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植物大战僵尸无尽番茄(AI+番茄:你所无法想象的智慧农业 | 专题)

作者:6wyx.com 来源:互联网 时间:2023-11-15

植物大战僵尸无尽番茄(AI+番茄:你所无法想象的智慧农业 | 专题)

AI+番茄:你所无法想象的伶俐农业 | 专题

找回童年的番茄味道 | 图源:pixabay.com

撰文 | 黎骋

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“天下第一大蔬菜作物” 居然是番茄?

这个16世纪初被西班牙殖民者带出安第斯山地带、无人问津的小野果,历经世纪辗转,如今在全天下莳植面积约500万公顷,年总产值约1000亿美元,以其上万个品种,以及低热量、富含抗氧化番茄红素和多种矿物质、维生素等上风,降服了天下各国的消耗者,成为蔬菜作物的 “天选之子”。

中国事天下上番茄莳植面积最大(莳植面积有1600万亩)、产量最多的国度,年产量约5500万吨,占举国蔬菜总产量的7%支配。但是怎样让番茄变得更高品格、更高产量、更具养分代价,仍旧是举世最顶尖的农业科研职员寻求不渝的目标。

在2022年4月25日刚刚完毕的第二届 “多多农研科技大赛” 上,人们惊喜地发觉,一支多国青年构成的 “番茄快长” 团队以远超传统莳植的产量和品格摘得冠军。他们接纳 “人机交融智能” 的算法,让番茄的生长变成了一场生动的战略游戏,赛事完毕时樱桃番茄的单位面积产量为11.3千克/平米,预期正常生长周期完毕时这一数字接近30千克/平米,可以比肩天下抢先的荷兰温室同期莳植小番茄的巅峰产量。

这次大赛由拼多多、中国农业大学、浙江大学团结主理,取得了团结国粮食及农业构造和荷兰瓦赫宁根大学及研讨中央武艺引导,来自举世最顶尖的农业科研团队在比赛中使用跨学科的莳植武艺、AI算法,依照可持续的莳植实践,莳植出统筹高品格和高产量的农作物,让人们对伶俐农业的将来充溢了无尽的想象空间。

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与植物对话:人机交融智能种菜

图1 位于云南昆明的 “多多农研科技大赛” 赛事基地 | 拍照:彭来

在海拔约2000米的云南省昆明市赛事基地,四个面积为96平方米的玻璃温室大棚一字排开,种番茄的农研科技大赛的擂台就设在这里。

大赛为进入决赛的团队各提供一个独立温室及对应的情况控制使用接口。从客岁10月开头,四个团队分散在北京、上海、浙江、荷兰等地,经过软件长程控制位于昆明大赛基地的智能温室,团结养分学、盘算机视觉和深度学习等精准农业武艺莳植番茄。

在186天的比赛时期,无论是 “数字番茄伶俐管控云平台”、“CO2加富武艺”,照旧 “病害办理体系”,以及对番茄生长形态的主动识别体系,都让人连连慨叹:我们对伶俐农业的认知,几多有些 “不知有汉,无论魏晋”了。

云南昆明地区温室多为单栋塑料大棚,传统的莳植办法莳植武艺落伍,对劳作力需求大。而在本次比赛中构建了伶俐大棚,基本硬件寻常包含莳植槽、椰糠条、岩棉基质块等,与平凡的土壤不同,番茄莳植基质理化功能安定,不易分析、腐朽或变性,具有较好的保水性和透气性,本钱低、质量轻,还支持可控制调治,是精准莳植的最佳伙伴。别的,由于日光温室大概塑料大棚所使用的的掩盖办法都市大幅变小抵达温室内里的紫外线,影响蔬菜的生长发育,而伶俐大棚则经过加热体系和LED补光灯调控室内的温度和紫外线,以此促进植株生长和果实生长发育。

硬件之外,武艺中心是软件:情况控制使用。为了种好一颗樱桃番茄,选手们把传感器、光谱、算法模子都用上了,乃至还可以长程调治温室内的水肥、光照、二氧化碳等生长情况要素,“人在家中坐,番茄棚里长”,完成无人莳植,将来感十足。

以往樱桃番茄生长形态识别和识别完全依托莳植者履历,基于机器视觉的樱桃番茄生长形态识别体系可以好效协助处理此类成绩。

中国农业大学牵头的 “智茄” 团队创建了能与植物 “对话” 的 “数字番茄伶俐管控云平台”,该平台创建了包含净光合速率模子、蒸腾速率模子在内的番茄植株生长情况模子,引入情况与植株信息交互影响干系参数。当情况及时监测数据超出阈值范围时,体系平台会给利用职员发送短信提示,构成闭环智能控制。

番茄需水量较大,不同生长时期和生长形态浇灌战略也不同。“智茄”团队经过机器视觉和传感器武艺及时识别樱桃番茄的叶片、花朵和果实等生理信息,并对情况光照情况和温湿度等举行及时监测,然后经过番茄的叶面积和及时的光合好效辐射盘算出番茄的蒸腾速率,进而得出番茄的需水量,以此完成长程调停水肥浇灌量和浇灌频率。

图2 “智茄” 队研发的数字番茄伶俐管控云平台

由北京极星农业牵头,中国农业大学、东南农林科技大学、荷兰瓦赫宁根大学研讨职员构成的 “番茄快长” 团队,所接纳的环控体系包含了温度、湿度、光照,透风、幕布和二氧化碳等番茄生长历程中所需的全部情况参数。在浇灌方面,他们主要基于光照累积量举行调治:当光照量累积到一定数值时启动一次浇灌组举行浇灌。但是同时他们也自行安装了基质湿度和EC传感器用于监测根系含水量,一旦发觉基质含水量过低但是尚未触发基于光照累积量的浇灌,便经过给水肥体系发射一次增补浇灌指令。

看似简便的开窗透风,但是必要同时思索浩繁要素,包含时间、风向/风速、对否下雨、对否极度天气等,还要思索表里温差、光照、湿度等对开窗速率、轻重和朝向的影响。很难想象在稀有的平凡温室大棚怎样应对这么多要素影响。

“番茄快长” 团队经过开窗、风机循环、高压喷雾安装等多种办端正番茄一直可以坚持在相宜的生长温度。团队乃至针对背风面温和风面设置了不同的开窗战略,好比背风面的开窗战略愈加保守,以防多量冷氛围刹时进入温室形成温度骤降、引发严峻的植物生理反响。

别的,得当提高生长情况的相对湿度,可以明显增长番茄叶面积,但是,湿度太高相反会招致一系列成绩,凝结水会转达病毒病和细菌病,高湿度会触发真菌性病害的孢子的萌发条件。因此,团队针对不同湿度、不同温度来及时触发喷雾器或窗户的开启关闭,准确到每一度和白天夜晚。而这统统,基本上都是长程控制的。

云云精准的生长控制,彻底分别了传统农业 “靠天用饭” 的困境。

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伶俐大棚眷注可持续提高

图3 第二届 “多多农研科技大赛” 决赛队员 | 拍照:彭来

上世纪60年代出书的《寂静的春天》为人类敲响了警钟,过分依托化学农药防治作物病虫害,会造后果实农药残留、病原菌抗药性增长和情况沾染等多量难以修复的成绩。而伶俐大棚的上风不止在于智能,更眷注情况友好、人类友好,可以从源头上最大限制处理蔬果农药残留成绩。

进入决赛的四个团队都提供了不同的病虫害防控思绪。浙江大学青年学者构成的 “喜柿” 团队以为在实践农业莳植中,准确识别病害典范是紧张环节,他们计划并完成了番茄病害分类、病害定位算法,在早疫病、**病等八种病害识别上到达了98%的准确率,进而协助提供相应防治战略。

来自江苏大学、北京市农技推行站、北京工商大学、韩国全州大学等科研机构和院校、具有多元化科研背景的 “农圣大脑” 团队,经过选择优质康健种苗从源头根绝番茄根腐病、繁茂病、炭疽病等土传病害的产生。在番茄消费历程中重点防治气传病害、基质传病害和虫害,在吐花前将病虫害控制在极低水平,以变小花期病虫害的产生,制止在花期用药,以免伤花。在显现病虫害时,接纳黄色粘虫板诱杀蚜虫、粉虱,蓝色粘虫板诱杀蓟马,绿色无沾染,并且本钱较低。

而番茄莳植中稀有的真菌性病害如**病、叶霉病、黑叶霉病、灰霉病等,其孢子侵染期、埋伏期人类肉眼无法识别,等作物有分明抱病症状时,真菌以前处于发作期,产生了十分多的新孢子,这个时分时才去到场的话,丧失较大,本钱也较高。

“番茄快长” 团队经过自行研发由多个机器学习模子所组合而成的病害办理体系,猜测稀有的影响真菌性病害的风险,准确率达89%。在孢子侵染作物阶段,病害办理体系就可以将病害产生的风险猜测出来,事先干涉,如接纳精准防备性喷洒药物、改动环控办法等伎俩,最大限制地低落病害产生风险,可以好效变小农药斲丧,同时也保护了情况。终极,该团队消费的番茄也没有检测出任何农药残留。

“智茄” 团队则使用机器视觉的识别办法来主动识别番茄病害,识别分析后的后果传送给病害专家体系举行决定,假如的确为病害叶片,将发射报警信息并给出相应的专家处理方案。

在莳植历程中,各团队还富裕思索了其他方面的本钱和情况成绩,使用种种精密化伎俩来节流动力。比如 “喜柿” 团队用改良的沸石分子筛,在较低浓度范围对CO2有更强的吸附才能和较缓的解离才能,在促进光互助用提高的同时,好效制止了直接施用CO2而植物使用仅限而招致的二次排放成绩。他们还开发射了基于沸石分子筛的实用于玻璃温室、塑料大棚的轻简化CO2加富安装,简便高效,质料可再生反复使用,是推进低碳农业提高的新朝向。

在光照不敷的时分得当增补光照,可以明显提升番茄产量。但思索到补光灯的能耗较高,“番茄快长” 团队接纳了双层补光战略,作物模子依据二氧化碳、外界光照和温度情况推断植物的光合听从,以此推断对否开灯。因此,“番茄快长” 团队在冬天的消费本钱仅为15.3元/千克,而据行业履历估测,同季候行业均匀植串收小番茄每公斤消费本钱在20元支配。

为了在到达预期莳植后果的基本上最大化提高经济运转效益,“智茄”团队综合分析番茄植株生长模子、情况猜测模子和本钱模子,结算盘算后果调停温室情况参数和运转本钱。“喜柿” 团队在这个方面勇争第一,订定了准确的资源斲丧办理战略,经过构建精准的番茄需求模子,完成了按需需求,在用水量、用肥量、用电量、人工、植保、种苗等一切物料资源斲丧方面都处于抢先位置,在能耗控制中体现最佳。

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找回童年的番茄味道

几多人念兹在兹童年的 “洋柿子”,掰开,粉粉的沙瓤,咬一口,浓厚的番茄味儿直冲脑门儿,假如切块儿拌着白糖吃,是要把盘子底剩的汤儿都舔干净的。如今的番茄,个个红彤彤圆滔滔硬邦邦,标致无比,却味道寡淡。人们对古代农业的印象屡屡是,消费才能越来越强,产量越来越高,风味却被捐躯了,再也找不回童年的味道。

作为举世紧张的办法蔬菜作物,番茄的产量逐年趋于饱和,人们越来越寻求其口感品格及养分代价,古代农业积极的朝向也在随之产生改动。

图4 樱桃番茄 | Photo by Markus Spiske on Unsplash

番茄的口感优劣由含糖量和糖酸比直观体现,糖酸比即可溶性糖和天然酸(苹果酸/柠檬酸)的比例。糖酸比越高,番茄吃起来以为越甜,反之则越酸。

市场上着名的樱桃番茄品种,如 “枝纯” 的可溶性糖含量为8.5%,“夏季阳光” 则为9.3%,颠末对番茄生长的精密控制,“番茄快长”团队的樱桃番茄均匀可溶性糖的含量为9.75%,并且在整个莳植时期糖度动摇幅度很小,品格安定。他们的樱桃番茄综合糖酸比为13.3,超出平凡番茄的糖酸比(6-10),乃至接近朱颜草莓的糖酸比(13.9)。维生素 C、番茄红素、氨基酸等也有十分不错的含量,此中维生素C的含量为35.1毫克/100克,远超平凡番茄的维生素C含量。

而在风味和养分上更胜一筹的 “喜柿” 团队发觉,早上补光可经过提高酶活增长葡萄糖、蔗糖和果糖等可溶性物质含量,于是为应比力赛中冬天光照强度低、时间短的成绩,团队团结算法订定了精密的补光调控方案。同时,在不同的水肥配方影响樱桃番茄综合养分品格的前一阶段研讨基本上,团结比赛现场水样分析后果,确定了现场情况下到达番茄最佳的养分品格在各个时期所需的水肥配方,接纳 “三段式” 办理的浇灌模子,并使用了植物磺肽素(PSK)、鱼卵白、海藻糖、植物益生源(油菜素内酯,BR)等最新研制后果,最大限制地提升了番茄果实的养分品格和口感代价。他们所莳植的樱桃番茄,整个莳植周期可溶性固形物的均匀值达 9.8%,相较于市售传统莳植番茄,其维生素含量增长 80.8%,氨基酸含量增长 72.5%,番茄红素增长114%。

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90后新农人的宽广天地

这次 “多多农研科技大赛” 入围决赛的4支团队,90后、95后成员占比约80%,年轻一代的农业科技事情者以前成为大赛的主力军,这给评委留下了深入印象。

“喜柿” 团队的朱常安是浙江大学农业与武艺学院在读的博士二年级学生,从事办法园艺作物生长发育调控的干系研讨。他从小生长在乡村,见惯了大人们用本人的双手在黄土里讨生存,高强度的劳作换来的只是委曲温饱的生存,这深深刺痛了他的心。

在浙江大学,朱常安碰到了很多志趣相投的伙伴,他们有的从野生番茄基因组中发掘功效基因改良现有番茄品种,有的研讨新型办法园艺二氧化碳加富装备,有的开发检测植物本体胁迫形态的新型传感器,有的使勤奋效性物质提高番茄果实养分和风味品格。这群各本身怀特技的年轻人在得知第二届多多农研科技大赛即将开头后,立刻构成了一支团队参赛,同时约请了人工智能算法和农业物联网范畴的一些伙伴到场了团队。

图5 冠步队“番茄快长” 队长徐丹(右二)与队员们 | 拍照:彭来

毕业于天下农业顶级院校荷兰瓦赫宁根大学的徐丹,在荷兰最大的一家番茄莳植企业种了两年多番茄。大型温室、井井有条的消费、种种情况、水肥等主动化控制体系,以及主动化物流分拣等等,都让他大开眼界,他深入熟悉到:“原本我们和兴旺国度的差距这么大!”

2015年,徐丹返国,将荷兰大型温室的消费武艺在国内告捷落地,他渴望让更多的年轻人到场到古代农业的步队中来。但是严酷而实际的成绩是:怎样快速培养新的莳植者?怎样快速顺应中国不同地区不同作物的生长必要?“多多农研大赛是一个大胆的实验,让我有幸可以和作物模子专家、数据封建家一同,协同探究怎样使用人工智能,让莳植者可以高效地办理一个温室,可以更快速地把握武艺,可以超过空间和时间的限定办理更多的园区。”在为期6个月的比赛中,徐丹地点的 “番茄快长” 团队的人机交融算法协助他们在几乎完全长程的情况下完成了挑唆。

图6 “番茄快长” 团队提高的人机交融算法

“智茄” 团队由中国农业大学的副传授赵然牵头,团队10一局部中有八位是在读博士或硕士。从初见温室到比赛完毕,他们在封建家、工人、步骤员之间不休变动人物,作为一个 “学生队”,莳植履历较少,但经过团队的积极和共同,他们仍旧取得了好效产量第二名的好成果。

当品味到了交融了科技的番茄时,赵然以为统统都那么值得。赵然也发觉,进入决赛的步队都非终年轻,他以为这转达了积极的信号:越来越多的年轻人乐意从事农业,中国的农业古代化离不开实际知识踏实、实践履历丰厚的年轻人。

“农圣大脑” 队的祝清震正是赵然所形貌的这类年轻人。他一度怀疑于“本人将来毕竟要成为一个什么样的人”,在深入了解我国农业武艺和装备提高落伍现状后,决然分开了一家汽车计划研发企业,转身投入农业科技范畴。生善于乡村的祝清震渴望经过本人的积极,助推中国农业机器化、古代化。2019年取得博士学位后,他到场江苏大学从事精准农业干系的教学和科研事情。

“怎样用前沿科技赋能传统农业产业?” 是一个一直在祝清震心头萦绕的成绩,直到听闻第二届多多农研科技大赛的命题是“使用多元化人工智无能系武艺,用绿色可持续的办法挑唆种出高品格、高产量的番茄,并且验证商业化可行性”,如同迷雾中的灯塔,一下子点亮了祝清震,“这正是我们想要探究和深耕的范畴,我们组建了包含了3名博士和6名硕士的农圣大脑团队报名参赛,每位队员都具有丰厚的农业科技履历。”

这次比赛验证了他们所提出的番茄伶俐化莳植形式的可行性,同时,祝清震也方案将本次比赛的履历作为一次思政教导课向学生举行分享,吸引更多年轻人进入农业,勉励他们将本人的科研后果写在广袤的农业大地上。

“将人工智能引入农业消费可以明显低落消费本钱,束缚劳作力,增长产能,提高农产物质量的安定性和一致性。” 大赛评委、浙江大学生物体系工程与食品封建学院院长何勇一定道,“互联网武艺找到农业这个打破口是值得我们欣喜的。作为毗连农业封建家、数字武艺专家与农户的桥梁,多多农研科技大赛这一农研人的顶级赛事促进了武艺开发者与武艺使用者的互相了解,好效提升了新武艺的使用比率。”

“我们正使用我们所学的武艺改动农业。大数据和人工智能正在推翻这个传统行业,‘脸朝黄土背朝天’ 的消费办法将不复存在,将来只需一两一局部即可办理一个蔬菜消费园区。” 朱常安说。颠末 6 个月的练习和迭代,他们的体系以前拥有十分不错的准确度和体现。

大赛的冠军团队 “番茄快长” 在最初总结中说,他们将把大赛中使用的专家现金作物办理战略和 AI 算法沉淀为一套潜伏的处理方案——人机交融莳植处理方案,“我们下一步会在北京和其他几个互助基地举行进一步可行性实验,不休优化,渴望在不久的将来可以推利用用到举国,让不同地区不同办法典范的不同莳植户都能获益。” 队长徐丹乃至想好了三阶段的商业化推行方案,对将来决计满怀。

农业信息化专家、中国工程院院士,同时也是此次大赛评审组组长赵春江在听完几只团队代表的先容后,感遭到年轻出息的一代人对农业上充溢了热情和投入,对中国农业科技的提高愈加充溢决计,他总结道,中国作为农业消费和消耗大国,农业的提高离不开科技的赋能。“伶俐农业为代表的消费办法,可以让消费愈加高产、愈加伶俐,让农夫有更多收入,让消耗者吃到更有养分的农产物”,“列位精良青年封建家可以将遗址提高放在农业这个宽广的天地中,这里会让你们大有作为”。

制版编纂 | 姜丝鸭

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