时间: 2024-07-13 05:05:13 | 作者: 建筑桥梁照明
田间奔跑的是没有驾驶舱的拖拉机；模拟器里，几天就能培育出一个新品种；仪器在田里过一遍，土壤成分就能一目了然……
这是雄安未来之城场景汇无人农场技术应用大赛上，中国科学院智能农业技术团队带来的多个农业新技术、新装备。
6月26日，中国科学院雄安创新研究院“伏羲农场”数据指挥中心展示的作物信息图。 河北日报记者 魏 雨摄
雄安新区雄县十里铺村，中国科学院智能农业技术团队在这里运营着500亩的“伏羲农场”。
2023年6月，这一团队在雄安新区开始筹备建立中国科学院雄安创新研究院，聚集最先进的农业科学技术，瞄准智慧农场目标，打造能推广全国的“伏羲农场”零号地样板。
6月28日，记者来到“伏羲农场”一探究竟。播下去10天的玉米，幼苗从麦茬间钻出来。但开车绕着农场转了一圈，记者看出，农场从农田设施到种植方式，跟普通大田看不出什么区别。
此时，距离农场20多公里的中国科学院雄安创新研究院“伏羲农场”数据指挥中心，技术团队工程师李清琳正在分析农场的土壤数据。
“这是一张碱解氮（能被作物直接吸收的氮素）土壤分布图。图上每个小格子，代表10平方米的土地。红色的格子表示这块土地中碱解氮含量低于1.6g/kg，黄色的格子表示介于1.6g/kg和2g/kg之间，绿色的格子表示高于2g/kg。”李清琳面前这张马赛克一样的图上，不一样的颜色的格子错落分布。
除了碱解氮，土壤中的磷、钾、有机质、pH值等信息，也都清晰汇集在一张图上。
能精确收集到土壤信息，靠的是一件“神器”——土壤养分伽马能谱分析仪。在雄安未来之城场景汇无人农场技术应用大赛上，它获得了智能农机装备及核心部件赛道的第一名。
土壤养分伽马能谱分析仪是一个长约1米的深灰色圆柱体。把它悬挂在拖拉机上，在地里扫一遍，就能采集到30厘米深度的土壤信息。这样的一个过程，如同给大地拍X光片。
“土壤中某些物质含有放射性元素，伽马能谱分析仪能接收和记录下放射信息，把它解析成能谱信息。再借助大数据、数学模型与智能学习算法，把能谱信息转换成常见的氮磷钾等养分含量信息。”李清琳说。
过去，土壤数据分析是个难点。要么靠卫星遥感，要么靠采样化验。卫星遥感测出的数据准确度低。采样化验准确度虽高，但一来成本不低，二来采样点位有限，很难代表每一寸土地的情况。
“伽马能谱分析仪的检测精度目前已能达到平方米级，数据准确性也高。这就为建立土壤数据库提供了关键数据支撑。”李清琳说。
中国科学院雄安创新研究院办公楼下，摆放着4台新能源拖拉机。拖拉机硕大的机身、银色的外观充满未来感，动力从70马力到400马力不等。
几台拖拉机最大的特点是无人驾驶——压根就没有配备驾驶舱。上个月，就是这几台拖拉机在“伏羲农场”种下玉米。
“拖拉机上装有传感器、激光雷达、毫米波雷达，能够实时产生近百条状态信息，为无人驾驶提供支持。”团队高级工程师王鹏说，这些装备帮助拖拉机在北斗卫星导航的支持下，按照设定路线实现无人精准作业。
有的农机实现无人作业，作业区域仅限于农田，从仓库到地头的这段距离，还得需要人驾驶。未来，拖拉机可以全程无人。
在农业上应用数字孪生，就是用数字化手段模拟真实世界。技术团队负责人张玉成介绍：“为‘伏羲农场’建立模型，可以在虚拟环境中推演作物长势、病虫害进展、气候带来的影响等。利用模拟推演结果，为真实世界的农业生产提供决策参考。”
雄安新区的“伏羲农场”去年开始运转，现在还处在建设阶段。张玉成说：“雄安无人农场技术应用大赛中展示的农业装备和科技将逐渐应用到农场中，将其打造为真正引领潮流的智慧农场、未来农场。”
6月19日，在雄安新区雄县的“伏羲农场”，无人驾驶农机在播种。曾 威供图
模型、算法，这是采访中，记者听到的两个高频词。这在某种程度上预示着，AI在“伏羲农场”已经深入展开应用。
本次雄安无人农场技术应用大赛中，中国科学院智能农业技术团队的人工智能育种模拟器“BDA”系统还获得基于大数据和知识库的作物生产大模型赛道第一名。
传统的人工育种高度依赖育种专家的经验。比如，育种专家看到麦田里那些长得又高又壮的小麦植株，判断可能是优质品种，然后通过杂交等手段培育性状更优的品种。
“种子基因和表型的关系是复杂的，又高又壮的植株未必能培育出好种子。这时，就要‘广撒网’，进行大样本实验。”技术团队高级工程师赵洪龙表示，靠大量实验的育种方法，有概率成分，成功率低。此外，育种周期较长，培育一粒良种在大多数情况下要几年甚至更长时间。
“育种模拟器系统导入了大量种子基因和表型数据，通过算法，找到基因和表型的内在关系。一种基因表现出的植株高矮、粗细、抗倒伏能力、果实大小等，基本能预知。这就剔除了偶然的成分，育种变得更有明确的目的性、更高效。”赵洪龙说。
使用人工智能育种模拟器能大大加快育种速度。传统育种要遵循植物生长规律，一个培育周期，可能是半年或者一年。AI可以搭建模型，模拟仿真植物生长过程。在这个虚拟世界里，环境参数能调整、加速，只要算力足够，最快几天时间，就能培育出一粒良种。有了虚拟世界的实验数据，现实中只要“照方抓药”，很快就会培育出真正的种子。
伽马能谱分析仪收集土壤中的放射信息，转化成能谱信息。能谱信息是坐标系上一条条物理曲线，它并不是我们想要的氮磷钾等土壤养分信息。
想得到土壤养分信息，就要对能谱信息进行“翻译”。翻译过程是获取土壤数据的最后一步，也是最关键一步。但是能谱信息与土壤养分信息的关系，存在于“黑箱”中，目前科学还很难解释。
“我们把实地测得的土壤数据和能谱信息进行对照，试着找两者之间数学上的对应关系。这种对应关系，就是一种模型。随着投喂给模型的数据持续不断的增加，模型的框架也逐渐清晰。最终，把能谱信息输入已经训练好的模型，就能依据算法转化成土壤养分信息。”李清琳说。
设定无人农机在田间的行走路线，需要事先采集农田的基础信息。比如土地的面积，以及土地边界、沟渠、电线杆、树等精准位置。
动辄几百亩、上千亩的农场，靠人去采集这一些信息工作量巨大。这时，智能图片识别就派上了用场。
“技术人员先用海量图片对AI模型进行训练，让它学习观察道路、田埂、沟渠、障碍物的特征信息。然后将无人机航拍农场的图片交给人工智能模型来识别，从而构建起农田的基础信息，方便无人农机作业。”王鹏说。
王鹏将AI模型的进化比喻成人的成长：“数据量代表了人工智能的智力水平。不断给它‘喂’数据，就等于‘喂’学习资料，人工智能越学越多，智力水平就越来越高。”
未来，人工智能的育种方法效率会更高，土壤养分信息测量会更精准，AI将在农业中发挥更重要的作用。
“一块土地上，每平方米的土壤养分含量都不一样，这与施肥方式有关。农民施肥，通常是抓起化肥，一把一把撒在田间。撒到的地方，土壤养分富集；边边角角撒不到的地方，土壤养分就不足。”李清琳说。
当获取了土壤信息，就能变量施肥，缺什么补什么。这样一来，不但能节约肥料，还能让土壤养分变得均衡。
在“伏羲农场”数据指挥中心，李清琳向记者展示了呼伦贝尔“伏羲农场”中氮元素的变化。3年前，土壤信息图上代表不同元素的红黄绿格子杂乱分布。经过变量施肥，如今，图上是清一色的黄色格子，这代表着氮元素已被调节到合理水平。
“变量施肥需要精细操作，靠人工实现起来难度大。”李清琳说，他们正在研发机器，将依据已有的土壤养分信息，对症下药，精准施肥。
在中国科学院雄安创新研究院拍摄的播种玉米视频中，能看到无人驾驶的农机就像长了眼睛一样笔直前进。
“即使经验比较丰富的机手驾驶农机，在田间的行进路线也有一定可能会有偏移。而使用无人驾驶农机，能保证行进是一条直线，而且播种密度均匀。”王鹏表示，北斗导航系统控制下的无人驾驶，精度误差小于2.5厘米。
“一条直垄比起歪歪扭扭的田垄，每亩地可能顶多多出一垄播种面积，但从大面积推广效果看，增收部分就很可观，这就是精准管理的意义。”王鹏说。
精准，是中国科学院智能农业技术团队不断提及的农业理念。先进的农业装备和农业科学技术的使用，都在围绕“精准”展开，这与农业生产的现状有关。
数据表明，近年来化肥使用量持续不断的增加，粮食增产效果却不明显。换句话说，土地本身的潜力几乎开发到了极限，所以再想实现粮食增产，需要转向田间管理。
“有研究表明，近15年玉米单产增加的主导因素，田间管理占40%左右。可见，精细化管理对提高粮食单产有非常大作用。”张玉成说。
在雄安新区“伏羲农场”数据指挥中心，大屏幕上能看到全国多个“伏羲农场”的数据信息，包括土地利用情况、土壤墒情、气象数据、智能农机统计、病虫害监测等。
“未来，全国‘伏羲农场’的数据都会汇聚到雄安。我们通过数据分析，精准掌握农田状况，做到精量播种，变量施肥、打药、灌溉，这将提升农业的增产潜力。”张玉成说，不仅如此，几千亩、上万亩土地的精耕细作，今后或许只需几个人就能管理。
越发智能的“伏羲农场”正在走向产业化和市场化。河北的第二座“伏羲农场”，正在邯郸馆陶筹建中。
“‘伏羲农场’具备很强的可复制性，下一步，我们也准备在全国范围推广。”张玉成说，科研的目的是要把先进的农业技术和农业经营理念传递出去，让农业产业全方面提升。（河北日报记者 魏 雨）
中国科学院智能农业技术团队的成员全部来自中国科学院计算技术研究所，是一群不折不扣的工程师。
2023年6月，智能农业技术团队来到雄安新区，支持中国科学院雄安创新研究院建设。工程师们带来的，还有团队多年积累的科研成果和经验。
“伏羲农场”这一个名字颇有来历。中国科学院智能农业技术团队工程师张晓博这样解释：伏羲是中华人文始祖，他用一系列发明创造带领华夏先民告别洪荒迈向文明。工程师们从事农业研发技术，想到了伏羲这个人文符号，所以给他们的试验田取名“伏羲农场”。
在这些工程师的主导下，未来农业展现出十足的科技感，“坐在屋里就能把地种了”已不再遥远。
通过远程控制系统，农户坐在电脑前，就可以操控农机在田间播种、收获；经过改造后的水利系统，使用电子设备开关阀门、控制流量进行浇地，再也不需要深一脚浅一脚走向田间。
靠着遍布农场的传感器和电子信息系统，作物信息、土壤信息、病虫害信息、气象信息等尽收眼底，为科学决策提供相关依据，间接也转化成了收益。
记者在走访多个农业大县时发现，农业生产正从一家一户的小农生产，逐步向规模化、集约化发展，大型机械设备在田间身影频现，耕种效率大幅度的提升。有的地方，规模较大的农业服务组织依靠土地流转、托管等，在较大地块上使用更多的科学技术和先进农业机械。
“伏羲农场”，这个代表未来农业方向的农场样板，在回答谁来种地这样的一个问题时，答案是工程师。
“小田变大田的土地集约化经营是未来趋势。农业走向现代化，一定伴随着农业科学技术的现代化。农业科学技术，一定离不开数字化、智能化手段。而这些，都需要工程师的参与。”张晓博说。
中国科学院智能农业技术团队做“伏羲农场”项目之初，不少工程师带着一种情怀，他们想改变农民“面朝黄土背朝天”的劳作环境，把农民从繁重的体力劳动中解放出来。
“能用手中的技术改变种地的方式，为农业节本增效作贡献，为国家粮食安全作贡献，与有荣焉。”张晓博说。
时间: 2024-07-13 05:05:13 | 作者: 建筑桥梁照明
田间奔跑的是没有驾驶舱的拖拉机；模拟器里，几天就能培育出一个新品种；仪器在田里过一遍，土壤成分就能一目了然……
这是雄安未来之城场景汇无人农场技术应用大赛上，中国科学院智能农业技术团队带来的多个农业新技术、新装备。
6月26日，中国科学院雄安创新研究院“伏羲农场”数据指挥中心展示的作物信息图。 河北日报记者 魏 雨摄
雄安新区雄县十里铺村，中国科学院智能农业技术团队在这里运营着500亩的“伏羲农场”。
2023年6月，这一团队在雄安新区开始筹备建立中国科学院雄安创新研究院，聚集最先进的农业科学技术，瞄准智慧农场目标，打造能推广全国的“伏羲农场”零号地样板。
6月28日，记者来到“伏羲农场”一探究竟。播下去10天的玉米，幼苗从麦茬间钻出来。但开车绕着农场转了一圈，记者看出，农场从农田设施到种植方式，跟普通大田看不出什么区别。
此时，距离农场20多公里的中国科学院雄安创新研究院“伏羲农场”数据指挥中心，技术团队工程师李清琳正在分析农场的土壤数据。
“这是一张碱解氮（能被作物直接吸收的氮素）土壤分布图。图上每个小格子，代表10平方米的土地。红色的格子表示这块土地中碱解氮含量低于1.6g/kg，黄色的格子表示介于1.6g/kg和2g/kg之间，绿色的格子表示高于2g/kg。”李清琳面前这张马赛克一样的图上，不一样的颜色的格子错落分布。
除了碱解氮，土壤中的磷、钾、有机质、pH值等信息，也都清晰汇集在一张图上。
能精确收集到土壤信息，靠的是一件“神器”——土壤养分伽马能谱分析仪。在雄安未来之城场景汇无人农场技术应用大赛上，它获得了智能农机装备及核心部件赛道的第一名。
土壤养分伽马能谱分析仪是一个长约1米的深灰色圆柱体。把它悬挂在拖拉机上，在地里扫一遍，就能采集到30厘米深度的土壤信息。这样的一个过程，如同给大地拍X光片。
“土壤中某些物质含有放射性元素，伽马能谱分析仪能接收和记录下放射信息，把它解析成能谱信息。再借助大数据、数学模型与智能学习算法，把能谱信息转换成常见的氮磷钾等养分含量信息。”李清琳说。
过去，土壤数据分析是个难点。要么靠卫星遥感，要么靠采样化验。卫星遥感测出的数据准确度低。采样化验准确度虽高，但一来成本不低，二来采样点位有限，很难代表每一寸土地的情况。
“伽马能谱分析仪的检测精度目前已能达到平方米级，数据准确性也高。这就为建立土壤数据库提供了关键数据支撑。”李清琳说。
中国科学院雄安创新研究院办公楼下，摆放着4台新能源拖拉机。拖拉机硕大的机身、银色的外观充满未来感，动力从70马力到400马力不等。
几台拖拉机最大的特点是无人驾驶——压根就没有配备驾驶舱。上个月，就是这几台拖拉机在“伏羲农场”种下玉米。
“拖拉机上装有传感器、激光雷达、毫米波雷达，能够实时产生近百条状态信息，为无人驾驶提供支持。”团队高级工程师王鹏说，这些装备帮助拖拉机在北斗卫星导航的支持下，按照设定路线实现无人精准作业。
有的农机实现无人作业，作业区域仅限于农田，从仓库到地头的这段距离，还得需要人驾驶。未来，拖拉机可以全程无人。
在农业上应用数字孪生，就是用数字化手段模拟真实世界。技术团队负责人张玉成介绍：“为‘伏羲农场’建立模型，可以在虚拟环境中推演作物长势、病虫害进展、气候带来的影响等。利用模拟推演结果，为真实世界的农业生产提供决策参考。”
雄安新区的“伏羲农场”去年开始运转，现在还处在建设阶段。张玉成说：“雄安无人农场技术应用大赛中展示的农业装备和科技将逐渐应用到农场中，将其打造为真正引领潮流的智慧农场、未来农场。”
6月19日，在雄安新区雄县的“伏羲农场”，无人驾驶农机在播种。曾 威供图
模型、算法，这是采访中，记者听到的两个高频词。这在某种程度上预示着，AI在“伏羲农场”已经深入展开应用。
本次雄安无人农场技术应用大赛中，中国科学院智能农业技术团队的人工智能育种模拟器“BDA”系统还获得基于大数据和知识库的作物生产大模型赛道第一名。
传统的人工育种高度依赖育种专家的经验。比如，育种专家看到麦田里那些长得又高又壮的小麦植株，判断可能是优质品种，然后通过杂交等手段培育性状更优的品种。
“种子基因和表型的关系是复杂的，又高又壮的植株未必能培育出好种子。这时，就要‘广撒网’，进行大样本实验。”技术团队高级工程师赵洪龙表示，靠大量实验的育种方法，有概率成分，成功率低。此外，育种周期较长，培育一粒良种在大多数情况下要几年甚至更长时间。
“育种模拟器系统导入了大量种子基因和表型数据，通过算法，找到基因和表型的内在关系。一种基因表现出的植株高矮、粗细、抗倒伏能力、果实大小等，基本能预知。这就剔除了偶然的成分，育种变得更有明确的目的性、更高效。”赵洪龙说。
使用人工智能育种模拟器能大大加快育种速度。传统育种要遵循植物生长规律，一个培育周期，可能是半年或者一年。AI可以搭建模型，模拟仿真植物生长过程。在这个虚拟世界里，环境参数能调整、加速，只要算力足够，最快几天时间，就能培育出一粒良种。有了虚拟世界的实验数据，现实中只要“照方抓药”，很快就会培育出真正的种子。
伽马能谱分析仪收集土壤中的放射信息，转化成能谱信息。能谱信息是坐标系上一条条物理曲线，它并不是我们想要的氮磷钾等土壤养分信息。
想得到土壤养分信息，就要对能谱信息进行“翻译”。翻译过程是获取土壤数据的最后一步，也是最关键一步。但是能谱信息与土壤养分信息的关系，存在于“黑箱”中，目前科学还很难解释。
“我们把实地测得的土壤数据和能谱信息进行对照，试着找两者之间数学上的对应关系。这种对应关系，就是一种模型。随着投喂给模型的数据持续不断的增加，模型的框架也逐渐清晰。最终，把能谱信息输入已经训练好的模型，就能依据算法转化成土壤养分信息。”李清琳说。
设定无人农机在田间的行走路线，需要事先采集农田的基础信息。比如土地的面积，以及土地边界、沟渠、电线杆、树等精准位置。
动辄几百亩、上千亩的农场，靠人去采集这一些信息工作量巨大。这时，智能图片识别就派上了用场。
“技术人员先用海量图片对AI模型进行训练，让它学习观察道路、田埂、沟渠、障碍物的特征信息。然后将无人机航拍农场的图片交给人工智能模型来识别，从而构建起农田的基础信息，方便无人农机作业。”王鹏说。
王鹏将AI模型的进化比喻成人的成长：“数据量代表了人工智能的智力水平。不断给它‘喂’数据，就等于‘喂’学习资料，人工智能越学越多，智力水平就越来越高。”
未来，人工智能的育种方法效率会更高，土壤养分信息测量会更精准，AI将在农业中发挥更重要的作用。
“一块土地上，每平方米的土壤养分含量都不一样，这与施肥方式有关。农民施肥，通常是抓起化肥，一把一把撒在田间。撒到的地方，土壤养分富集；边边角角撒不到的地方，土壤养分就不足。”李清琳说。
当获取了土壤信息，就能变量施肥，缺什么补什么。这样一来，不但能节约肥料，还能让土壤养分变得均衡。
在“伏羲农场”数据指挥中心，李清琳向记者展示了呼伦贝尔“伏羲农场”中氮元素的变化。3年前，土壤信息图上代表不同元素的红黄绿格子杂乱分布。经过变量施肥，如今，图上是清一色的黄色格子，这代表着氮元素已被调节到合理水平。
“变量施肥需要精细操作，靠人工实现起来难度大。”李清琳说，他们正在研发机器，将依据已有的土壤养分信息，对症下药，精准施肥。
在中国科学院雄安创新研究院拍摄的播种玉米视频中，能看到无人驾驶的农机就像长了眼睛一样笔直前进。
“即使经验比较丰富的机手驾驶农机，在田间的行进路线也有一定可能会有偏移。而使用无人驾驶农机，能保证行进是一条直线，而且播种密度均匀。”王鹏表示，北斗导航系统控制下的无人驾驶，精度误差小于2.5厘米。
“一条直垄比起歪歪扭扭的田垄，每亩地可能顶多多出一垄播种面积，但从大面积推广效果看，增收部分就很可观，这就是精准管理的意义。”王鹏说。
精准，是中国科学院智能农业技术团队不断提及的农业理念。先进的农业装备和农业科学技术的使用，都在围绕“精准”展开，这与农业生产的现状有关。
数据表明，近年来化肥使用量持续不断的增加，粮食增产效果却不明显。换句话说，土地本身的潜力几乎开发到了极限，所以再想实现粮食增产，需要转向田间管理。
“有研究表明，近15年玉米单产增加的主导因素，田间管理占40%左右。可见，精细化管理对提高粮食单产有非常大作用。”张玉成说。
在雄安新区“伏羲农场”数据指挥中心，大屏幕上能看到全国多个“伏羲农场”的数据信息，包括土地利用情况、土壤墒情、气象数据、智能农机统计、病虫害监测等。
“未来，全国‘伏羲农场’的数据都会汇聚到雄安。我们通过数据分析，精准掌握农田状况，做到精量播种，变量施肥、打药、灌溉，这将提升农业的增产潜力。”张玉成说，不仅如此，几千亩、上万亩土地的精耕细作，今后或许只需几个人就能管理。
越发智能的“伏羲农场”正在走向产业化和市场化。河北的第二座“伏羲农场”，正在邯郸馆陶筹建中。
“‘伏羲农场’具备很强的可复制性，下一步，我们也准备在全国范围推广。”张玉成说，科研的目的是要把先进的农业技术和农业经营理念传递出去，让农业产业全方面提升。（河北日报记者 魏 雨）
中国科学院智能农业技术团队的成员全部来自中国科学院计算技术研究所，是一群不折不扣的工程师。
2023年6月，智能农业技术团队来到雄安新区，支持中国科学院雄安创新研究院建设。工程师们带来的，还有团队多年积累的科研成果和经验。
“伏羲农场”这一个名字颇有来历。中国科学院智能农业技术团队工程师张晓博这样解释：伏羲是中华人文始祖，他用一系列发明创造带领华夏先民告别洪荒迈向文明。工程师们从事农业研发技术，想到了伏羲这个人文符号，所以给他们的试验田取名“伏羲农场”。
在这些工程师的主导下，未来农业展现出十足的科技感，“坐在屋里就能把地种了”已不再遥远。
通过远程控制系统，农户坐在电脑前，就可以操控农机在田间播种、收获；经过改造后的水利系统，使用电子设备开关阀门、控制流量进行浇地，再也不需要深一脚浅一脚走向田间。
靠着遍布农场的传感器和电子信息系统，作物信息、土壤信息、病虫害信息、气象信息等尽收眼底，为科学决策提供相关依据，间接也转化成了收益。
记者在走访多个农业大县时发现，农业生产正从一家一户的小农生产，逐步向规模化、集约化发展，大型机械设备在田间身影频现，耕种效率大幅度的提升。有的地方，规模较大的农业服务组织依靠土地流转、托管等，在较大地块上使用更多的科学技术和先进农业机械。
“伏羲农场”，这个代表未来农业方向的农场样板，在回答谁来种地这样的一个问题时，答案是工程师。
“小田变大田的土地集约化经营是未来趋势。农业走向现代化，一定伴随着农业科学技术的现代化。农业科学技术，一定离不开数字化、智能化手段。而这些，都需要工程师的参与。”张晓博说。
中国科学院智能农业技术团队做“伏羲农场”项目之初，不少工程师带着一种情怀，他们想改变农民“面朝黄土背朝天”的劳作环境，把农民从繁重的体力劳动中解放出来。
“能用手中的技术改变种地的方式，为农业节本增效作贡献，为国家粮食安全作贡献，与有荣焉。”张晓博说。
