浅析农作物智能除草技术的应用与发展

谷 毅

（上海市松江区洞泾镇经济发展服务中心 上海 201600）

杂草影响作物生长， 是作物减产的重要因素之一[1]。我国农田杂草约有1 430 种（变种），每年由于杂草危害造成作物减产10%，粮食减产6 000 万t,经济损失2 200 亿元[2]。在农业生产中，除草是必不可少的环节，有着重要作用。

除草技术按照原理可分为物理除草、化学除草、生物除草等。 其中，化学除草通过对植物靶标喷施除草剂以灭杀或抑制杂草生长，见效快成本低。 然而近年来， 不合理的除草剂使用已经造成了严重的环境污染，给人类健康带来了严重威胁，不符合农业可持续发展理念。 与此同时，长期单一的除草剂施用，也促进了杂草抗药性的发展， 进一步增大了杂草防控的难度。 生物除草技术利用生物、微生物和他感物质与杂草之间的生态关系对杂草进行控制[3]，绿色环保安全。 但生物防控技术依然存在应用方法复杂、操作难度大、效果不稳定、广适性差等问题，在国内农田杂草控制中暂未得到广泛应用。 由此，对环境友好、效果稳定、 可持续性强的物理除草方式正得到越来越多的关注。 随着人工智能技术和现代农业装备智能化水平的提升， 物理除草技术近年来取得了快速发展。 智能除草技术被广泛地研究和应用,成为智慧农业下农田除草的发展趋势。

1 物理除草技术发展历程

1.1 以中耕除草为主的传统模式

在物理除草技术中，传统方式包括中耕除草、轮作除草、火力除草等[4]。 其中，中耕除草最为常见。 中耕除草技术旨在通过翻耕、松土、破坏杂草根系等方式达到除草的效果。 根据作业方式不同，中耕除草可以分为人工中耕和机械中耕2 种方式。

人工中耕主要使用锄头、犁、耙除草。 目标明确，操作方便，除草效果好，不但可以除掉行间杂草，而且可以除掉株间的杂草，但一般情况下，人工中耕需要多次反复进行，方法比较落后、人工成本高、工作效率低。 只适合小面积农田。

机械中耕主要使用农业机械进行除草。 相比于人工中耕，机械中耕效率更高，同时也可以达到更好的耕作效果。 但机器较大，灵活性不高，控制难度较大，容易对田间环境造成破坏。 一般比较适合地形较平坦、面积较大、机械化程度较高的农场使用。

1.2 以智能除草为主的现代模式

随着科技革命推动农业产业变革， 除草技术也迎来了转型升级的重大发展期。 智能除草技术成为现代农业领域的研究热点。

智能除草技术是指利用人工智能、 大数据等技术，对农作物进行精细管理，实现自动化、智能化的除草方式[5]。 这种技术精准高效，能够提高农作物的产量和质量，远程控制，无需人工直接操作，减少人力和物力的消耗， 对于农业生产的效率和质量有很大的帮助[6]。 其中，最具有代表性的就是智能除草机器人。

2 智能除草机器人的应用

2.1 智能除草机器人的应用原理

智能除草机器人是一种以杂草为操作对象，以完成农业生产任务为主要目的，集传感器技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术及自动导航控制技术等多种前沿科学技术于一身的智能农业机械[7]。 其应用原理主要包括以下几个方面。

2.1.1 智能感知技术 感知设备是机器人的眼睛。通过搭载高清摄像头和深度学习算法等视觉感知技术， 将拍摄到的图像进行实时处理和分析， 再通过GPS、北斗、视觉导航等定位感知技术，实现对农作物和杂草的快速识别和定位。 如贺静团队[8]研究了基于机器视觉、激光雷达、跟踪导航等多传感器融合的水稻行识别和导航方法，提高了自动识别感知的精度。

2.1.2 智能控制系统 控制系统是机器人的大脑。它由各种具有智能特征和功能的软硬件系统组成，通过对智能感知数据的处理和自动控制算法的调度[9]，实现对除草机器人自主导航、行驶、作业的智能控制。如傅雷扬等[10]提出了采用卷积神经网络（CNN）识别农作物与杂草， 再利用视觉和雷达信息完成动态路径规划，最后发送控制指令和接收反馈结果，并通过循环神经网络存储和检索历史数据的机器人模型，提高了除草的智能化水平。

2.1.3 智能应用平台 应用平台是机器人的手足。它是终端执行机构，根据不同的地形和作业环境，搭载各类移动平台和除草装置， 在智能控制系统的指令下，执行精确除草操作。 如史婷婷等[11]设计了一台电机驱动直线排布， 可切换伸缩式轮履复合移动平台，搭载行间耕耘锄、株间弹齿盘的除草机器人，可实现全地形自主行进除草作业。

2.2 智能除草机器人的应用现状

国外对除草机器人研究较早， 美日等发达国家从20 世纪60 年代末就开始了研究， 智能除草机器人已经在一些发达国家和地区得到了相关商业化应用。 英国Garford 农机制造公司在智能农机领域深耕20 余年， 智能机器人行间和行内全方面除草技术世界领先，产品展销全球各地。法国Naïo 机器人公司生产了多款智能除草机器人，包括典型的Dino（大田蔬菜除草机器人）和Ted（葡萄园除草机器人）产品[12]，截止2022 年底，在欧洲和美国共有超250 台智能除草机器人投入使用。

国内除草机器人研究相对较晚， 且主要集中在科研院所，目前以理论研究和试验性质为主。 中国农业大学的张春龙团队[13]研发的锄草机器人，利用四轮驱动平台和三指手爪机械手，根据机器视觉信息，有效除草率在90%以上。 上海点甜农业专业合作社的王金悦团队自主研发的除草机器人，利用北斗导航系统和5G 信号,将机器人行动误差控制在2 cm 以内。

总体而言， 智能除草机器人的研究应用呈现出商品化、信息化、全球化的特点[14]。但规模应用程度不高，尤其是国内，技术还处于试验验证阶段，目前还未进入商业化销售阶段。

2.3 智能除草机器人的应用困境

2.3.1 智能问题 智能除草机器人作业环境复杂多变，不可知因素很多，作物与杂草的布局和形态差异巨大。 往往在特定环境中测试成功的算法和模型换一个环境后就会有不同的结果。 如何调整算法和模型，使其能够适应更广泛复杂的作业环境，是亟待解决的问题[15]。

2.3.2 成本问题 智能除草机器人作为新兴产物，研发需要投入大量成本； 它集成了多种前沿科学技术， 制造成本也会较高； 作业环境多为户外露天条件，维护成本同样不低。 且智能除草机器人若只针对除草环节， 功能单一， 特别是除草还具有季节性特点，利用效率低，致使其性价比不高[16]。

2.3.3 法律问题 智能除草机器人属于智能农机，是人工智能范畴。 目前相关方面的法律法规并不完善，智能农机的应用，如安全标准、作业规范、监管规则等法规尚不明确。

3 智慧农业下除草机器人的发展展望

2023 年1 月，工业和信息化部、农业农村部等十七部门印发《“机器人+”应用行动实施方案》，方案强调农业作为重点应用领域， 要加快基础设施和生产装备智能化改造，推动机器人与农业生产深度融合，支撑智慧农业发展。

随着智慧农业的深入发展， 除草技术也将不断创新和发展， 智能除草机器人必将是未来农业应用趋势。 目前除草机器人在实际生产中还存在一定的应用困境，需要在技术、效率、成本等方面不断进行优化和完善。

3.1 精准智能化

随着物联网、云计算、大数据等数字化技术的不断融入，智能感知技术、控制系统、应用平台研发的不断成熟，多传感器信息、多学科交叉技术的不断融合，模型和算法研究的不断优化，数据智能、群体智能、融合智能、自主智能将是它的发展新趋势，智能除草机器人未来智能分析、智慧决策、精准执行的人工智能化程度将会有所提升。

3.2 高效一体化

针对除草机器人功能单一、效率低等问题，一是开发播种、嫁接、除草、采摘等多功能一体机。 采用开放和兼容设计，通过应用平台执行端更换装置，实现农业全过程一体管理，降本增效。 二是发展轻型机器人集群。 通过研发集群控制系统，优化调度，实现人机交互、多机协同作业，提高作业质量和效率。

3.3 经济适用化

通过优化设计和材料、降低能源成本、提高使用寿命等方式降低单台设备制造、维修和更换成本。 此外，随着标准化农田建设的推进， 供需平台的搭建，以及国家支持政策的出台， 智能除草机器人将得到更大的推广和普及， 在市场规模扩大的同时， 势必会降低整体成本， 满足更广泛的市场需求， 形成良性循环。

3.4 人机协同化

智能化爆炸的时代，ChatGPT 让人们见识到了人工智能技术惊人的发展速度和成果， 随着农业从业人口减少、老龄化加剧、各要素成本上涨，除草技术的革新也必将走上人工智能的赛道。 但是，发展的最终目的是为了更好的生活， 人们在不断利用科技改进技术、改变生产模式的同时，也要对“人机关系”有更多的思考，“人机交互”“人机互补” 才应该是智能化发展的最终走向。