國外人工智能技術在現代農業(yè)中的應用及其對中國的啟示

隨著“互聯(lián)網+”和人工智能技術的高速發(fā)展，農業(yè)發(fā)展迎來了新的契機。將人工智能技術應用于現代農業(yè)生產中的各個階段，是農業(yè)現代化生產的新方向，目前也取得了一些成效?；诖?，在梳理不同國家、不同生產階段人工智能技術在現代農業(yè)中的實踐應用基礎上，總結國外發(fā)展經驗在我國現代農業(yè)中可借鑒之處，以期使人工智能技術能更好的服務于我國現代農業(yè)生產。

人工智能與現代農業(yè)相結合是農業(yè)發(fā)展的新方向，整合相關文獻可以將其描述為物聯(lián)網、云計算、大數據、移動互聯(lián)網等現代信息技術在農業(yè)方面的綜合應用。2017年7月，國務院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“發(fā)展智能農業(yè)，建立典型農業(yè)大數據智能決策分析系統(tǒng)，開展智能農場、智能化植物工廠、智能牧場、智能漁場、智能果園、農產品加工智能車間、農產品綠色智能供應鏈等集成應用示范”。人工智能技術可貫穿農業(yè)生產各個階段，實現農業(yè)生產產前、產中、產后的全產業(yè)鏈監(jiān)控，進而實現農業(yè)生產集約、高產、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全等可持續(xù)發(fā)展的目標。

世界銀行、法中基金會等國外研究團隊對人工智能技術在現代農業(yè)的應用都做了大量的研究。美國是現代農業(yè)人工智能技術廣泛應用的代表，美國的大型農場（銷售額50萬美元以上）均使用產量監(jiān)控器，且多數農場都已采用農業(yè)專業(yè)系統(tǒng)進行管理，農場主使用桌面WEB界面及移動端APP來管理農場。典型的如Farmlogs已覆蓋了全美15%的農場，2014年上半年其市場份額翻了3倍。鑒于此，筆者梳理了不同國家、不同生產階段的人工智能技術在現代農業(yè)中的實踐應用，總結國外發(fā)展經驗對我國現代農業(yè)的可借鑒之處，從而使人工智能技術更好地服務于我國現代農業(yè)生產。

1不同國家應用模式比較

隨著現代農業(yè)的發(fā)展，信息技術、互聯(lián)網+、大數據等新名詞在農業(yè)領域已不陌生。世界各國都十分注重人工智能技術在現代農業(yè)中的應用。由于各個國家的實際情況不同，其發(fā)展模式也有所區(qū)別。

1.1 美日信息化模式

美國農業(yè)重視“信息化建設”，現代農業(yè)智能裝備技術日漸成熟。玉米、小麥主產區(qū)39%的生產者都使用了人工智能技術，大型農場人工智能設備和技術普及率高達80%，人工智能技術已使玉米產量提高13%，種植成本下降15%，從而促進了農戶經濟效益的提高[3]。

日本農業(yè)十分重視“信息技術”，重點都集中在農產品流通環(huán)節(jié)。近兩年開發(fā)了農業(yè)技術情報網絡系統(tǒng)，借助公眾電話網、專用通訊網和無線尋呼網，把大容量處理計算機和大型數據庫系統(tǒng)、互聯(lián)網網絡系統(tǒng)、氣象情報系統(tǒng)、溫室無人管理系統(tǒng)、高效農業(yè)生產管理系統(tǒng)、個人計算機用戶等聯(lián)結起來。

1.2 德法數字化模式

德國農業(yè)重視“數字化發(fā)展”，提出了“農業(yè)4.0”概念，旨在通過人工智能技術實現農業(yè)生產數字化。德國的大型農業(yè)機械都是由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）導航系統(tǒng)控制。農民只需要切換到GPS導航模式，衛(wèi)星數據就能讓農業(yè)機械精確作業(yè)，誤差可以控制在幾厘米之內[5]

為實現農業(yè)現代化生產，法國專門打造大數據農業(yè)體系。法國農業(yè)將 GPS 和GIS系統(tǒng)應用于聯(lián)合收割機，不僅實現了產量圖的自動生成，更使植保機械電子化及施肥機械的變量作業(yè)變?yōu)榭赡堋?/p>

1.3 荷蘭以色列自動化模式

荷蘭農業(yè)的重點在“溫室農業(yè)”，信息技術推動了溫室農業(yè)升級換代，實現全自動化控制，包括光照系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、液體肥料灌溉施肥系統(tǒng)、二氧化碳補充裝置以及機械化采摘、監(jiān)測系統(tǒng)等，減少了用工人數。

以色列農業(yè)重視“節(jié)水農業(yè)”的發(fā)展，最直接體現在滴灌系統(tǒng)。以色列運用物聯(lián)網技術設計了一套滴灌節(jié)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過控制計算機，由傳感器傳回土壤的數據，決定何時澆水以及澆水量，并通過遠程進行檢測與判斷。這一系統(tǒng)既節(jié)約了水資源，也節(jié)約了人力投入。

2不同生產階段應用比較

2.1 產前階段

在現代農業(yè)生產的產前階段，人工神經網絡（Artificial Neural Network，即ANN）技術給農戶提供科學指導，選擇準確合適的作物品種，掌握合理的施肥時間和地點，進行科學灌溉和施肥，從而實現低經濟成本、高質量產出的目標，有效促進了農業(yè)生產現代化。

2.1.1 土壤領域的應用。COCK L等提取表土從深度加權 EM38DD（一種電磁感應土壤傳感器）的信號中獲得的土質紋理信息，通過ANN評估了不同的輸入層對影響表土粘土含量的預測能力，綜合使用2個EM38DD信號，優(yōu)化了表土黏土含量的預測。

2.1.2 種子領域的應用。ZAPOTOCZNY P等[9]使用圖像分析以及神經網絡方法鑒別麥粒的品種品質。通過調查11個不同品質等級的春冬小麥品種，對從PC接口的平板掃描儀獲得的圖像進行了分析，結果發(fā)現試驗小麥品質的紋理分類準確率達到100%。

2.1.3 灌溉領域的應用。ELGAALI E等開發(fā)并應用了2種模型以估計科羅拉多阿肯色河流域氣候變化對灌溉水平衡的影響，應用了ANN模型來估計氣候變化對該區(qū)域灌溉供水的影響[10]。

2.2 產中階段

在現代農業(yè)生產的產中階段，通過專家系統(tǒng)和農業(yè)機器人可以幫助農民更加科學合理地進行農業(yè)種植管理，從而推進農業(yè)現代化發(fā)展，提高農業(yè)產業(yè)化效率。

2.2.1 生產領域的應用。ORELLANA F J等針對當地橄欖種植研制出1個基于網絡的綜合信息系統(tǒng)SAIFA（ Spanish acronym for Sistemade AlertaeInformacion Fitosanitaria Andaluz-Andalusian Phistosanitary Information andAlert System），可實時監(jiān)測橄欖的綜合生產情況，還可幫助生產者選擇適用的綜合生產策略，還可以實時向衛(wèi)生局反饋作物衛(wèi)生情況。

2.2.2 溫室領域的應用?；?S技術（地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、遙感技術RS）的溫室控制與管理系統(tǒng)，德國研發(fā)出該系統(tǒng)，通過在溫室里安裝傳感器，測量作物生長情況，采集溫室內外部的生長環(huán)境數據，根據人工智能技術處理分析這些數據，可以很便捷地遙控灌溉和施肥。

2.2.3 采收領域的應用。研究人員研發(fā)出了具有2層結構的采收白蘆筍的自動機器人。在第1層上，使用2個獨立的速度控制回路，以確保驅動電機的實際旋轉;第2層為了解決驅動機器人跟蹤所需軌跡的問題，提出了一種由內向誤差控制器和外側向偏移控制器組成的級聯(lián)控制結構。通過根軌跡分析選擇控制參數，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 產后階段

在現代農業(yè)生產的產后階段，合理的機器學習方法可以對農產品進行有效的檢驗，確保其質量安全外形完美;在搬運和銷售過程中，極大提高了農產品產業(yè)鏈的銷售效率，減少勞動力的投入，獲得更高的經濟效益。

2.3.1 產品檢驗領域的應用。運用機器學習分類器AdaBoost和支持向量機。MATHANKER S K等使用此類人工智能技術提高山核桃缺陷分類的準確性，對良好和有缺陷的山核桃（各100只）的X線圖像進行了分割，該技術提高了分類精度，縮短了分類時間，并使山核桃缺陷分類方面的性能持續(xù)提高。

2.3.2 食品搬運領域的應用。PETTERSSON A等設計了1種利用磁流變（MR）流體效應的新型機器人夾持器，可以在搬運草莓、胡蘿卜、蘋果、花椰菜和葡萄時不會在其表面留下抓痕。

2.3.3 銷售領域的應用。將RFID射頻識別技術應用在超市等地點，商品到達門店后會自動完成清點并及時更新數據庫;擺上售貨架后，可實時定位貨物的種類、數量、位置信息，及時掌握貨物信息;顧客完成購物后，推車從閱讀器前走過即可完成商品結算。

3國外經驗對我國的啟示

3.1借鑒國外經驗，大力發(fā)展現代農業(yè)

因其專業(yè)化程度高，美國農業(yè)形成了著名的生產帶，如玉米帶、小麥帶、棉花帶等。我國的糧食主產區(qū)，如東北、新疆維吾爾自治區(qū)等地可借鑒美國的“信息化建設”，從而加快人工智能設備和技術普及率，提高農業(yè)生產效率。

在農業(yè)生產的產前階段，灌溉用水領域可借鑒以色列的滴灌技術，控制計算機，通過傳感器傳回土壤的數據，決定何時澆水以及澆水量。

在農業(yè)生產的產中階段，溫室領域可以借鑒荷蘭的“溫室農業(yè)”，全自動化溫室，包括光照系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、液體肥料灌溉施肥系統(tǒng)、二氧化碳補充裝置以及機械化采摘和監(jiān)測系統(tǒng)等。

在農業(yè)生產的產后階段，食品搬運和銷售領域可以借鑒日本的“信息技術”，借助公眾電話網、專用通訊網、無線尋呼網，把大型數據庫系統(tǒng)和互聯(lián)網網絡系統(tǒng)等聯(lián)結起來。

3.2轉變政府職能，提高農業(yè)科研應用能力

在農業(yè)現代化發(fā)展進程中，政府應將管理職能轉變?yōu)榉章毮?，對使用人工智能的現代農業(yè)施行稅收減免政策，并提供專項農業(yè)資金支持，鼓勵其進行創(chuàng)新;建立農業(yè)科研體系，促進農業(yè)科技機構、農業(yè)企業(yè)以及農業(yè)從業(yè)者之間的合作交流，有針對性地進行人工智能技術的研發(fā)，提高農業(yè)科研應用能力。

3.3整合建設資金，促進農業(yè)基礎設施建設

加強人才引進與培養(yǎng)，使農業(yè)從業(yè)者職業(yè)化，使其更具綜合性、更能符合現代農業(yè)所需。政府、企業(yè)和農業(yè)高校進行聯(lián)合，鼓勵引導農業(yè)高校畢業(yè)生從事農業(yè)生產活動，同時學習先進的人工智能技術，更好地將現代農業(yè)與人工智能技術相結合;通過政府部門提供的專項農業(yè)資金，集中改善農村農田道路，增加農機設備購置補貼政策，實現現代農業(yè)生產智能化、科學化。

3.4加大科技投入，增強人工智能技術應用

在高校中加大人工智能技術理論知識的研究，通過科學研討會等方式加強科技交流與合作，從理論上提高人工智能技術的研究能力;其次要加大實踐研究的力度，把人工智能技術理論在實際生產中不斷地投入實踐，把控好農業(yè)生產中的各個階段，總結生產中的經驗，使之與農業(yè)生產不斷匹配完善，從而在現代農業(yè)中更好地應用。