機 灌溉等種植過程中的各個方面 如趙晴等應用農 業(yè)物聯網 決策模型 大數據等技術 構建了大田作 物智慧生產綜合服務平臺 實現物聯網環(huán)境感知 氮 肥決策 農情遙感服務 水氮智能管理 蟲害監(jiān)測預 警等服務 12 3 結語 在物聯網 農業(yè)機器人 大數據等新興技術的快 速發(fā)展下 水稻智慧農業(yè)發(fā)展迅速 已經基本實現農 業(yè)生產的數據化 智能化 通過對環(huán)境 病蟲草害 作物長勢等數據的感知 結合智能化決策意見 進行 無人農機作業(yè) 無人機作業(yè) 智能灌溉等 同時構建 農業(yè)生產管理大數據中心 對稻田進行數據化綜合管 理 實現智慧生產 但目前水稻大規(guī)模生產上仍未能 實現真正意義上的無人農場 且智慧農業(yè)應用較少 各個稻區(qū)之間耕作方式不一 導致智慧農業(yè)生產模式 難以套用 因此需要根據當地的水稻生產方式 結 合實際進行智慧農業(yè)生產應用 實現水稻生產的智慧 化 無人化 這也是未來水稻種植智慧農業(yè)的主要發(fā) 展方向之一 參考文獻 1 劉建波 李紅艷 孫世勛 等 國外智慧農業(yè)的發(fā)展經驗及 其對中國的啟示 J 世界農業(yè) 2018 11 13 16 2 岳學軍 蔡雨霖 王林惠 等 農情信息智能感知及解析的 研究進展 J 華南農業(yè)大學學報 2020 41 6 14 28 3 吳炳方 張淼 曾紅偉 等 全球農情遙感速報系統(tǒng)20年 J 遙感學報 2019 23 6 1053 1063 4 蘭玉彬 鄧小玲 曾國亮 無人機農業(yè)遙感在農作物病蟲 草害診斷應用研究進展 J 智慧農業(yè) 2019 1 2 1 19 5 王澤 周欽陽 劉聰 等 基于無人機和地面圖像的田間水 稻冠層參數估測與評價 J 作物學報 2022 48 5 1248 1261 6 于豐華 曹英麗 許童羽 等 基于高光譜遙感處方圖的寒 地分蘗期水稻無人機精準施肥 J 農業(yè)工程學報 2020 36 15 103 110 7 謝婷婷 基于GA的農機作業(yè)調度研究與應用 D 武漢 武 漢理工大學 2015 8 羅錫文 廖娟 臧英 等 我國農業(yè)生產的發(fā)展方向 從機 械化到智慧化 J 中國工程科學 2022 24 1 46 54 9 尹彥鑫 孟志軍 趙春江 等 大田無人農場關鍵技術研究 現狀與展望 J 智慧農業(yè) 中英文 2022 4 4 1 25 10 羅錫文 廖娟 胡煉 等 我國智能農機的研究進展與無人 農場的實踐 J 華南農業(yè)大學學報 2021 42 6 8 17 11 駱靜 水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的設計與應用 J 現代農業(yè) 2020 6 6 8 12 趙晴 李國強 胡峰 等 大田作物智慧生產綜合服務平臺 構建與應用 J 農業(yè)大數據學報 2021 3 4 29 39