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摘要：智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高級形式，無人農(nóng)場是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的重要途徑，智能農(nóng)機(jī)是無人農(nóng)場的物質(zhì)支撐。本文以植物生產(chǎn)為例，介紹了智能農(nóng)機(jī)的智能感知、自動導(dǎo)航、精準(zhǔn)作業(yè)和智慧管理4項(xiàng)功能在智慧農(nóng)業(yè)中的地位和關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展；介紹了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)集成相關(guān)智能農(nóng)機(jī)創(chuàng)建水稻無人農(nóng)場的實(shí)踐和無人農(nóng)場的5個特點(diǎn)，包括耕種管收生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋、機(jī)庫田間轉(zhuǎn)移作業(yè)全自動、自動避障異況停車保安全、作物生產(chǎn)過程實(shí)時全監(jiān)控和智能決策精準(zhǔn)作業(yè)全無人。在2020年的中稻和2021年的早稻生產(chǎn)中，水稻無人農(nóng)場的稻谷產(chǎn)量均高于當(dāng)?shù)氐钠骄a(chǎn)量，表明了其巨大的發(fā)展?jié)摿?。無人農(nóng)場的建設(shè)為解決“誰來種田”和“如何種田”的問題提供了重要途徑。

2012年中央一號文提出，要突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點(diǎn)，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)等方面取得重大突破[1]。2017年中央一號文提出，要實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)工程[2]。智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高級形式[3]。智慧農(nóng)業(yè)是以數(shù)據(jù)、知識和智能裝備為核心要素，通過將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的數(shù)字化感知、智能化決策、精準(zhǔn)化作業(yè)和智慧化管理的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[4]。當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)和新能源技術(shù)廣泛滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，催生了一大批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，農(nóng)機(jī)裝備先進(jìn)制造、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人等高新技術(shù)逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域，智慧農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。無人農(nóng)場是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的重要途徑。無人農(nóng)場以生物技術(shù)、智能農(nóng)機(jī)和信息技術(shù)為支撐。生物技術(shù)為無人農(nóng)場提供適應(yīng)機(jī)械化作業(yè)的品種和栽培模式，智能農(nóng)機(jī)為無人農(nóng)場自動化作業(yè)提供裝備支撐，信息技術(shù)為農(nóng)機(jī)作業(yè)的精準(zhǔn)定位、數(shù)據(jù)傳輸和無人農(nóng)場的智慧管理提供支撐。無人農(nóng)場采用4G/5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)遠(yuǎn)程控制各種智能農(nóng)機(jī)，使之自主決策和自主作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化[5]。智能農(nóng)機(jī)具有智能感知、自動導(dǎo)航、精準(zhǔn)作業(yè)和智慧管理4個功能，是無人農(nóng)場的物質(zhì)支撐，是農(nóng)業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)型升級[6]。毛澤東同志在1959年就提出農(nóng)業(yè)的根本出路在于機(jī)械化。改革開放以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化取得了舉世矚目的成就，為提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率作出了巨大貢獻(xiàn)。目前，我國用不到世界10%的耕地生產(chǎn)了世界25%的糧食、養(yǎng)活了世界20%的人口[7]。今天，隨著我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化加快推進(jìn)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械提出了更高的要求，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平成為必然選擇，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要建設(shè)內(nèi)容。國內(nèi)外實(shí)踐表明，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化和智能化可以大幅度提高勞動生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率。只有在智能農(nóng)機(jī)的支持下，無人農(nóng)場才能成為現(xiàn)實(shí)。

 1 智能農(nóng)機(jī)研究 

1.1智能感知

農(nóng)作物生長環(huán)境、作物長勢和作物病蟲草害信息是智能農(nóng)機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)的依據(jù)[8]。“星?機(jī)?地”是獲取這些信息的主要技術(shù)，“星”指根據(jù)衛(wèi)星影像分析獲取所需要的各種農(nóng)情信息，“機(jī)”指根據(jù)飛機(jī)或無人機(jī)獲取所需要的各種農(nóng)情信息，“地”指在地面用儀器直接獲取所需要的各種農(nóng)情信息。

1.1.1作物生長環(huán)境信息

農(nóng)作物生長環(huán)境信息的快速感知是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最為基本和關(guān)鍵的問題[9]，農(nóng)作物生長環(huán)境信息包括土壤阻力、田面平整情況、土壤水分和土壤養(yǎng)分等信息[10]。農(nóng)田土壤中不同位置和不同深度的耕作阻力(土壤堅實(shí)度)差異較大，準(zhǔn)確獲取土壤的耕作阻力信息是進(jìn)行精準(zhǔn)耕整的重要依據(jù)。張利民等[11]成功研制出帶全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global navigationsatellite system, GNSS)的車載式土壤耕作阻力測定儀，采用GNSS定位信息，通過液壓系統(tǒng)將圓錐儀(國際上通用的土壤堅實(shí)度測定儀)壓入土壤，獲取不同地塊和同一地塊不同位置、不同深度(精度可以達(dá)到0.5 cm)的耕作阻力。曾慶猛等[12]研制出車載式可連續(xù)測定土壤耕作狀況和含水量的測定儀。

田面平整情況是進(jìn)行農(nóng)田平整的重要依據(jù)[13]。周浩[14]和胡煉等[ 15]采用水準(zhǔn)儀、全站儀、地面激光掃描儀和無人機(jī)載激光掃描儀快速采集農(nóng)田平整度信息，研制出基于GNSS的農(nóng)田三維地形實(shí)時采集系統(tǒng)，可在平整作業(yè)過程中快速精準(zhǔn)獲取田面的平整度信息。

土壤水分是影響作物生長的重要參數(shù)，Xiao等[16]研制出既可在水田田面有水時測定水層深度又可以在水田田面無水時測定土壤水分的無線測量系統(tǒng)，并可以根據(jù)田面/土壤中的水層/水分情況遠(yuǎn)程控制自動灌水和排水。

“莊稼一枝花，全靠肥當(dāng)家”，土壤中氮、磷、鉀的實(shí)時在線快速測定是世界難題，至今尚未取得實(shí)質(zhì)性的突破，大都只能進(jìn)行間接測量。孫建英等[17]采用光譜測量技術(shù)，分析了東北黑土地和華北潮土的土壤參數(shù)和光譜特性，采用GNSS定位信息標(biāo)志土壤的位置，通過實(shí)驗(yàn)室分析可準(zhǔn)確給出pH以及氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量的分布圖，為精準(zhǔn)施肥提供依據(jù)。Dong等[18]嘗試采用激光誘導(dǎo)技術(shù)測定土壤中的氮素。

1.1.2作物長勢信息