智能预测与管理系统在精细农业中的应用

摘 要：人工智能不仅局限于农业机器人的单一作业，而是扩展到整个农业生产过程的智能化管理中，进一步推动农业的可持续发展。智能预测与管理系统，作为智慧农业的核心技术，正在逐步改变传统农业的运作方式，推进农业的精细化发展。系统实时监控农田的微环境和作物生长状况，精确预测病虫害的发生风险，并及时提供科学的防治建议，既提高农业生产的效率和经济效益，也为农业生产者提供前所未有的操作便利性。该文将分析精细农业及其与智慧农业的关系，探讨智能预测与管理系统在精细农业中的具体应用，并进行国内外的案例分享，旨在为农业发展提供有价值的参考。

关键词：智能；预测系统；管理系统；精细农业；农业管理

中图分类号：DF413.1 文献标志码：A 文章编号：2096-9902（2024）20-0010-04

Abstract： Artificial intelligence is not limited to a single operation of agricultural robots， but extends to the intelligent management of the entire agricultural production process to further promote the sustainable development of agriculture. Intelligent prediction and management systems， as the core technology of smart agriculture， are gradually changing the operation methods of traditional agriculture and promoting the refined development of agriculture. The system monitors the microenvironment and crop growth conditions of farmland in real time， accurately predicts the risk of pest and disease occurrence， and provides scientific prevention and control advice in a timely manner， which not only improves the efficiency and economic benefits of agricultural production， but also provides unprecedented operating convenience for agricultural producers. This paper will analyze precision agriculture and its relationship with smart agriculture， discuss the specific application of intelligent prediction and management systems in precision agriculture， and share cases at home and abroad， aiming to provide valuable reference for agricultural development.

Keywords： intelligence; prediction system; management system; precision agriculture; agricultural management

随着第四次工业革命的推进，信息技术尤其是大数据、物联网、人工智能等前沿技术的快速发展，为传统农业带来了前所未有的转型机遇。在“十四五”规划期间，政府强调农业和农村的信息化，设定了明确的目标：提高农业生产的效率与质量，减少资源浪费，并增加农民收入。智慧农业不仅是科技的集大成者，更是精细农业实践的先驱，通过运用现代信息技术实现农业生产过程的精确管理和高效运作。这种集成化的技术应用使得农业生产过程更加精准、智能化，不断推动着农业向着高质量和可持续的方向发展。

1 精细农业及其与智慧农业的关系概述

精细农业是一种利用现代信息技术、物联网技术和精准农业技术等手段，对农业生产过程进行全面监测和管理的方法。精细农业的核心目的是借助精确的数据获取和处理，实现农业生产的精细化、智能化、高效化和可持续化。精细农业的实施依赖于高新技术如全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS），使得农资和作物的管理可以实现精确的定时、定位和定量控制。基于信息和知识管理的现代农业生产系统，不仅提高了农业生产力，还有助于实现高产、优质、低耗和环保的农业可持续发展。

智慧农业则可以视为精细农业的进一步发展或升级版本。智慧农业结合了互联网、云计算、大数据，以及农业机器人和智能农业装备等更先进的信息技术，从而实现了对农业生产流程的全面覆盖和更深层次的数据分析与应用。智慧农业的核心优势在于其能够实现农业信息的实时获取和处理，借助物联网、卫星和遥感技术，不断收集农场的各种数据（如温度、湿度和土壤酸碱度等）。数据随后被实时上传到云端，并利用云计算和大数据技术进行分析，以决策最佳的农业管理策略。决策结果可以通过智能设备如无人机和农业机器人迅速执行，从而实现精确的田间管理和作物照护。从数据收集到决策实施的闭环管理不仅优化了生产流程，还显著提高了农业生产的效率和质量，同时减少了生产成本和对环境的负担。

总的来说，精细农业和智慧农业虽然在技术和应用层面有所差异，但它们共同推动了农业向更高效、更可持续的方向发展。精细农业和智慧农业都在努力实现农业生产的现代化，最终目的是通过科技力量，提高农业竞争力和确保食品安全。

2 智能预测系统技术

2.1 数据采集技术——传感器与无人机监测

2.1.1 传感器技术

传感器技术是农业物联网的基础，功能是实时捕捉和处理农业生产过程中的多种数据。传感器能够检测农作物和土壤的基本物理和化学状态，技术特点是将物理信号转换为电信号，并通过数据处理系统进行分析，从而为农业生产提供决策支持。常见的传感器有：土壤温湿度传感器，可以实时监测土壤湿度，并根据数据对农作物进行精准的灌溉。气象传感器，可以实时监测气温、湿度、风速、风向和日照等数据，从而对农作物的生长和发育进行精准预测和管理。水质传感器，可以监测水质，帮助农民了解水的酸碱度、盐度和溶解氧等信息，从而实现水资源的精细管理。

2.1.2 无人机技术

无人机在农田中的功能是进行土地勘测和作物监测，在植保作业中发挥重要作用。无人机的使用减少了人力物力成本，特别是在大规模农田管理中，无人机可以迅速覆盖广阔区域，收集数据后通过无线网络传输到农业管理中心。同时，无人机的应用还能减少农药和肥料的使用量，既保护了环境，也降低了成本。无人机搭载高分辨率相机和多光谱传感器能够快速获取大面积农田的高清图像和生长数据，这些数据经过专业的遥感数据处理技术分析后，可以提供关于作物健康状况、生长密度和潜在病虫害的重要信息。

2.2 数据分析技术——人工智能与机器学习

2.2.1 人工智能

人工智能涵盖使用计算机模拟人类智能行为的广泛技术，包括自然语言处理和计算机视觉等。在精细农业中，机器学习作为人工智能的一个分支，专注于从历史数据中学习并预测未来趋势，这对于管理复杂的农业系统尤为重要。

在精细农业中的人工智能包括：利用传感器、无人机和卫星技术收集关于土壤条件、作物健康、气候变化等的数据；清洗数据以去除噪声和不一致性，选择重要的特征用于模型训练；选择适当的机器学习算法并使用历史数据进行训练；通过交叉验证等技术测试模型的预测能力，并调整参数以提高准确性；将训练好的模型部署到生产环境中，并持续监控其性能，必要时进行更新。

在农田中，无人机或固定摄像头拍摄的农田图像被输入模型，模型经过训练能够识别特定的病虫害迹象，可以实时监测农田状况，还可以预测病害的发展趋势，从而指导农民采取及时的防治措施。

2.2.2 机器学习

机器学习还可以用于优化农田资源的配置，分析土壤湿度、作物需求量和天气预报等数据，智能算法可以计算出最佳的灌溉和施肥计划，减少资源浪费，同时提高作物产量。尽管机器学习在农业中的应用带来了许多潜在好处，但仍面临一些技术性挑战。高质量、高精度的数据是机器学习模型成功的关键。在实际应用中，数据可能由于多种因素而存在缺失或错误。同时，农业从业者可能对新技术持保守态度，技术推广需要时间和教育过程。在未来，随着计算能力的提高和算法的进一步发展，人工智能和机器学习技术在农业中的应用将更加广泛，为全球农业生产提供强有力的技术支持。

3 智能管理系统在精细农业中的实际应用

3.1 土壤管理

在精细农业领域，土壤管理的精细化和智能化已经成为提高农业生产效率和作物产量的关键。物联网技术在土壤管理中的应用主要体现在高度自动化的数据采集与分析。在土壤中布置多种类型的传感器，如湿度传感器、pH传感器、温度传感器以及养分传感器（针对氮、磷、钾等关键元素），系统能够持续收集土壤的关键参数。例如，pH传感器监测土壤的酸碱度，对于指导正确的石灰或酸性物质的施用至关重要，因为不适宜的pH会锁定土壤中的养分，阻止作物吸收。此外，通过卫星遥感技术和无人机搭载的多光谱传感器，可以在更大尺度上进行土地质量评估，更有利于大面积作物种植的监控和管理。

农业管理人员借助先进的物联网技术，尤其是通过集成的传感器网络和智能水肥一体化系统，能够实时监测和精确调控土壤环境，从而实现更高水平的作物管理和土壤资源利用效率。系统可以根据土壤水分含量和预测的天气变化，自动调节灌溉系统的开启和关闭，以及灌溉的量和频率，确保作物获得足够的水分但不至于水土流失。同时，系统分析土壤中的养分水平和作物需求，自动配制并施用合适比例的肥料，最大限度地提高肥料的利用率并减少环境污染。例如，如果传感器检测到某一区域土壤中钾的含量偏低，系统将自动增加含钾肥料的施用量，而不是一律增加全区的肥料用量，从而实现精准农业的真正意义。

智能土壤管理系统能精确地调控土壤环境，提升了土壤资源的利用效率。不仅提高了农业生产的经济效益，还有助于实现可持续农业的长远目标。

3.2 植物生长监控与病虫害预防

先进的人工智能技术和物联网设备帮助农业生产者实现对农作物状态的精确监测和及时的病虫害干预，从而能显著提高作物的生产效率和降低损失。例如，高清网络摄像头和其他监测设备在大田中的部署允许实时视频图像的捕捉和传输到云平台系统，减少了农业生产对人力的依赖，还使农场管理者能够通过一目了然的视图掌握所有作物的生长情况。AI系统借助图像识别技术，可以分析视频图像中的植株健康状况，识别出植物叶片或果实上的病斑、虫害损伤等异常迹象。同时，利用训练有素的模型，系统能够自动识别多种病虫害类型，如叶斑病、根蛆侵害等，并即时通报给农场管理者。此外，AI技术还能分析评估图像中显示的病虫害损伤程度，帮助决定是否需要采取防治措施，并提供决策支持。

此外，AI和物联网技术的集成应用实时监控数据，能接入遥感数据、地理信息系统（GIS）数据等多种数据源，能够提供更全面和精确的病虫害管理方案。例如，结合当前的作物生长状态、历史病虫害记录和即时的环境数据，系统能够为每块农田制定个性化的管理建议，从灌溉、施肥到病虫害防治，每一项措施都基于数据驱动的洞察，确保农业资源的最优配置和作物产量的最大化。

作物生长监控与病虫害预防的智能技术，展示了智慧农业和精细农业在现代社会中的巨大潜力和实际应用价值。

3.3 智能灌溉的应用

在现代精细农业中，农业生产者借助智能灌溉技术，改变了传统的依赖天然降水或大水漫灌的灌溉方式，而且实现了灌溉的高效化和精确化，极大地提高了水资源的利用效率。智能灌溉系统的核心在于集成高级监控技术和自动控制系统，使得灌溉过程更加精细和自动化。这一系统的建设首先依赖于准确的水量掌控和监管，安装在主管道和支管道上的流量计和压力传感器，系统能够实时监控和调整灌溉水量，确保每个区域根据作物需求获得适量的水分。这种两级用水计量的方法，不仅提高了水的分配效率，还通过远程控制系统在用水达到预设限额时自动调节，从而有效避免过度用水和水资源浪费。

此外，智能灌溉系统的运作情况实时监控也是其重要组成部分。系统通过水位传感器、视频监控，以及水泵的电流和电压监测设备，对滴灌系统的运行状态进行全面监控。任何不正常的灌溉事件，如管网爆管、漏水或低压运行等，都能被系统及时发现并通过自动通知系统告知维护人员进行处理。这种实时反馈机制极大增强了灌溉系统的可靠性和持续运行能力。阀门的自动控制系统进一步强化了智能灌溉的效果。系统综合分析土壤含水量、气象信息及作物生长数据（如叶片温度、湿度等），智能决定灌溉的时机和量。这种基于无线或有线技术实现的阀门遥控，配合定时轮灌的策略，实现了无人值守的自动灌溉。这不仅节约了人力资源，也确保了根据实际需求进行精确灌溉，从而优化了作物的生长条件和水肥利用效率。

智能灌溉技术的应用通过精确的水量控制和远程监控系统，不仅能提高水资源的利用效率，还能实现灌溉过程的高效化和自动化。

4 国内外成功案例

4.1 国内案例展现

在四川省崇州市的成都市天府粮仓国家现代农业产业园，春耕春管期间，智慧农业技术发挥关键作用。天府粮仓产业园引入了中化MAP智农平台和AI人工智能农场等项目，实现了农机化率95%和信息化率90%。此外，系统的一大功能是预测特定1 km×1 km地块未来48 h的降雨情况，且卫星影像服务的费用控制在10元以内，并为园区20万亩（1亩约等于667 m2，下同） 高标准农田提供了免费服务。在人工智能农场内，通过AI精确调控温度，番茄在不到2亩的智能温室中茁壮成长，半年产量可达9至10 t。园区已选出1 000亩试验田，分为10块进行“水稻季”的对比实验，标志着AI农业正式迈向田间实际应用，体现了智慧农业与精细农业的紧密结合。

南宁·中关村创新示范基地的某企业，独立研发的“AI巡园助手”——“捷捷”，能够实现24 h全天候的农场管理。公司结合以色列先进的滴灌技术与中国迅速发展的信息技术，自主开发了一套水肥一体化智能管理系统，可对农作物所需的水肥进行精准控制，每亩可节省水资源50%以上和肥料40%以上，同时提升农作物产量10%以上。公司的“种田神器”已经在超过140万亩的农业项目中得到推广，涉及的作物包括香蕉、柑橘、火龙果等多种类型。这一技术在老挝、泰国、尼日利亚、澳大利亚和马来西亚等国的应用，使当地农作物的平均产量增加了15%以上。

4.2 国外案例展现

在美国加利福尼亚州，Watts Family Farms是一个拥有120 000亩耕地的大型农场，种植包括玉米、小麦和大豆在内的多种作物。该农场采用了高度自动化的指针式喷灌机，是由一个中心支架和长达320 m的喷头管道组成，能够沿中心支架做圆周运动，如同钟表的指针，从而完成对大面积农田的均匀灌溉。每台喷灌机可以覆盖大约500亩的土地，灌溉系统不仅有效节约了30%～50%的灌溉用水，还能同时施放化肥、农药和除草剂，通过精确控制施用量减少了50%，同时提高了这些农业投入品的有效性。这一创新技术的应用，使得Watts Family Farms能够仅用8名员工操作220多台喷灌机，显著降低了人工成本，并提高了作物产量和农场的整体运营效率。在内布拉斯加州，Hortau Irrigation Management Systems开发的无线传感器与基于云的软件系统能够实时监测土壤中的水分张力，即土壤对水分的吸附力度。农场主可以通过移动应用程序实时查看土壤水分状态，并根据系统提供的个性化建议进行灌溉和施肥。智能灌溉服务使农户可以实现用水量的节省在40%至60%之间，作物产量也提高了15%至20%。

荷兰拥有总面积达到16.5万亩的温室，约占世界温室总面积的四分之一。荷兰的温室中，约60%用于花卉种植，40%用于果蔬类作物。大规模的温室农业得益于其高度自动化的环境控制系统，特别是其智能分苗系统，可以自动识别并剔除生长不良或病态的苗木，确保作物质量的一致性和高产。荷兰农业广泛实施了“精准农业”模式，其核心理念是“用一半的资源生产出两倍的粮食”，这不仅成为可持续农业发展的典范，也极大地提高了资源的利用效率。就像是荷兰每英亩土豆的产量可以达到20 t，而世界平均水平仅为9 t。荷兰的温室农业系统特别注重水资源的合理利用和保护。许多荷兰农场通过智能灌溉系统精确控制作物用水量，相比传统农业模式减少了高达90%的用水。此外，温室内的作物几乎不使用化学杀虫剂，而是通过生物控制和其他可持续的病虫害管理策略来维持作物健康。

5 结束语

智能农业为实现农业的可持续发展提供了强有力的技术支持，使农业生产过程更加环保，减少了农业活动对环境的负面影响。智能农业技术的核心在于精准地管理和调控农业生产中的各种要素，从土壤管理到水资源优化，再到植物生长监控和病虫害防治。高精度的数据采集和实时的数据分析能够确保作物在最佳的环境条件下生长，还能在病虫害发生前进行预警和预防，极大地减少了农业生产中的不确定性和风险。此外，智能预测与管理系统的应用还使得农业生产从传统的劳动密集型向技术密集型转变，提高了农业生产的自动化和智能化水平，这对于推动农业现代化具有重要意义。

然而，为了确保智能农业技术的快速、有序和健康发展，必须重视4个方面的工作：一是不断完善农业数据采集、传输和处理的技术体系，确保数据的准确性和安全性；二是推广智能化农业设备和系统，使更多的农业生产者能够接触并应用这些先进技术；三是加强对农业人工智能技术的研发投入，特别是在作物生长模拟、病虫害快速诊断技术方面的创新；四是培养更多的智能农业技术人才，提高农业生产者的技术应用能力，以适应智能化农业的发展需求。未来的农业将更加智慧和绿色，为全人类的可持续发展作出更大的贡献。

参考文献：

[1] 任嘉宇.精细农业下智能管理决策支持系统的研究[J].农机使用与维修，2023（4）：93-95.

[2] 颜家乐.农业智能化管理系统的应用探索[J].现代农业研究，2022，28（9）：137-139.

[3] 蔡绍博，徐欢，夏志波，等.基于物联网的智能水肥一体化温室农业管理系统[J].数字技术与应用，2021，39（11）：211-213.

[4] 杨彬，金星，盛立.信息智能管理系统在农业上的应用——以合庆火龙果科技示范园为例[J].上海农村经济，2020（10）：37-38.

[5] 卢义珮.水肥协同智能管理技术在设施农业上的应用[J].现代农业科技，2018（6）：165，167.

DOI：10.20028/j.zhnydk.2024.20.003

作者简介：李轶骥（1983-），男，硕士，高级农艺师。研究方向为通信网络、智慧农业。