當無人機在三亞的晴空緩緩升起，中國農業(yè)科學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(shù)、冠層溫度、葉綠素含量等育種專家關心的表型數(shù)據(jù)逐漸清晰起來。
這是該基地無人機遙感田間育種表型觀測系統(tǒng)工作時的場景。為解決南繁農業(yè)信息基礎設施不足、基礎數(shù)據(jù)缺失、信息管理系統(tǒng)不完善等問題，海南省投建了南繁硅谷綜合服務平臺，有了新一代農業(yè)傳感技術加持，南繁育種基地立刻耳聰目明起來。
傳感技術顯身手
傳感器技術是信息社會的重要技術基礎。國家農業(yè)信息化工程技術研究中心副研究員張云鶴對《中國科學報》說，傳感器的品種、數(shù)量、質量和技術水平，直接決定了信息技術系統(tǒng)的功能和質量。
提起目前農業(yè)生產中應用的各類傳感技術，張云鶴從環(huán)境、氣體傳感，土壤、水質傳感，植物生理傳感，無人機遙感四大類，一口氣列舉了20多種。
在作物環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)中，可以實時監(jiān)測育種小區(qū)視頻圖像、空氣溫濕度、光照、風速、風向、雨量、土壤溫濕度、電導率、pH值、土壤墑情等參數(shù)，也可以進行作物穗層溫濕度監(jiān)測。系統(tǒng)通過對不同監(jiān)測點信息同步獲取、存儲、動態(tài)直觀呈現(xiàn)及管理，為及時灌溉和適量灌溉、作物最佳生長條件改善等提供參考。
例如，借助遠程作物生長狀況監(jiān)測系統(tǒng)，計算機可實時收集作物長勢、病蟲害、作物營養(yǎng)狀況等信息。同時，人們可以在電腦端、手機端實時接收相關數(shù)據(jù)，查看現(xiàn)場信息，便于專家遠程指導。
憑借強大的農業(yè)傳感技術，人們足不出戶即可對作物葉片及病斑進行測量，并基于智能手機，進行作物葉片圖像信息獲取和識別，以及實時處理。這種技術適用于田間環(huán)境不同作物葉面積、葉長、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，先進的傳感技術還可用于作物葉片及病斑測量儀、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支持。
基于物聯(lián)網技術構建的育種環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)作物生長氣象信息、土壤情況、長勢情況、病蟲害以及光、溫、水、氣等相關信息的實時采集和監(jiān)測，為育種家提供育種環(huán)節(jié)全過程的精準數(shù)據(jù)支撐。張云鶴說，結合融合分析系統(tǒng)，能實現(xiàn)地塊級的精準氣象及病蟲害預警，提高作物育種生產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，通過三維實景建模及物聯(lián)網系統(tǒng)，管理人員可實時查看大田、溫室、辦公場所以及氣象、灌溉等相關設備狀況，極大程度提高管理和生產效率。
智慧農業(yè)的基礎
現(xiàn)在，我們都說智慧農業(yè)、智能農機，其核心制約因素還是傳感器。南京農業(yè)大學工學院院長汪小旵對《中國科學報》說，對于一個智能系統(tǒng)來說，沒有傳感器，就成了‘瞎子’和‘聾子’，后面的智能決策無從談起。
汪小旵長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，營養(yǎng)液栽培中的氮、磷、鉀傳感器，水產養(yǎng)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害監(jiān)測傳感技術等。
智能控制系統(tǒng)如果沒有傳感器的輸入信號，就無法比對和形成閉環(huán)控制，農業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)如果沒有傳感器就沒有數(shù)據(jù)來源，人工智能系統(tǒng)就無法獲取足夠的知識。汪小旵說，從這個角度來說，傳感器是現(xiàn)代智能農業(yè)的核心技術，同時也是容易被‘卡脖子’的技術。
目前，我國的傳感器技術已經廣泛應用在農業(yè)領域，但主要集中在對單個特征，如溫、濕度的測量上，而新一代傳感器技術不僅僅包括對物理環(huán)境、生物性狀的監(jiān)測和整合，更包括運用材料科學及微電子、納米技術創(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、動植物、環(huán)境時的循環(huán)運動過程進行監(jiān)控。
新一代傳感器具備快速檢測、連續(xù)監(jiān)測、實時反饋、智能處理的能力。張云鶴說，如果能在資源要素的利用環(huán)節(jié)即精準發(fā)現(xiàn)和定量識別可能出現(xiàn)的問題，并能實時進行優(yōu)化調整，將徹底改變我國農業(yè)生產利用方式。
須多學科聯(lián)合攻關
今年以來，全球小麥、玉米、水稻三大主糧產區(qū)均受到極端天氣影響。傳統(tǒng)的小麥出口國澳大利亞因遭遇嚴重干旱，時隔12年后首次計劃進口小麥；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(xiàn)大規(guī)模歉收。
眾所周知，我國以全球7%的耕地養(yǎng)活了全球近20%的人口。提高糧食產量、減少化肥農藥用量急需新一代傳感技術。建設高標準農田，發(fā)展精準農業(yè)、智慧農業(yè)，新一代傳感技術已然成為剛需。
汪小旵認為，雖然對比國際先進水平，我國智慧農業(yè)發(fā)展還處于成長期，但這也意味著具有較大的價值。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農業(yè)生產力的提高，當前我國智慧農業(yè)尚處于監(jiān)測環(huán)境因素的初級階段，而且市場上的傳感器質量參差不齊。同時，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單、方便攜帶、穩(wěn)定性好和校正周期短的產品。
新一代傳感器技術涉及的內容非常多，不是哪一個學科和專業(yè)可以單獨完成的，需要多學科聯(lián)合攻關。汪小旵說。
汪小旵舉例說，監(jiān)測動植物性狀，有可能用到高光譜圖像、熒光圖像、納米技術、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)運動過程進行監(jiān)控，也會用到光電子學、材料學、微電子、納米技術等。
同時，制約新一代傳感器從實驗室走入產業(yè)的最關鍵因素，在于新一代傳感器快速穩(wěn)定檢測、連續(xù)可靠監(jiān)測以及與物聯(lián)網有效集成的能力。汪小旵說。（張雙虎）
來源： 《中國科學報》
