人工智能在設施農業領域的應用

韓宇

（包商銀行股份有限公司信息科技部，北京 100102）

【摘要】2016年是“十三五”的開局之年，也是全面建成小康社會決勝階段的開局之年，設施農業產業將面臨更多的機遇和挑戰。在以往的研究中，針對物聯網對設施農業影響的研究比較多，本文將以人工智能在設施農業領域應用為視角，分析人工智能對設施農業的潛在發展優勢。

施農業是集種植、農業裝備等多領域為一體的系統工程，是一種在人為可控環境下進行的高效農業生產方式，具有成套的生產技術、完整的設施裝備和生產規范[1]。近幾年，隨著信息技術的發展，物聯網技術逐漸被應用到農業生產和科研中，這是現代農業依托新型信息化應用的一次進步[2]。本文結合人工智能研究成果，著重介紹人工智能技術在設施農業種植領域方面的應用前景，根據設施農業產前、產中、產后3個階段，對現有研究成果進行了闡述。

人工智能概述

“人工智能”一詞是1956年在Dartmouth學會上提出。從那以后，研究者們發展了眾多理論和原理，人工智能的概念也隨之擴展。人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI，它是研究用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的新型科學技術[3]。

作為計算機科學的一個重要分支，人工智能技術著眼于探索智能的實質，模擬智能行為，最終制造出能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器。著名的美國斯坦福大學人工智能研究中心尼爾遜教授對人工智能下了這樣一個定義：“人工智能是關于知識的學科，即怎樣表示知識以及怎樣獲得知識并使用知識的科學。”而另一位美國麻省理工學院的溫斯頓教授認為：“人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作。”這些說法反映了人工智能學科的基本思想和基本內容。人工智能自誕生以來，理論和技術日益成熟，應用領域不斷擴大，可以設想，未來應用了人工智能的科技產品，將會是人類智慧的“容器”。

隨著人工智能技術的日益成熟，人們意識到人類已經具備了設計和建造智慧型設施農業所需的硬件和軟件技術條件，結合設施農業高投入高產出，資金、技術、勞動力密集型的特點，完成工廠化農業生產已經不是夢想[4]。依靠人工智能技術，作物可以在適宜的溫度、濕度、光照、水肥等設施環境下，生產優質、高產的農產品，擺脫對自然環境的依賴，實現設施生產的高度智能化，提高農業生產的效率，降低勞動成本[5]。

人工智能在設施農業領域的應用

人工智能技術在產前階段的應用

在設施農業產前階段，憑借人工智能技術可對土壤、灌溉水量需求、作物品種質量鑒別等方面做出分析和評估，為農民做出科學指導，對后續的農業生產起到很好的保障作用。

土壤分析是農業產前階段最重要的工作之一，是實現定量施肥、宜栽作物選擇、經濟效益分析等工作的重要前提[6]。在土壤分析等農業生產智能分析系統中，應用最廣泛的技術就是人工神經網絡（簡稱ANN）。ANN是模擬人腦神經元連接的，由大量簡單處理單元經廣泛并互連形成的一種網絡系統，它可以實現對人腦系統的簡化、抽象和模擬，具有人腦功能的許多基本特征。目前可以通過該技術分析土壤性質特征，并將其與宜栽作物品種間建立關聯模型。土壤性質特征的探測主要是借助非侵入性的探地雷達成像技術，然后利用神經網絡技術在無人指導的情況下對土壤進行分類研究，進而建立起土壤類別與宜栽作物的關聯關系；土壤表層的黏土含量也可通過人工智能方法預測，該技術通過分析電磁感應土壤傳感器獲取的信號，使用深度加權方法從中提取土壤表層質地信息，然后使用ANN預測土壤表層的黏土含量。

傳統農業對灌溉用水的使用量往往依靠經驗，無法根據環境變化進行精確調節，對多目標灌溉規劃問題也無能為力。人工智能技術可幫助人們選擇合適的水源對作物進行灌溉，保證作物用水量，大大減輕灌溉問題對作物產量造成的不良影響。在美國，有專家研制出一個隱層的反饋前向ANN模型和一個位于科羅拉多州地區阿肯色河流域的消費使用模型，使用它們可勘察區域氣候變化對灌溉用水供應和需求可能產生的影響。在灌溉項目研究中，為了選擇最好的折中灌溉規劃策略，還可基于多目標線性規劃優化，利用神經網絡將非支配的灌溉規劃策略加以分類，將這些策略分為若干個小類別。結果表明，在對多目標灌溉規劃問題加以建模時，綜合模型方法是有效的。

人工智能技術在產中階段的應用

在設施農業產中階段，主要應用是農業專家系統、人工神經網絡技術、農業機器人等。這些技術能夠幫助農民更科學地種植農作物并對溫室大棚進行合理的管理，指導農民科學種植，提高作物產量。這些人工智能技術的使用推進了農業現代化的發展，提高了農業生產的效率，使農業生產更加機械化、自動化、規范化。

專家系統是指應用于某一專門領域，擁有該領域相當數量的專家級知識，能模擬專家的思維，能達到專家級水平，能像專家一樣解決困難和復雜問題的計算機（軟件）系統。國際上農業專家系統的研究始于20世紀70年代末期的美國，1983年日本千葉大學研制出MTCCS（番茄病蟲害診斷專家系統），到了20世紀80年代中期，農業專家系統不再是單一的病蟲害診斷系統，美國、日本、中國等國家也相繼轉向開發涉及農業生產管理、經濟分析、生態環境等方面的農業專家系統。農業科研人員把人工智能中的專家系統技術應用到農業生產中，開發出了農業專家系統。它可代替農業專家走進生產溫室，在各地區具體指導農民科學種植農作物，這是科技普及的一項重大突破。

在設施生產中可以使用機器人來代替農民進行作物采收，不僅可以降低勞動成本，也可以提高工作效率。Wolfgang Heinemann等人研發出的具有獨特設計結構的采收機器人，該機器人可以在無需人類干擾的情況下自動采收白蘆筍。為了保證機器人能夠精確行進，它使用了2個獨立的速度控制輪和級聯控制結構（其中包含了一個內部的定位誤差控制器和一個外部的橫向偏置控制器）。借助PID算法①，機器人系統可以分析自己的運動軌跡，優化驅動電機的控制參數，保證系統能夠穩定自主的運行。

在中國，應用人工智能技術的智能雜草識別噴霧系統已經得到了長足發展。圖像分析系統通過分析田間圖像的顏色模型，根據色差分量②顏色特征實現雜草實時識別，并基于Canny算子對識別到的雜草進行邊緣檢測，提取其特征參數，配合超生測距等技術可以精確控制噴頭位置及用藥量[7]。該技術的應用可以大大提高除草劑的經濟性，對保護環境也大有益處。

人工智能技術在產后階段的應用

人工智能技術在設施農業產后階段也有相當多的應用前景。

在農產品分類方面人工智能技術能提供很好的支持。張嘏偉[8]等提出了一種基于圖像識別的番茄分類方法，該方法根據番茄的表面缺陷、顏色、形狀和大小，使用遺傳算法訓練的多層前饋神經網絡對番茄進行分類，并與BP訓練神經網絡③進行了比較。結果表明，遺傳算法在訓練次數和準確性上都具有優勢。謝靜[9]等對圖像識別分類中的圖像預處理方法進行了研究，包括圖像噪聲去除方法、圖像分割方法、邊緣提取方法等。提出了使用改進的canny算法④和當量直徑法相結合來檢測水果大小的新思路，并使用模糊聚類方法處理gabor濾波器提取水果表面缺陷特征，對水果表面缺陷進行了分類。

隨著社會的發展，人民生活水平的提高，廣大消費者及國家都對食品安全問題越來越重視，農產品質量檢測方法也在不斷進步。圖像識別、電子鼻等技術都應用在了農產品檢測中。李洪濤[10]等利用人工嗅覺裝置，模擬人的嗅覺形成過程分析、識別和檢測農產品在腐敗過程中釋放的不同特征氣體。其制作了小型化的傳感器陣列并利用半導體制冷片搭建了一個PID溫度控制系統，保證傳感器正常工作的溫度及濕度。在當前技術的發展下，科學家們以彩色計算機視覺系統為重要技術手段，綜合運用圖像處理、人工神經網絡、遺傳算法、模擬退火算法以及決策樹、專家系統等人工智能領域的技術，研究出了眾多實現農產品品質檢測和自動分級的新方法。

草莓、葡萄等農產品很容易破損和受傷，依靠人工采摘和搬運，不僅增加了勞動成本，也影響農產品采摘后的品質。結合磁流變（MR）流體技術，工程師們設計出了一種可用于搬運農產品的磁機器人手爪，該手爪經過精確設計，可以搬運胡蘿卜、草莓、西蘭花和葡萄等不同形狀食品，而且不會在食物表面留下任何淤痕和凹陷。為了讓機器人手爪更為快速、準確地工作，在磁流變手爪的基礎上結合力傳感技術開發出了更為靈活、智能的新型手爪。該手爪可在410～530 ms內抓握50～700 g重量的農作物，還能顯著減少細菌的交叉感染。

人工智能發展前景

近年來，人工智能技術已經取得了長足的進步，語音識別、自然語言識別、計算機視覺、自動推理、數據挖掘、機器學習以及機器人學都在蓬勃發展。人工智能的未來就是在智能感知的前提下，結合大數據技術自主學習，幫助人們做出決策、代替重復性工作。在農業方面出現全天候全自動平臺，實現農業生產的全自動化[11]。物聯網技術在設施農業中已經得到普及，在溫室大棚中的大量智能傳感器是機器感知的基礎，而感知則是智能實現的前提之一，通過感知，農業數據源源不斷地匯集在一起。云計算的發展為大數據存儲和大規模并行計算提供了可能[12]，而數據則是機器學習的書本。設施農業是物聯網、云計算、人工智能三大技術結合應用的領域之一，它們的結合顛覆了傳統農業生產方式。

面對眾多的新技術、新成果，把它們投入到生產中去才是關鍵。如何讓技術能夠適應中國復雜的農業生產環境，同時還要面對不同知識水平的用戶，這些都是人工智能技術、云計算技術等高新技術在農業生產中所面臨的問題。設施農業高產出高投入的特點，正適合應用這些新技術，這樣既可以讓新技術有實踐的機會，又可以讓其他涉農用戶對新技術有直觀的感知，這對技術進步和技術推廣都很有幫助[13]。

人工智能技術雖然前景光明，但其應用的研究才剛剛起步，離目標還很遠。未來，人工智能技術可以更好地為人們服務，改善人們的生活，并帶來巨大的社會和經濟效益[14]。在人工智能的引領下，農業已邁入數字和信息化的嶄新時代，借助其技術優勢來提高農業生產的經濟效益，是全面實現農業生產現代化、智能化、信息化的必由之路。

參考文獻

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[8]張嘏偉.計算機視覺系統在番茄品質識別與分類中的研究[D].保定：河北農業大學，2005.

[9]謝靜.基于計算機視覺的蘋果自動分級方法研究[D].合肥：安徽農業大學，2011.

[10]李洪濤.基于農產品品質檢測的專用電子鼻系統的設計與研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[11]張震，劉學瑜.我國設施農業發展現狀與對策[J].農業經濟問題，2015（5）：64-70.

[12]施連敏.物聯網在智慧農業中的應用[J].農機化研究，2013（6）：250-252.

[13]崔文順.云計算在農業信息化中的應用及發展前景[J].農業工程，2012（1）：40-43.

[14]李雪.信息技術在農業領域的應用分析[J].東北農業大學學報，2008，39（3）：125-128.