人工智能技術在智慧農業中的應用

山東中農云信息科技有限公司 劉波 江沐沐 叢鑫 沈海南 史國院

近年來，中央高度重視農業信息化，2012年的中央一號文件提出把農業科技擺在更加突出的位置，大幅增加農業科技投入，推動農業科技跨越發展。智慧農業是一種全新的農業生產方式，是現代農業發展的新業態，已然成為未來農業發展的必然方向[1]。智慧農業融合了物聯網、大數據、云計算、人工智能、移動互聯網、區塊鏈等一系列現代化信息技術，為農業提供精準決策、智能調控、精確感知，并提供個性化、定制化服務。

1 人工智能技術對智慧農業發展的意義

1.1 應用人工智能可以解決農業勞動力不足

隨著我國城鎮化不斷發展，促使農村勞動力不斷向城鎮聚集，2021年，中國社科院人口與勞動經濟研究所及社會科學文獻出版社發布《人口與勞動綠皮書：中國人口與勞動問題報告No.22》，研究所推測，預計到2035年，我國的城鎮化率有可能達到74.39%；同時，伴隨人口年齡結構失衡、老齡化問題加重，城鄉收入差距加大等問題，未來，從事農業生產的勞動力將會嚴重不足，甚至步入無人參與傳統農業生產的困境。人工智能以其獨特的技術優勢，可貫穿于農業生產的產前、產中、產后等多個階段，實現智能化的動態管理，在減輕農業勞動強度和節省農業勞動方面展示出巨大的潛力[2]。例如，應用人工智能技術的無人植保機，能夠通過視頻監控以及遙感等技術精準區別雜草和農作物，識別病蟲害植株和健康植株，從而使植保作業更精準、更均勻。一臺無人機的工作效率也是傳統人力作業的幾倍，因此，想要解決農業勞動力不足的問題，在智慧農業中發展中應用人工智能技術是一個重要選擇。

1.2 應用人工智能可以提高農產品質量與效益

經濟發展的同時，國人的消費結構、飲食結構也發生了很大的變化。從前人們只求能吃飽，而現在，不僅要吃飽，更要吃好、吃得健康、更有營養；過去人們購物注重實用性，現在人們更加關注商品的內涵、環保等其他屬性。因此，農業發展也要與時俱進，智慧農業的發展，尤其是人工智能的強力加盟，不斷推動農業生產改造升級，人工智能應用于農業生產，能夠實現智能化、無人化監測，并能根據農作物生長及時進行環境數據調控，實現農作物生長生產標準化管理，精準化運作。

傳統農業生產多是“靠天吃飯”，近幾年發展的設施農業雖然減弱了某些因素對作物生長的影響，但大多數設備運行起來還需要人工操作，在某些方面來講，近幾年興起的設備只是節省了農民在生產方面的人力投入，并不是真正的“智慧農業”，設施農業尚且如此，更不用說環境相對受限的大田農業。

在智慧農業的基礎上應用AI技術，能夠助力實現真正的智慧農業。根據智能算法，結合各種農業設備收集到的海量大數據，人工智能可以對農作物生長所需環境進行智能監控，并在適當時智能調節環境，實現農業與科技的深度融合。通過精細化控制和標準化生產管理，為不同作物制定不同的調節策略，滿足植物個性化需求，相較于傳統的粗略式管理，投入人工智能可以明顯提高作物產量和質量，增加農業生產效益。

1.3 應用人工智能可以改善農業生態環境

傳統的農業發展基本依靠無止境地消耗自然資源以及生態環境，代價較大。傳統農民粗放式的施肥、打藥、澆水等行為造成土壤板結化嚴重、酸堿度失調、自然生態破壞等問題；伴隨著近年來病蟲害抗藥性的增加，農業生產者在土地中投入的藥物含量較從前已經翻了數倍。種種因素共同作用下，糧食安全問題已經成為威脅人民健康的一大隱患。人工智能農業備受追捧，不僅因其產生的強大經濟效益，更是因為人工智能在環境保護方面的優異表現。

生物技術、農業機械工程在農業方面的應用都曾在一段時間內為農業發展做出貢獻，但在其應用過程中也加劇了環境惡化，當下，人工智能的出現為農業環保工作帶來了轉機。智慧農業在生態環保方面逐漸呈現出多元價值，首先，農業發展告別了傳統農耕對耕地的消耗，將各生產要素有機結合，實現損耗最小化、收益最大化；其次，黨的十八大以來，提出“兩山”理論等一系列有關生態文明方面的創新理論，將生態文明建設提上了一個高度。因此，積極詮釋智慧、生態和綠色特征，將全面提升農業產業的發展價值[3]。

2 人工智能發展存在的問題

2.1 農業數據缺乏

人工智能正常運行依賴于海量數據，在對大量數據的不斷模擬中才能實現迭代升級。對于人工智能來說，大數據和算法技術缺一不可，二者共同構成了人工智能的底層邏輯。而對于農業來說，農業生產周期普遍較長，再加上應用高新技術的歷史很短、信息收集設備不普遍等，造成農業相關數據收集進度緩慢、數據不準確等問題，限制了人工智能在農業方面的發展速度。此外，不同的農業區位在水土、氣候、病蟲害以及微生物環境等方面存在較大差異，這對農業生產環境的量化、數據統計與收集都增加了難度。

2.2 AI人才匱乏

近年來，隨著人工智能的快速發展，該領域的人才需求不斷增加，而人工智能領域的門檻較高，導致目前我國人工智能領域人才供給遠遠不能滿足行業需求，企業發展面臨較為嚴重的專業人才短缺問題，并且由于人工智能領域人才的培養難度高于一般技術人才，人才短缺問題難以在短期內得到有效解決[4]。對比工農業發展基礎，可以發現，工業在人才儲備方面遠優于農業，新技術在工業中的應用、普及以及升級速度往往是出人意料的，故智慧工業的發展很迅速。而在農業領域，大部分農民的生態環保意識以及高新技術能力較為薄弱，這在一定程度上限制了智慧生態農業的發展[5]。

嚴重的人才短缺雖然抬高了人工智能相關人才的薪資水平，但是由于農業本身存在科技基礎差、生產效益低以及技術結合復雜等現狀，加之部分人對農業工作的誤解，使得涉農人工智能領域人才更顯短缺。

2.3 土地碎片化經營

自20世紀開始實行家庭聯產承包責任制以來，我國農村用地逐漸被分割，形成了碎片化經營的格局，伴隨著農業市場化發展進程，過度碎片化給農機發展造成了一定影響，對大型農業機械的推廣使用造成了一定阻礙，也限制了人工智能智慧農機的推廣。這些弊端產生的原因不在制度本身，而是小規模、土地碎片化和農業機械化融合發展的路徑問題[6]。隨著農業社會化服務政策的推進，大田規?；N植將逐步實現，為人工智能技術的應用提供必要條件。

3 人工智能發展智慧農業的途徑探索

3.1 人工智能通過改進生產工具發展智慧農業

人工智能作為一種高精度、復雜的集成技術，必須與傳統的農業生產工具結合起來，才能更好地在農業生產中發揮作用[7]。經過兩者結合的智能設備就是最新最高效的農業生產工具，如農業生產機器人、智慧灌溉系統、無人機、智慧農機等。首先，智能農業生產工具具有傳統機器無法比擬的靈活性，能根據算法在各種環境下及時分析，迅速做出反應。其次，高智能農機可以依靠大數據分析執行更多樣的農事作業任務，農機利用效率大大提升，且全過程自動化，無須人力參與。最后，與傳統農機相比，智慧農業生產工具實現真正的“智慧化”，能夠邊執行任務并完成學習積累，并在工作中及時糾正偏差，如智慧北斗能提前為農事作業拖拉機劃定行駛軌跡，一旦拖拉機發生偏航，系統能自動操控其方向盤，實現無人駕駛。

在農業生產準備階段，應用人工智能工具可以收集到肉眼不可見的信息，如土壤微量元素、含水量、土壤肥力、溫度等，并將這些信息數據化呈現。相較于傳統農業靠經驗來耕作，數據化的信息更具有針對性，不會造成資源浪費；并且人工智能可以利用大數據、互聯網等對農業生產做出精準指導方案，從而提高農產品質量、降低成本投入。例如智能水肥一體灌溉設備，可以根據作物不同生長期設定灌溉施肥時間、灌溉方式等，定時定量保證肥料留存于作物主要根層，精準施肥避免肥料浪費；大大提高灌溉精準度，有效避免水資源浪費。

在整個農業生產進行過程中，智能工具的使用更顯得重要。在農機具上安裝各類智能設備，能夠精準了解農機具的作業情況，并通過終端監管、控制農機，相較于傳統農機作業，智慧農機不需要過多的人力資源，并且作業更精準、更高效。例如智慧農業經常使用的無人植保機，不僅可以通過智能計算來合理規劃飛行軌跡、高效工作，而且還能精準投放藥物、肥料等，節省成本、提高產量。通過與勞動工具充分結合，人工智能大大提高了農業生產效率，在農業生產方面引領了一場革命。

3.2 人工智能通過節約勞動發展智慧農業

我國雖然幅員遼闊，但農業科技發展一直落后于西方國家。傳統農業高度依賴勞動力投入，是典型的勞動密集型產業，而隨著城鎮化加速，農業“老齡化”“女性化”等問題更使農業勞動力成為緊缺資源，在農業生產中投入人工智能技術恰恰能解決這一困境。

人工智能與智慧農機結合，只需要少數人對設備進行控制，查看農機工作現場視頻，工作效率是傳統人力的幾倍甚至幾十倍，極大節約人力資源投入、提高勞動生產率?！爸悄茏詣踊笔侨祟悇趧幽芰Φ难由?，它不僅會強化勞動，而且比人工作業更加精準高效，自動采摘機器人、農業病蟲害監控系統、農產品等級分類系統等搭載人工智能技術的裝備和系統，可以全方位不間斷地進行作業及監測，實現耕地、播種、灌溉、施肥以及農產品收獲全程自動化，并提供農產品智能分級等后續工作。

3.3 人工智能通過變革農業生產技術發展智慧農業

大環境變動對農業生產提出了更高的要求，融入人工智能后，整個行業的技術得到了換血式升級，具體體現在農作物生產的諸多環節中。在耕整地方面，人工智能可以精確計算出作物適宜生長的深度，在土地深松旋耕等作業進行時利用傳感器控制農機，使作業達標。在播種方面，人工智能給農戶提供了大量的創新方案，不僅能夠精確播種數量，而且能實現不同作物同時播種。在農業病蟲害防治方面，利用大數據、互聯網、遙感等能夠在地圖中篩查出病蟲害植株，并能精準識別患病類型，提供治理所需的藥物信息。在水肥一體灌溉方面，人工智能能夠根據智能水肥一體機提供的土壤水分肥力數據，計算出農作物所需水肥比例，精準向植物供水施肥。農業生產技術擺脫了傳統意義上靠經驗和隱性知識來實現的歷史，實現了向以數據為基礎的智慧生產階段的邁進。