當無(wú)人機在三亞的晴空緩緩升起，中國農業(yè)科學(xué)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(zhuān)家關(guān)心的表型數據逐漸清晰起來(lái)。
這是該基地無(wú)人機遙感田間育種表型觀(guān)測系統工作時(shí)的場(chǎng)景。為解決南繁農業(yè)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(wèn)題，海南省投建了南繁硅谷綜合服務(wù)平臺，有了新一代農業(yè)傳感技術(shù)加持，南繁育種基地立刻耳聰目明起來(lái)。
傳感技術(shù)顯身手
傳感器技術(shù)是信息社會(huì )的重要技術(shù)基礎。國家農業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心副研究員張云鶴對《中國科學(xué)報》說(shuō)，傳感器的品種、數量、質(zhì)量和技術(shù)水平，直接決定了信息技術(shù)系統的功能和質(zhì)量。
提起目前農業(yè)生產(chǎn)中應用的各類(lèi)傳感技術(shù)，張云鶴從環(huán)境、氣體傳感，土壤、水質(zhì)傳感，植物生理傳感，無(wú)人機遙感四大類(lèi)，一口氣列舉了20多種。
在作物環(huán)境信息監測系統中，可以實(shí)時(shí)監測育種小區視頻圖像、空氣溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、土壤溫濕度、電導率、pH值、土壤墑情等參數，也可以進(jìn)行作物穗層溫濕度監測。系統通過(guò)對不同監測點(diǎn)信息同步獲取、存儲、動(dòng)態(tài)直觀(guān)呈現及管理，為及時(shí)灌溉和適量灌溉、作物最佳生長(cháng)條件改善等提供參考。
例如，借助遠程作物生長(cháng)狀況監測系統，計算機可實(shí)時(shí)收集作物長(cháng)勢、病蟲(chóng)害、作物營(yíng)養狀況等信息。同時(shí)，人們可以在電腦端、手機端實(shí)時(shí)接收相關(guān)數據，查看現場(chǎng)信息，便于專(zhuān)家遠程指導。
憑借強大的農業(yè)傳感技術(shù)，人們足不出戶(hù)即可對作物葉片及病斑進(jìn)行測量，并基于智能手機，進(jìn)行作物葉片圖像信息獲取和識別，以及實(shí)時(shí)處理。這種技術(shù)適用于田間環(huán)境不同作物葉面積、葉長(cháng)、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，先進(jìn)的傳感技術(shù)還可用于作物葉片及病斑測量?jì)x、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(wù)支持。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構建的育種環(huán)境信息監測系統，可以實(shí)現作物生長(cháng)氣象信息、土壤情況、長(cháng)勢情況、病蟲(chóng)害以及光、溫、水、氣等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)采集和監測，為育種家提供育種環(huán)節全過(guò)程的精準數據支撐。張云鶴說(shuō)，結合融合分析系統，能實(shí)現地塊級的精準氣象及病蟲(chóng)害預警，提高作物育種生產(chǎn)管控精準化和智能化程度，有效提升育種作業(yè)效率和信息化水平。
同時(shí)，通過(guò)三維實(shí)景建模及物聯(lián)網(wǎng)系統，管理人員可實(shí)時(shí)查看大田、溫室、辦公場(chǎng)所以及氣象、灌溉等相關(guān)設備狀況，極大程度提高管理和生產(chǎn)效率。
智慧農業(yè)的基礎
現在，我們都說(shuō)智慧農業(yè)、智能農機，其核心制約因素還是傳感器。南京農業(yè)大學(xué)工學(xué)院院長(cháng)汪小旵對《中國科學(xué)報》說(shuō)，對于一個(gè)智能系統來(lái)說(shuō)，沒(méi)有傳感器，就成了‘瞎子’和‘聾子’，后面的智能決策無(wú)從談起。
汪小旵長(cháng)期從事作物信息智能化檢測和農業(yè)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，而且從事一些傳感器的開(kāi)發(fā)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(yíng)養液栽培中的氮、磷、鉀傳感器，水產(chǎn)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(chóng)害監測傳感技術(shù)等。
智能控制系統如果沒(méi)有傳感器的輸入信號，就無(wú)法比對和形成閉環(huán)控制，農業(yè)大數據系統如果沒(méi)有傳感器就沒(méi)有數據來(lái)源，人工智能系統就無(wú)法獲取足夠的知識。汪小旵說(shuō)，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，傳感器是現代智能農業(yè)的核心技術(shù)，同時(shí)也是容易被‘卡脖子’的技術(shù)。
目前，我國的傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在農業(yè)領(lǐng)域，但主要集中在對單個(gè)特征，如溫、濕度的測量上，而新一代傳感器技術(shù)不僅僅包括對物理環(huán)境、生物性狀的監測和整合，更包括運用材料科學(xué)及微電子、納米技術(shù)創(chuàng )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(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運動(dòng)過(guò)程進(jìn)行監控。
新一代傳感器具備快速檢測、連續監測、實(shí)時(shí)反饋、智能處理的能力。張云鶴說(shuō)，如果能在資源要素的利用環(huán)節即精準發(fā)現和定量識別可能出現的問(wèn)題，并能實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調整，將徹底改變我國農業(yè)生產(chǎn)利用方式。
須多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)
今年以來(lái)，全球小麥、玉米、水稻三大主糧產(chǎn)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(shí)隔12年后首次計劃進(jìn)口小麥；玉米出口大國美國因受陰雨天氣影響，播種創(chuàng )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%的耕地養活了全球近20%的人口。提高糧食產(chǎn)量、減少化肥農藥用量急需新一代傳感技術(shù)。建設高標準農田，發(fā)展精準農業(yè)、智慧農業(yè)，新一代傳感技術(shù)已然成為剛需。
汪小旵認為，雖然對比國際先進(jìn)水平，我國智慧農業(yè)發(fā)展還處于成長(cháng)期，但這也意味著(zhù)具有較大的價(jià)值。得益于中國政策和土地政策的助推，中國智慧農業(yè)起步晚，但發(fā)展速度特別快。
傳感器的性能影響著(zhù)農業(yè)生產(chǎn)力的提高，當前我國智慧農業(yè)尚處于監測環(huán)境因素的初級階段，而且市場(chǎng)上的傳感器質(zhì)量參差不齊。同時(shí)，智慧農業(yè)所使用的傳感器大部分面臨比較惡劣的環(huán)境，低功耗、耐腐蝕、抗低溫性能良好成為農業(yè)傳感器的基本要求。此外，受部分農業(yè)生產(chǎn)者操作儀器的水平所限，農業(yè)傳感器件應盡量選擇安裝方式簡(jiǎn)單、方便攜帶、穩定性好和校正周期短的產(chǎn)品。
新一代傳感器技術(shù)涉及的內容非常多，不是哪一個(gè)學(xué)科和專(zhuān)業(yè)可以單獨完成的，需要多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)。汪小旵說(shuō)。
汪小旵舉例說(shuō)，監測動(dòng)植物性狀，有可能用到高光譜圖像、熒光圖像、納米技術(shù)、3D打印等；對氮磷鉀、病原體、微生物在土壤、水體等中的循環(huán)運動(dòng)過(guò)程進(jìn)行監控，也會(huì )用到光電子學(xué)、材料學(xué)、微電子、納米技術(shù)等。
同時(shí)，制約新一代傳感器從實(shí)驗室走入產(chǎn)業(yè)的最關(guān)鍵因素，在于新一代傳感器快速穩定檢測、連續可靠監測以及與物聯(lián)網(wǎng)有效集成的能力。汪小旵說(shuō)。（張雙虎）
來(lái)源： 《中國科學(xué)報》
