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「技术前沿」人工智能在农业领域中的应用
时间:2022-09-13 00:18 点击次数:
本文摘要:人工智能作为盘算机科学的一个重要分支,通 常可以将其简朴归纳综合成一种智能化的处置惩罚能力,能 够和人一样感知、认知、决议、执行的人工法式或 系统。随着科学技术生长的不停加速,人工智能已 渗透在许多领域当中,如医疗、教育、金融等,有 效地推动了各领域的生长,并取得了显著的结果 [1]。 农业是人类衣食住行的源泉,是人民生活的重要基 础,是支撑国家经济的脊柱,也是国家稳定生长的 保障。在我国,人工智能在农业方面的应用主要涉 及检测、图像处置惩罚、模式识别等。

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人工智能作为盘算机科学的一个重要分支,通 常可以将其简朴归纳综合成一种智能化的处置惩罚能力,能 够和人一样感知、认知、决议、执行的人工法式或 系统。随着科学技术生长的不停加速,人工智能已 渗透在许多领域当中,如医疗、教育、金融等,有 效地推动了各领域的生长,并取得了显著的结果 [1]。

农业是人类衣食住行的源泉,是人民生活的重要基 础,是支撑国家经济的脊柱,也是国家稳定生长的 保障。在我国,人工智能在农业方面的应用主要涉 及检测、图像处置惩罚、模式识别等。其中,机械视觉 领域应用于农业机械人的运动障碍目的检测以及路径识别、农作物识别、长势以及病虫害检测、杂草 识别、果蔬品质检测以及自动采摘等方面。

大数据 处置惩罚技术充实应用在农业养殖和市场销售领域中, 最为焦点的功效之一是具有专业知识和决议能力的 专家系统,能够对农作物的生产链举行实时的羁系 控制,保证作物的产出量。本文主要先容农业人工 智能的主要技术,以及在农业领域的应用,并针对 当前存在的难题和机缘,提出了人工智能技术在农 业领域中的生长偏向。1  农业人工智能概述在 21 世纪初,人工智能技术便开始了在农业 相关领域的推广和探索,但由于其时技术水平有限,并未带来太多实质性的希望。

近年来,人工智能技 术在工业方面的体现突出,使农业迎来了新的厘革 机缘,人工智能技术较为成熟地应用于耕作、播种、 栽培等方面的专家系统。随着物联网和图像识别技 术的成熟与生长,近 10 年推出了智能采摘机械人、 智能检测土壤、果实分拣、气候灾难预警、检测病 虫害等智能识别系统。从实际应用的效果来看,将 人工智能与农业机械技术相融合,可广泛应用于农 业的耕整、种植、采摘等环节,极大提高劳动生产率、 土地产出率和资源使用率 [2]。2  人工智能在农业领域应用的意义自革新开放以来,我国农业取得了瞩目的结果, 有力地推动了我国经济高速增长,但仍存在诸多亟 待解决的问题:①生产情况污染严重;②自动化水 平低,节水农业生长滞后;③农村劳动从业者老龄 化严重;④资源使用率、生产效益低下,农业竞争 力不强;⑤农业生产缺乏有效羁系,使得农产物质 量宁静问题日益突出。

因此现代农业生长转型迫在 眉睫。在种植业方面,使用大数据技术收集分析农业 数据,凭据实际的应用场景建设专家模型,可预测 农田浇灌深度 [3], 自适应地调治相关设备,制止因 农户主观行为而造成的浇灌水量过多或过少,以及 浇灌深渡过深或过浅而影响浇灌网络性能的现象。特别是基于大数据建设的专家模型可用于差别情况 条件下预测参考蒸散量 [4,5],与浇灌系统相联合可 增强农田治理系统的稳定性。

此外,在农业物联网 监测控制系统的治理下,无人机拍摄的实时照片和 远程人造卫星获取的图像可以反馈农作物的成熟程 度,与天气监测模型联合 [6],能够更早举行农作物 产量预测。精准农业中的人工智能技术还可将图像 处置惩罚、目的分类和人工神经网络算法应用于农业领 域中图像疾病区域 [7],接纳盘算机视觉系统可以对 重叠的农产物举行计数 [8],提高准确度。联合各种 智能化农业机械,可有效缩短作业时间,解决劳动 力不足的问题、并能够实现土壤质量和虫害的监控 , 实现自动耕作,自动适量施肥给药、自动浇灌、 自动收获、自动蕴藏、自动上线的一体化生产链。人工智能与差别技术的联合,可进一步拓宽人工智能在农业领域的应用渠道。

例如,与作物的生命周 期评价相联合,可预测作物的产出以及对情况的影 响 [9];与近红外光谱技术联合则可提高甘蔗含氮量 丈量的准确性 [10]。在畜牧业方面,搭载物联网技术的人工智能畜 牧养殖场,可以由大量传感设备和视频监控设备实 时、动态地监测畜禽的生长情况和生命特征体现, 整合畜牧业的数据信息,通过盘算机控制系统举行 智能化分析和决议,最终发生相应的指令,实现精 准饲养,防治疾病,做到科学养殖畜禽。佩带具有 跟踪技术设备的牲畜,在户外放养时能够通过无线 通信技术在终端机械获取其实时位置,实现无人工 监视的新形式放养。

在加工工业链上,使用无线射 频识别、二维码等技术可定位加工产物的泉源,物 流信息等,实现产物可溯源,保证食品的质量,如 图 1 所示。在农产物的市场营销方面,人工智能也饰演着 重要的角色。通过互联网技术与人工智能的融合 [11], 能够越发适应农业工业迎来的规模谋划、互助共赢 的新阶段,提升焦点竞争力,确保质量宁静,实现 农民增收。

互联网及人工智能技术可以汇聚农业生 产、消费等方面的大数据,可以动态跟踪并分析当 前市场的产物需求情况,准确掌握农产物的产量, 制止农民盲目跟风生产或缺乏对市场需求的认知而 造成的供过于求或求过于供的现象。3  人工智能在农业领域的应用情况3.1  产前阶段3.1.1  农作物选种在农业生产历程中,农作物选种很大水平上决议了最终产量及质量,因此,农作物选种是农作物 生产历程中很是重要的一个环节。人工智能技术可 通过收集优良种子性状及其对应数据,构建分类模 型,有效提升种子质量的判定速度,并通事后期种 植效果不停富厚建模数据,修正模型误差,进一步 保证判定效果。此外,还可以使用人工智能对种植 情况、种植需求等举行分析,资助种植者选择最适 合的种子类型,提升农业生产收益 [12]。

3.1.2  土壤身分检测分析人工智能技术可对土壤传感器收集到的可溶性 盐含量、地表水分蒸发量、土壤湿度等数据通过人 工神经网络举行预测分析,决议各种农作物所适宜 的最佳土壤。另外,也可使用人工智能技术预测土 壤表层的黏土含量。

通过深度加权方法从土壤传感 器获取的信号中提取土壤表层地质信息,再使用人 工神经网络预测土壤表层的黏土含量 [13]。3.1.3  农田浇灌用水分析以往农民通常凭据种植履历大略掌握浇灌用水 量,不能凭据多变的种植情况条件针对性地举行调 整,在多作物浇灌方面更是无计可施。通过人工智 能技术对农作物用水需求量举行分析,可以科学地 指导农户浇灌,保证作物有水可依,极大水平减轻 洪涝或干旱灾害对作物造成的不良影响 [14]。

此外, 智能浇灌系统与传感器、浇灌设备毗连后,可对土 壤含水量举行实时监控,据此选择最合适的浇灌模 式举行作物浇灌。3.2  产中阶段3.2.1  病虫害识别农作物生长历程中经常会遇到一些病虫害,种 类多、影响大,且时常发作成灾,影响农作物正常 生长,严重者会降低农作物品质和产量。人工智能 技术可使用图像识别 [15]、红外传感器检测、声音特 征检测、雷达检测等技术,接纳特定的盘算机算法 和模型,对农业的光谱或图像信号举行挖掘,对农 业病虫害举行识别、预警,并提供参考解决方案。

3.2.2  农田杂草处置惩罚农作物生长历程中,杂草会与农作物争夺土壤 养分、生存空间及光照,此外,还会流传虫害等。以往主要的除草方式是化学除草,通过大面积喷洒 除草剂实现除草,但长时间使用除草剂会让杂草的抗药性增强,对情况也会造成污染,还会引起农产 品农药残留超标,导致消费者食物中毒。

集成了 车载传感器、车载摄像等设备的农田除草机械人, 能够通太过析图像数据对杂草举行筛选,实现物 理除草。3.2.3  农作物施肥给药在传统的农业生产中,农户很难使肥料发挥其 最大的作用,容易泛起施肥不妥而造成肥害、烧苗、 植株萎蔫等现象。

通过人工智能对土壤身分举行分 析,依据分析效果,借助农业机械人或无人机举行 定点定量施肥,可以提高农业肥料的使用率,从而 提高农作物的产量。同样,在治疗虫害方面,农户 很难凭据作物的生理状况给药,但通过人工智能的 图像识别等技术,能够判断作物的虫害水平及种类, 实现精准、适量的靶向打药,如图 2 所示。3.2.4  专家系统农业专家系统 [16] 在农业的治理、分析、决议 方面起着重要作用,能够引领农户科学种植。

农业 专家系统使用人工智能中的大数据分析方法将农业 领域相关的数据资料集成数据库,融合机械学习建 立数学模型。农业专家系统使用这些数据,能有效 地解决农户在种植历程中存在的问题。3.2.5  农作物嫁接农作物的嫁接相对庞大,需要思量的因素众多。

在农业智能领域 [17],智能机械人完成嫁接的历程是 一种全自动的模式,可以自动检测出适合嫁接的幼 苗,分辨出有缺陷的幼苗,并跳过有缺陷的幼苗。此类嫁接机械人的接枝乐成率可以高达 98%。3.2.6  农作物采收当前,农作物采收大多可以通过具备机械视觉、 感知、操作等多项功效的采收机械人实现。

采收机 器人系统框图如图 3 所示。在设置有定位技术的情 况下,智能机械人可根据期望的轨迹行进,制止与 农作物碰撞而造成农作物损坏。

采收历程中,机械 人手臂的彩色摄像装置可检测果实的成熟度,此外, 内置的压力传感器能够防止采摘历程中压力过大损 坏果实。智能机械人可在农忙季节快速对农作物进 行抢收,节约更多的人力和时间。3.2.7  农产物产量预测通过大数据对往年的温度、湿度、光照、水分、 土壤元素、作物种类等农田信息举行挖掘,构建多 维度的数学模型,找出影响作物产量的关键因素, 再将往年的采收数据作为训练集输入到模型中,通 过训练完善预测模型,从而把控采收历程需要投入 的劳动气力。

3.3  产后阶段3.3.1  农产物磨练农产物采收后,需要举行质量磨练,磨练及格 方可举行农产物的销售事情。智能化农产物磨练机 器能够通过图像处置惩罚 [18]、光学、电子鼻等技术对农 产物举行分类,并筛选出不及格的农产物。然后将 质量及格的农产物举行包装并送往存储仓或进入销 售阶段。智能化的分类以及利便、快捷的品质磨练 保证了农产物的新鲜度。

3.3.2  农产物的互联网销售使用互联网销售可为农户带来更多的机缘,拓 宽盈利渠道。同时,使用互联网、大数据和人工智 能技术,收集消费者的购置倾向以及市场的农产物销量信息,通过对这些信息进一步挖掘、分析,得 到市场的供需关系,实时汇报给平台或农户,资助 用户相识农产物的市场行情,灵活制定生产销售策 略,降低企业风险,实现利益最大化。另外,在互 联网的配景下,农业物流治理体系 [19] 也为农产物 的销售孝敬了一份气力,对现代农业的深化和生长 发生深远的影响。

4  海内外农业人工智能的应用现状4.1  外洋生长现状在蓬勃国家,人工智能技术获得了农业科学家 和企业的重视,不停深化研究理论和应用,逐步成 为农业服务业的技术顶梁柱。经由数十年的生长, 人工智能技术已应用于现代农业中的土壤水肥管 理,虫害、自然灾害预测防治,畜禽养殖治理,水 产养殖治理,植被掩护以及互联网销售等领域 [20]。

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在土壤探测和作物害虫防护领域,美国加州的 IntelinAir 公司开发的一款农业无人机,能够使用类 似核磁共振成像技术拍下土壤照片,通过电脑智 能分析,确定土壤的肥沃水平,精准判断适宜栽种 的农作物。由德国 PEAT 公司开发的名为 Plantix 的深度学习应用软件,可凭据用户智能手机拍摄 的图像识别差别的农作物,还可以识别 240 多种 病虫害 [21]。加拿大 VineView 公司可在云端使用人 工智能分析无人机捕捉的图像和数据,尤其是凭据 葡萄叶的图像分析葡萄树疾病的隐患。

在畜禽养殖领域,日本 Farmnote 公司开发的一 款用于奶牛身上的可穿着设备 Farmnote Color,可以 实时收集每头奶牛的个体信息。这些数据信息通过 配套的软件举行分析,接纳人工智能技术分析奶 牛是否泛起生病、排卵或是生产的情况,并将相应 信息自动推送给农户,以便获得实时处置惩罚。农户也 可将已知的自家牛群的信息集成到 Farmnote 的系 统中,从而进一步提高牛群个体体征数据分析的准 确性。4.2  海内生长现状人工智能技术在我国现代农业生产中应用的 时间相对较短,但近几年,农业人工智能生长很是 迅速,泛起了许多乐成案例,如北京农业局开发的 TRM-FZ1 多通道光辐照监测系统,拥有自动巡回测试与记载温室内的二氧化碳浓度、光照、土壤含 水量、温湿度等重要参数的漫衍及变化的能力 [22]。

阿里云的 ET 农业大脑在农业种植方面能够对 农产物产量和质量举行预测,分析市场供需关系, 形成智能化的种植计划,以销定产。通过建设农作物生长模型,指定农作物的全生长周期水肥方案, 实现实时的水肥决议,有效降低水肥成本,提高农 作物产量。接纳图像识别技术能够实现大田农作物 的资产盘货,为订单农业的订单匹配提前做计划。

5  农业人工智能生长存在的问题与推动的措施在农业领域,人工智能技术虽已迈入并有所应 用,但与其他领域相对而言,农业领域里人工智能 的应用略逊一筹。已往人工智能在农业生产体系中 的投入占比力小,无法获得显着的技术推进和深层 的改动优化。作为一项专业性很强的综合工程,农 业人工智能需要大量的资金投入和前期事情。

我国 人工智能与农业领域深度融合和推广应用仍面临着 多重挑战,如农村网络基础设施单薄、在农业技术 层面的应用仍处在起步阶段、研发的智能农业机械 人还不具备适应差别作业条件的能力,难以在现实 农业生产中投入使用等。在农业人工智能领域,需 要政府主导做好相关的事情准备,将农业这项实体 经济与人工智能深度融合 [23]。要解决这些问题,需 要政府从基础设施、技术供应、工业需求等多方面 入手,全面促进人工智能与农业领域的深度融合, 探索现代农业高质量生长的有效路径。

人工智能的焦点是智能算法,但在农业领域中 所涉及的差异性因素较多,种种实地情况庞大,难 以接纳单一的模型去适应所有农场的需求。为了应 对差别的情况,需要对种种参数、要求等举行调整, 其事情量大,事情难度高 [24]。因此,农业人工智能 系统的开发者需要针对实际的农业场景举行模型的 调整与优化。

此外,为了让农业人工智能更好地生长,需要 整合全球智能农业技术资源,增强国际互助交流, 建设智能农业协同研发创新平台,引进、消化海内 外智能农业先进技术,集成创新一批具有自主知识 产权的智能农业技术 [25-27]。6  农业人工智能生长的展望新一代人工智能将会有更广的应用,更好的数 据运算能力,更精准的预测能力。

而通信技术的快 速生长也给人工智能技术提供了良好的平台,当前 通信技术正从 4G 向 5G 过渡,5G 时代的来临,意 味着人工智能、互联网、大数据、物联网等技术将 会有越发宽阔的生长空间。5G 与人工智能的融合 将会促进智慧农业的快速生长 [28]。使用 5G 网络的 高速度、低功耗、低延时以及泛在网特性将可完成 无人机等基础设施巡检,实现精准农业。

此外,在种种农业人工智能设备事情中,种种 数据集将越发快速的上传至云端,提高了实时性并 能更快获得反馈。人工智能技术可以用于提高粮食 产量、淘汰浪费。

在实验室和研究中心,机械学习 算法能够资助培育更好的植物基因,缔造更宁静、 更高效的农作物掩护产物和化肥,而且开发更多的 农产物 [29]。虽然现代农业工业与人工智能的融合还 有许多难题需要克服,可是以人工智能为焦点的智 慧农业生长已是局势所趋。现代农业的生长深刻影响着国民经济和社会的 各个领域。

现在,人工智能技术正在迅速生长,为 我国建设现代化的智慧农业生长门路和模式提供了 强大的支持。人工智能在农业生产产前、产中、产 后阶段均有广泛应用,在产前阶段可以举行浇灌控 制、土壤身分检测和分析、种子质量检测等应用; 在产中阶段可以接纳农业专家系统为农业生产各阶 段提供问题咨询、决议服务,同时还可以举行设施 农业生产智能控制、病虫害识别、农作物采收等工 作;而在产后阶段可以实现农产物磨练、农产物电 商运营、农产物智慧物流等操作。随着人工智能技 术的连续生长,我国现代农业的建设也必将不停前 进,人工智能中的种种技术在农业领域的应用水平 会不停加深,促进智慧农业的实现。

作者:刘双印、黄建德、黄子涛、徐龙琴、罗智杰泉源:现代农业装备原标题《农业人工智能的现状与应用综述》接待大家在评论区交流分享更多精彩资讯,关注数字农业分会官方账号!。


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