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      作者:張雙虎 來源:中國科學報 發布時間:2021/9/16 17:30:48
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      新一代傳感技術撬動智慧農業

       

      農科院棉花研究所南繁育種基地大棚內的傳感系統 中棉所供圖

      當無人機在三亞的晴空緩緩升起,中國農業科學院棉花研究所南繁育種基地中控室的大屏上,基地的概貌和株高、葉面積指數、冠層溫度、葉綠素含量等育種專家關心的表型數據逐漸清晰起來。

      這是中國農業科學院棉花研究所南繁育種基地無人機遙感田間育種表型觀測系統工作時的場景。為解決南繁農業信息基礎設施不足、基礎數據缺失、信息管理系統不完善等問題,海南省投建了南繁硅谷綜合服務平臺,有了新一代農業傳感技術“加持”,南繁育種基地立刻“耳聰目明”起來。

      傳感技術顯身手

      “傳感器技術是信息社會的重要技術基礎。”國家農業信息化工程技術研究中心副研究員張云鶴對《中國科學報》說,“傳感器的品種、數量、質量和技術水平,直接決定了信息技術系統的功能和質量。”

      提起目前農業生產中應用的各類傳感技術,張云鶴從環境、氣體傳感,土壤、水質傳感,植物生理傳感,無人機遙感四大類,一口氣列舉了20多種。

      在作物環境信息監測系統中,可以實時監測育種小區視頻圖像、空氣溫濕度、光照、風速、風向、雨量、土壤溫濕度、電導率、pH值、土壤墑情等參數。也可以進行作物穗層溫濕度監測。利用這些信息,系統能對不同監測點信息同步獲取、存儲、動態直觀呈現及管理,為及時灌溉和適量灌溉、作物最佳生長條件改善等提供參考。

      例如,借助其遠程作物生長狀況監測系統,計算機可實時收集作物長勢、病蟲害、作物營養狀況等信息。同時,人們可以在電腦端、手機端實時接受相關數據,查看現場信息,便于專家遠程指導。

      憑借強大的農業傳感技術,人們足不出戶即可對作物葉片及病斑測量,并基于智能手機,進行作物葉片圖像信息獲取及識別,然后對圖像實時處理。這種技術適用于田間環境不同作物葉面積、葉長、葉寬、病斑面積、病斑比例等信息的快速檢測,其測量誤差小于3%。

      此外,利用先進的傳感技術,還可進行作物葉片及病斑測量儀、多功能水肥一體化管理設備、電物理水消毒設備等,為田間育種決策提供高通量信息服務支持。

      “基于物聯網技術構建的育種環境信息監測系統,可以實現作物生長氣象信息、土壤情況、長勢情況、病蟲害以及光、溫、水、氣等相關信息的實時采集和監測,為育種家提供育種環節全過程的精準數據支撐。”張云鶴說,“結合融合分析系統,能實現地塊級的精準氣象及病蟲害預警,提高作物育種生產管控精準化和智能化程度,有效提升育種作業效率和信息化水平。”

      此外,通過三維實景建模及物聯網系統,管理人員可實時查看大田、溫室、辦公場所以及氣象、灌溉等相關設備狀況,極大程度提高管理和生產效率。

      智慧農業的基礎

      “目前我們都說智慧農業、智能農機,其核心制約因素還是傳感器。”南京農業大學工學院院長汪小旵對《中國科學報》說,“對于一個智能系統來說,沒有傳感器,就相當于人成了‘瞎子’和‘聾子’,后面的智能決策就無從談起。”

      汪小旵長期從事作物信息智能化檢測和農業裝備智能化控制研究,在日常研究中,他和團隊不僅大量使用傳感器,而且也從事一些傳感器的開發研究工作。比如,該團隊正在研制基于土壤原位根系檢測的傳感器;營養液栽培中的氮、磷、鉀傳感器;水產養殖中的硝酸鹽、磷酸鹽檢測的傳感器;基于高光譜和熒光圖像的作物病蟲害監測傳感技術等。

      “智能控制系統如果沒有傳感器的輸入信號,就無法比對和形成閉環控制,農業大數據系統如果沒有傳感器就沒有數據來源,人工智能系統就無法獲取足夠的知識。”汪小旵說,“從這個角度來說,傳感器完全是現代智能農業的核心技術,同時也是容易被‘卡脖子’的技術。”

      2019初,美國國家科學院、美國醫學與生物工程院(AIMBE)聯合發布一份研究報告,描述了美國科學家眼中農業領域亟待突破的五大研究方向。其中第二項即“新一代傳感器技術將成為推動農業領域進步的底層驅動技術”,將高精度、精準可現場部署的傳感器以及生物傳感的開發、應用作為未來技術突破的關鍵之一,而其余幾大研究方向或與之相關,或以此為基礎。

      目前,我國的傳感器技術已經廣泛應用在農業領域,但主要還集中在對單個特征,如溫、濕度的測量上,而新一代傳感器技術不僅僅包括對物理環境、生物性狀的監測和整合,更包括運用材料科學及微電子、納米技術創造的新型納米和生物傳感器,對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的循環運動過程進行監控。

      “新一代傳感器具備快速檢測、連續監測、實時反饋、智能處理的能力。”張云鶴說,“如果能在資源要素的利用環節即精準發現和定量識別可能出現的問題,并能實時進行優化調整,將徹底改變我國農業生產利用方式。”

      須多學科聯合攻關

      今年以來,全球小麥、玉米、水稻三大主糧產區均受到極端天氣影響。傳統的小麥出口國澳大利亞因遭遇嚴重干旱,時隔12年后首次計劃進口小麥;玉米出口大國美國因受陰雨天氣影響,播種創歷史同期最低水平;同受干旱影響,水稻出口國菲律賓也出現大規模歉收。

      眾所周知,我國以全球7%的耕地養活了全球20%的人口,但也用了全球約1/3的化肥和1/2的農藥。提高糧食產量、減少化肥農藥用量亟須新一代傳感技術,建設高標準農田,發展精準農業、智慧農業,新一代傳感技術已然成為“剛需”。

      汪小旵認為,雖然對比國際先進水平,我國智慧農業發展還處于成長期,但這也意味著價值空間大。益于中國政策和土地政策的助推,中國智慧農業起步晚,但發展速度特別快。

      傳感器的性能影響著農業生產力的提高,當前我國智慧農業尚處于監測環境因素的初級階段,而且市場上的傳感器質量參差不齊。同時,智慧農業所使用的傳感器大部分面臨比較惡劣的環境,低功耗、耐腐蝕、抗低溫性能良好成為農業傳感器的基本要求。此外,部分農業生產者操作儀器的水平所限,農業傳感器件應盡量選擇安裝方式簡單、方便攜帶、穩定性好和校正周期短的產品。

      “新一代傳感器技術涉及的內容非常多,不是哪一個學科和專業可以單獨完成的,需要多學科聯合攻關。”汪小旵說。

      汪小旵舉例說,監測動植物性狀,有可能用到高光譜圖像、熒光圖像、納米技術、3D打印等等;要對NPK、病原體、微生物在土壤、水體等等中的循環運動過程進行監控,就會用到光電子學、材料學、微電子、納米技術等。

      “同時,制約新一代傳感器從實驗室走入產業的一個最關鍵因素,還在于新一代傳感器所具備的快速穩定檢測、連續可靠監測、以及和物聯網有效集成的能力。”汪小旵說。

       
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