中国大田无人农场关键技术研究与建设实践

智慧农业是现代农业的发展方向,无人农场是实现智慧农业的重要途径。为了探索和推广无人农场在现代农业中的应用,华南农业大学对大田无人农场的关键技术进行了深入研究,包括无人农场作业环境、作业对象和作业机械装备信息的数字化感知技术;土地整治、耕整、种植、播种、田间管理和收获方案的智能化决策技术;农机自动导航和农机精准作业的精准化作业技术;农作物生长、农机运维和农场经营管理的智慧化管理技术。2020年在广东增城创建全球首个水稻无人农场,实现了五大功能,包括耕种管收生产环节全覆盖,机库田间转移作业全自动,自动避障异况停车保安全,作物生产过程实时全监控,智能决策精准作业全无人。取得了显著的经济、社会和生态效益,2021 年广东增城水稻无人农场种植的优质丝苗米十九香产量达到9934.35 kg/hm²,比当地的平均产量高32%;2023年湖南益阳千山红镇再生稻无人农场两季产量达到18625.5 kg/hm²,说明了人不下田也能种地,也能种好地。截至2023年11月,在国内15个省启动了 30 个无人农场的建设,包括水稻、小麦、玉米和花生4种作物,实践结果证明了无人农场和智慧农业发展的巨大潜力,为解决“谁来种地”和“如何种地”提供了重要途径。     

基于WebGIS的农场生产管理信息系统的设计与实现

针对"农场+生产队"管理模式的大中型农场农业生产管理的需求,该文设计开发了基于WebGIS的农业生产管理信息系统。系统开发采用浏览器/服务器(B/S)架构,Java作为开发语言,属性数据库使用MySQL数据库管理系统,采用ArcGIS API for JavaScript作为WebGIS前端开发技术,实现农场农业生产各关键环节数据的填报、统计以及可视化。功能模块包括:农场机构管理、生产资料管理、生产数据上报、专题分析、信息服务发布、系统管理。目前系统已在安徽龙亢农场,呼伦贝尔谢尔塔拉农场、特泥河农场、院士工作站等农场或农业基地开展示范应用。结果表明:系统具有简单易用、普适性强、扩展性好等特点,可协助农场生产管理者科学、便捷、高效地进行生产管理,提升农场生产管理的信息化、现代化水平,增强决策层的宏观掌控能力。     

智慧农场信息化应用研究

为了提高现代农场的生产、管理水平,应用信息技术实现科学决策和管理是智慧农场建设的必有之路。本文基于现有信息技术的视角,构建了智慧农场的总体框架,并对其硬件组成结构和软件应用平台进行阐述,分析了信息技术在智慧农场中应用的前景。     

生态无人农场模式探索及发展展望

中国的农业生产建立在过量农药化肥投入的基础上,导致农田生态环境失衡,不利于农业的可持续发展,同时,农业劳动力短缺问题日益凸显,寻求一种生态化、高效化、智慧化的农业模式势在必行。基于多年的实践与探索,该文作者团队在山东淄博落地建成了中国首个生态无人农场,提出了"生态无人农场"的模式与发展理念。文章总结出农药、化肥和土壤耕作制度对农田生态系统造成的不利影响最为明显,提出通过一系列无人化作业手段与模式对农田生态系统进行生态化管理与改造,来实现农业生产的可持续发展。在此基础上,通过天空地一体化农情信息获取、地空一体化无人机群协同作业以及构建能够完全自主决策的智慧云大脑的技术集成创新模式,来实现农田信息的自动采集和处理、科学决策以及无人农机的远程控制等功能。文章对生态无人农场关键技术与模式进行了总结论述,提出了生态无人农场模式的实施内涵,以期为未来农业、智慧农业的发展以及推进农业农村现代化高质量发展提供借鉴。     

水稻收获转运双机协同自主作业策略与试验

针对水稻收获机与转运车双机协同自主作业环节多、粮食转运过程复杂等问题,该研究设计了一种基于有限状态机（FSM,Finite State Machine）的水稻收获机与转运车协同作业策略。分析了水稻收获机与转运车协同作业模式,建立有限状态机模型。首先,基于作业环节设计触发条件、评估方法和执行流程等基础模块;然后,根据双机协同的各项状态建立状态信息矩阵;最后,依据协同触发事件与状态转移的逻辑设计状态转移链。构建协同作业时分复用控制逻辑框架,并运用Stateflow软件进行仿真分析,为验证所设计策略的田间实际作业效果,搭建了履带式水稻收获转运双机协同试验系统,收获速度为0.8 m/s,收割幅宽1.9 m,共28条收获边,协同路径选择在短边的机耕道上,连续协同工作时间大于120 min,采用套圈路径自主收获0.7 hm2水稻,期间共进行6次自动协同转运作业,将所收获的粮食转运到卡车上。试验结果表明,该策略可以实现水稻收获/卸粮转运自主作业,收获效率为0.35 hm2/h,为实现水稻收获双机智能转运协同功能奠定了基础,可为水稻无人农场建设提供技术支持。     

基于生物多样性和生态系统服务的生态农场景观设计

近年来随着民众对良好生态环境和优质食品需求的增加,生态农场在我国蓬勃兴起。如何设计和建造生态农场成为新的研究领域。其中将生物多样性和生态系统服务整合到生态农场设计被认为是保障生态农场可持续生产的关键。本研究在回顾生态农场发展历程,分析生态农场中生物多样性的内涵,总结生态农场的景观结构、生物多样性和生态系统服务的关系及其应用的基础上,提出了以提升和利用生物多样性和生态系统服务为目标的生态农场景观结构优化的设计原则。研究建议生态农场的景观设计应主要包括农场与周围景观的关系、种植系统设计和有益生物栖息地的保护和重建3方面的内容,并具体提出了每个方面需遵循的一般设计原则。同时,研究以我国南方水稻主产区新建水稻生态农场设计为例,印证了上述原则和方法在实践中的可行性。研究表明,为了更好地将生物多样性整合到生态农场建设中,未来需要深入认识生物多样性及其生态功能,认识生物多样性与农业产量和收益的关系,开发利用能够促进有益生物多样性和生态系统服务的功能植物,并推动生态农场实施生物多样性保护的生态补偿政策的制定。本研究对推动将生物多样性保护和生态服务管理整合到生态农场设计提供了方法指导和实证,对生态农场的发展建设具有参考借鉴意义。     

农作物遥感监测业务管理系统设计与实现

随着农作物遥感业务的不断延伸和农业生产管理对遥感监测需求的不断提高,业务运行管理效率问题日益凸显。该文通过对农作物遥感监测业务管理流程进行了系统化梳理与调整,设计开发了"农作物遥感业务管理系统"。该系统利用地理信息系统(geographic information system,GIS)、数据库技术和网络技术,科学设计了数据库系统,提升了业务系统承载能力;实现农作物遥感业务工作影像数据入库管理、查询、任务分发、上报、审核、归档的完整业务流程;建立业务跟踪管理机制,实现作物监测业务的流程化和可视化,有效提高了运行管理效率。     

Design and implementation of business management system for crop remote sensing monitoring

随着农作物遥感业务的不断延伸和农业生产管理对遥感监测需求的不断提高,业务运行管理效率问题日益凸显。该文通过对农作物遥感监测业务管理流程进行了系统化梳理与调整,设计开发了"农作物遥感业务管理系统"。该系统利用地理信息系统（geographic information system,GIS）、数据库技术和网络技术,科学设计了数据库系统,提升了业务系统承载能力;实现农作物遥感业务工作影像数据入库管理、查询、任务分发、上报、审核、归档的完整业务流程;建立业务跟踪管理机制,实现作物监测业务的流程化和可视化,有效提高了运行管理效率。     

爱达荷小流域土壤侵蚀与非点源污染控制

用地理信息系统收集和补充各种物理参数,需要用11种资源管理系统对爱达荷的托木比尔小流域16个农场的片蚀、沟蚀及水质影响进行估算.为了减少小流域的总侵蚀量和非点源污染,应用线性规划模型来确定适宜的高效率经济系统.用农业非点源污染模型(AGNPS)评价各种适宜的资源管理系统的水质影响.无论是横坡耕作还是等高耕作,少耕法都是减少农地侵蚀速率最高效的经济系统.几乎这两类农场从常规到少耕,使小流域平均侵蚀率减少到了允许水平T[11.2t/(ha·年)].要使平均侵蚀减少到2T,需要对11个农场实行免耕措施,把上述两类农场改造为具有永久覆盖的农场.如果平均侵蚀减少到T,小流域农场总净效益可增加1.5.控制侵蚀可以大大减少总泥沙量、养分(N和P)和化学耗氧量(COD).选用2T的适宜资源管理系统,平均泥沙,养分和(COD)可分别减少45%,38%和24%.选用T的适宜系统可分别减少72%,64%和29%.     

基于低空无人机遥感的冬小麦覆盖度变化监测

无人机遥感作为卫星遥感的有益补充,具有高时效、高分辨率、低成本、低损耗、低风险及可重复等优点。为了利用无人机遥感系统进行快速机动地监测大面积农作物覆盖度变化,更好地服务和指导农业生产,该文设计了一套以低空无人直升机为平台的多光谱载荷观测系统,并以冬小麦为研究对象,对冬小麦生长过程中的5个主要生育期进行监测,提出一种从时间序列影像的植被指数直方图曲线中获取植被指数阈值的方法,并利用植被指数阈值法提取研究区域内冬小麦覆盖度时序变化曲线,分析了空间尺度对提取植被覆盖度的影响。研究结果表明,利用低空无人机遥感监测冬小麦覆盖度变化的方法可行,分析结果可靠,在大面积农作物覆盖度的测量有很好的应用前景。     

一种基于GPS和GIS农业装备田间位置的监控系统

对田间车辆的实时监控和导航，是实施精细农业变量作业技术的基础。该文结合中国国情和旱作农业的实际，将GPS、GIS技术相结合，采用MapInfo公司生产的MapX4.5控件内嵌可视化编程语言Visual Basic 6.0，研制开发了一种基于GPS和GIS的田间农业装备实时监控和信息管理系统。系统完成了地图常用功能和各种GIS工具模块的设计,包括串口通讯、地图编辑、网络通讯3个子系统，共17个模块，本系统采用控件技术设计了串口和网络的数据传输和传输数据的保存；以旱作农业机械为例，建立了动态田间农业机械装备数     

农业物联网技术应用及创新发展策略

农业是物联网技术应用的重点领域之一,也是物联网技术应用需求最迫切、难度最大、集成性特征最明显的领域。该文对农业物联网国内外技术应用现状、存在的问题以及农业领域关键应用环节进行了深入分析,在此基础上提出了农业物联网未来技术发展重点以及对策措施。农业物联网未来技术发展重点:农业物联网信息感知与识别技术,农业物联网自组织网络部署与信息传输技术,农业物联网自组织网络部署与信息传输技术,农业物联网安全监管与服务质量保障技术。农业物联网对策措施:加强农业物联网技术规范研究,加强核心关键技术产品研发,加强农业物联网技术集成平台建设,加强农业物联网产品设备检测,加强农业物联网应用布局,进一步优化和完善政策环境。该研究为中国农业物联网可持续发展提供决策参考。     

北方设施农业气象灾害监测预警智能服务系统设计与实现

该文针对设施农业种养殖企业用户的设施农业气象灾害直通式服务需求,运用云计算、物联网、移动互联网等信息化技术,基于JavaEE技术框架、SOA(service oriented architecture)云服务技术,通过多重因素关联规则学习方法,构建基于互联网气象数据、设施农业小气候环境数据及作物生育期等多重因素的设施农业气象灾害预警和生产管理专家知识规则,依托气象部门一体化智能网格气象预报预警平台和未来3~7 d的精细化气象要素预报,开发基于互联网数据挖掘和专家知识决策技术的设施农业气象灾害监测预警及智能决策推送服务系统,对寒潮、大风、低温寡照、暴雪等北方主要设施农业气象灾害进行早期预警提醒,系统于2017年秋冬季在天津津南区部分农业园区推广应用,基于移动互联网通过智能手机APP对5次强冷空气过程提前3~5 d自动研判并实时推送设施农业生产管理决策和防灾减灾提醒建议,便于生产管理者及时关注天气变化和提前采取生产管理措施,避免重大灾害损失,探索应用互联网、云技术、大数据挖掘等信息手段开展气象灾害早期预警,为研究满足设施农业互动式、个性化、智能化和专业化气象信息服务和推动农业现代化和现代农业发展提供借鉴。     

智慧农业水田作物网络化精准灌溉系统设计

传统水田粗放型灌溉不仅对作物生长带来不利影响,而且不能够充分利用自然降水,在很大程度上造成了水资源的浪费。该研究设计了基于智慧农业技术的网络化水田作物精准灌溉系统。建立了通信节点最优部署模型、作物耗水预测模型、降水预测模型、最优化灌溉决策模型以及基于模糊控制理论的精准灌溉决策系统;提出了基于维诺图改进的飞蛾扑火优化算法（Voronoi Moth Flame Optimization,VI-MFO）的灌溉网络通信节点优化部署方法,以提升灌溉网络通信效率并降低通信能耗;最后,将水田状态信息及气象参数作为精准灌溉决策系统输入,经过系统决策,自适应控制水田灌溉设备进行精准灌溉。对江苏地区水稻田进行仿真,结果表明,所提出的智能灌溉系统与传统非智能决策系统相比,灌溉设备动作频次降低26.67%,灌溉量减少40.82%,排水量减少33.89%。所提出的智能灌溉决策系统节约了水资源。     

智能化农业物料输送技术进展与趋势

农业物料输送技术是制约农场智能化应用的重要瓶颈。物料输送主要借助输送设备将物料由加料机输送至受料机中,提高受料机的续航时间,使其路程加大,以确保其高效率、持续性地正常工作。该研究按照物料特性和输送原理,将现有物料输送自动化技术与装备系统地划分为以下4类：固态种苗肥自动输送技术、液态水药燃油自动加注技术、收获物自动收集技术、收获物自动卸载技术,逐一对其研究现状和发展动态进行了重点阐述和深入剖析。总结了自主定位导航、物料流量实时监测及机群实时通信3项智能化物料输送关键技术的研究进展,并结合农场智能化技术要求和应用场景,从形成全生产环节物料输送技术体系、基于时空数据的农田物料需求决策技术、基于农田数字模型和变量作业处方的农机物料丰缺预测技术、物料车多机配送路径动态优化技术角度展望了农场智能化作业多机协同物料配送技术的发展趋势,以期进一步提高农场智能化作业效率、联动性能和应用效果。     

中小型规模智慧农业物联网终端节点设计

为了能够向中小规模农业生产经营者提供深度定制的农业物联网技术,该研究研发了一种可用于农业设备信息化的智慧农业物联网终端节点。通过该终端节点将农业设备柔性接入物联网体系,并依托管理服务层App实现应用层App功能开发。系统硬件利用可编程片上系统的IP核重用技术实现对各种农业设备的接入,实现各农业场景中根据设备具体情况进行定制化应用。系统传输层采用LoRa广域网与蓝牙技术,支撑集中式与分布式农业管理服务体系。管理服务层App对底层节点设备操作与Android功能操作进行封装,实现应用层与底层功能结构的解耦,避免了应用层App开发时结构复杂、对底层功能结构变化适应性差、开发周期长等问题。实践应用结果表明,该农业物联网终端节点可有效实现对农业设备的接入,具有1500VDC的电磁隔离能力;节点的LoRa无线数据通道在无严重降雨的天气中数据包传输成功率接近100%,蓝牙可支持周围3m范围内的移动设备现场接入;管理服务层App可有效支撑应用层功能快速开发;在直连上位机模式下,应用层App到节点设备间的功能延时分别小于400与1 700 ms,系统运行稳定,功能支撑可靠。该方法可为国内中小规模农业经营者的物联网信息化建设提供支持与参考。