广西智慧柑桔技术构成与发展建议

刘吉敏，覃泽林，方 辉，曾志康，黄启厅，黄其椿，韦绍龙，龙盛风

(1 广西农业科学院植物保护研究所/广西作物病虫害生物学重点实验室，南宁，530007；2 广西农业科学院农业科技信息研究所，南宁，530007；3 广西农业科学院园艺研究所，南宁，530007；4 广西壮族自治区农业科学院，南宁，530007)

柑桔属芸香科植物，果实富含膳食纤维、有机酸、果胶、糖苷和多种维生素，是我国主要的水果种类之一[1]。广西由于独特的气候条件和优越的环境条件，成为适宜柑桔种植的生态区，也是全国柑桔重点产区[2]。据国家统计局统计，2019年广西全区柑桔栽培面积达到54.6 万hm2(819万亩)，总产量达到1 022万t(约占全国1/4)，产值376亿元，其面积、产量和产值均居全国首位，是广西西部贫困地区脱贫攻坚和乡村振兴的支柱产业。然而，广西柑桔种植区多处山区，地形复杂，耕地破碎化程度高，加上农村劳动力出现不同程度的短缺，导致农业面临用工难，成本高的问题[3]。目前，广西柑桔由于居高不下的人力成本、落后的生产技术和设施、低下的管理水平，导致产量和品质无法有效提升，病虫害防控低效、果品销售困难、经济效益走低等问题突显，产业链延伸困难，已经严重制约了产业的发展。随着大数据、人工智能等现代信息技术在农业领域的广泛应用，将逐渐替代以往依靠人脑、劳力、简单机械的生产方式，逐步实现农业信息智能感知、智慧操控、远程指导、科学决策、量化精准投入、个性化服务的全新农业生产方式[4]。即，农业机械化和信息智能化的深度融合，实现柑桔的智慧化管理，已成为广西柑桔产业升级的重要突破口。鼓励和积极引入现代信息技术，更替老旧传统的经营模式，加快柑桔产业转型升级，也已成为广大果农及农业经营组织的迫切需求和广西现代特色农业高质量发展的目标[5]。笔者从当前智慧果园的发展现状入手，分析适合广西柑桔产区的现代信息技术理论和技术方法，提出相应的战略举措，以促进广西智慧柑桔的健康发展。

1 广西智慧柑桔发展的条件

1.1 国家政策引导自党的十八大以来，我国高度重视农业农村现代化和智能信息化工作。习近平总书记强调，“农业现代化的主攻方向，是以提高农业生产智能化、经营网络化水平，帮助广大农民增加收入”，其目的就是以农业生产经营的智能化来帮助农民提高生活水平和增加收入。李克强总理指出，“深入推进‘互联网+农业’，促进农业生产管理更加精准高效，使亿万小农户与瞬息万变的大市场更好对接”，以农业的信息化实现精准化生产和管理，大小市场互惠融通。2017年中央1号文件特别指出加快适宜机械化生产；2018年中央1号文件提出“加快发展数字农业和智慧农业，推进遥感技术应用和物联网试验示范”；2019年中央1号文件要求“加快突破农业核心技术，推动智慧农业等领域自主创新”；2020年中央1号文件强调要“加强现代农业设施建设，加快物联网、大数据、人工智能、区块链、第五代移动通讯网络等现代信息技术在农业领域应用”；2021年中央1号文件再次强调“发展智慧农业，建立农业农村大数据体系，推动新一代信息技术与农业生产经营深度融合”。农业农村部也相继印发了《数字农业农村发展规划(2019—2025年)》《“互联网+”农产品出村进城工程试点工作方案》等政策，明确了新时期数字农业农村的建设思路[4]。

1.2 地方政府重视为加速农业数字化转型，广西壮族自治区政府专门下发了《自治区党委、政府关于深入实施大数据战略加快数字广西建设的意见》(桂发〔2018〕16 号)、《广西数字经济发展规划(2018—2025年)》(桂政发〔2018〕39号)、《广西数字农业发展三年行动计划(2018—2020)》等相关政策，围绕“互联网+现代农业”全面发力，以建设智慧农业为目标，在全国率先建设广西农业大数据中心，打造“广西农业云”，积极推进大数据、云计算、人工智能、物联网、3S技术等在农业全产业链的应用。此外，为促进产业转型升级加快推进5G发展的总体要求，自治区政府特制定了《广西加快5G产业发展行动计划(2019—2021年)》的通知(桂数广发〔2019〕4号)，通知要求“依托5G网络等新技术，推进其与农业生产、经营、管理、服务各环节相互融合，建设5G智慧农业产业园区，构建基于5G网络的智慧农业互联网”。《广西壮族自治区人民政府关于加快推进广西现代特色农业高质量发展的指导意见》中也明确提出“创新发展智慧农业，深入实施‘互联网+’现代农业工程，推广应用物联网、大数据、云计算、移动互联等现代信息技术，建设农业资源一张图”。信息技术代表着当今先进生产力的发展方向，农业信息化已成为引领我国现代农业发展、创新农业管理服务和破解农业发展难题的必然选择。

1.3 产学研结合为推进产学研一体化，使科技成果更好地服务于产业发展，2019年广西壮族自治区农业科学院与中国农业科学院，并与广西当地柑桔企业联合开展科技协同创新《广西智慧柑桔产业关键技术研发与集成示范》项目，任务聚焦广西柑桔产业，在土地资源数字化管理的基础上，以柑桔全产业链信息管理为经，以肥水一体化智能管理和机器采摘为纬，充分应用遥感、物联网、人工智能、大数据，机器视觉、数字模型和智能控制等现代信息技术理论和方法，开展智慧型柑桔生产的关键技术和系统集成创新研究，以期为广西柑桔产业信息化发展提供标准模型。

2 广西智慧柑桔关键技术构成

广西智慧柑桔关键技术分为耕地识别与耕地地块大数据平台构建、水肥一体化智慧灌溉系统、智慧果园智能采摘及测产系统、全产业链信息管理及电子商务系统、智慧果园系统集成五个部分(见图1)。

图1 广西智慧柑桔综合平台界面

2.1 耕地识别与耕地地块大数据平台广西地势以山地为主，山地丘陵性盆地地貌，耕地碎片化程度高，多云多雨，存在遥感数据保障率低、柑桔地块识别困难等难题。因此，该技术在传统耕地资源调查与利用时空格局探测的基础上，重点解决耕地地块信息获取难的问题。一是借助于高分遥感数据、无人机影像技术、物联网、移动互联网等天空地一体

化智能感知技术，全面获取耕地地块的形态、理化、环境、权属、管理等信息，利用深度学习等技术，开展耕地与作物分布制图研究，利用信息熵模型等方法，开展地块边缘信息检测，实现耕地地块识别与耕地地块大数据平台构建。二是建立智慧耕地远程控制和服务中心，在天空地一体化三网融合数据支持下，利用手机APP与crowdsourcing技术，开展地块尺度农户生产决策信息采集，搭建智慧耕地大数据存储平台与耕地地块精细管理和智能决策调度系统，实现数据驱动的耕种过程全数字化智慧决策与控制。三是打造标准化的智慧耕地感知技术、管理平台与应用服务体系，为智慧耕地数据的获取、分析和决策提供业务支撑和智能服务。

2.2 水肥一体化智慧灌溉系统在柑桔的生产中，传统的灌溉方式(沟灌、漫灌、淋灌)水资源利用率低、旱涝不均、耗时、费工、费肥，还会破坏土壤结构，导致杂草和病虫害滋生，不利于柑桔产量和品质的提升[6]。水肥一体化是在传统管道灌溉方式的基础上发展而来，具有节肥、节水、省力、省工、精准、高效的特点[7]，该项技术可根据土壤营养状况和作物的需水需肥规律和特点，实现水肥同步、精准、定时、定量、均匀的功能，是目前为止农业生产上最节水节肥的技术之一[8]。目前广西柑桔滴灌水肥一体化在当地应用普遍广泛，但存在着灌溉施肥制度不合理、系统配套不完善、水肥精准智能管理技术不高等关键问题，其次，常规的系统灌溉施肥及田间管理需要大量的人力投入。如何实现柑桔水肥的精确施用及高效利用，提高智能化管理水平，已经成为广西柑桔产业急需解决的关键技术与问题。

广西智慧柑桔水肥一体化灌溉系统主要从3个方面进行构建：一是针对当地柑桔种植管理模式，借助先进的计算机技术、通讯技术、传感技术，根据柑桔水肥需求规律，并基于土壤、柑桔品种、气象信息建立柑桔生育期水肥数据库，开发多元灌溉信息获取与传输技术，构建水肥智慧决策模型及灌溉预报系统。二是针对柑桔种植园区，从供水、过滤、管网、灌水器、田间自控等方面，进行灌溉系统全流程优化配置和产品选型，构建可靠、先进、抗堵塞地下滴灌灌水器、水肥一体化装备。三是开发水肥信息监测系统，融合水肥决策技术，研发智能施肥机等关键水肥测控设备，构建中控平台集中控制、手机APP端移动控制和田间现场控制等水肥管控模式。三方面共同集成广西柑桔水肥药一体化高效管控技术系统，有效提升柑桔水肥利用效率和产量的增加，降低成本投入，促进效益提升。

2.3 智慧果园智能采摘及测产系统广西柑桔园种植区域广、面积大，柑桔品种多、成熟及采摘覆盖时间长，且柑桔具有枝叶繁茂、簇状结果、果实外皮易损等特点，采摘上存在雇工难、雇工贵、人工采摘效率低等难题。作为广西最大宗的水果，柑桔智能采摘系统与测产系统的构建首先需要基于大数据平台构建柑桔品质自动判别模型、自动测产算法模型，利用可见光的柑桔自动检测和识别模型，以及配合柑桔自身生长及生长环境，构建柑桔病虫害自动识别与检测系统。此外，将采摘系统与修剪系统相互结合，在完成果实采摘的同时，也顺便将果树进行了修剪，大大节约和减轻人力物力。采摘系统利用RGB-D的视觉输入、监测设备、GPS定位系统等，该系统首先对果实信息进行采集，然后进行大数据分析处理，再传到手机端或视频端。有专用设备对果园内的每棵树进行实时监控，当果实成熟度达到一定阈值时，自动启用采摘机器人进行智慧化采摘，并将水果按照分选标准放入指定采收箱内[5]。为避免柑桔病害传播，每个采摘机器人的果剪配有消毒设施，每剪一棵树后均进行消毒处理。

2.4 全产业链信息管理及电子商务目前农业物联网技术已经应用到农业领域的各个环节，但更多的是集中在环境数据采集、设备自动控制等，采集的数据尚难以实际用起来，主要是缺乏与农业专业领域知识的深度融合。针对广西柑桔果园存在的科学管理不到位、专家技术指导不足、病虫害识别与防控薄弱、质量安全体系不健全、市场销售风险高以及人工采摘成本居高不下等问题，综合应用大数据、云计算、物联网、传感器等现代信息技术，构建柑桔果园生长环境自动感知系统、果园虫情自动诊断与害虫自动识别系统、产品质量安全朔源系统、市场预警与电子商务系统、专家远程诊断系统、农资管理系统和健康柑桔种苗生产系统，利用广西柑桔产业大数据综合应用平台，全面提升广西柑桔产业智慧管理水平。

2.5 智慧果园系统集成根据广西智慧果园生产、经营、管理等关键环节的地块属性、灌溉管理、采摘测产、种植环境、病虫害测报、市场流通等多时空、多粒度、多类型的海量数据，开展智慧果园数据采集、存储、处理、可视化等进行集成应用，以提升智慧果园全产业链信息感知水平、数据标准化水平和决策支撑水平。广西智慧柑桔项目的合作示范企业鸣鸣果业完成了全国首张果树“身份证”——果树编码数字地图，把果树的种植生长状况、巡检记录等各种信息与航拍实景相结合，并上线了集种植全产业链的栽培、采收、运输、仓储、分选、加工、包装、销售为一体的“鸣鸣果园APP V1.0”(http://www.gxmmgy.com/content-16-352-1.html)，已综合集成了生产、管理、营销等方面的23个应用场景。

3 广西智慧柑桔发展建议

在现代农业发展过程中，从种植到销售，互联网大数据技术已经深刻融入每一步，但与发达国家的现代农业相比，依然存在较大的差距。智慧农业是涉及多部门、多领域、多学科的交叉和集成应用学科，具有独特的系统性和复杂性，是信息科学技术与农业的结合，也是农业信息化发展从数字化到网络化再到智能化的高级阶段，是农业4.0的重要内容[9]。广西智慧农业的发展处于刚刚起步阶段，尚存在四个方面的主要问题：一是基础研究和积累还不够，研究创新存在碎片化，缺乏系统、深入的探索和有机衔接与整合；二是感知传感器和智能装备研发能力不足，缺乏成熟、可靠、易用的生产精准监测和环境控制装备；三是关键核心技术与产品的研发滞后，特色化的智慧农业技术系统集成与平台搭建不完善，精准化生产管理标准规范、诊断模型和算法研究仍较落后；四是具有示范带动性的智慧农业示范区布局和建设还不够健全。广西作为我国西部偏远山区，区域农业发展水平参差不齐，尚未具有完善的农业数据库系统，还很难实现农户生产与农业信息服务系统的有机结合。因此，立足广西当前的农业现代化与乡村振兴战略的需求目标，通过突破智慧农业核心技术、垄断壁垒技术、短板技术与卡脖子技术，实现农业“机器人替代人力”“电脑替代人脑”“自主创新替代进口”的三大转变[4]。通过不断提高农业生产智能化和经营网络化水平，加快便捷的信息化服务普及，降低生产和应用成本，为广大果农提供专业、平价、实用的个性化精准信息服务，将成为广西智慧柑桔近期发展的方向。同时，在农业产业转型升级的关键时刻，充分利用好大数据，推进广西智慧农业健康、有序、高效发展，激发农村活力，助力乡村振兴，可为广西现代特色农业、绿色农业和高质量农业发展提供科技支撑[10]。

3.1 建立科技创新和行业标准体系传感器是智慧农业核心技术，其中土壤养分传感器、土壤墒情传感器、土壤重金属传感器、农药残留传感器、气象预测预报传感器、作物光谱分析传感器、作物营养传感器、农产品品质传感器、病虫害预测预报与防控识别传感器以及采摘识别等高端传感器是制约广西智慧柑桔发展的主要因素。因此，政府应大力支持研发符合广西农业特殊地貌和广泛用途的低成本、精确可靠、能够适应恶劣环境的农业物联网专用传感器，以及加快铺设5G基站，解决偏远山区农业物联网的普及与覆盖问题，让富有广西民族特色的稀有农产品走出大山走向大众视野具有重要意义[11]。例如：可利用传感器采集柑桔种植区域内的环境和气象数据，如当天的温度、空气和土壤湿度、土壤水分含量、土壤pH值、土壤矿物质含量、光照强度、风速和风向、降雨量等，通过大数据AI算法评估，立即生成指导生产的数据输送至可视化视频端或手机端，辅助农事操作人员更好地实施生产控制[12]。此外，行业标准是指导行业规范化生产的准则，加快建立农业物联网行业应用标准体系，用以指导农业物联网技术应用发展具有重要的意义。例如信息获取感知标准，包括传感器获取数据的标准、分析测试标准、使用规范、接口标准等；信息服务标准，如农资分类、农产品分级、标识、溯源数据的格式标准等[13]；以及信息应用标准，比如相关项目的立项标准、实施规范、管理程序、智能化系统集成与应用的标准等[14]。

3.2 加强基础设施建设和投入智慧农业涵盖的智能化系统主要涉及智能化传感设备、精准的智能定位系统、大数据处理器、数字化精准化的水肥一体化应用系统以及与物联网技术相关联的现代化、智能化远程控制平台[15]。因此，地方政府应进一步加大农业信息化基础设施的投入力度，通过建立专项资金扶持，修建村村通公路，特别是果园种植区修建完善的交通道路网，方便把采收的水果运往全国各地；大范围铺设5G基站，实现网络全覆盖，便于智能设备与电商网络系统的畅通运行；此外还要在确保产品质量的情况下让农机设备生产企业降低成本，扩大农机设备生产规模，增加市场投入量，加快现代农机设备如大载荷农业无人机、高端智能拖拉机、采收机，以及能承担高劳动强度、适应恶劣作业环境、完成高质量作业要求的农业作业机器人等进入农田，为促进智慧农业的健康快速发展奠定坚实的物质基础[16]。

3.3 加强农业人才引进与培养未来智慧农业的发展，是要求加强农业与信息技术的高度融合，综合运用农业技术、生物技术、信息技术、工程技术等，实现从生产到消费全过程高质量、高效率、标准化、专业化的监控和管理[9]。发展智慧农业，最重要的是培养具有交叉学科、综合素质过硬的复合型人才，归根结底人才是支撑智慧农业发展的根本保障。政府应大力引进外来“高、精、尖”人才资源并加强培养当地农业人才，加大科研院校相关研究经费的投入力度，鼓励专家带团队、带项目、带资金到智慧农业试验田创新创业，通过加大资金投入带动本地智慧农业可持续发展；还应将职业农民培养纳入地方教育培训发展规划，积极选派优秀农业科技人员到智慧农业发展先进地区和农业物联网技术专业公司进行研修深造；鼓励有关高校、职业院校开设智慧农业课程，为农业农村的现代化进程加速培养交叉复合型的农业人才[17]。例如：华中农业大学于2019年新设立了智慧农业学科，该专业将信息技术、生物技术、现代工程技术、现代经营管理知识与农学相互融合，致力于培养具有良好品德修养、社会责任感、三农情怀、审辩思维和全球视野，自主学习和实践创新创业能力强，能胜任现代农业及相关领域的教学科研、产业规划、经营管理、技术服务等工作的高素质创新型复合人才，这在我国高等院校尚属首次。此外，政府还应积极鼓励新型经营主体与科研院校、高技术企业开展交流合作，共同培养专业型、复合型、学科交叉型智慧农业人才，力争为我区培养一支高素质、懂技术、会经营的本土科技队伍[18]。