當(dāng)無人機(jī)在三亞的晴空緩緩升起，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(shù)、冠層溫度、葉綠素含量等育種專家關(guān)心的表型數(shù)據(jù)逐漸清晰起來。

這是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所南繁育種基地?zé)o人機(jī)遙感田間育種表型觀測系統(tǒng)工作時(shí)的場景。為解決南繁農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施不足、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失、信息管理系統(tǒng)不完善等問題，海南省投建了南繁硅谷綜合服務(wù)平臺(tái)，有了新一代農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)“加持”，南繁育種基地立刻“耳聰目明”起來。

傳感技術(shù)顯身手

傳感器技術(shù)是信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。”國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心副研究員張?jiān)弃Q對《中國科學(xué)報(bào)》說，“傳感器的品種、數(shù)量、質(zhì)量和技術(shù)水平，直接決定了信息技術(shù)系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。”

提起目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的各類傳感技術(shù)，張?jiān)弃Q從環(huán)境、氣體傳感，土壤、水質(zhì)傳感，植物生理傳感，無人機(jī)遙感四大類，一口氣列舉了20多種。

在作物環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測育種小區(qū)視頻圖像、空氣溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、土壤溫濕度、電導(dǎo)率、pH值、土壤墑情等參數(shù)。也可以進(jìn)行作物穗層溫濕度監(jiān)測。利用這些信息，系統(tǒng)能對不同監(jiān)測點(diǎn)信息同步獲取、存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)直觀呈現(xiàn)及管理，為及時(shí)灌溉和適量灌溉、作物最佳生長條件改善等提供參考。

例如，借助其遠(yuǎn)程作物生長狀況監(jiān)測系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)收集作物長勢、病蟲害、作物營養(yǎng)狀況等信息。同時(shí)，人們可以在電腦端、手機(jī)端實(shí)時(shí)接受相關(guān)數(shù)據(jù)，查看現(xiàn)場信息，便于專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

憑借強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)，人們足不出戶即可對作物葉片及病斑測量，并基于智能手機(jī)，進(jìn)行作物葉片圖像信息獲取及識別，然后對圖像實(shí)時(shí)處理。這種技術(shù)適用于田間環(huán)境不同作物葉面積、葉長、葉寬、病斑面積、病斑比例等信息的快速檢測，其測量誤差小于3%。

此外，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)，還可進(jìn)行作物葉片及病斑測量儀、多功能水肥一體化管理設(shè)備、電物理水消毒設(shè)備等，為田間育種決策提供高通量信息服務(wù)支持。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的育種環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)作物生長氣象信息、土壤情況、長勢情況、病蟲害以及光、溫、水、氣等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測，為育種家提供育種環(huán)節(jié)全過程的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。”張?jiān)弃Q說，“結(jié)合融合分析系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)地塊級的精準(zhǔn)氣象及病蟲害預(yù)警，提高作物育種生產(chǎn)管控精準(zhǔn)化和智能化程度，有效提升育種作業(yè)效率和信息化水平。”

此外，通過三維實(shí)景建模及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管理人員可實(shí)時(shí)查看大田、溫室、辦公場所以及氣象、灌溉等相關(guān)設(shè)備狀況，極大程度提高管理和生產(chǎn)效率。

智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)

目前我們都說智慧農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)機(jī)，其核心制約因素還是傳感器。”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院院長汪小旵對《中國科學(xué)報(bào)》說，“對于一個(gè)智能系統(tǒng)來說，沒有傳感器，就相當(dāng)于人成了‘瞎子’和‘聾子’，后面的智能決策就無從談起。”

汪小旵長期從事作物信息智能化檢測和農(nóng)業(yè)裝備智能化控制研究，在日常研究中，他和團(tuán)隊(duì)不僅大量使用傳感器，而且也從事一些傳感器的開發(fā)研究工作。比如，該團(tuán)隊(duì)正在研制基于土壤原位根系檢測的傳感器;營養(yǎng)液栽培中的氮、磷、鉀傳感器;水產(chǎn)養(yǎng)殖中的硝酸鹽、磷酸鹽檢測的傳感器;基于高光譜和熒光圖像的作物病蟲害監(jiān)測傳感技術(shù)等。

智能控制系統(tǒng)如果沒有傳感器的輸入信號，就無法比對和形成閉環(huán)控制，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)如果沒有傳感器就沒有數(shù)據(jù)來源，人工智能系統(tǒng)就無法獲取足夠的知識。”汪小旵說，“從這個(gè)角度來說，傳感器完全是現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)，同時(shí)也是容易被‘卡脖子’的技術(shù)。”

2019初，美國國家科學(xué)院、美國醫(yī)學(xué)與生物工程院(AIMBE)聯(lián)合發(fā)布一份研究報(bào)告，描述了美國科學(xué)家眼中農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待突破的五大研究方向。其中第二項(xiàng)即“新一代傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)”，將高精度、精準(zhǔn)可現(xiàn)場部署的傳感器以及生物傳感的開發(fā)、應(yīng)用作為未來技術(shù)突破的關(guān)鍵之一，而其余幾大研究方向或與之相關(guān)，或以此為基礎(chǔ)。

目前，我國的傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但主要還集中在對單個(gè)特征，如溫、濕度的測量上，而新一代傳感器技術(shù)不僅僅包括對物理環(huán)境、生物性狀的監(jiān)測和整合，更包括運(yùn)用材料科學(xué)及微電子、納米技術(shù)創(chuàng)造的新型納米和生物傳感器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控。

新一代傳感器具備快速檢測、連續(xù)監(jiān)測、實(shí)時(shí)反饋、智能處理的能力。”張?jiān)弃Q說，“如果能在資源要素的利用環(huán)節(jié)即精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)和定量識別可能出現(xiàn)的問題，并能實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將徹底改變我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用方式。”

須多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)

今年以來，全球小麥、玉米、水稻三大主糧產(chǎn)區(qū)均受到極端天氣影響。傳統(tǒng)的小麥出口國澳大利亞因遭遇嚴(yán)重干旱，時(shí)隔12年后首次計(jì)劃進(jìn)口小麥;玉米出口大國美國因受陰雨天氣影響，播種創(chuàng)歷史同期最低水平;同受干旱影響，水稻出口國菲律賓也出現(xiàn)大規(guī)模歉收。

眾所周知，我國以全球7%的耕地養(yǎng)活了全球20%的人口，但也用了全球約1/3的化肥和1/2的農(nóng)藥。提高糧食產(chǎn)量、減少化肥農(nóng)藥用量亟須新一代傳感技術(shù)，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)，新一代傳感技術(shù)已然成為“剛需”。

汪小旵認(rèn)為，雖然對比國際先進(jìn)水平，我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展還處于成長期，但這也意味著價(jià)值空間大。益于中國政策和土地政策的助推，中國智慧農(nóng)業(yè)起步晚，但發(fā)展速度特別快。

傳感器的性能影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高，當(dāng)前我國智慧農(nóng)業(yè)尚處于監(jiān)測環(huán)境因素的初級階段，而且市場上的傳感器質(zhì)量參差不齊。同時(shí)，智慧農(nóng)業(yè)所使用的傳感器大部分面臨比較惡劣的環(huán)境，低功耗、耐腐蝕、抗低溫性能良好成為農(nóng)業(yè)傳感器的基本要求。此外，部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者操作儀器的水平所限，農(nóng)業(yè)傳感器件應(yīng)盡量選擇安裝方式簡單、方便攜帶、穩(wěn)定性好和校正周期短的產(chǎn)品。

新一代傳感器技術(shù)涉及的內(nèi)容非常多，不是哪一個(gè)學(xué)科和專業(yè)可以單獨(dú)完成的，需要多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)。”汪小旵說。

汪小旵舉例說，監(jiān)測動(dòng)植物性狀，有可能用到高光譜圖像、熒光圖像、納米技術(shù)、3D打印等等;要對NPK、病原體、微生物在土壤、水體等等中的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控，就會(huì)用到光電子學(xué)、材料學(xué)、微電子、納米技術(shù)等。

同時(shí)，制約新一代傳感器從實(shí)驗(yàn)室走入產(chǎn)業(yè)的一個(gè)最關(guān)鍵因素，還在于新一代傳感器所具備的快速穩(wěn)定檢測、連續(xù)可靠監(jiān)測、以及和物聯(lián)網(wǎng)有效集成的能力。”汪小旵說。(原文采集自中國科學(xué)報(bào)，如涉及版權(quán)問題，請聯(lián)系我們刪除)