罗锡文：中国工程院院士、华南农业大学教授、《智慧农业（中英文）》顾问委员
数字农业以农业物联网、农业大数据、精准农业、智慧农业和人工智能等先进技术与农学、生态学、农业工程等基础学科有机结合，对作业对象、作业环境和作业过程进行可视化表达、数字化设计和信息化管理。数字农业使信息技术与农业生产各个环节有效融合，对改造传统农业、转变农业生产方式具有重要意义。数字农业技术已被应用于农业领域且发展迅速，在农业农村各个领域的全面应用和融合加速是“十四五”时期发展的重点，将迎来重要战略机遇。
近年来，我国数字农业技术得到快速发展，提高了智能农机装备的智能感知、自动导航、精准作业和智能管理水平。
智能农机作业前和作业时必须准确获取各种农情信息，包括土壤信息，如土壤耕作阻力，土壤养分（氮、磷、钾等）和土壤水分等；作物长势信息和作物病虫草害信息等。“星基地”，即卫星，飞机（有人驾驶飞机和无人驾驶飞机）和地面观测仪器，可为各种农情信息的获取提供强有力的支持。华南农业大学研究成功带GNSS的土壤耕作阻力测定装置，中国农业大学研究成功可准确获取土壤水分和土壤压实状况的车载式传感器。由于至今尚无可以在田间实时准确测定土壤中氮、磷、钾的传感器，华南农业大学研究成功带GNSS的自动土壤采样器。水是影响作物生长的重要因素之一，华南农业大学研究成功既可以测定田面水层深度又可以测定水田土壤中含水量的无线传感器，为水稻生产自动灌溉提供了支持。国家农业信息化工程技术研究中心研究成功土壤耕深监测系统，可准确测定深松深度和深松面积。现在，各种多光谱、高光谱仪安装在无人机和地面移动式车辆上，可获取不同生长时期的作物长势和作物病虫害情况，为精准施肥和精准灌溉提供了支持。华南农业大学采用无人机获取水稻氮素信息，制定施肥处方图，并据此进行精准对靶变量施肥，2019年在广东罗定县早稻生产中应用的结果表明，可减少氮肥28%。
施肥处方图
变量施肥无人机
自动导航技术可以大幅度提高农业机械的作业质量和作业效率，是现代农业的重要内容和标志。美国等发达国家自上世纪80年代中期即开展了农业机械自动导航技术的研究。我国的农业机械自动导航技术研究起步较晚，但经过20多年的努力，目前与发达国家总体上处于“并跑”状态，突破了十大关键技术，包括导航定位、路径跟踪、电液转向、电机转向、速度线控、机具操控、自动避障、主从导航、车载终端和系统集成技术。取得了三大创新成果，包括农业机械自动导航定位与姿态检测技术、农业机械自动导航控制技术和农业机械自动导航作业系统集成技术。创制了适用于旱地和水田作物耕、种、管、收等作业环节的电液转向和电机转向系列产品，包括自动导航作业的旋耕机、播种机、插秧机、喷雾机和收获机。在旱地作业中，行驶速度在18km/h内，路径跟踪精度为2.5cm；在水田作业中，针对水田硬底层不平，土壤松软、农机侧滑严重、俯仰横滚姿态变化频繁且幅度大的问题，在农机导航复合路径跟踪控制器中增加了侧滑估计补偿器，显著提高了农机导航系统的水田抗侧滑干扰能力。行驶速度在8km/h内，路径跟踪精度为4.4cm。华南农业大学研究成功无人驾驶主从导航收获机系统，收获机与运粮车在直线行驶段的横向位置误差不超过5cm，纵向位置误差不超过10cm，可以保证收获机的粮食准确地卸在运粮车中，大大提高了收获机的作业效率。目前，我国水田作业机械自动导航和主从导航收获机系统居国际领先水平。采用自动导航的农业机械经济社会效益显著，可提高作物产量2%~3%，减少肥料和农药用量5%~10%，降低生产成本5%~10%，可提高土地利用率0.5%~1%，还可以24小时不间断作业，大大提高了农机利用率。
无人驾驶主从收获（跟车卸粮模式）
精准作业，包括精准耕整、种植、田间管理、收获和干燥，是现代农业的基本要求，是提高农业机械化水平的重要支撑。近二十年来，我国农业机械精准作业水平不断提高，与发达国家的差距不断缩小。
精准种植方面，保护性耕作技术在全国大面积推广，面积超过1亿亩。深松、少耕、免耕技术已成为各地的主推技术。采用保护性耕作技术，有利于控制风蚀水蚀，减少水土流失；有利于改良土壤结构，提高土壤地力；有利于提高土壤节水抗旱能力，减少温室气体排放，增加作物产量。试验结果表明，采用保护性耕作技术，可降低风蚀34%以上，增加土壤的水入渗率20%以上，可减少40%以上的土壤径流，干旱年份可达60%以上。激光平地技术已在旱地和水田精准平整中推广应用，玉米精量播种基本实现了单粒等距和等深。棉花播种采用覆膜精量穴播，单产翻了一番多。华南农业大学研究成功的“三同步”水稻精量穴直播技术可实现常规稻、杂交稻和超级杂交稻精量直播，取得了一批高产记录，在新疆三年亩产超过1000kg。
水稻精量旱穴直播机
水稻精量水穴直播机
精准管理包括水、肥、药的管理。根据作物生长需水规律，采用滴灌、喷灌、微喷灌、间歇交替灌溉、膜下滴灌和水肥一体化灌溉等精准灌溉技术，大幅度提高了灌溉水的利用率，减少了水的灌溉用量。我国化肥用量居世界第一，但利用率低，氮肥与磷肥的当季利用率分别只有30%~35%和15%~20%，发达国家氮肥利用率可达50%~60%，欧盟国家的氮肥利用率高达70%~80%，采用精准施肥技术，可以节约肥料15%~40%，单位肥料产出提高30%~60%。水稻插秧同步侧深施肥、小麦、玉米和大豆变量免耕施肥播种技术大幅度提高了肥料利用率，减少了施肥量和生产成本，提高了作物产量。
目前，在我国农业生产中，农民过度依赖农药，病虫害抗药性增加，农药用量增加（用量居世界第一），生产成本增加，环境污染加剧，食品安全事故时有发生。针对上述问题，近20年来，我国大力推广精准植保技术，取得了重大进展，高地隙宽幅喷施技术与机具在生产中大面积推广，效益显著；无人机施药技术因速度快、效率高，深受农民的亲睐，2020年，无人机植保作业面积超过10亿亩次。2015年，我国农业部启动了到2020年化肥使用量和农药使用量零增长行动，取得明显成效，提前三年实现了行动目标。
无人驾驶高地隙喷雾机施肥作业
精准收获方面，高效低损稻麦收获机、果穗型和籽粒型玉米收获机、马铃薯和油菜收获机等粮食作物和经济作物收获技术与机具大面积推广应用，实现了丰产丰收，并向通用化、智能化和舒适安全方向加速发展。收获产量和收获面积传感器进入推广应用阶段，自动生成的产量分布图为精准农业提供了依据。收获后秸秆粉碎还田和秸秆打捆技术和机具日趋成熟，并在生产中推广应用。
精准干燥方面，过去，由于干燥不及时，我国稻谷常年霉烂损失在250万吨左右。为此，华南农业大学研究成功粮食通风干燥过程解析算法、高精度粮食水分检测仪及在线采样装置和稻谷干燥智能控制仪，建成稻谷干燥中心，采用这种干燥中心，稻谷含水率由28.4%降到13.6%，每小时可处理稻谷14.13吨，每吨的干燥成本仅15.16元。
农业机械作业时间相对集中，但作业地点比较分散，作业工况复杂，因此，亟需通过信息技术提高农业机械的智能管理水平，包括远程调度，机具状态和作业质量监控，故障预警和维修保养。
远程调度方面，在农业机械上安装卫星信号接收系统后，农机管理人员可以利用“互联网+”等技术远程实时获取农业机械的作业地点，作业轨迹和作业进度，并根据当地生产需求和作业机具分布情况，按最短转移路径和作业需求紧迫情况等原则进行调度，以充分利用农机资源，提高农机使用效率。
机具状态和作业质量监控方面，在农业机械关键部位安装相应的传感器后，作业时就可以实时将机具状态和作业质量发送至农机生产企业和农机管理部门，如拖拉机的发动机参数，PTO转速，行驶速度、动力换挡参数等；收获机的脱粒滚筒转速，清选风扇转速，前进速度、割台速度，割台高度，实际割幅和发动机参数等；播种机的播种量，播种深度和排种器堵塞状况；施肥机的施肥量，排肥轮转速的堵塞状态等；喷雾机的喷雾压力、药液流量和喷头喷雾状态等。
故障预警和维修保养方面，农机生产企业和农机管理部门根据实时获取的机具状态和作业质量信息，对机具的作业状态作出判断，如发现收获机的脱粒滚筒转速降低过多，就提醒驾驶员脱粒滚筒可能发生堵塞，建议驾驶员降低收获机前进速度或减少割幅，以减少喂入量，防止堵塞。一旦发生故障，就通过互联网远程指导驾驶员进行维修，对于一些驾驶员无法排除的故障，则立即通知距故障农机最近的农机维修人员前去维修。
依托生物技术、智能农机和信息技术建设的无人农场是数字农业实现的重要途径之一。智能农机是建设无人农场的物质支撑。华南农业大学集成相关的智能农机装备，创建了水稻无人农场并在广东增城进行了实践，2020年中稻试验面积为1.87hm²，2021年早稻和晚稻试验面积为3.33hm²。增城水稻无人农场从2020年5月3日开始旋耕，至8月30日收获，历时120天，实现了水稻生产耕、种、管、收全程无人作业。水稻无人农场的稻谷产量均高于当地的平均产量，表明了其巨大的发展潜力。2021年早稻生产采用优质丝苗米品种“19香”，产量9943.35kg/hm²，高于当地的平均产量7500kg/hm²。
无人驾驶旋耕机旱旋耕作业
无人驾驶水稻旱直播作业
无人驾驶高地隙喷雾机施药作业
无人驾驶主从收获机（等待卸粮模式）
水稻无人农场具有耕、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和智能决策精准作业全无人等5个特点。
（1）耕、种、管、收生产环节全覆盖，即覆盖农作物生产中的耕整、种植、田间管理（水、肥、药）和收获的各个环节。
（2）机库田间转移作业全自动，即农机自动从机库转移到田间，完成田间作业后自动回到机库。
（3）自动避障异况停车保安全，即在农机转移和作业过程中能实现自动避障，遇到异常情况能自动停车，以确保安全。
（4）作物生产过程实时全监控，即能对作物生产过程中的长势和病虫草害情况进行实时监控。
（5）智能决策精准作业全无人，即能根据作物的长势和病虫草害情况及时作出决策并自动进行精准作业，包括精准灌溉、精准施肥和精准施药等。
在大田生产作业中可实现耕、种、管、收全程无人化，提高作业质量和作物产量，降低生产成本，实现24小时不间断作业，为解决谁来种地提供了一条切实可行的途径。
华南农业大学建设的水稻无人农场表明了其在发展数字农业中的巨大潜力，也为我国无人农场建设发挥了示范作用，数字化感知、智能化决策、精准化作业和智慧化管理将是无人农场发展的方向。
数字化感知：采用农业生产环境、动植物生长、病虫草害、农机作业情况等信息感知技术和传感器，并结合物联网等实现全环节全流程感知数字化，为决策、作业和管理提供数据支撑。
智能化决策：结合大数据、云计算、人工智能等技术，开展数据挖掘、知识发现等技术研究，实现农场生产决策智能化。
精准化作业：包括智能农机装备技术、自动驾驶技术、多机协同技术和精准作业技术，实现无人化智能装备自主精准作业。
智慧化管理：包括农作物生长管理、农机管理和农场管理，实现农业生产“耕、种、管、收”高效协同作业和农场生产全流程智慧化管理。
本文来源：《大数据时代》世界数字农业博览会专刊
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