-“天眼地网”赋能麦作“无人化”
作者:张晴丹
发布时间:2020-09-23
浏览次数:513
-“天眼地网”赋能麦作“无人化”

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北斗导航支持下的小麦无人播种施肥一体机在田间作业。曹强供图

通过一款小程序,就能看到每一个田块的小麦苗情、土壤养分和病虫害情况;播种或收割都无需人力完成,田间只留下机器忙碌的身影;收获的同时就可以获取产量和品质数据……种田成了一件非常简单的事情。

这是南京农业大学牵头研发的一项变革性技术——“北斗导航支持下的智慧麦作技术”,能实现小麦生产“耕、种、管、收”全过程精准化、智能化。该技术融合现代农学、信息技术、农业工程等,建立全新的现代化农业生产方式,让小麦生产管理从粗放变为精确,从机械化过渡到智能化,最终实现“无人化”的转变。

近日,该技术入选2020年农业农村部十大引领性技术。这套技术到底“硬核”在哪里?又是如何彻底解放农民的双手?

一张立体空间“处方图”

农田信息的全面感知是农业生产管理的基本前提。怎样获取田间作物、土壤、气象等信息呢?以往的办法是靠人“看”,靠经验判断,这种做法并不能全方位地把握真实信息,并且主观判断易出现误差。

“获得精确的信息是决策的重要数据支撑,我们要做的就是实现农业信息获取的立体化感知,也就是架设‘天眼地网’。”南京农业大学智慧农业研究院副院长田永超在接受《中国科学报》采访时说。

“天眼地网”指的是卫星遥感、无人机监测、物联网感知、田间传感器采集等现代技术手段遍布于天上和田间。“这里面涉及到农田信息的获取、农学模型的决策、农机作业的实施等环节,需要跨学科合作,汇聚了南京农业大学信息农业团队多年的创新研究成果。”南京农业大学教授倪军告诉《中国科学报》。

田永超表示,通过这种立体化的实时监测,可以对当地气候条件、空气温湿度、作物品种特性、土壤养分墒情、长势情况以及病虫草情等实现数据采集,继而快速地给作物生产开“处方”,为后续工作做好铺垫。

数据信息有了,接下来,就是要“告诉”机器应该怎么做。

“针对不同区域的田块,分别有一套诊断模型,要设计好适宜播量的种子。施多少肥、灌多少水、喷多少药,‘种、肥、水、药’全过程都有‘量身定做’的程序贴心‘呵护’。”南京农业大学副教授曹强在接受《中国科学报》采访时介绍。

“过去几十年,传统农业的粗放式管理带来了很多弊端。化学肥料的大量使用确实让我国粮食作物产量大幅提高,但紧随而来的生态环境问题愈发突显。而我们的技术成果可以匹配作物生长和土壤养分供应的时空规律,从而更加合理、精确地施肥,大大提高利用效率,减少对生态环境的污染。”曹强表示。

我国北斗导航系统发展迅速,各个民用领域也开始广泛应用。“我们也是在支持自主知识产权的成果,把北斗导航和农机结合起来,到了收获的时候,利用北斗导航系统来规划收获路径,机器可以进行自主收获。”田永超表示。

除此之外,“我们还配套了自主研发的产量传感器,在收获的同时实时监测产量。收获完成后,在车载电脑上可立马获取产量分布图。根据这张图,还可以对来年的播种提供重要参考。”倪军表示。

在田永超看来,精确栽培“处方”和北斗导航相结合,就形成了一张立体空间“处方图”。通过麦田信息感知、麦作处方设计、作业路径规划、智能导航和无人作业的有效集成和无缝衔接,可以实现更为均衡的大面积丰产增效。

有了这个“法宝”,2020年,示范点小麦亩均产量达到1100~1200斤,亩均效益增加100元左右。

“无人化”是终极目标

粮食安全始终是我国经济社会发展的重中之重。然而,种地的人越来越少。

近年来,农村劳动力缺乏日趋严重,城镇化的推进促使农村劳动力流向城市。留在农村的大多是老人和孩子,并不适合开展高强度农业生产。而集约化的土地面积不断扩大,劳动力占了农业成本的“大头”。

怎样用最少的投入获得最大的产出?在倪军看来,“其实就是节约人力成本,这是一个大突破口”。

随着农业信息化、现代化技术的发展,农业生产方式发生巨大改变已是必然趋势。数字化、智能化、精确化和科学化成为关键,并将带动形成智慧农业产业体系,真正实现“藏粮于技”。

倪军认为,应该发挥智能化设备更大的作用,让机器替代人去干活。“在调研过程中,很多农技人员和农业生产者都希望我们能够提供一些智能化作业设备,来降低劳动强度,提高作业效率。”

正是有了这样的现实需求,技术和产品才有市场。“以前机器的智能化程度较低,现在我们相当于给这些机器装上了‘大脑’,机器就像人一样有了‘思考’和‘判断’,把操作和执行‘变活’了。”田永超表示,随着劳动力逐年紧张,“无人化”农业生产是未来的一个终极目标。

技术上从无到有可以说千难万难,要实现生产者从有到无也同样如此。

田永超表示,目前“无人”还是一个比较大的概念,是一种引领。一些关键技术环节有待进一步创新,比如收割机“掉头”后的操作仍是难点。如何实现机器在田里循环“走动”的同时无缝对接,且播种施肥量不能重叠,这方面还要加强研发,以促进“无人化”真正落地。

而在技术和设备的推广应用上,倪军表示,一切要简单化、易操作、稳定性高,成本还不能太高。“作为研发者,我们要根据实际市场需求不断优化我们的产品,这样我们的技术和产品才有生命力,才能走得更远,为实现真正意义上的‘无人’打好基础。”

加强数据共享和产学研合作

这项技术主要包括北斗导航支持下的小麦无人播种收获技术、无人机支持下的小麦精确施肥喷药技术、物联网支持下的小麦智慧灌溉技术。其智能化程度高,总体处于国际领先水平,具有广阔应用前景,部分单项技术已在全国主要麦作区大规模应用。

尽管通过这些技术可以获得一个地区的精确栽培方案图、北斗导航路径图、病虫情指数图等,但这些数字化“处方”并非全国通用。

“比如在南京种小麦和在郑州种小麦,栽培方案是不一样的,因为两地气候特点、土壤条件等都有差异,所以一个地方的‘处方’不能照搬到另外一个地方去。”田永超指出。

团队的研发工作都是基于特定试验点来开展,在对外推广过程中,还需要当地的数据信息来支撑,帮助他们修正“处方”生成新模型。但是,要获取其他地方的数据非常困难。

“国内这方面的研究相对比较分散,各做各的,很难把别人做的数据信息和我们的技术放在一起系统分析。这样就很难做大尺度范围分析,也无法进行不同生态区域的参数调整。”曹强表示。

他建议,应该加强地区间数据共享,这样有利于布置更广泛的试验点,把不同生态区作物生长和土壤环境规律全部理清楚,才能助力这项技术的推广应用,真正让科技造福于人。

“这项技术对传感器要求非常高,接下来,我们希望和一些收割机生产厂家开展产学研合作,把新的传感器作为一个组件‘嵌入’到机器里。比如籽粒品质传感器,帮助获得籽粒品质分布图,这样可以方便面粉加工商进行小麦分类收购。”倪军说。

同时,倪军补充道,还要结合5G网络技术,把实时数据信息传输到远程管理平台上,做大数据分析,未来真正实现足不出户就能种田、管田、收田。



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