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[科技策略] 赵春江:智慧农业展望

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发表于 2024-1-26 10:31:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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赵春江
中国工程院院士
国家农业信息化工程技术研究中心主任
党的二十大报告提出建设农业强国。建设农业强国的基本要求是实现农业现代化。中国实现农业现代化的重点是解决效率问题,关键在于科技创新,发展智慧农业。农业进入数字化时代,智慧农业科技已成为国际发展前沿。智慧农业是建设农业强国的重要内容,将在促进农业生产方式变革、建设现代农业、实现高质量发展和乡村振兴方面发挥重要作用。

智慧农业定义与发展战略
世界农业发展经历了以矮秆品种为代表的第一次绿色革命、以动植物转基因为核心的第二次绿色革命,随着新一代信息技术的全面应用,农业的第三次革命——“农业数字革命”正在到来,其典型代表是智慧农业。智慧农业是一种综合利用生物技术、信息技术和智能机械设备的全新农业生产方式。经过农业机械化、农业绿色革命、精准农业发展阶段,现代农业走向以数据为基础的智慧农业发展阶段。美国、欧盟、日本等多个发达国家和地区均对智慧农业发展进行了前瞻性的战略部署,相继推出了智慧农业发展计划。比如,日本的“下一代农林水产业创造技术”,包括农业AI、农业机器人、农业自主无人系统;欧盟的“农业科技2030”,包括农业大数据AI、农机物联网与智能装备;美国的“面向2030年食品农业科技发展战略”,包括农业传感器、农业数据科学、农业AI、食品与农业信息学。联合国粮农组织(FAO)也制定了“农业机器人与自动化支持可持续作物生产”计划,提出发展农业机器人、自动化设备和农业大数据。

2022年,联合国粮农组织发布《全球食物与农业展望报告》,认为智慧农业技术发展的里程碑式事件包括:(1)1974年动物电子耳标成功研发;(2)20世纪末全球卫星导航系统(GNSS)出现;(3)美国大型拖拉机企业约翰迪尔公司的自动驾驶拖拉机生产,再到无人农场建立,同时,提出作物、水产、畜牧业是未来智慧农业发展的重要领域。

中国智慧农业发展情况
《国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标》(简称“十四五规划”)中明确提出建设智慧农业,加快推进农业农村现代化。智慧农业科技分为信息获取、数据利用、数据应用、知识服务等四类,形成了从信息获取到田间生产实践的闭环发展。以下重点从上述四个维度介绍中国智慧农业发展情况。

第一,农业传感器。农业传感器是智慧农业信息之源。在全球农业传感器产业布局中,北美占43.3%,欧洲占29.7%,日本占19.8%,而中国只占4.2%。中国每年进口大约600万只高端农业传感器,耗资约460亿元。中国农业传感器制造业相对较弱,存在许多卡点。比如,在农产品加工中,中国尚未能制造与低温高压食品加工技术相关的高质量传感器,全球仅有德国具备生产此类传感器的能力。目前传感器在我国农业育种、种养殖、加工等全环节中的需求均较为强烈。在育种方面,利用传感器可构建多尺度、多维度、高通量的作物室内—温室—田间全链条表型数据获取技术装备体系,有利于提高作物育种质量;在环控方面,利用传感器监测甲烷、氨气、硫化氢气体,有利于动物健康生长;在农业测土配方施肥中,利用传感器进行现场检测土壤,可节省时间和资金成本。目前,传感器技术正在经历利用激光光谱替代声学光谱的重大变革,提高了对微量气体的传感能力,实现了甲烷、氨气、硫化氢等气体的高灵敏监测,能把灵敏度精度提高到两个数量级。比如测硫化氢,过去的检测线是4ppm(Parts Per Million,百万分之一),用激光光谱技术检测后,检测线可以达到±0.2ppm。

第二,农业大数据智能。由于我国农业具有地域性、季节性、多样性、周期性等特征,农业农村的大数据体量浩大、模态繁多、生成快速、时空属性显著。目前,农业农村的数据量大约是8000个PB(1PB=1048576GB),并以每年34%的速度增长。这些大数据可用于发现对象之间的客观规律,构建基于人工智能和机器学习的知识服务模型,通过构建云平台知识图谱,提供以知识为基础的服务,准确服务农业和农民。利用大数据智能分析,可解决当前产业发展中面临的诸多问题。一是利用农业跨媒体数据挖掘和深度学习,可以进行作物病害图像识别和自动诊断;二是可优化常规检测方法存在的主观性强、工作量大、覆盖范围窄、效率低等缺点;三是可低成本获取动物行为视频,开展畜禽面部外貌、纹理、面部特征识别与分析,此方法更符合人工检视方法与思路,将视频非结构化大数据与物联网结构化数据进行整合,可进一步提高分析精度与准确度,如当前多角度猪脸识别准确率可以达到97.66%。

第三,高端智能农机装备。智能农机装备是智慧农业发展的重要支撑,是把人从繁重的农业劳动生产中解放出来的主要工具。中国已经攻克了300马力以上的大型智能化农机装备研制瓶颈,并研发了一批适合丘陵山区的高效、绿色、智能型机械,解决丘陵山区“无机可用”难题。中国一拖自主研制了国内首台400马力无级变速拖拉机—东方红LW4004,电动拖拉机、氢能源拖拉机、油电混合动力拖拉机新型动力拖拉机等我国企业自主研发的高端绿色智能农机也相继问世。同时,随着基于北斗的农机自动导航与作业精准测控关键技术趋于成熟,面向复杂作业场景的,具有精准感知、自主决策、智能控制与自动执行能力的多自由度自主作业装备研制突飞猛进,如国家农业信息化工程技术研究中心国内首创的“采—收—运”一体式果园多臂采摘机器人,采摘作业空间覆盖率≥85%,成功采收率≥80%,采摘综合效率≥800果/小时(人工的5倍),综合性能与国外产品相当。

第四,智慧农场。智慧农场是先进智能技术、工业技术和工程科技等高度集成,实现农业全程高效无人化的农业生产方式,对解决劳动力短缺具有重大意义。2017年,世界著名农业机器人专家、英国哈珀亚当斯大学Blackmore教授发布了1公顷大麦从种植到收获全程无人参与的研究成果,震惊世界,使无人农场迅速成为国际现代农业科技前沿。智慧农场关键技术主要包括:复杂环境下自主感知与理解技术、行为决策与轨迹规划技术、自主导航与定位技术、多场景自主技能学习与智能控制技术、无人集群协同控制与自然人机交互技术、自然人机交互技术等。目前,我国智慧农场的发展重点应包括两方面。一是构建农田智能信息感知技术体系,深入开展基于视觉和激光雷达的农田地块边界、田间障碍物感知等农机自动驾驶与自主行走环境感知技术研究;二是要建设露天蔬菜无人农场,重点突破无人化农机路径规划算法、路径跟踪控制、多机协同路径规划与主从协同控制等决策模型构建。

未来智慧农业发展展望
联合国粮农组织近期发布了《农业技术促进粮食和水安全》(AgriTech for Food & Water Security)报告,提出未来影响农业农村发展的六大技术:农业生物技术、数字化技术、可再生能源、农业机械化、灌溉技术、食品加工技术装备,认为科学、技术和创新可以加快农粮系统的转型,使其成为更高效、更具包容性、更有韧性和更可持续的农粮系统。

2022年10月16日,习近平在党的二十大报告中指出:“强化农业科技和装备支撑”。我国“十四五”规划提出“推进数字产业化和产业数字化,提高农业质量效益和竞争力,发展智慧农业”,发展智慧农业对实现农业现代化、建设农业强国意义重大。现代农业发展已经由机械化向数字化、自动化、智能化过渡,智慧农业正在将数字科技和先进的工业技术整合到农业中去,极大地提高了农业技术水平和效率。未来,智慧农业无人作业系统将形成播种(深松翻地、平地、播种)、管理(精量施肥、中耕、除草)、收获(协同收获、产量估测)全环节、全过程的闭环应用与发展,并将助推新农业生产模式的创造,比如无人化垂直植物工厂。同时,要立足大食物观,充分发挥数字科技的赋能增效作用,“向森林要食物,向江河湖海要食物,向设施农业要食物”。


(本文根据作者在“清华三农论坛2024”主论坛上的演讲整理,经本人确认并授权。)

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