生態無人農場模式探索及發展展望

蘭玉彬，趙德楠，張彥斐，朱俊科

（1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000；2. 山東理工大學生態無人農場研究院，淄博 255000； 3. 山東省旱作智能農機裝備協同創新中心，淄博 255000；4. 山東省農業航空智能裝備工程技術研究中心，淄博 255000； 5. 中英智能農業聯合研究中心，淄博 255000）

0 引言

據國家統計局數據，截至2018年底，中國的城鎮化率接近60%[1]。大量的農村剩余勞動力向城市轉移，空心村數量增長[2]，60歲以上的老年人口仍然充當了農業生產的主要人員，未來“誰來種地”問題日益凸顯。隨著信息技術的迅速發展，無人農場的概念被提出來，英國哈珀·亞當斯大學（Harper Adams University）與Precision Decision公司建成了世界上首個無人農場（Hands-Free Farm）[3]。在中國，隨著物聯網、大數據、5G、人工智能、無人駕駛等技術的興起，無人農場被賦予了更加豐富的內涵，成為指引中國智慧農業發展的一種重要載體。

另一方面，中國每年使用農藥原藥30萬t[4]，農用化肥施用折純量5 793.6萬t（近十年平均數據）[5]。農藥和化肥的使用提高了作物產量，但其過量和不合理的施用導致土壤板結和酸化、有機質層變薄，有益微生物、害蟲天敵等逐年減少甚至區域性滅絕，農田生物多樣性喪失，農田生態平衡遭到破壞[6]。農戶不得不逐年增加農藥化肥的施用量來保證作物產量，隨之帶來的是農產品品質下降，如此惡性循環，農田將產不出安全的食物。構建綠色、循環、可持續發展的農田生態系統成為解決當前問題的重要途徑。從1987年開始，華南農學院駱世明教授就先后編寫了多版《農業生態學》書籍，從農田生態系統中的能量流動、物質循環、生物種群與群落、農業資源的合理利用等方面對生態農業的概念、原理、模式和技術體系等[7-9]進行了比較全面的概述，為中國生態農業的發展奠定了重要的理論基礎。

生態無人農場是生態農業與無人農場技術的有機結合，是一種技術集成創新的模式，瞄準的是“未來誰來種地、如何種好地”的問題。2017年，本文作者團隊到訪英國哈珀·亞當斯大學，與英國國家精細農業中心Simon Blackmore教授團隊洽談交流，雙方于2018年成立了中英智能農業聯合研究中心。2019年，山東理工大學在山東淄博落地建成了中國首個生態無人農場，并基于生態無人農場研究團隊的實踐與探索，凝練出生態無人農場的概念。

生態無人農場（Eco-Unmanned Farm, EUF），就是基于精準施藥、生態沃土、農業廢棄物循環利用、提高農田生態系統生物多樣性等可持續發展理念，以智慧云大腦為核心，集成物聯網、5G、大數據、人工智能和無人駕駛等高新技術，實現農田信息的自動采集和處理、科學決策以及無人農機的遠程控制，在人不進入農田的條件下完成周期性作業的一種智慧農業模式。生態無人農場模式的實施是高度集成化的系統性應用工程，解決的也是系統性的農業問題，需要多學科的高度融合。其中涵蓋了生態農業、農業物聯網、農業大數據、農業人工智能、農機無人駕駛等眾多高新技術。本文從構建可持續發展的農田生態系統為出發點，融合國內迅速發展的信息技術，對生態無人農場的關鍵技術與模式進行了總結概述，以期為未來農業、智慧農業的發展以及推進農業農村現代化高質量發展提供有益借鑒。

1 生態農業關鍵技術與模式

從生態學角度分析，農田生態系統由生物和環境兩部分組成。生物部分涵蓋了以綠色植物為主的生產者，以動物和微生物為主的消費者，和以微生物為主的分解者。人類活動中，農藥[10]、化肥[6]的過量輸入和不合理的土壤耕作制度[11-12]對農田生態系統造成的不利影響最為明顯。人類的介入改變了農田生態系統的物質、能量循環，使農田的生物多樣性變得單一，也改變了土壤微生物等農田生物的生存環境。在大田糧食作物生產場景中，農藥、化肥的使用和深耕、深松、旋耕等土壤耕作制度強化了生產者的物質和能量輸出，即產出了更多的糧食[13]。但過量的農藥化肥同時也殺死了害蟲天敵、土壤微生物或者抑制了其活性，連年頻繁耕作破壞了土壤微生物的生存條件[14]，使其數量大大下降，降低了分解者將有機物分解成無機物的生態功能，導致了土壤有機質含量下降、土壤生病以及一系列環境失衡問題。

但人類的農業活動不可避免地對農田生態系統的平衡造成影響，因此，要將農田的開發利用與保護修復相結合，采取合理的技術措施對農田進行生態化管理與改造。需從所產生影響的根源入手，即農藥、化肥、耕作制度三大因素的合理調控以及以增加分解者、害蟲天敵等為主的農田生物多樣性重建。如圖1所示為基于無人化作業手段的生態農業關鍵技術與模式，其內涵是：構建循環農田生態系統、構建病蟲害綠色防控技術體系和應用生態沃土機械化耕作模式。

1.1 循環農田生態系統的構建

構建物質循環的農田生態系統是農業可持續發展的重要手段。中國對生態農業發展十分重視，據報道，中國先后兩批建立了102個生態農業示范縣，帶動省級生態農業示范縣500多個[15]，也因地制宜地探索出多種生態農業模式。如華南農業大學研究人員探索出的鴨稻共作模式，在水稻田中人為加入鴨種群的干預，利用鴨子的雜食性解決了農田病蟲草害問題，減少了農藥化肥投入，提高了農產品品質[16]。研究還表明，鴨稻共作系統中，捕食性天敵的數量和多樣性都得到提高[17]。山東農業大學劉玉升教授團隊等研究的利用黃粉蟲、白星花金龜幼蟲、黑水虻等[18-20]腐食性昆蟲處理廚余垃圾、作物秸稈、畜禽糞便等，實現了蟲子喂雞，蟲糞還田的循環模式，對農業廢棄物都有較高的轉換率。數據顯示，對玉米秸稈的轉換率可高達94.72%[21]。除此之外，還有桑基魚塘模式、稻魚共生模式[22]、豬-沼-果模式、林果間作模式、農村沼氣模式等典型的生態農業模式。

在以小麥玉米輪作為主的生態無人農場智慧大田場景中，人類是農田生態系統中有機物的最大消費者，糧食的產出伴隨著以秸稈為主的農業廢棄物的產出。秸稈中仍儲存著大量的有機物和能量，合理利用秸稈是近年來的研究熱點，存在秸稈還田、畜牧飼料、生物質能源等[23]再利用手段。從物質與能量循環的角度考慮，秸稈的產出相對應的是農田地力、肥力的損耗，“取之于地，用之于地”的秸稈還田方式更符合生態發展的理念。但秸稈直接還田也存在腐爛周期長的問題，秸稈中攜帶的寄生蟲、致病菌如果得不到妥善處理，也會影響作物生長。綜合考慮，將秸稈合理科學地回到農田生態系統的物質循環，主要有兩方面的技術手段。一是秸稈粉碎還田，即“從哪來回哪去”。二是種養循環，種，即作物種植，養，即動物養殖。秸稈作為飼料，經過牲畜的消化產生動物糞便，再經過堆漚發酵無害化處理后噴施還田，秸稈以有機肥的形式再次回到農田生態系統的物質、能量循環中，實現“取之于地，用之于地”的循環模式。其次，除了大型動物的飼養，通過養殖白星花金龜、黃粉蟲等功能性昆蟲，經過昆蟲過腹轉換，產生富含有機質的蟲糞基生物肥，增加農田土壤的有機質含量，從而減少化學肥料的使用。

雖然起到分解者作用的牲畜、腐生昆蟲等不在農田生態系統的空間維度范圍內，即分解者與農田環境是分離的，但其仍發揮著農田分解者的生態功能，完成腐生食物鏈的人工閉環循環，結合部分秸稈還田，則實現了秸稈的物質多級利用。因此，構建循環農田生態系統的本質，是通過人為手段增加農田生態系統的生物多樣性，實現全物質無限量循環而不產生額外廢棄物，并以此達到減少化學肥料使用的生態目的。

1.2 精準施藥技術

農藥是保證作物產量的有力武器，但落后的施藥器械與施藥技術導致農藥利用率低，過量的農藥施用不僅增加了農資投入成本，還導致了作物對農藥的依賴性，一旦停止施用農藥，病蟲害爆發，將造成作物減產甚至絕產。生態無人農場通過對農田實施以精準農業航空技術應用為特色的生態化管理，輔之以地面精準施藥技術裝備，通過一系列農藥減施、增效手段逐步減少其施用，實現“能少用則少用”，保證作物產量和食品安全。

隨著蘭玉彬教授“精準農業航空”技術體系[24-26]（圖2）在國家“兩減”重點專項“地面與航空高工效施藥技術與智能化裝備”項目的實施，植保無人機產品可靠性大幅提高，具備了自動規劃航線、全程自主飛行、厘米級作業航跡精度、大數據監控、仿地飛行、自主避障等功能，大幅提高了施藥效率，基本實現精準化、智能化[27]?！熬珳兽r業航空”理念的基本思想是：通過空中和地面遙感[28]，采集并解析具有地理位置的農田中的作物長勢、病蟲草害、生長環境等農情信息，再將農田分為作業網格， 依據不同的農情制定不同的作業處方圖，并對網格進行按需作業，即精準施藥或精準撒播等。

農藥的減施、增效包括地面與航空兩個維度，從精準施藥技術角度來分析，二者優勢互補。農田生態化改造第一層次的技術要求是對靶噴施[29]，對靶噴施的定義是，區分作物與土壤，在有作物的區域噴施，在非靶標區停止噴施，邏輯關系可分為0和1；第二層次的技術要求是變量噴施[30]，在病蟲害發生程度高的區域多噴，在發病程度低的區域少噴，邏輯關系是0～1；第三層次的技術要求是靜電噴施[31-32]，由于從噴施器械噴出的農藥霧滴或顆粒，有60%以上脫離作物靶標，流失到空氣和土壤中，這一部分農藥是浪費掉的，亦是造成土壤污染的重要來源。靜電噴施中，利用農藥霧滴或顆粒之間的排斥力，以及農藥與作物間的吸附力，可以提高其在作物靶標的沉積分布均勻性，提高中靶率以及作物葉片背面的沉積量[33]，邏輯關系是0～1之間某個值乘以系數，系數越高，則農藥的利用率越高。另外，利用霧滴漂移[34]控制技術和添加農藥助劑[35]，可將這個系數進一步提高。綜合目前的農藥減施增效技術，研發對靶、變量、靜電噴施系統，將是實現精準施藥的究極武器，但是系統功能的集成面臨可靠性和響應精度等的挑戰，對靶變量靜電噴施系統的技術集成研究尚屬空白。通過以上技術手段逐步減少農藥使用，并實現農藥的最大化利用，在保證作物產量和品質的基礎上，減少農藥對農田生態環境的污染。

1.3 農藥替代技術

除了精準施藥，從“能不用就不用”的角度，可以應用農藥替代技術。農藥替代技術有三方面的含義，一是豐富生物多樣性，采取以蟲治蟲的生物防控；二是采用殺蟲燈引誘殺蟲等物理防控方法；三是采用免農藥噴施技術，即用無污染、無農殘的免農藥成分制劑替代化學農藥制劑的使用。

在豐富生物多樣性進行生物防控方面，通過在遷飛性害蟲的遷飛途徑區設置引誘帶和隔離帶，在引誘帶、隔離帶和農田周圍種植矢車菊等功能性植物，涵養害蟲天敵，實現以蟲治蟲。針對玉米螟等農業害蟲，亦可采用投放赤眼蜂、綠僵菌等技術手段。針對人工投放效率低下，投放密度不均等問題，近年來利用無人機進行赤眼蜂投放成為生物防控的可行性手段之一[36]。生物防控在農藥減施、替代、減少農資投入、提升生態效益方面都展現出良好的前景。

免農藥噴施技術中，以噴施臭氧功能水和電生功能水為主要手段。臭氧水殺菌的原理是：臭氧中高氧化性的單氧原子與細菌、真菌等接觸后，會與其細胞壁的脂類雙鍵反應，破環其細胞壁和細胞膜，導致胞內汁液流失，同時作用于細胞內部的蛋白質、氨基酸、多糖等，使細胞迅速失活[37]。電生功能水通過將含鹽電解質溶液電解為氧氣、氯氣、含氯化合物等有效成分，利用其氧化性、低pH值等特性，使微生物膜電位失衡，并破壞細胞內結構，導致病原菌死亡[38]。臭氧功能水和電生功能水都具有廣譜、高效、快速的殺菌、殺蟲作用，通過制備臭氧功能水、電生功能水，結合高效的地面與航空植保機械進行噴施，噴施后分解成氧氣等無污染和無農殘的成分，實現對農藥的替代。

農田的農藥替代生態化改造建立在多種技術手段的共同作用下，將無人農機裝備、農藝與生物防治等技術手段相結合，隨著有益菌群和有益昆蟲天敵等生物多樣性的恢復，農田生態系統對農藥的依賴程度下降并逐步恢復平衡狀態，借此實現農田的生態化管理與可持續發展。

1.4 生態沃土機械化耕作模式

傳統的土壤耕作制度有翻耕、深松、旋耕等形式，短期內土壤耕作促進了地表與底層土壤的交換以及營養元素的利用，改善土壤通透性，利于作物高產[39]。但連年頻繁耕作也使原本肥沃的底層土壤暴露于地表，土壤養分和水分流失嚴重，地力下降，導致化肥越用越多，并產生依賴性。免耕近二十年來已成為國內農業機械學家、生態學家、土壤學家、農藝學家、作物營養學家等的研究熱點[40-42]。研究表明，相對傳統耕作，免耕/少耕通過減少對土壤的擾動，可改善土壤理化性質，提高土壤中微生物活性、微生物碳含量，對土壤生物的數量、多樣性、種群結構有保護和修復作用。免耕結合秸稈還田，能夠增加有機質輸入、提高土壤有機碳含量，提高土壤團聚體的比例和穩定性，有效協調碳排放和水分利用，提高農田生態系統固氮能力等[43-45]。但免耕時間過長，土壤板結、孔隙度降低，水氣運行不暢，生物活動受限，減產或不利于高產[46]。秸稈覆蓋處理不當，病蟲害易發生。依賴化學除草劑抑制雜草，污染和殘留較為嚴重，影響生態。

將耕作方式組合，如免耕-深松、深松-翻耕、翻耕-免耕等跨年輪作的優化耕作方案[47]被證明可以彌補單一耕作方式的局限性，更利于高產和保護農田生態。合理、科學的耕作制度需減少對土壤生態的侵蝕與破壞，為土壤微生物提供良好的生存環境，保持土壤良好的理化性質，以利于作物生長，保證作物產量與品質。山東理工大學在2005年提出了生態沃土機械化的農機農藝融合技術，之后開展了一系列研究與試驗，在淄博臨淄的富群農機合作社40 hm2小麥玉米生產取得成本減少15%、增產15%以上的滿意效果[48]。2020年，山東理工大學生態無人農場以856.9 kg/0.067 hm2刷新了全國冬小麥單產紀錄[49]。

生態沃土機械化[48,50]，就是要建立周期性輕簡組合土壤耕作制度。保證作物的茁壯生長，從土壤結構上需要耕層有合理的團粒結構、適當的孔隙度，以利于水土保持、水氣循環、生態平衡，從而有利于植物根系生長發育、土壤有益動物和土壤微生物活動。機械化耕作是改善耕層結構的最有效手段，但是精耕細作式的連年翻耕或單純為保護地表完全不翻耕，從增產節約角度和土壤結構角度看都是不夠科學合理的?？茖W的土壤耕作方法應當是進行盡量少的適度翻耕，配合適度的深松、淺旋、苗帶細旋等耕作措施，形成以少耕免耕為主的長周期輕簡組合耕作體系。圖1中的耕作模式和圖3分別是以四年、六年為周期的生態沃土周期耕作循環圖。

生態沃土機械化耕作模式是農機與農藝的有機融合，它以綠色可持續為農業機械化發展理念，用生態型機械化技術和方法輕簡耕作，精準種植與管理，科學處理和田間高效利用秸稈，以不斷增加土壤有機質含量、改善生態環境和土壤結構，逐步減少化肥、農藥等化學物資的使用，用最低的能耗和成本達到生產生態、地力提升、高產高效的目的。

2 無人農場關鍵技術

2.1 無人農場的基本原理

無人農場是高標準農田建設的重要支撐，從仿生學角度分析，無人農場可稱為仿人農場。與人類神經系統相對應，無人農場具有感知、決策和執行三大基本要素。無人農場是機器換人所要展現的最終形態，物聯網替換了人類的感知器官；大數據和人工智能組成智慧云大腦，替換了人類的大腦；無人駕駛的農業機械（簡稱無人駕駛農機，泛指用于農業生產的所有機器人、無人機、機械裝備等）替換了需要人類四肢參與執行的有人駕駛農機。因此，智慧云大腦是無人農場最重要的“器官”，智慧云大腦的發達程度決定了無人農場的智慧化程度。經過農田天空地一體化的農情信息感知，當農田到了一定的作業階段，需要執行耕、種、管、收等作業環節時，農場的智慧云大腦就會自動發送指令調動農機庫的無人駕駛農機下田，按照規劃好的路徑作業。物聯網模擬的是人的感官知覺，是接收信號的載體，信號傳到大腦，大腦會自動處理這些信息，并且做出回應，從而執行相應的農事操作。智慧云大腦科學決策的形成需要大數據積累和人工智能的訓練[51]，不斷優化精度，這樣智慧云大腦才能形成農田精準管理的執行方案。有人農場和無人（仿人）農場的基本原理如圖4和圖5所示。在人類參與的機械化農場中，決策主要由人來完成，而在成熟的無人農場系統中，決策由農場的智慧云大腦來完成。

以農田作物生蟲需要進行施藥作業的場景為例，人類通過眼睛得到作物生蟲的信息，人的大腦接收信息并且根據經驗做出需要進行施藥的決策，通過人的四肢背負噴霧器或者駕駛施藥器械開展施藥作業。而在無人農場中，作物生蟲的信息由農田布設的傳感器網絡或者通過衛星、無人機遙感獲取并通過通訊網絡傳輸至無人農場的智慧云大腦，智慧云大腦通過大數據處理和人工智能分析，形成施藥決策，從而發送施藥指令，施藥過程由無人駕駛農機來完成。在此過程中，人不需要進入農田，這是無人農場的基本特征[52]。

無人農場實現了遠程種田，即使農場主不在農場，也能實現精準管理，讓一個人管理上千畝農田成為可能。從無人農場的三大功能，即農田信息的自動采集和處理、科學決策以及無人農機的遠程控制來說，無人農場需要三大技術體系支撐。它們是以物聯網技術為支撐的天空地一體化的農情信息獲取體系，以大數據、人工智能為支撐的科學決策體系和以農機無人駕駛技術為支撐的地空一體化無人機群協同作業體系。圖6為山東理工大學探索出的生態無人農場模式示意圖。

2.2 無人農場的感知器官-物聯網

農業物聯網將無人農場中農機智能裝備狀態信息、作物信息、環境信息三大要素的數據實時連接共享。傳感器和數據傳輸技術是組成物聯網的重要支撐[53]，將天空地一體化的傳感器空間網絡感知的海量多元異構信息通過有線或無線通訊技術完成裝備-作物，裝備-環境，作物-環境等的實時交互功能。數據傳輸分為有線傳輸和無線傳輸，無人農場中常用的有線傳輸技術有CAN現場總線技術等，常用的無線傳輸技術有Zigbee、WiFi、LoRa、4G、5G等[54]，而5G技術憑借其高傳輸速率、低延時[55]的特性，為農場管理的可視化、在線化提供了應用前景，為遙感無人機變量噴施處方圖[56]的實時生成、提高農用無人機避障[57]的響應速度等提供了可能。5G技術在無人農場中的研究應用將是智慧農業發展的重要方向之一，山東淄博的第一個5G基站建立在山東理工大學生態無人農場。

農機智能裝備的狀態信息智能感知便于實現對裝備的狀態參數、作業參數等的實時監控和故障排查，為農場管理的精準決策提供依據。其感知對象涵蓋了動力機械、耕整地機械、播種機械、植保機械、灌溉機械、收獲機械等部分[58]。動力機械的關鍵參數有動力輸出、扭矩、位置、行駛方向、行進速度、作業姿態等；耕整地機械中利用陀螺儀、傾角傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器[59]等感知機械位置狀態、耕作深度、耕作阻力以及動力輸出信息等；播種機械加載的紅外光敏傳感器、視覺傳感器、光電傳感器[60]等實現對種子、肥料等固體顆粒播量、播速、播深、漏播情況等的監控；植保機械利用壓力傳感器、機器視覺傳感器、測速傳感器、流量傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等實現農藥噴霧壓力、流量、液位等的監控[61-62]，以及噴桿的高度測量與調節，植保無人機還可實現飛行高度、飛行速度的實時感知；灌溉機械利用壓力傳感器、流量傳感器、流速傳感器等對水肥灌溉的流量、流速、水壓等數據監測，便于實現精準的水肥灌溉及調控；收獲機械基于電阻傳感器、γ射線傳感器、光電傳感器、壓電傳感器等測量糧食產量、含水率、破損率等參數[63]，為農場提供估產以及糧食品質判定的參考。可以看出，傳感器分布在智能農機裝備作業的各個環節，組成泛在的傳感器節點，這讓田間作業過程可視化、數據化，并讓生產環節更加安全可控。

作物與環境農田信息的感知是實現精準作業的前置基礎，無人農場的智能感知需要依托天空地一體化的農情信息獲取系統來實現。地面尺度的農田土壤墑情、氣象信息等的獲取主要依靠地面布設的傳感器完成。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是地面傳感器的重要組織結構[64-65]，大量的傳感器節點利用廣泛布設的探頭、探針將其獲取農田信息轉換成電信號，經過控制模塊處理后，由無線/有線網絡傳輸至農場的智慧云大腦/指控中心/云平臺。按照監測對象分類，監測范圍包含了土壤墑情、氣象參數和作物生長狀況等。土壤墑情監測方面，賈科進等[66]設計了基于Zigbee無線傳感器網絡的土壤墑情監測系統，可用于節能節水和智能灌溉；漆海霞等[67]設計了基于LoRa的花生水分監測系統，試驗結果表明系統在800 m距離內數據通訊成功率較高，這對中小型無人農場中的土壤墑情數據采集具有一定的應用價值；趙燕東等[68]研發了能夠同時測量土壤水分、電導率、溫度的多參數復合傳感器系統，其能夠滿足在線測量的要求。氣象監測方面，氣象站是常用的農田氣象參數測量的載體，集成了多種傳感器，用于測量風速、風向、大氣壓、空氣溫濕度、光照強度等。楊亦洲等[69]組建的基于ModBus和Zigbee的氣象無線傳感器網絡，實現了多節點、多參數的氣象參數采集功能；張李元等[70]開發了基于NB-IoT技術的氣象站，可實現與云服務器的數據交互功能。鑒于農業生產的場景特點，農田氣象監測系統朝著數據傳輸穩定、低功耗和小型化方向發展[71-72]。在地面監測作物生長狀況方面，則主要以圖像和視頻獲取的形式出現，用于觀察作物長勢與監控農場的安全等。

在空天尺度農田信息的獲取上，主要依靠遙感技術來完成。遙感，顧名思義，即遙遠的感知，廣義的遙感涵蓋了衛星遙感、航空飛機遙感和地面遙感[28]。農業遙感技術，是指搭載圖像、光譜、雷達等傳感器對作物長勢、農田墑情、病蟲草害發病情況等進行監測，獲取病蟲草害、植被覆蓋度、植物缺素和水分等信息[73-75]。生態無人農場遙感應用的目的是基于遙感手段獲取的農田信息，針對性地對病蟲草害發生的趨勢進行預測，結合農田作物生長趨勢等對最佳播種、施藥、施肥、灌溉、收獲等時間節點進行判斷和預警，對作物產量進行估測，并可以生成作物信息處方圖。處方圖的網格被定義了不同處理等級，用以指導精準變量的水、肥、藥等的灌溉與噴施。

劉良云等[76]利用衛星遙感獲取小麥的歸一化植被指數，監測了小麥播種時間，預測了小麥出粉率；唐翠翠等[77]基于衛星遙感數據建立了小麥蚜蟲發生預測模型，通過對比發現，相關向量機（Relevance Vector Machine, RVM）對小麥蚜蟲發生的預測精度較高，可為預防性施藥防治提供依據；趙靜等[78]對夏玉米無人機可見光圖像進行處理，快速準確地得到了夏玉米多個生長階段的植被覆蓋度信息；趙靜等[79]還利用無人機多光譜成像區分玉米與田間雜草，得出支持向量機（Support Vector Machine, SVM）模型的區分度較好；孔繁昌等[80]利用無人機高光譜圖像對水稻稻瘟病的發生等級進行區分，結合光譜特征解釋了病害侵染后反射率和相關植被指數的變化過程，為稻瘟病的預警提供了支持；馬慧琴等[81]將遙感數據和氣象數據相結合，成功預測了小麥灌漿期的蚜蟲爆發趨勢，精度高于80%；劉峰等[82]開發了將遙感數據與作物生長模型相結合的系統，對無人農場模型庫的建立具有一定的指導意義，另外研究表明這將有助于對作物產量進行估測[83]?？傮w來說，衛星遙感具有監測面積廣、不受時空地域限制等優點，但成本相對較高；地面遙感感知精度高，但存在操作效率低下的問題；無人機低空遙感搭載緊湊、輕便、耐用的傳感器獲取農田信息，可快速準確獲取帶有地理坐標的高精度信息數據。三種遙感手段各有利弊，但又相輔相成，共同組成了天空地尺度的農情信息感知網絡，成為無人農場智慧化管理最重要的手段之一。遙感技術在生態無人農場中還有諸多應用場景，如2019年臺風“利奇馬”過境時，生態無人農場研究團隊采用無人機遙感技術對農田小麥倒伏情況進行了快速評估[84]。

通過構建天空地一體化的農情信息感知系統，眾多傳感器節點獲取的數據通過通訊協議匯集傳輸到農場的智慧云大腦/云平臺/指控中心，實現了對農田全方位立體化的信息感知和獲取，為無人農場大數據的形成積累關鍵參數，為科學決策提供基礎。

2.3 無人農場的大腦-大數據與人工智能

人工智能技術在農業上主要有農作物識別與檢測、農作物病蟲害與缺素診斷、農作物生產精準管控、農產品質量分揀和溯源、土地與種植資源管理等應用場景[85]。農業人工智能在生態無人農場應用場景中，是指利用計算機的機器學習、深度學習等算法，對傳感器網絡所獲取的海量信息進行規律挖掘，通過優化算法進行數據分析和趨勢預測，形成規律模型，模型系統的成熟與集成將使智慧云大腦完全具備思考和決策的能力[86]。形成具有自主決策能力的智慧云大腦需要大數據支撐，在數據量和處理能力還不足時，往往需要使用一些相對簡單的算法和模型來完成基本的功能，并通過人為地挖掘和輸入重要特征，輔之以人類的決策經驗，不斷訓練和優化決策精度。由于短期內積累的數據量往往形成不了真正意義的大數據，因此人類的決策還將承擔重要的輔助作用。

農業大數據存在多維、廣源、異構、動態的特點[87]，傳統的數據存儲和數據處理方式已經無法滿足大數據的應用要求。尋求一種數據存儲能力強、計算速度快的數據管理平臺尤為重要。Hadoop框架是無人農場大數據的主要組織形式，具有高效、安全、易拓展等優點[88]。基于Hadoop的大數據管理平臺，通過構建分布式的文件系統，在Hadoop框架下的HDFS和MapReduce兩大核心組件分別具備了海量的數據存儲功能和數據高速處理能力[89]，經過MapReduce的進一步數據歸納、數據挖掘，結合人工智能的算法處理，實現無人農場管理的智能分析與智能決策。隨著無人農場天空地一體化的農情信息采集，大數據逐漸積累，而新數據的產生存儲不會影響原有數據的結構，而是通過構建新數據節點的方式實現數據累加[90]。人工智能算法為大數據提供經驗模型，結合MapReduce的并列計算，實現對數據價值的深度挖掘。農田環境、作物種類和田間管理環節的復雜性、病蟲草害發生的多樣性、植物生長的特異性，以及農業生產資料之間的相互影響不確定性，導致了農業大數據海量多源異構數據的冗雜性，這將為農業大數據的獲取提出更高的要求。模塊化、規律化的信息分類采集，將有助于大數據快速存儲與計算。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一種模擬或者延伸人的智能方法、理論的工具。通俗意義上來講，人工智能模擬的是人的思維方法，是通過一定的計算機語言、程序算法來完成認知、學習、判斷、形成策略等功能[91]。而人工智能算法實質上是為了解決特定的問題而設計的計算過程和數學模型，是事務的規律性總結。因此，農業人工智能的核心技術是基于農業大數據的算法形成的規律模型，規律模型可以用來指導實際的農業生產與管理。在無人農場中，大數據和人工智能技術替代了人類大腦，以智慧云大腦/云平臺/指控中心為載體發揮形成田間管理決策和發送作業指令等功能。數據、計算和算法是人工智能的三大基石，而算法是人工智能的靈魂。農業人工智能中，按照訓練方式的不同，可分為監督學習、無監督學習、半監督學習和強化學習等。在與無人農場相關的人工智能算法研究中，卷積神經網絡、回歸神經網絡、隨機森林、線性回歸、邏輯回歸、支持向量機等監督學習算法和深度卷積神經網絡等深度學習算法較為常見，不同的算法在無人農場實現功能時有各自的應用場景。在作物病害識別方面，劉濤等[92]基于Mean Shift算法實現了水稻病斑區域的劃分，利用支持向量機模型對多種水稻病害完成了識別分類；夏永泉等[93]基于隨機森林算法對小麥葉部白粉病、葉枯病、葉銹病等進行識別，準確率可達95%，精度優于同等條件下的支持向量機方法；孫俊等[94]對傳統的卷積神經網絡進行了優化，通過批歸一化與全局池化方法加速了作物病害圖像數據處理和特征精簡，使模型對作物病害的識別準確率達到99.56%。在作物識別方面，楊蜀秦等[95]開發了基于DeepLab V3＋深度語義分割網絡的優化模型，獲得了93.06%的平均像素精度和87.12%的平均交并，為作物特征與分類提取提供了更加準確的性能與技術支持；賈銀江等[96]通過引入AMPSO算法對支持向量機進行優化，提高了模型對作物的分類精度。

在農業人工智能功能實現層面上，地面無人農機/機器人與已經具備了故障自檢、作業信息上傳、自主避障功能，在與農田環境交互方面，初步具備了作物識別與檢測功能，空中的遙感無人機基于可見光、多光譜、高光譜數據執行作物識別、作物長勢監測、病蟲害診斷與識別和預警等功能。在生態無人農場中，根據獲取的氣象信息和以及人類耕作經驗，智慧云大腦做出播種的決策并向播種機發送指令下田播種作業；根據遙感數據得出的農田病蟲害信息，得知農田需要水、肥、藥管理時，智慧云大腦做出預警，并向無人噴灌或無人植保機械發送指令，基于生成的農田信息處方圖，開展精準施藥、施肥、灌溉作業；根據作物長勢和生長情況，得出作物已經成熟信息時，向收獲機發送指令下田開展收獲作業。這些功能部分還處于研究試驗研究階段，尚未形成成熟體系，不過，這些將是農業人工智能技術在生態無人農場建設中的重要體現，也是未來努力的方向。如圖7所示為山東理工大學建設的生態無人農場智慧云大腦。

大數據與人工智能技術充當了無人農場的智慧云大腦，類比人腦，智慧云大腦是無人農場最重要的器官。當智慧云大腦完全具備獨立自主決策能力時，即無人農場實現自我管理時，將最大程度地使人類從農業生產過程中解放出來，只需享受產出的食物。

2.4 無人農場的執行器官-無人駕駛農機

世界上首個無人農場的雛形在英國誕生，其英文表達是Hands-Free Farm，展現的是在沒有任何人進入農場的情況下，由機械完成從翻地、播種、灌溉、直到收獲的全部流程，并由無人機監控作物的生長[5]。因此，農機無人駕駛是無人農場最初想要展現的形式。但在生態無人農場模式下，農機無人駕駛只是無人農場的執行層，無人駕駛農機將在前端感知層和決策層基礎上，使農田的管理更加信息化、精準化、智能化和高效化。

無人駕駛技術最先應用于汽車駕駛領域，但農田相對公路的應用場景更為復雜，如農田地塊往往崎嶇不平，農機進行耕種管收等作業需要與旋耕機、播種機等特定農機具配合，在地頭轉彎時需將農機具抬起，又涉及與傳感器和液壓控制系統的協調。在田間作業時，遇到障礙物需要自主避障，農機出現故障，需要自主停車等。綜上，實現農機無人駕駛需要精準的位置定位、合理的路徑規劃、準確的姿態控制、靈敏的自動避障和連貫的機具協同。圖8為生態無人農場地空一體化無人機群協同作業場景。

全球衛星定位系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）是一種以衛星為基礎的高精度無線電導航定位系統，是實現農機定位導航的核心技術。它泛指所有的衛星定位導航系統，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）等[97]。高精度的導航定位是實現無人農場精準高效作業的基本要求，隨著基于載波相位差分技術的實時動態定位技術（Real-time kinematic, RTK）的成熟，較傳統GNSS精度優化的RTK-GNSS應用方案得到廣泛研究和應用，國內常用的有RTK-GPS和RTK-BDS等。RTK-GNSS定位導航系統由GNSS、差分基準站、定位接收機、導航控制器等組成，差分基準站向定位接收機發送差分數據包，定位接收機通過對衛星信號和差分信號的解譯，算得與基準站之間的坐標差，從而得出定位接收機即農機的準確位置[98]。導航控制器通過對行向、速度、轉向角等的測算與解譯，控制農機按照規劃好的航線行進，完成導航功能[99]，其誤差精度一般在厘米級。

合理的路徑規劃是指根據地塊情況進行全局或者局部路徑規劃，而針對有無地圖可分為靜態規劃和動態規劃，以適應不同作業場景和提高地圖精度[100]。準確的姿態控制是指根據規劃好的路徑進行直線追蹤和轉向控制[99]。羅錫文等[101]研發了基于RTK-DGPS的拖拉機自動定位導航系統，并設計了基于PID算法的導航控制器，當前進速度為0.8 m/s時，平均導航跟蹤誤差小于3 cm；張華強等[102]設計了一種基于改進純追蹤模型的農機路徑跟蹤算法，以東方紅1104-C型拖拉機為試驗平臺,設計了農機自動導航控制系統，試驗表明當行駛距離超過5 m后，最大橫向誤差為2 cm，有效提高了直線作業精度；王輝等[103]設計了一種基于預瞄追蹤模型的農機導航路徑跟蹤控制方法，采用預瞄追蹤輔助直線引導農機快速穩定跟蹤規劃路徑，取得了良好的直線路徑追蹤效果。在轉向控制方面，魏爽等[104]建立了基于預瞄點搜索的純追蹤模型，在梨形轉向導航模式下，誤差為14.42 cm；楊洋等[105]設計了基于直流電機與全液壓轉向器直聯的自動轉向機構及其電控系統，車輪轉角響應平均穩態誤差小于0.1°，實現了良好的轉向性能；印祥等[106]以高速插秧機為試驗平臺，研制了以無刷電機作為動力源的電動自動轉向系統，試驗結果表明在[-10°，10°]范圍內的轉向控制誤差小于1°、均方根誤差小于1°，具備良好的控制穩定性和可靠性。國內一些農機企業也配備了電控液壓系統，結合車輪偏角傳感器和轉向控制系統，實現了高靈敏度和精度的轉向控制。國內極飛公司研發了農機自駕儀，集成了定位、解譯、轉向控制等功能，經過簡單改造，就可實現傳統農機向無人駕駛農機的過度，具有較好的推廣前景。與地面輪式機具相比，植保無人機具有操作靈活、作業效率高等特點，植保無人機在換行時，通常無需機頭與機尾的調換，通過平移換行即可完成航線追蹤，提高了作業效率，降低了動能損耗[107]。

連貫的機具協同有兩個層次的含義。首先是農機與機具的協同，是指農機行至地頭時對所掛載的機具進行抬升與下落的控制[58]，以完成路徑航線間的高效銜接。鑒于傳統的機械液壓提升不利于智能化控制，目前常采用電液提升方法，通過電液比例控制來解決這一問題。其次是農機間的協同，一般指受農時和突發自然災害等因素影響，為保證作業效率需進行多機協同作業。同種農機間的協同需要相同的農機進行同工作量分配的農事操作以提高效率；不同農機之間的協同，如收獲機與運糧車的協同，減少了作物收獲后的二次轉運，提高了運輸效率。多機協同同樣需要合理的路徑規劃[108]，以防止作業區域的重合和航線重合導致的農機相撞事故。曹如月等[109]設計了基于蟻群算法的多機協同作業任務規劃算法，可有效降低路徑代價，提高作業效率；曹如月等[110]設計的基于WEB-GIS遠程控制平臺，集數據收發、存儲、查詢、顯示和分析于一體，實現了多機協同的遠程控制；姚竟發等[111]提出了聯合收割機多機無沖突協同作業路徑優化算法，可有效降低作業時長，為作物搶收贏取寶貴時間；針對草地貪夜蛾等重大病蟲害的防控，植保無人機的一控多機功能[112]為蟲口奪糧、保衛糧食安全做出了重要貢獻，在中國河南等地得到了示范性的應用。

在硬件裝備與無人作業系統方面（如圖9所示），無人駕駛農機涵蓋了耕、種、管、收四大環節，由無人駕駛耕整地機械、無人駕駛播種機械、無人駕駛植保機械、自走式噴灌機械、無人駕駛收獲機械等部分組成。除此之外，還有眾多田間信息采集的機器人等，結合空中的無人機進行播種、播肥、施藥等作業環節，共同組成了地空一體化的無人機群協同作業體系。從農機無人駕駛相關技術的研究進展來看，當前已經基本具備了農機無人駕駛功能，在中國山東、河北、廣東、吉林等地已經得到初步推廣應用。生態無人農場模式將在前端智能感知與科學決策的基礎上，進一步整合、集成一系列智能化無人作業技術，向著農田少人乃至完全無人作業發展。

3 生態無人農場模式應用場景與發展展望

3.1 生態無人農場模式的應用場景

生態無人農場智慧大田。生態無人農場模式倡導的是一種綠色可持續發展的理念，在此基礎上的感知層、決策層和執行層三個層面上，進行多種技術的集成創新，以達到生產生態、高產高效、智慧管理，因此生態無人農場模式在不同應用場景下具有不同的技術內涵。本文主要介紹了智慧大田場景下的技術與典型模式，除了前端的感知層、決策層，在執行層面上，大田種植農場的執行系統主要以無人化的大型農業機械為主，而在果園、溫室等場景下，小型的農業機器人是主要的執行系統。

生態無人農場智慧果園。生態無人農場智慧果園是指利用物聯網、大數據、人工智能、固定與移動的智能裝備等對果樹生長進行水、肥、藥等的精準管理。通過果園布設的傳感系統，實現對果園狀態的精準感知，通過水肥一體化、精準施藥，實現生態高效，通過農業機器人實現無人化管理。智慧果園中涉及的除草、套袋、授粉、施藥、采摘、分選等主要環節都是由機器人來完成。物聯網是精準管理的前端基礎、智慧決策平臺是核心系統，無人作業車、農業機器人等是生產環節的裝備載體。生態無人農場智慧果園的實施對象現階段主要針對規范化種植、機械化管理的標準果園，目前對于機械化管理程度較低的果園應用潛力較小。

生態無人農場智慧溫室。生態無人農場智慧溫室可以實現對溫室栽培對象的生長信息實時獲取、處理與管理決策，智能化的溫室環境傳感器、智慧化的溫室管理平臺和自動操作的溫室管理機器人實現了對人工的替代，并對水、肥、養、藥等進行精準調控。完成無人育苗、無人監測、無人調控、無人分揀、無人收獲（采摘）等，來達到自動生產、生態高效、智慧集約的效果。

生態無人農場智慧漁場。本著循環水利用等生態理念，生態無人農場智慧漁場的管理可以分為三個部分：在漁場內布設各類傳感器以及動態的巡檢系統，對水溫、水質、光照、氣體含量、魚類生長狀況、魚類行為進行測量與監控；將數據傳輸至漁場的智慧云大腦/管控平臺，經過數據處理產生科學決策；發送指令對水體環境進行預警、調控，利用固定裝備、無人船、無人機、無人巡檢裝備等完成精準的水質調節、飼料投喂、增氧和收獲等一系列操作。

生態無人農場智慧牛場。智慧牛場基于廢水、糞污等的合理處理及循環利用的理念，在智慧牛場感知、決策、執行三大基礎模塊的支撐下，實現牛場智能識別、智能調控、智能繁育、智能投喂、智能清理、廢物處理等功能，核心的技術仍是基于人工智能的決策系統，代替人腦進行調控干預，使牛場的生產管理更加科學合理與精準高效。

除以上介紹的幾種常見的應用場景外，還有生態無人農場智慧雞場、智慧豬場、智慧牧場等諸多應用場景，但其核心思想仍是生態發展理念與無人農場、信息技術等的深度融合，生態無人農場技術模式在不同應用場景下需因地制宜地配套相應的支持系統。

3.2 生態無人農場模式的發展展望

2020年12月，中國工程院發布了《全球工程技術前沿2020》，在農業領域公布的11個工程研究前沿和9個工程開發前沿中：農業生物信息、環境信息的智能感知、農業機器人作業對象識別與定位、農業資源高效利用與循環經濟、土壤生物多樣性與生態系統功能四項內容被列入工程研究前沿；無人農場智能裝備、農業先進傳感機理與技術、農業農村有機廢棄物綠色資源化利用、植保無人飛機病蟲害智能識別與精準對靶施藥四項內容被列入工程開發前沿[113]，而這些研究方向也與生態無人農場理念的眾多關鍵技術密切相關，這正說明了生態無人農場技術模式是農業領域未來發展的重要方向。

目前，山東理工大學在智慧大田種植場景下的生態無人農場模式已經基本成熟，并且于2020年在吉林省農安縣實現了首次推廣。山東理工大學生態無人農場研究團隊正在向生態無人農場技術體系下的智慧漁場、智慧果園、智慧溫室等探索和推進，將生態無人農場這一模式和理念進行深層次的探索，為未來農業提供寶貴的借鑒。

21世紀是信息技術高速發展的時代，互聯網、移動支付、網絡購物等技術悄然進入人們的生活，人類生存方式產生了巨大變革。農業作為國民經濟的基礎，傳統的農業模式也必將發生革命以適應社會發展的需要。在中國城鎮化浪潮下，土地流轉也將成為土地高效集約化利用帶來契機。未來農業，技術先行，生態無人農場技術模式是對農業未來的可持續發展進行的一種大膽的嘗試與探索，在解決農業勞動力短缺問題、作業提效、作物增產、土地高效利用和生態保護方面都將產生巨大價值。

4 結 論

基于對生態無人農場模式的探索進行的總結論述，得出以下結論：

1）導致農田生態系統生態問題的三大主要因素分別是農藥、化肥的過度施用以及連年頻繁耕作對土壤生態的破壞。生態無人農場模式通過無人化作業手段對農田生態系統進行生態化管理與改造，即通過無人駕駛機械作業完成對農藥、化肥的減施與替代，以及土壤耕作的輕簡化，以此將生態農業與無人農場有機結合。

2）生態無人農場模式的實施內涵是：精準施藥綠色環保、生態沃土集約高產、物質循環持續發展、作物生長立體感知、數據驅動精準分析、人工智能科學決策、衛星定導精準作業和機具協同省時高效。