習(xí)近平總書記在2022年12月中央農(nóng)村工作會議中提出，“強國必先強農(nóng)，農(nóng)強方能國強”，可見農(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)機械作業(yè)質(zhì)量差等問題，未來誰來種田、怎樣種田甚至無人種田問題是全球農(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，而無人農(nóng)場是智慧農(nóng)業(yè)的一種表現(xiàn)形式，以數(shù)據(jù)、知識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，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全過程生產(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)的玉米無人農(nóng)場為例，闡述玉米無人農(nóng)場的組成與應(yīng)用。公主嶺無人農(nóng)場位于吉林省公主嶺市102國道南側(cè)吉林省農(nóng)業(yè)科技示范園內(nèi)，無人農(nóng)場建設(shè)面積67公頃（1000畝），其中核心區(qū)（旱田）23公頃（350畝）。

包含無人機遙感設(shè)備、田間綜合監(jiān)測站、物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的天空地一體化觀測和數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，能夠自動監(jiān)測農(nóng)場環(huán)境及作物生長信息，并傳輸至智慧農(nóng)機管理系統(tǒng)。部署了無人機遙感設(shè)備用于開展農(nóng)田地塊信息、作物信息采集監(jiān)測，為農(nóng)場生產(chǎn)管理和農(nóng)機裝備無人作業(yè)提供基礎(chǔ)地塊邊界、作物長勢等信息數(shù)據(jù)。采集到的農(nóng)田地塊信息如圖1所示。

圖1 公主嶺玉米無人農(nóng)場地塊信息采集

此外，無人農(nóng)場部署了田間綜合監(jiān)測站點和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時采集土壤肥力、土壤溫濕度、大氣溫濕度、日照輻射等玉米生長環(huán)境信息和葉齡等生長狀態(tài)的信息，為農(nóng)場生產(chǎn)管理和農(nóng)機裝備精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。蟲情、土壤、氣象觀測站如圖2所示，采集到的玉米長勢、蟲情分布如圖3所示。

圖2  蟲情、土壤、氣象監(jiān)測站

圖3  公主嶺無人農(nóng)場玉米長勢、蟲情分析圖

面向無人農(nóng)場高效、精準(zhǔn)作業(yè)需求，將現(xiàn)有的拖拉機及其配套機具、植保機、收割機、運糧車等進行無人化改造，加裝無人駕駛系統(tǒng)、精準(zhǔn)作業(yè)控制裝置、遠程監(jiān)測終端等，通過與無人農(nóng)場云平臺進行數(shù)據(jù)共享和指令交互，實現(xiàn)玉米的

耕、種、管、收無人化作業(yè)。

如圖4所示，無人拖拉機可搭載深松機、秸稈還田機等農(nóng)機具進行無人耕整作業(yè)，可實現(xiàn)自主規(guī)劃路徑、運行狀態(tài)實時監(jiān)測、作業(yè)效果實時拍攝上傳、作業(yè)機具自動升降。

圖4 秸稈還田無人作業(yè)

無人拖拉機掛接電驅(qū)播種機，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)，實現(xiàn)主從機協(xié)作，完成無人播種作業(yè)。玉米無人播種作業(yè)場景如圖5所示。

圖5 玉米播種無人作業(yè)

在植保環(huán)節(jié)，利用無人機搭載多光譜相機采集農(nóng)田作物信息，采用機器視覺算法對田間作物長勢和養(yǎng)分等信息進行分析，生成葉片氮素含量分布圖 （圖6），并決策出施肥量；搭載可見光相機采集農(nóng)田環(huán)境圖像，分析并獲得玉米病蟲害信息，制定施藥處方圖；通過云平臺管控系統(tǒng)將施肥、施藥處方圖下發(fā)至地面作業(yè)機器端，由無人植保機實現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴施。

圖6 玉米葉片氮素含量分析

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

無人收獲機集成了作業(yè)信息檢測系統(tǒng)、自動導(dǎo)航系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)和收獲作業(yè)智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了玉米無人收獲作業(yè)狀態(tài)、工況自動監(jiān)測、無人駕駛、自動避障、作業(yè)自動控制等功能，收獲效率提高3~4倍，為農(nóng)場玉米的無人化收獲提供了有力支撐。

無人農(nóng)場云平臺主要包括無人農(nóng)場基礎(chǔ)地理信息管理系統(tǒng)、無人農(nóng)機遠程管控系統(tǒng)、智能農(nóng)機精準(zhǔn)作業(yè)管理系統(tǒng)和無人農(nóng)機系統(tǒng)四部分。其中，農(nóng)場基礎(chǔ)地理信息管理系統(tǒng)通過農(nóng)場田塊尺度的厘米級數(shù)字地圖測繪和處理，為無人農(nóng)機精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)地理信息支撐；無人農(nóng)機遠程管控系統(tǒng)主要面向智能農(nóng)機裝備的作業(yè)管控，提供農(nóng)場耕種管收作業(yè)監(jiān)管、工況監(jiān)控、前后臺交互和作業(yè)管理等服務(wù)；智慧農(nóng)機精準(zhǔn)作業(yè)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫主要面向智能農(nóng)機裝備基準(zhǔn)作業(yè)，提供基礎(chǔ)農(nóng)作數(shù)據(jù)維護管理、變量處方管理、農(nóng)機作業(yè)參數(shù)共享、農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)管等服務(wù)；無人農(nóng)機作業(yè)展示系統(tǒng)為農(nóng)場日常系統(tǒng)運維、運營服務(wù)和展示提供基礎(chǔ)平臺。圖7為公主嶺市無人農(nóng)場云平臺。

圖7 公主嶺市玉米無人農(nóng)場云平臺

在全球農(nóng)業(yè)勞動力持續(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，無人農(nóng)場為現(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)建了玉米全程無人化生產(chǎn)農(nóng)場，實現(xiàn)了玉米耕、種、管、收全程無人化作業(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，無人駕駛收獲機可以 24 小時不間斷工作，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)，無人化播種機在節(jié)省人力的同時，還可以實現(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，公主嶺市玉米無人農(nóng)場的構(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)域先進生產(chǎn)力的代表，無人農(nóng)場技術(shù)促進了農(nóng)機裝備的轉(zhuǎn)型升級，推動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，具有重大的社會與經(jīng)濟效益。

信息來源：尹彥鑫,孟志軍,趙春江*等.大田無人農(nóng)場關(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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