跨界 · 融合 · 服務 · 創新
摘要：智慧農業是現代農業的高級形式，無人農場是實現智慧農業的重要途徑，智能農機是無人農場的物質支撐。本文以植物生產為例，介紹了智能農機的智能感知、自動導航、精準作業和智慧管理4項功能在智慧農業中的地位和關鍵技術的研究進展；介紹了華南農業大學集成相關智能農機創建水稻無人農場的實踐和無人農場的5個特點，包括耕種管收生產環節全覆蓋、機庫田間轉移作業全自動、自動避障異況停車保安全、作物生產過程實時全監控和智能決策精準作業全無人。在2020年的中稻和2021年的早稻生產中，水稻無人農場的稻谷產量均高于當地的平均產量，表明了其巨大的發展潛力。無人農場的建設為解決“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，要突出農業科技創新重點，在精準農業技術等方面取得重大突破[1]。2017年中央一號文提出，要實施智慧農業工程[2]。智慧農業是未來農業的發展方向，是現代農業的高級形式[3]。智慧農業是以數據、知識和智能裝備為核心要素，通過將現代科學技術與農業深度融合，實現農業生產全過程的數字化感知、智能化決策、精準化作業和智慧化管理的全新農業生產方式[4]。當前，新一輪科技革命和產業變革正在興起，信息技術、生物技術、新材料技術和新能源技術廣泛滲透到農業領域，催生了一大批戰略性新興產業，農機裝備先進制造、農業物聯網、農業大數據和農業機器人等高新技術逐步應用到農業生產各個領域，智慧農業呈現出強勁的發展勢頭。無人農場是實現智慧農業的重要途徑。無人農場以生物技術、智能農機和信息技術為支撐。生物技術為無人農場提供適應機械化作業的品種和栽培模式，智能農機為無人農場自動化作業提供裝備支撐，信息技術為農機作業的精準定位、數據傳輸和無人農場的智慧管理提供支撐。無人農場采用4G/5G、物聯網、大數據和人工智能等新一代信息技術遠程控制各種智能農機，使之自主決策和自主作業，實現各個生產環節的智能化[5]。智能農機具有智能感知、自動導航、精準作業和智慧管理4個功能，是無人農場的物質支撐，是農業機械的轉型升級[6]。毛澤東同志在1959年就提出農業的根本出路在于機械化。改革開放以來，經過40多年的發展，我國的農業機械化取得了舉世矚目的成就，為提高我國農業生產率作出了巨大貢獻。目前，我國用不到世界10%的耕地生產了世界25%的糧食、養活了世界20%的人口[7]。今天，隨著我國農業農村現代化加快推進，對農業機械提出了更高的要求，提高農業機械的智能化水平成為必然選擇，也是農業現代化的重要建設內容。國內外實踐表明，提高農業機械化和智能化可以大幅度提高勞動生產率、資源利用率和土地產出率。只有在智能農機的支持下，無人農場才能成為現實。
1 智能農機研究
1.1智能感知
農作物生長環境、作物長勢和作物病蟲草害信息是智能農機進行精準作業的依據[8]。“星?機?地”是獲取這些信息的主要技術，“星”指根據衛星影像分析獲取所需要的各種農情信息，“機”指根據飛機或無人機獲取所需要的各種農情信息，“地”指在地面用儀器直接獲取所需要的各種農情信息。
1.1.1作物生長環境信息
農作物生長環境信息的快速感知是實施精準農業中最為基本和關鍵的問題[9]，農作物生長環境信息包括土壤阻力、田面平整情況、土壤水分和土壤養分等信息[10]。農田土壤中不同位置和不同深度的耕作阻力(土壤堅實度)差異較大，準確獲取土壤的耕作阻力信息是進行精準耕整的重要依據。張利民等[11]成功研制出帶全球導航衛星系統(Global navigationsatellite system, GNSS)的車載式土壤耕作阻力測定儀，采用GNSS定位信息，通過液壓系統將圓錐儀(國際上通用的土壤堅實度測定儀)壓入土壤，獲取不同地塊和同一地塊不同位置、不同深度(精度可以達到0.5 cm)的耕作阻力。曾慶猛等[12]研制出車載式可連續測定土壤耕作狀況和含水量的測定儀。
田面平整情況是進行農田平整的重要依據[13]。周浩[14]和胡煉等[ 15]采用水準儀、全站儀、地面激光掃描儀和無人機載激光掃描儀快速采集農田平整度信息，研制出基于GNSS的農田三維地形實時采集系統，可在平整作業過程中快速精準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，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，并可以根據田面/土壤中的水層/水分情況遠程控制自動灌水和排水。
“莊稼一枝花，全靠肥當家”，土壤中氮、磷、鉀的實時在線快速測定是世界難題，至今尚未取得實質性的突破，大都只能進行間接測量。孫建英等[17]采用光譜測量技術，分析了東北黑土地和華北潮土的土壤參數和光譜特性，采用GNSS定位信息標志土壤的位置，通過實驗室分析可準確給出pH以及氮、磷、鉀和有機質含量的分布圖，為精準施肥提供依據。Dong等[18]嘗試采用激光誘導技術測定土壤中的氮素。
1.1.2作物長勢信息
