習(xí)近平總書(shū)記在2022年12月中央農(nóng)村工作會(huì)議中提出，“強(qiáng)國(guó)必先強(qiáng)農(nóng)，農(nóng)強(qiáng)方能?chē)?guó)強(qiáng)”，可見(jiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的地位之重要。當(dāng)前，全球人口不斷增加，糧食安全問(wèn)題日益突出，全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)卻均存在農(nóng)業(yè)從業(yè)人員持續(xù)減少、人工成本高、傳統(tǒng)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量差等問(wèn)題，未來(lái)誰(shuí)來(lái)種田、怎樣種田甚至無(wú)人種田問(wèn)題是全球農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度融合，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，而無(wú)人農(nóng)場(chǎng)是智慧農(nóng)業(yè)的一種表現(xiàn)形式，以數(shù)據(jù)、知識(shí)和智能裝備為核心要素，將現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全過(guò)程生產(chǎn)所需的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入及個(gè)性化服務(wù)一體化。

本文將以北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心在吉林省公主嶺市參與建設(shè)的玉米無(wú)人農(nóng)場(chǎng)為例，闡述玉米無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的組成與應(yīng)用。公主嶺無(wú)人農(nóng)場(chǎng)位于吉林省公主嶺市102國(guó)道南側(cè)吉林省農(nóng)業(yè)科技示范園內(nèi)，無(wú)人農(nóng)場(chǎng)建設(shè)面積67公頃（1000畝），其中核心區(qū)（旱田）23公頃（350畝）。

包含無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備、田間綜合監(jiān)測(cè)站、物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)的天空地一體化觀測(cè)和數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境及作物生長(zhǎng)信息，并傳輸至智慧農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)。部署了無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備用于開(kāi)展農(nóng)田地塊信息、作物信息采集監(jiān)測(cè)，為農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)管理和農(nóng)機(jī)裝備無(wú)人作業(yè)提供基礎(chǔ)地塊邊界、作物長(zhǎng)勢(shì)等信息數(shù)據(jù)。采集到的農(nóng)田地塊信息如圖1所示。

圖1 公主嶺玉米無(wú)人農(nóng)場(chǎng)地塊信息采集

此外，無(wú)人農(nóng)場(chǎng)部署了田間綜合監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)采集土壤肥力、土壤溫濕度、大氣溫濕度、日照輻射等玉米生長(zhǎng)環(huán)境信息和葉齡等生長(zhǎng)狀態(tài)的信息，為農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)管理和農(nóng)機(jī)裝備精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。蟲(chóng)情、土壤、氣象觀測(cè)站如圖2所示，采集到的玉米長(zhǎng)勢(shì)、蟲(chóng)情分布如圖3所示。

圖2  蟲(chóng)情、土壤、氣象監(jiān)測(cè)站

圖3  公主嶺無(wú)人農(nóng)場(chǎng)玉米長(zhǎng)勢(shì)、蟲(chóng)情分析圖

面向無(wú)人農(nóng)場(chǎng)高效、精準(zhǔn)作業(yè)需求，將現(xiàn)有的拖拉機(jī)及其配套機(jī)具、植保機(jī)、收割機(jī)、運(yùn)糧車(chē)等進(jìn)行無(wú)人化改造，加裝無(wú)人駕駛系統(tǒng)、精準(zhǔn)作業(yè)控制裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端等，通過(guò)與無(wú)人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和指令交互，實(shí)現(xiàn)玉米的

耕、種、管、收無(wú)人化作業(yè)。

如圖4所示，無(wú)人拖拉機(jī)可搭載深松機(jī)、秸稈還田機(jī)等農(nóng)機(jī)具進(jìn)行無(wú)人耕整作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、作業(yè)效果實(shí)時(shí)拍攝上傳、作業(yè)機(jī)具自動(dòng)升降。

圖4 秸稈還田無(wú)人作業(yè)

無(wú)人拖拉機(jī)掛接電驅(qū)播種機(jī)，并集成高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、精量播種控制系統(tǒng)、作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)協(xié)作，完成無(wú)人播種作業(yè)。玉米無(wú)人播種作業(yè)場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 玉米播種無(wú)人作業(yè)

在植保環(huán)節(jié)，利用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)采集農(nóng)田作物信息，采用機(jī)器視覺(jué)算法對(duì)田間作物長(zhǎng)勢(shì)和養(yǎng)分等信息進(jìn)行分析，生成葉片氮素含量分布圖 （圖6），并決策出施肥量；搭載可見(jiàn)光相機(jī)采集農(nóng)田環(huán)境圖像，分析并獲得玉米病蟲(chóng)害信息，制定施藥處方圖；通過(guò)云平臺(tái)管控系統(tǒng)將施肥、施藥處方圖下發(fā)至地面作業(yè)機(jī)器端，由無(wú)人植保機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴施。

圖6 玉米葉片氮素含量分析

采用無(wú)人駕駛高地隙噴桿噴霧機(jī)實(shí)現(xiàn)精量變量噴灑作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)路徑自主規(guī)劃、高精度路徑跟蹤、地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向、行進(jìn)速度自動(dòng)調(diào)控、噴桿升降折疊融合控制、緊急避障、遠(yuǎn)程遙控等功能，減少了藥害產(chǎn)生，降低了用人成本，提升了高地隙植保機(jī)利用率，為玉米無(wú)人農(nóng)場(chǎng)植保作業(yè)提供關(guān)鍵技術(shù)裝備。

無(wú)人收獲機(jī)集成了作業(yè)信息檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、障礙物檢測(cè)系統(tǒng)和收獲作業(yè)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了玉米無(wú)人收獲作業(yè)狀態(tài)、工況自動(dòng)監(jiān)測(cè)、無(wú)人駕駛、自動(dòng)避障、作業(yè)自動(dòng)控制等功能，收獲效率提高3~4倍，為農(nóng)場(chǎng)玉米的無(wú)人化收獲提供了有力支撐。

無(wú)人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)主要包括無(wú)人農(nóng)場(chǎng)基礎(chǔ)地理信息管理系統(tǒng)、無(wú)人農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)、智能農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)管理系統(tǒng)和無(wú)人農(nóng)機(jī)系統(tǒng)四部分。其中，農(nóng)場(chǎng)基礎(chǔ)地理信息管理系統(tǒng)通過(guò)農(nóng)場(chǎng)田塊尺度的厘米級(jí)數(shù)字地圖測(cè)繪和處理，為無(wú)人農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)地理信息支撐；無(wú)人農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)主要面向智能農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)管控，提供農(nóng)場(chǎng)耕種管收作業(yè)監(jiān)管、工況監(jiān)控、前后臺(tái)交互和作業(yè)管理等服務(wù)；智慧農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)主要面向智能農(nóng)機(jī)裝備基準(zhǔn)作業(yè)，提供基礎(chǔ)農(nóng)作數(shù)據(jù)維護(hù)管理、變量處方管理、農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)共享、農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)管等服務(wù)；無(wú)人農(nóng)機(jī)作業(yè)展示系統(tǒng)為農(nóng)場(chǎng)日常系統(tǒng)運(yùn)維、運(yùn)營(yíng)服務(wù)和展示提供基礎(chǔ)平臺(tái)。圖7為公主嶺市無(wú)人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)。

圖7 公主嶺市玉米無(wú)人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)

在全球農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力持續(xù)減少、人工成本不斷增加、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入不斷加大的現(xiàn)狀下，無(wú)人農(nóng)場(chǎng)為現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有效技術(shù)支撐。吉林省公主嶺市圍繞發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略需求，構(gòu)建了玉米全程無(wú)人化生產(chǎn)農(nóng)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了玉米耕、種、管、收全程無(wú)人化作業(yè)，極大提高了玉米生產(chǎn)效率，減少了人工投入。以玉米收獲環(huán)節(jié)為例，無(wú)人駕駛收獲機(jī)可以 24 小時(shí)不間斷工作，玉米收獲速度提升了3~4倍，67公頃玉米3至5天即可完成收獲，節(jié)省人工50~60人。在其他環(huán)節(jié)，無(wú)人化播種機(jī)在節(jié)省人力的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)精量播種和區(qū)段播種控制，有效避免了地頭重復(fù)作業(yè)，提高了作業(yè)質(zhì)量，減少了種子投入。  

綜上，公主嶺市玉米無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的構(gòu)建與應(yīng)用是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合的典型案例，作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)生產(chǎn)力的代表，無(wú)人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)促進(jìn)了農(nóng)機(jī)裝備的轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，具有重大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

信息來(lái)源：尹彥鑫,孟志軍,趙春江*等.大田無(wú)人農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].智慧農(nóng)業(yè)(中英文),2022,4(04):1-25.

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