當無人機在三亞的晴空緩緩升起，中國農業科學院棉花研究所南繁育種基地中控室的大屏上，基地的概貌和株高、葉面積指數、冠層溫度、葉綠素含量等育種專家關心的表型資料逐漸清晰起來。
這是該基地無人機遙感田間育種表型觀測系統工作時的場景。為解決南繁農業資訊基礎設施不足、基礎資料缺失、資訊管理系統不完善等問題，海南省投建了南繁矽谷綜合服務平臺，有了新一代農業感測技術“加持”，南繁育種基地立刻“耳聰目明”起來。
感測技術顯身手
“感測器技術是資訊社會的重要技術基礎。”國家農業資訊化工程技術研究中心副研究員張雲鶴對《中國科學報》說，“感測器的品種、數量、質量和技術水平，直接決定了資訊科技系統的功能和質量。”
提起目前農業生產中應用的各類感測技術，張雲鶴從環境、氣體感測，土壤、水質感測，植物生理感測，無人機遙感四大類，一口氣列舉了20多種。
在作物環境資訊監測系統中，可以實時監測育種小區影片影象、空氣溫溼度、光照、風速、風向、雨量、土壤溫溼度、電導率、pH值、土壤墒情等引數，也可以進行作物穗層溫溼度監測。系統透過對不同監測點資訊同步獲取、儲存、動態直觀呈現及管理，為及時灌溉和適量灌溉、作物最佳生長條件改善等提供參考。
例如，藉助遠端作物生長狀況監測系統，計算機可實時收集作物長勢、病蟲害、作物營養狀況等資訊。同時，人們可以在電腦端、手機端實時接收相關資料，檢視現場資訊，便於專家遠端指導。
憑藉強大的農業感測技術，人們足不出戶即可對作物葉片及病斑進行測量，並基於智慧手機，進行作物葉片影象資訊獲取和識別，以及實時處理。這種技術適用於田間環境不同作物葉面積、葉長、葉寬、病斑面積、病斑比例等資訊的快速檢測，其測量誤差小於3%。
此外，先進的感測技術還可用於作物葉片及病斑測量儀、多功能水肥一體化管理裝置、電物理水消毒裝置等，為田間育種決策提供高通量資訊服務支援。
“基於物聯網技術構建的育種環境資訊監測系統，可以實現作物生長氣象資訊、土壤情況、長勢情況、病蟲害以及光、溫、水、氣等相關資訊的實時採集和監測，為育種家提供育種環節全過程的精準資料支撐。”張雲鶴說，“結合融合分析系統，能實現地塊級的精準氣象及病蟲害預警，提高作物育種生產管控精準化和智慧化程度，有效提升育種作業效率和資訊化水平。”
同時，透過三維實景建模及物聯網系統，管理人員可實時檢視大田、溫室、辦公場所以及氣象、灌溉等相關裝置狀況，極大程度提高管理和生產效率。
智慧農業的基礎
“現在，我們都說智慧農業、智慧農機，其核心制約因素還是感測器。”南京農業大學工學院院長汪小旵對《中國科學報》說，“對於一個智慧系統來說，沒有感測器，就成了‘瞎子’和‘聾子’，後面的智慧決策無從談起。”
汪小旵長期從事作物資訊智慧化檢測和農業裝備智慧化控制研究，在日常研究中，他和團隊不僅大量使用感測器，而且從事一些感測器的開發研究工作。比如，該團隊正在研製基於土壤原位根系檢測的感測器，營養液栽培中的氮、磷、鉀感測器，水產養殖中的硝酸鹽、磷酸鹽檢測的感測器，基於高光譜和熒光影象的作物病蟲害監測感測技術等。
“智慧控制系統如果沒有感測器的輸入訊號，就無法比對和形成閉環控制，農業大資料系統如果沒有感測器就沒有資料來源，人工智慧系統就無法獲取足夠的知識。”汪小旵說，“從這個角度來說，感測器是現代智慧農業的核心技術，同時也是容易被‘卡脖子’的技術。”
目前，我國的感測器技術已經廣泛應用在農業領域，但主要集中在對單個特徵，如溫、溼度的測量上，而新一代感測器技術不僅僅包括對物理環境、生物性狀的監測和整合，更包括運用材料科學及微電子、奈米技術創造的新型奈米和生物感測器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的迴圈運動過程進行監控。
“新一代感測器具備快速檢測、連續監測、實時反饋、智慧處理的能力。”張雲鶴說，“如果能在資源要素的利用環節即精準發現和定量識別可能出現的問題，並能實時進行最佳化調整，將徹底改變我國農業生產利用方式。”
須多學科聯合攻關
今年以來，全球小麥、玉米、水稻三大主糧產區均受到極端天氣影響。傳統的小麥出口國澳大利亞因遭遇嚴重乾旱，時隔12年後首次計劃進口小麥；玉米出口大國美國因受陰雨天氣影響，播種創歷史同期最低水平；同受乾旱影響，水稻出口國菲律賓也出現大規模歉收。
眾所周知，我國以全球7%的耕地養活了全球近20%的人口。提高糧食產量、減少化肥農藥用量急需新一代感測技術。建設高標準農田，發展精準農業、智慧農業，新一代感測技術已然成為“剛需”。
汪小旵認為，雖然對比國際先進水平，我國智慧農業發展還處於成長期，但這也意味著具有較大的價值。得益於中國政策和土地政策的助推，中國智慧農業起步晚，但發展速度特別快。
感測器的效能影響著農業生產力的提高，當前我國智慧農業尚處於監測環境因素的初級階段，而且市場上的感測器質量參差不齊。同時，智慧農業所使用的感測器大部分面臨比較惡劣的環境，低功耗、耐腐蝕、抗低溫效能良好成為農業感測器的基本要求。此外，受部分農業生產者操作儀器的水平所限，農業感測器件應儘量選擇安裝方式簡單、方便攜帶、穩定性好和校正週期短的產品。
“新一代感測器技術涉及的內容非常多，不是哪一個學科和專業可以單獨完成的，需要多學科聯合攻關。”汪小旵說。
汪小旵舉例說，監測動植物性狀，有可能用到高光譜影象、熒光影象、奈米技術、3D列印等；對氮磷鉀、病原體、微生物在土壤、水體等中的迴圈運動過程進行監控，也會用到光電子學、材料學、微電子、奈米技術等。
“同時，制約新一代感測器從實驗室走入產業的最關鍵因素，在於新一代感測器快速穩定檢測、連續可靠監測以及與物聯網有效整合的能力。”汪小旵說。（張雙虎）
來源： 《中國科學報》
