劉吉敏，覃澤林，方 輝，曾志康，黃啟廳，黃其椿，韋紹龍，龍盛風

(1 廣西農業(yè)科學院植物保護研究所/廣西作物病蟲害生物學重點實驗室，南寧，530007；2 廣西農業(yè)科學院農業(yè)科技信息研究所，南寧，530007；3 廣西農業(yè)科學院園藝研究所，南寧，530007；4 廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院，南寧，530007)

柑桔屬蕓香科植物，果實富含膳食纖維、有機酸、果膠、糖苷和多種維生素，是我國主要的水果種類之一[1]。廣西由于獨特的氣候條件和優(yōu)越的環(huán)境條件，成為適宜柑桔種植的生態(tài)區(qū)，也是全國柑桔重點產區(qū)[2]。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2019年廣西全區(qū)柑桔栽培面積達到54.6 萬hm2(819萬畝)，總產量達到1 022萬t(約占全國1/4)，產值376億元，其面積、產量和產值均居全國首位，是廣西西部貧困地區(qū)脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興的支柱產業(yè)。然而，廣西柑桔種植區(qū)多處山區(qū)，地形復雜，耕地破碎化程度高，加上農村勞動力出現(xiàn)不同程度的短缺，導致農業(yè)面臨用工難，成本高的問題[3]。目前，廣西柑桔由于居高不下的人力成本、落后的生產技術和設施、低下的管理水平，導致產量和品質無法有效提升，病蟲害防控低效、果品銷售困難、經濟效益走低等問題突顯，產業(yè)鏈延伸困難，已經嚴重制約了產業(yè)的發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術在農業(yè)領域的廣泛應用，將逐漸替代以往依靠人腦、勞力、簡單機械的生產方式，逐步實現(xiàn)農業(yè)信息智能感知、智慧操控、遠程指導、科學決策、量化精準投入、個性化服務的全新農業(yè)生產方式[4]。即，農業(yè)機械化和信息智能化的深度融合，實現(xiàn)柑桔的智慧化管理，已成為廣西柑桔產業(yè)升級的重要突破口。鼓勵和積極引入現(xiàn)代信息技術，更替老舊傳統(tǒng)的經營模式，加快柑桔產業(yè)轉型升級，也已成為廣大果農及農業(yè)經營組織的迫切需求和廣西現(xiàn)代特色農業(yè)高質量發(fā)展的目標[5]。筆者從當前智慧果園的發(fā)展現(xiàn)狀入手，分析適合廣西柑桔產區(qū)的現(xiàn)代信息技術理論和技術方法，提出相應的戰(zhàn)略舉措，以促進廣西智慧柑桔的健康發(fā)展。

1 廣西智慧柑桔發(fā)展的條件

1.1 國家政策引導自黨的十八大以來，我國高度重視農業(yè)農村現(xiàn)代化和智能信息化工作。習近平總書記強調，“農業(yè)現(xiàn)代化的主攻方向，是以提高農業(yè)生產智能化、經營網(wǎng)絡化水平，幫助廣大農民增加收入”，其目的就是以農業(yè)生產經營的智能化來幫助農民提高生活水平和增加收入。李克強總理指出，“深入推進‘互聯(lián)網(wǎng)+農業(yè)’，促進農業(yè)生產管理更加精準高效，使億萬小農戶與瞬息萬變的大市場更好對接”，以農業(yè)的信息化實現(xiàn)精準化生產和管理，大小市場互惠融通。2017年中央1號文件特別指出加快適宜機械化生產；2018年中央1號文件提出“加快發(fā)展數(shù)字農業(yè)和智慧農業(yè)，推進遙感技術應用和物聯(lián)網(wǎng)試驗示范”；2019年中央1號文件要求“加快突破農業(yè)核心技術，推動智慧農業(yè)等領域自主創(chuàng)新”；2020年中央1號文件強調要“加強現(xiàn)代農業(yè)設施建設，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、第五代移動通訊網(wǎng)絡等現(xiàn)代信息技術在農業(yè)領域應用”；2021年中央1號文件再次強調“發(fā)展智慧農業(yè)，建立農業(yè)農村大數(shù)據(jù)體系，推動新一代信息技術與農業(yè)生產經營深度融合”。農業(yè)農村部也相繼印發(fā)了《數(shù)字農業(yè)農村發(fā)展規(guī)劃(2019—2025年)》《“互聯(lián)網(wǎng)+”農產品出村進城工程試點工作方案》等政策，明確了新時期數(shù)字農業(yè)農村的建設思路[4]。

1.2 地方政府重視為加速農業(yè)數(shù)字化轉型，廣西壯族自治區(qū)政府專門下發(fā)了《自治區(qū)黨委、政府關于深入實施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略加快數(shù)字廣西建設的意見》(桂發(fā)〔2018〕16 號)、《廣西數(shù)字經濟發(fā)展規(guī)劃(2018—2025年)》(桂政發(fā)〔2018〕39號)、《廣西數(shù)字農業(yè)發(fā)展三年行動計劃(2018—2020)》等相關政策，圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農業(yè)”全面發(fā)力，以建設智慧農業(yè)為目標，在全國率先建設廣西農業(yè)大數(shù)據(jù)中心，打造“廣西農業(yè)云”，積極推進大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、3S技術等在農業(yè)全產業(yè)鏈的應用。此外，為促進產業(yè)轉型升級加快推進5G發(fā)展的總體要求，自治區(qū)政府特制定了《廣西加快5G產業(yè)發(fā)展行動計劃(2019—2021年)》的通知(桂數(shù)廣發(fā)〔2019〕4號)，通知要求“依托5G網(wǎng)絡等新技術，推進其與農業(yè)生產、經營、管理、服務各環(huán)節(jié)相互融合，建設5G智慧農業(yè)產業(yè)園區(qū)，構建基于5G網(wǎng)絡的智慧農業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”?！稄V西壯族自治區(qū)人民政府關于加快推進廣西現(xiàn)代特色農業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》中也明確提出“創(chuàng)新發(fā)展智慧農業(yè)，深入實施‘互聯(lián)網(wǎng)+’現(xiàn)代農業(yè)工程，推廣應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術，建設農業(yè)資源一張圖”。信息技術代表著當今先進生產力的發(fā)展方向，農業(yè)信息化已成為引領我國現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新農業(yè)管理服務和破解農業(yè)發(fā)展難題的必然選擇。

1.3 產學研結合為推進產學研一體化，使科技成果更好地服務于產業(yè)發(fā)展，2019年廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院與中國農業(yè)科學院，并與廣西當?shù)馗探燮髽I(yè)聯(lián)合開展科技協(xié)同創(chuàng)新《廣西智慧柑桔產業(yè)關鍵技術研發(fā)與集成示范》項目，任務聚焦廣西柑桔產業(yè)，在土地資源數(shù)字化管理的基礎上，以柑桔全產業(yè)鏈信息管理為經，以肥水一體化智能管理和機器采摘為緯，充分應用遙感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)，機器視覺、數(shù)字模型和智能控制等現(xiàn)代信息技術理論和方法，開展智慧型柑桔生產的關鍵技術和系統(tǒng)集成創(chuàng)新研究，以期為廣西柑桔產業(yè)信息化發(fā)展提供標準模型。

2 廣西智慧柑桔關鍵技術構成

廣西智慧柑桔關鍵技術分為耕地識別與耕地地塊大數(shù)據(jù)平臺構建、水肥一體化智慧灌溉系統(tǒng)、智慧果園智能采摘及測產系統(tǒng)、全產業(yè)鏈信息管理及電子商務系統(tǒng)、智慧果園系統(tǒng)集成五個部分(見圖1)。

圖1 廣西智慧柑桔綜合平臺界面

2.1 耕地識別與耕地地塊大數(shù)據(jù)平臺廣西地勢以山地為主，山地丘陵性盆地地貌，耕地碎片化程度高，多云多雨，存在遙感數(shù)據(jù)保障率低、柑桔地塊識別困難等難題。因此，該技術在傳統(tǒng)耕地資源調查與利用時空格局探測的基礎上，重點解決耕地地塊信息獲取難的問題。一是借助于高分遙感數(shù)據(jù)、無人機影像技術、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等天空地一體

化智能感知技術，全面獲取耕地地塊的形態(tài)、理化、環(huán)境、權屬、管理等信息，利用深度學習等技術，開展耕地與作物分布制圖研究，利用信息熵模型等方法，開展地塊邊緣信息檢測，實現(xiàn)耕地地塊識別與耕地地塊大數(shù)據(jù)平臺構建。二是建立智慧耕地遠程控制和服務中心，在天空地一體化三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)支持下，利用手機APP與crowdsourcing技術，開展地塊尺度農戶生產決策信息采集，搭建智慧耕地大數(shù)據(jù)存儲平臺與耕地地塊精細管理和智能決策調度系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的耕種過程全數(shù)字化智慧決策與控制。三是打造標準化的智慧耕地感知技術、管理平臺與應用服務體系，為智慧耕地數(shù)據(jù)的獲取、分析和決策提供業(yè)務支撐和智能服務。

2.2 水肥一體化智慧灌溉系統(tǒng)在柑桔的生產中，傳統(tǒng)的灌溉方式(溝灌、漫灌、淋灌)水資源利用率低、旱澇不均、耗時、費工、費肥，還會破壞土壤結構，導致雜草和病蟲害滋生，不利于柑桔產量和品質的提升[6]。水肥一體化是在傳統(tǒng)管道灌溉方式的基礎上發(fā)展而來，具有節(jié)肥、節(jié)水、省力、省工、精準、高效的特點[7]，該項技術可根據(jù)土壤營養(yǎng)狀況和作物的需水需肥規(guī)律和特點，實現(xiàn)水肥同步、精準、定時、定量、均勻的功能，是目前為止農業(yè)生產上最節(jié)水節(jié)肥的技術之一[8]。目前廣西柑桔滴灌水肥一體化在當?shù)貞闷毡閺V泛，但存在著灌溉施肥制度不合理、系統(tǒng)配套不完善、水肥精準智能管理技術不高等關鍵問題，其次，常規(guī)的系統(tǒng)灌溉施肥及田間管理需要大量的人力投入。如何實現(xiàn)柑桔水肥的精確施用及高效利用，提高智能化管理水平，已經成為廣西柑桔產業(yè)急需解決的關鍵技術與問題。

廣西智慧柑桔水肥一體化灌溉系統(tǒng)主要從3個方面進行構建：一是針對當?shù)馗探鄯N植管理模式，借助先進的計算機技術、通訊技術、傳感技術，根據(jù)柑桔水肥需求規(guī)律，并基于土壤、柑桔品種、氣象信息建立柑桔生育期水肥數(shù)據(jù)庫，開發(fā)多元灌溉信息獲取與傳輸技術，構建水肥智慧決策模型及灌溉預報系統(tǒng)。二是針對柑桔種植園區(qū)，從供水、過濾、管網(wǎng)、灌水器、田間自控等方面，進行灌溉系統(tǒng)全流程優(yōu)化配置和產品選型，構建可靠、先進、抗堵塞地下滴灌灌水器、水肥一體化裝備。三是開發(fā)水肥信息監(jiān)測系統(tǒng)，融合水肥決策技術，研發(fā)智能施肥機等關鍵水肥測控設備，構建中控平臺集中控制、手機APP端移動控制和田間現(xiàn)場控制等水肥管控模式。三方面共同集成廣西柑桔水肥藥一體化高效管控技術系統(tǒng)，有效提升柑桔水肥利用效率和產量的增加，降低成本投入，促進效益提升。

2.3 智慧果園智能采摘及測產系統(tǒng)廣西柑桔園種植區(qū)域廣、面積大，柑桔品種多、成熟及采摘覆蓋時間長，且柑桔具有枝葉繁茂、簇狀結果、果實外皮易損等特點，采摘上存在雇工難、雇工貴、人工采摘效率低等難題。作為廣西最大宗的水果，柑桔智能采摘系統(tǒng)與測產系統(tǒng)的構建首先需要基于大數(shù)據(jù)平臺構建柑桔品質自動判別模型、自動測產算法模型，利用可見光的柑桔自動檢測和識別模型，以及配合柑桔自身生長及生長環(huán)境，構建柑桔病蟲害自動識別與檢測系統(tǒng)。此外，將采摘系統(tǒng)與修剪系統(tǒng)相互結合，在完成果實采摘的同時，也順便將果樹進行了修剪，大大節(jié)約和減輕人力物力。采摘系統(tǒng)利用RGB-D的視覺輸入、監(jiān)測設備、GPS定位系統(tǒng)等，該系統(tǒng)首先對果實信息進行采集，然后進行大數(shù)據(jù)分析處理，再傳到手機端或視頻端。有專用設備對果園內的每棵樹進行實時監(jiān)控，當果實成熟度達到一定閾值時，自動啟用采摘機器人進行智慧化采摘，并將水果按照分選標準放入指定采收箱內[5]。為避免柑桔病害傳播，每個采摘機器人的果剪配有消毒設施，每剪一棵樹后均進行消毒處理。

2.4 全產業(yè)鏈信息管理及電子商務目前農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術已經應用到農業(yè)領域的各個環(huán)節(jié)，但更多的是集中在環(huán)境數(shù)據(jù)采集、設備自動控制等，采集的數(shù)據(jù)尚難以實際用起來，主要是缺乏與農業(yè)專業(yè)領域知識的深度融合。針對廣西柑桔果園存在的科學管理不到位、專家技術指導不足、病蟲害識別與防控薄弱、質量安全體系不健全、市場銷售風險高以及人工采摘成本居高不下等問題，綜合應用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等現(xiàn)代信息技術，構建柑桔果園生長環(huán)境自動感知系統(tǒng)、果園蟲情自動診斷與害蟲自動識別系統(tǒng)、產品質量安全朔源系統(tǒng)、市場預警與電子商務系統(tǒng)、專家遠程診斷系統(tǒng)、農資管理系統(tǒng)和健康柑桔種苗生產系統(tǒng)，利用廣西柑桔產業(yè)大數(shù)據(jù)綜合應用平臺，全面提升廣西柑桔產業(yè)智慧管理水平。

2.5 智慧果園系統(tǒng)集成根據(jù)廣西智慧果園生產、經營、管理等關鍵環(huán)節(jié)的地塊屬性、灌溉管理、采摘測產、種植環(huán)境、病蟲害測報、市場流通等多時空、多粒度、多類型的海量數(shù)據(jù)，開展智慧果園數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、可視化等進行集成應用，以提升智慧果園全產業(yè)鏈信息感知水平、數(shù)據(jù)標準化水平和決策支撐水平。廣西智慧柑桔項目的合作示范企業(yè)鳴鳴果業(yè)完成了全國首張果樹“身份證”——果樹編碼數(shù)字地圖，把果樹的種植生長狀況、巡檢記錄等各種信息與航拍實景相結合，并上線了集種植全產業(yè)鏈的栽培、采收、運輸、倉儲、分選、加工、包裝、銷售為一體的“鳴鳴果園APP V1.0”(http://www.gxmmgy.com/content-16-352-1.html)，已綜合集成了生產、管理、營銷等方面的23個應用場景。

3 廣西智慧柑桔發(fā)展建議

在現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展過程中，從種植到銷售，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術已經深刻融入每一步，但與發(fā)達國家的現(xiàn)代農業(yè)相比，依然存在較大的差距。智慧農業(yè)是涉及多部門、多領域、多學科的交叉和集成應用學科，具有獨特的系統(tǒng)性和復雜性，是信息科學技術與農業(yè)的結合，也是農業(yè)信息化發(fā)展從數(shù)字化到網(wǎng)絡化再到智能化的高級階段，是農業(yè)4.0的重要內容[9]。廣西智慧農業(yè)的發(fā)展處于剛剛起步階段，尚存在四個方面的主要問題：一是基礎研究和積累還不夠，研究創(chuàng)新存在碎片化，缺乏系統(tǒng)、深入的探索和有機銜接與整合；二是感知傳感器和智能裝備研發(fā)能力不足，缺乏成熟、可靠、易用的生產精準監(jiān)測和環(huán)境控制裝備；三是關鍵核心技術與產品的研發(fā)滯后，特色化的智慧農業(yè)技術系統(tǒng)集成與平臺搭建不完善，精準化生產管理標準規(guī)范、診斷模型和算法研究仍較落后；四是具有示范帶動性的智慧農業(yè)示范區(qū)布局和建設還不夠健全。廣西作為我國西部偏遠山區(qū)，區(qū)域農業(yè)發(fā)展水平參差不齊，尚未具有完善的農業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，還很難實現(xiàn)農戶生產與農業(yè)信息服務系統(tǒng)的有機結合。因此，立足廣西當前的農業(yè)現(xiàn)代化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的需求目標，通過突破智慧農業(yè)核心技術、壟斷壁壘技術、短板技術與卡脖子技術，實現(xiàn)農業(yè)“機器人替代人力”“電腦替代人腦”“自主創(chuàng)新替代進口”的三大轉變[4]。通過不斷提高農業(yè)生產智能化和經營網(wǎng)絡化水平，加快便捷的信息化服務普及，降低生產和應用成本，為廣大果農提供專業(yè)、平價、實用的個性化精準信息服務，將成為廣西智慧柑桔近期發(fā)展的方向。同時，在農業(yè)產業(yè)轉型升級的關鍵時刻，充分利用好大數(shù)據(jù)，推進廣西智慧農業(yè)健康、有序、高效發(fā)展，激發(fā)農村活力，助力鄉(xiāng)村振興，可為廣西現(xiàn)代特色農業(yè)、綠色農業(yè)和高質量農業(yè)發(fā)展提供科技支撐[10]。

3.1 建立科技創(chuàng)新和行業(yè)標準體系傳感器是智慧農業(yè)核心技術，其中土壤養(yǎng)分傳感器、土壤墑情傳感器、土壤重金屬傳感器、農藥殘留傳感器、氣象預測預報傳感器、作物光譜分析傳感器、作物營養(yǎng)傳感器、農產品品質傳感器、病蟲害預測預報與防控識別傳感器以及采摘識別等高端傳感器是制約廣西智慧柑桔發(fā)展的主要因素。因此，政府應大力支持研發(fā)符合廣西農業(yè)特殊地貌和廣泛用途的低成本、精確可靠、能夠適應惡劣環(huán)境的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專用傳感器，以及加快鋪設5G基站，解決偏遠山區(qū)農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及與覆蓋問題，讓富有廣西民族特色的稀有農產品走出大山走向大眾視野具有重要意義[11]。例如：可利用傳感器采集柑桔種植區(qū)域內的環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)，如當天的溫度、空氣和土壤濕度、土壤水分含量、土壤pH值、土壤礦物質含量、光照強度、風速和風向、降雨量等，通過大數(shù)據(jù)AI算法評估，立即生成指導生產的數(shù)據(jù)輸送至可視化視頻端或手機端，輔助農事操作人員更好地實施生產控制[12]。此外，行業(yè)標準是指導行業(yè)規(guī)范化生產的準則，加快建立農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用標準體系，用以指導農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術應用發(fā)展具有重要的意義。例如信息獲取感知標準，包括傳感器獲取數(shù)據(jù)的標準、分析測試標準、使用規(guī)范、接口標準等；信息服務標準，如農資分類、農產品分級、標識、溯源數(shù)據(jù)的格式標準等[13]；以及信息應用標準，比如相關項目的立項標準、實施規(guī)范、管理程序、智能化系統(tǒng)集成與應用的標準等[14]。

3.2 加強基礎設施建設和投入智慧農業(yè)涵蓋的智能化系統(tǒng)主要涉及智能化傳感設備、精準的智能定位系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理器、數(shù)字化精準化的水肥一體化應用系統(tǒng)以及與物聯(lián)網(wǎng)技術相關聯(lián)的現(xiàn)代化、智能化遠程控制平臺[15]。因此，地方政府應進一步加大農業(yè)信息化基礎設施的投入力度，通過建立專項資金扶持，修建村村通公路，特別是果園種植區(qū)修建完善的交通道路網(wǎng)，方便把采收的水果運往全國各地；大范圍鋪設5G基站，實現(xiàn)網(wǎng)絡全覆蓋，便于智能設備與電商網(wǎng)絡系統(tǒng)的暢通運行；此外還要在確保產品質量的情況下讓農機設備生產企業(yè)降低成本，擴大農機設備生產規(guī)模，增加市場投入量，加快現(xiàn)代農機設備如大載荷農業(yè)無人機、高端智能拖拉機、采收機，以及能承擔高勞動強度、適應惡劣作業(yè)環(huán)境、完成高質量作業(yè)要求的農業(yè)作業(yè)機器人等進入農田，為促進智慧農業(yè)的健康快速發(fā)展奠定堅實的物質基礎[16]。

3.3 加強農業(yè)人才引進與培養(yǎng)未來智慧農業(yè)的發(fā)展，是要求加強農業(yè)與信息技術的高度融合，綜合運用農業(yè)技術、生物技術、信息技術、工程技術等，實現(xiàn)從生產到消費全過程高質量、高效率、標準化、專業(yè)化的監(jiān)控和管理[9]。發(fā)展智慧農業(yè)，最重要的是培養(yǎng)具有交叉學科、綜合素質過硬的復合型人才，歸根結底人才是支撐智慧農業(yè)發(fā)展的根本保障。政府應大力引進外來“高、精、尖”人才資源并加強培養(yǎng)當?shù)剞r業(yè)人才，加大科研院校相關研究經費的投入力度，鼓勵專家?guī)F隊、帶項目、帶資金到智慧農業(yè)試驗田創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，通過加大資金投入帶動本地智慧農業(yè)可持續(xù)發(fā)展；還應將職業(yè)農民培養(yǎng)納入地方教育培訓發(fā)展規(guī)劃，積極選派優(yōu)秀農業(yè)科技人員到智慧農業(yè)發(fā)展先進地區(qū)和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術專業(yè)公司進行研修深造；鼓勵有關高校、職業(yè)院校開設智慧農業(yè)課程，為農業(yè)農村的現(xiàn)代化進程加速培養(yǎng)交叉復合型的農業(yè)人才[17]。例如：華中農業(yè)大學于2019年新設立了智慧農業(yè)學科，該專業(yè)將信息技術、生物技術、現(xiàn)代工程技術、現(xiàn)代經營管理知識與農學相互融合，致力于培養(yǎng)具有良好品德修養(yǎng)、社會責任感、三農情懷、審辯思維和全球視野，自主學習和實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力強，能勝任現(xiàn)代農業(yè)及相關領域的教學科研、產業(yè)規(guī)劃、經營管理、技術服務等工作的高素質創(chuàng)新型復合人才，這在我國高等院校尚屬首次。此外，政府還應積極鼓勵新型經營主體與科研院校、高技術企業(yè)開展交流合作，共同培養(yǎng)專業(yè)型、復合型、學科交叉型智慧農業(yè)人才，力爭為我區(qū)培養(yǎng)一支高素質、懂技術、會經營的本土科技隊伍[18]。