人工智能在绿色农业种植中的应用

刘忠颖

摘    要：隨着社会不断发展和国民要求的不断提升，食品安全问题、改善环境以及减少农业污染源成为农业发展的重要方向。近年来，物联网技术的不断成熟及农业智能化迅猛发展，很大程度上改善了农业生产过程中出现的问题，进而大大地提高了农业生产质量及生态环境安全问题。介绍了发展智能化绿色种植技术的原因、绿色种植技术带来的好处和未来绿色种植技术需要突破的难关及发展方向。

关键词：人工智能;绿色种植技术;物联网

文章编号：1005-2690（2021）19-0087-02       中国图书分类号：F323.3       文献标志码：B

随着我国国民经济水平的提升，人们的环境保护意识也随之提高，国民在满足基本生活需求的同时更加注重提高生活品质，关注食品安全问题，以及对绿色无公害农产品日益增长的需求，探索在农业生产过程中绿色环保的种植技术势在必行[1]，农业智能化的开发及应用是至关重要的。

1   智能化绿色种植技术在农业领域的应用

为了促进我国农业的可持续性发展，我国出台了化肥农药双减政策，提倡遵守生态安全、资源安全和农产品安全的准则。绿色农业种植技术的发展和应用，能更好地辅助国家政策的执行，推动绿色农业发展，满足人民的需求。绿色农业种植技术是以生物的循环再生为基础、展现自然生物的发展规律、使生态环境保持原貌的技术[2]。随着人工智能的快速发展，农业发展中开始广泛应用人工智能理论开发不同性能的智能化农业技术，更好地实现了高效、精准、快速、节能、绿色的农业生产过程。例如，在农业种植过程中的智能选种、种植，对农作物进行实时监控及分析等智能化农业技术，符合人们对于绿色环保农业生产过程的要求且农户的经济效益也得到了保障。

1.1   农业智能化监控

20世纪80年代末，一些发达国家提出了“精准农业”的概念。由信息技术支持的根据空间变异，定时、定位、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。在监控和分析农作物生长方面，精准农业基于地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感技术（RS）技术（简称”3S”技术）和传感器技术，采集田间的各种数据，例如，鉴于量、湿度、农作物的需水量、水压、微气候数据、树冠生物量以及叶绿素等，对农作物进行监控，并利用机器学习与计算机视觉算法对收集到的数据进行分析以及作出合理的决策。与传统农业相比，更加及时地了解并且报告农作物的生长状况。农民通过这些数据能实时关注农作物的生长情况，不再依靠主观经验与猜测，而是通过实际的测量值或拥有大量高层次、多方面农业专业知识的农业专家系统作出更加准确的预测，进而有针对性地采取一些自动化措施，比如远程灌溉技术、自动施肥技术、精准喷洒农药等。智能化的终端系统通过物联网技术获取的数据对农作物作出准确的分析，使得农作物更好地生长，为农户带来更大的经济收益。

1.2   病虫害防治

病虫害是影响农作物产量和质量的主要因素。经过调查研究，我国每年因病虫害的发生和危害导致直接的粮食损失约占总产量的30%。传统农业中病虫害防治的主要手段是施用农药、利用害虫趋光的生物特性以及实用的电击式物理方法进行防治。但长期大量地使用农药，会降低农产品的质量，严重污染自然环境，对人体健康造成巨大的伤害。单一地利用生物特性和电击式驱虫方法费时费力且无法大规模使用，如电蚊拍、粘虫板、捕虫笼等。

随着计算机技术的不断发展，农业计算机技术被广泛应用于解决病虫害问题，主要包括3方面即识别病虫害、检测病虫害和防治病虫害。比较常见的识别病虫害的手段有图像处理技术、深度学习等，尤其是卷积神经网络（CNN）结合迁移学习识别病虫害，利用充分网络资源来克服大样本难以获取的问题，提高农作物病害识别效率。

在病虫害检测方面，主要是使用基于高光谱、多光谱遥感技术的无人机进行高效、无损的病虫害检测。正确、实时地识别和检测病虫害是病虫害防治的前提，也是达到理想防治效果的关键所在，利用这些实时数据、历史数据以及相应的机器学习算法，才能对遭受病虫害的农作物及时地进行精准的农药喷洒，而不是大范围地按照常规、不加分析地执行完全相同的操作。

为推动新型农业、新型主体的快速发展，农业计算机技术实现了提前防治害虫、降低损耗、科学使用农业化学品的绿色农业环保防治的目的，且能为农户降低劳动力的成本、减少农业成本的支出。智能化病虫害防治能广泛地应用，为绿色农业发展奠基。

2   太阳能杀虫灯在绿色农业种植中的应用

在防治虫害方面，智能化设备只能减少农药的使用量，却不能杜绝施用农药，无法满足人们对于零农药、健康绿色食品的要求。达尔文的进化论提醒人们，随着农业化学品的不断升级，害虫亦在不断地进化且产生更强的抗药性，喷洒农药防治害虫似乎成为一个无尽的循环，农业化学品对生态环境以及对人体健康的伤害不断加剧，不利于农业可持续性发展。与施用农药相比，利用害虫的生物特征及物理方法防治害虫更佳，从根本上解决农药带来的危害且满足人们对于无农药绿色健康食品的追求，如利用害虫趋光性进行诱杀、黑光灯、频振式杀虫灯、电击式杀虫灯、扇（风）吸式杀虫灯等物理方法，杀虫灯的出现“照亮”农业绿色防控，促进农业污染控制，使得农田生态环境更好。

自2005年以来，我国开始广泛地应用太阳能杀虫灯，根据不同种类农作物的虫害特点，选择适用性更强的太阳能杀虫灯，以便提升杀虫率，充分发挥太阳能杀虫灯的作用。例如，作为我国主要的粮食玉米和水稻，关乎我国的国民经济和人民的生活，却一直遭受到虫害的破坏。对于水稻田间害虫的防治，从杀虫灯的稳定性、诱捕效果、实际的田间情况和不同种类害虫的损害程度作比较，电击式太阳能杀虫灯能够更好地降低稻纵卷叶螟和稻飞虱的田间虫量及危害程度，生产实践过程中电击式太阳能杀虫灯防治效果更好。在玉米田中防治害虫比较常见的太阳能杀虫灯是扇式太阳能杀虫灯，采用风吸式、进虫口向下的设计，具有较大的诱捕范围，诱捕效率比较高。不同类型的太阳能杀虫灯，既解决了粮食的害虫问题以及保障粮食的产量，又有效地避免农残超标带来的风险以及农业污染问题，且不会给生态环境安全带来负面影响。但在实际应用中，仅依靠物理方法处理农业虫害问题，具有一定的制约性，并未达到比较理想的效果且不能满足农户对于虫害防治的要求。

杀虫灯与物联网结合，很好地克服了物理方法防治害虫过程中存在的困难。将适用于大规模部署和区域监测的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术与太阳能杀虫灯（Solar Insecticidal Lamps，SILs）结合，形成一种新型的农业物联网——太阳能杀虫灯物联网（Solar Insecticidal Lamps Internet of Things，SIL-IoTs）。白天，通过太阳能板收集能量，再将太阳能转化为电能，存储蓄电池中;晚上，利用害虫的趋光性引诱害虫，当害虫接触金属网时释放高压脉冲电流杀死害虫。除了灭虫功能，还具有杀虫计数、虫害区域定位、辅助浓情检测等功能。与太阳能杀虫灯相比，在农田中太阳能杀虫灯物联网具有更好的应用性、杀虫效果更加理想。由于太阳能杀虫灯物联网的硬件设备成本较高，在实际应用中会遭到不同程度的破坏和被盗的情况，为了解决这一问题，设计出无人机杀虫灯辅助设备，由具有通信功能的无人机与智能化的杀虫灯组成，既具备追踪功能，又能够及时弥补太阳能杀虫灯被破坏或被盗带来的损失，这已经成为太阳能杀虫灯物联网的研究热点。

太阳能杀虫灯物联网是“精准农业”和“智慧农业”的典型应用，是结合无线传感器网络技术的一种新型农业虫害防治模式。目前，这项技术还不是非常成熟，依然存在很多问题和挑战。比如，由于其部署于野外，受外界环境影响较大，容易出现故障，无法长期发挥杀虫作用，需要不断优化太阳能杀虫灯物联网节点部署方案的算法，研究实用性更强的硬件设备，充分利用人工智能理论以及相关的技术对太阳能杀虫灯物联网进行更加智能化的控制，解决已出现的和潜在的问题，以达到更好的防治效果，保障农业生产安全，促进绿色农业种植的发展。

3   智能化绿色种植技术的发展方向

在农业生产过程中，智能化的绿色种植技术发挥着巨大的作用，既能省时省力地保障粮食的产量和品质，又能减少农业化学品带来的危害，还能够克服农业AI技术、物联网技术在实际应用中的限制性。在计算机硬件不断更新、优化的过程中，借鉴已有的工业上的智能化控制的技术，构建出更加完善、更具有实用性的计算机算法，克服现存的种种困难。①解决农业大数据源问题。②发展农业人工智能。例如通过深度学习建立农业知识图谱，实现作物病虫害和动物个体智能识别与诊断，研究智能语音精准信息服务系统等。③开展继承应用示范。将物联网技术、大数据以及人工智能与其他物理方法相结合，开发出更多的绿色防治害虫的技术等，以便更好地辅助绿色农业种植政策。目前，物理方法及生物防治特性与各种计算机技术相结合是克服农业现存缺陷的最好途徑之一，实现农业化学品减量控害的目标。在病害虫防治上充分利用物理方法、害虫的生物特性与计算机技术结合的方法，开发出更多的智能化绿色农业防护技术，保护自然环境、节约自然资源，这是农业发展中重要的研究方向。为了推动绿色农业种植技术的发展及应用，充分利用深度学习处理农业种植过程中出现的问题，以便收集数据信息。

参考文献：

[ 1 ] 李凯亮，舒磊，黄凯，等.太阳能杀虫灯物联网研究现状与展望[J].智慧农业，2019，1（3）：13-28.

[ 2 ] 庞小芳.推广绿色农业种植技术的有效途径分析[J].农业与技术，2019，39（2）：177-178.