作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/16 17:30:48
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新一代传感技术撬动智慧农业

 

农科院棉花研究所南繁育种基地大棚内的传感系统 中棉所供图

当无人机在三亚的晴空缓缓升起,中国农业科学院棉花研究所南繁育种基地中控室的大屏上,基地的概貌和株高、叶面积指数、冠层温度、叶绿素含量等育种专家关心的表型数据逐渐清晰起来。

这是中国农业科学院棉花研究所南繁育种基地无人机遥感田间育种表型观测系统工作时的场景。为解决南繁农业信息基础设施不足、基础数据缺失、信息管理系统不完善等问题,海南省投建了南繁硅谷综合服务平台,有了新一代农业传感技术“加持”,南繁育种基地立刻“耳聪目明”起来。

传感技术显身手

“传感器技术是信息社会的重要技术基础。”国家农业信息化工程技术研究中心副研究员张云鹤对《中国科学报》说,“传感器的品种、数量、质量和技术水平,直接决定了信息技术系统的功能和质量。”

提起目前农业生产中应用的各类传感技术,张云鹤从环境、气体传感,土壤、水质传感,植物生理传感,无人机遥感四大类,一口气列举了20多种。

在作物环境信息监测系统中,可以实时监测育种小区视频图像、空气温湿度、光照、风速、风向、雨量、土壤温湿度、电导率、pH值、土壤墒情等参数。也可以进行作物穗层温湿度监测。利用这些信息,系统能对不同监测点信息同步获取、存储、动态直观呈现及管理,为及时灌溉和适量灌溉、作物最佳生长条件改善等提供参考。

例如,借助其远程作物生长状况监测系统,计算机可实时收集作物长势、病虫害、作物营养状况等信息。同时,人们可以在电脑端、手机端实时接受相关数据,查看现场信息,便于专家远程指导。

凭借强大的农业传感技术,人们足不出户即可对作物叶片及病斑测量,并基于智能手机,进行作物叶片图像信息获取及识别,然后对图像实时处理。这种技术适用于田间环境不同作物叶面积、叶长、叶宽、病斑面积、病斑比例等信息的快速检测,其测量误差小于3%。

此外,利用先进的传感技术,还可进行作物叶片及病斑测量仪、多功能水肥一体化管理设备、电物理水消毒设备等,为田间育种决策提供高通量信息服务支持。

“基于物联网技术构建的育种环境信息监测系统,可以实现作物生长气象信息、土壤情况、长势情况、病虫害以及光、温、水、气等相关信息的实时采集和监测,为育种家提供育种环节全过程的精准数据支撑。”张云鹤说,“结合融合分析系统,能实现地块级的精准气象及病虫害预警,提高作物育种生产管控精准化和智能化程度,有效提升育种作业效率和信息化水平。”

此外,通过三维实景建模及物联网系统,管理人员可实时查看大田、温室、办公场所以及气象、灌溉等相关设备状况,极大程度提高管理和生产效率。

智慧农业的基础

“目前我们都说智慧农业、智能农机,其核心制约因素还是传感器。”南京农业大学工学院院长汪小旵对《中国科学报》说,“对于一个智能系统来说,没有传感器,就相当于人成了‘瞎子’和‘聋子’,后面的智能决策就无从谈起。”

汪小旵长期从事作物信息智能化检测和农业装备智能化控制研究,在日常研究中,他和团队不仅大量使用传感器,而且也从事一些传感器的开发研究工作。比如,该团队正在研制基于土壤原位根系检测的传感器;营养液栽培中的氮、磷、钾传感器;水产养殖中的硝酸盐、磷酸盐检测的传感器;基于高光谱和荧光图像的作物病虫害监测传感技术等。

“智能控制系统如果没有传感器的输入信号,就无法比对和形成闭环控制,农业大数据系统如果没有传感器就没有数据来源,人工智能系统就无法获取足够的知识。”汪小旵说,“从这个角度来说,传感器完全是现代智能农业的核心技术,同时也是容易被‘卡脖子’的技术。”

2019初,美国国家科学院、美国医学与生物工程院(AIMBE)联合发布一份研究报告,描述了美国科学家眼中农业领域亟待突破的五大研究方向。其中第二项即“新一代传感器技术将成为推动农业领域进步的底层驱动技术”,将高精度、精准可现场部署的传感器以及生物传感的开发、应用作为未来技术突破的关键之一,而其余几大研究方向或与之相关,或以此为基础。

目前,我国的传感器技术已经广泛应用在农业领域,但主要还集中在对单个特征,如温、湿度的测量上,而新一代传感器技术不仅仅包括对物理环境、生物性状的监测和整合,更包括运用材料科学及微电子、纳米技术创造的新型纳米和生物传感器,对诸如水分子、病原体、微生物在跨越土壤、动植物、环境时的循环运动过程进行监控。

“新一代传感器具备快速检测、连续监测、实时反馈、智能处理的能力。”张云鹤说,“如果能在资源要素的利用环节即精准发现和定量识别可能出现的问题,并能实时进行优化调整,将彻底改变我国农业生产利用方式。”

须多学科联合攻关

今年以来,全球小麦、玉米、水稻三大主粮产区均受到极端天气影响。传统的小麦出口国澳大利亚因遭遇严重干旱,时隔12年后首次计划进口小麦;玉米出口大国美国因受阴雨天气影响,播种创历史同期最低水平;同受干旱影响,水稻出口国菲律宾也出现大规模歉收。

众所周知,我国以全球7%的耕地养活了全球20%的人口,但也用了全球约1/3的化肥和1/2的农药。提高粮食产量、减少化肥农药用量亟须新一代传感技术,建设高标准农田,发展精准农业、智慧农业,新一代传感技术已然成为“刚需”。

汪小旵认为,虽然对比国际先进水平,我国智慧农业发展还处于成长期,但这也意味着价值空间大。益于中国政策和土地政策的助推,中国智慧农业起步晚,但发展速度特别快。

传感器的性能影响着农业生产力的提高,当前我国智慧农业尚处于监测环境因素的初级阶段,而且市场上的传感器质量参差不齐。同时,智慧农业所使用的传感器大部分面临比较恶劣的环境,低功耗、耐腐蚀、抗低温性能良好成为农业传感器的基本要求。此外,部分农业生产者操作仪器的水平所限,农业传感器件应尽量选择安装方式简单、方便携带、稳定性好和校正周期短的产品。

“新一代传感器技术涉及的内容非常多,不是哪一个学科和专业可以单独完成的,需要多学科联合攻关。”汪小旵说。

汪小旵举例说,监测动植物性状,有可能用到高光谱图像、荧光图像、纳米技术、3D打印等等;要对NPK、病原体、微生物在土壤、水体等等中的循环运动过程进行监控,就会用到光电子学、材料学、微电子、纳米技术等。

“同时,制约新一代传感器从实验室走入产业的一个最关键因素,还在于新一代传感器所具备的快速稳定检测、连续可靠监测、以及和物联网有效集成的能力。”汪小旵说。

 
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