呂新，苑嚴(yán)偉，馬富裕，王海江，張澤，高攀，張強(qiáng)，趙博，周利明，侯彤瑜

（1.石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003；2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083）

棉花是我國重要的物資和戰(zhàn)略資源，也是我國最重要的經(jīng)濟(jì)作物。新疆是棉花主產(chǎn)區(qū)，2021 年棉花播種面積占全國的82.76%，皮棉產(chǎn)量占全國的89.5%[1]?？梢?，新疆棉花生產(chǎn)在我國棉花生產(chǎn)安全、棉紡工業(yè)需求、棉農(nóng)增收、精準(zhǔn)扶貧等方面具有重要作用，肩負(fù)著維護(hù)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會長治久安的重任，戰(zhàn)略地位十分重要。當(dāng)前，新疆棉花生產(chǎn)管理存在農(nóng)情信息監(jiān)測不精確、生產(chǎn)管理決策不科學(xué)、生產(chǎn)控制不精準(zhǔn)等問題，成為新疆棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阻力。因此，精準(zhǔn)智慧管理技術(shù)的研究與應(yīng)用是實現(xiàn)新疆棉花可持續(xù)高效發(fā)展的重要途徑。筆者團(tuán)隊針對棉花生產(chǎn)面臨的重大需求和科技難題，開展了多年多學(xué)科、多部門協(xié)同攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新，以種、管、收過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)為主線，創(chuàng)新性研發(fā)了播種、施肥管理、病蟲害管理及采收關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)監(jiān)控技術(shù)及裝備，現(xiàn)結(jié)合近年來的相關(guān)研究成果和進(jìn)展總結(jié)如下。

1 新疆滴灌棉田全程精準(zhǔn)管理技術(shù)及裝備

1.1 精準(zhǔn)播種作業(yè)質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

針對棉花精量播種作業(yè)中種箱排空或種管阻塞導(dǎo)致漏播而造成棉田減產(chǎn)的技術(shù)難題，研制了電容籽粒傳感器[2]，結(jié)合壓力傳感器實時監(jiān)測種箱內(nèi)種子質(zhì)量變化，監(jiān)測種管的下種情況，對漏播進(jìn)行識別報警，及時通知駕駛員對漏播進(jìn)行處理，從而構(gòu)建了播種作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[3]。電容傳感器在高塵環(huán)境下可連續(xù)工作7 h，零點(diǎn)漂移比例僅為0.39%，解決了光電傳感器易受灰塵影響而導(dǎo)致監(jiān)測精度下降的難題。該產(chǎn)品可直接安裝在精量播種機(jī)上，具有拆裝方便、重復(fù)利用的特點(diǎn)。

1.2 精量播種機(jī)播量與株距精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)

針對現(xiàn)有精量播種機(jī)手動調(diào)節(jié)株距費(fèi)時費(fèi)力、易造成播種密度不均而無法保障苗齊苗壯等問題，采取以歷年產(chǎn)量為基準(zhǔn)、區(qū)域土壤養(yǎng)分校準(zhǔn)的方法，建立了基于土壤養(yǎng)分和棉花產(chǎn)量加權(quán)組合分析的精準(zhǔn)播種預(yù)測模型，構(gòu)建了精準(zhǔn)播種決策系統(tǒng)；研發(fā)了多源信息反饋的伺服電機(jī)智能控制技術(shù)，通過實時監(jiān)測播種粒數(shù)、機(jī)具速度等參數(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控播量、株距，以適應(yīng)不同品種、土壤肥力和農(nóng)藝措施對播種的差異化要求[4]。通過裝置的優(yōu)化改進(jìn)、決策系統(tǒng)的指導(dǎo)以及控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對播種量的精確控制，創(chuàng)新了農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合模式。

2 滴灌棉田水肥精準(zhǔn)管理技術(shù)及裝備

2.1 基肥精細(xì)管理新技術(shù)

在條田、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣域尺度上，構(gòu)建了不同尺度棉田土壤肥力評價指標(biāo)，創(chuàng)新性地提出了大尺度棉田土壤肥力評價指標(biāo)[5]；采用加權(quán)空間模糊動態(tài)評價方法，創(chuàng)建了縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級和條田級棉田土壤肥力多指標(biāo)綜合評價模型[6-7]，實現(xiàn)了不同空間尺度土壤肥力的快速、精確評價。通過基肥推薦模型和定點(diǎn)養(yǎng)分信息，確定棉田基肥推薦施用量[8]，利用地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）技術(shù)將離散的點(diǎn)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的面域施肥處方圖[9-10]，結(jié)合配套設(shè)備的研制[11-12]構(gòu)建了“土壤養(yǎng)分監(jiān)測→施肥決策→施肥處方圖→精量控制”的基肥精細(xì)管理技術(shù)體系[13]（圖1）。

圖1 基肥精細(xì)管理技術(shù)體系

2.2 滴灌棉田水分養(yǎng)分同步監(jiān)測診斷技術(shù)

針對滴灌棉田水肥施用不合理，傳統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)成本高，水肥信息獲取滯后，定量診斷與決策缺乏時效性和科學(xué)性等問題，闡明了滴灌條件下水分、養(yǎng)分供給與棉花生長、產(chǎn)量形成、水肥利用效率的響應(yīng)機(jī)理，依據(jù)滴灌棉花根系分布與水分運(yùn)移規(guī)律，發(fā)明了“3 點(diǎn)1 站單區(qū)監(jiān)測”（1 個墑情監(jiān)測站包括3 個傳感器，點(diǎn)位設(shè)置在距滴灌帶水平距離10 cm、30 cm 深度土層，以3 點(diǎn)平均值代表整個系統(tǒng)的墑情狀態(tài)）墑情監(jiān)測方法（圖2）。揭示了作物氮素營養(yǎng)多尺度光譜響應(yīng)機(jī)理和耦合關(guān)系[14-16]，提出了滴灌棉花關(guān)鍵生育時期氮素營養(yǎng)光譜診斷臨界值[17]，創(chuàng)立了滴灌棉田傳感器微域布點(diǎn)與衛(wèi)星影像大尺度反演相結(jié)合的土壤水肥監(jiān)測新技術(shù)，實現(xiàn)了棉田水分、養(yǎng)分的同步大面積精準(zhǔn)監(jiān)測[18]。

圖2 “3 點(diǎn)1 站單區(qū)監(jiān)測”技術(shù)

首次構(gòu)建了滴灌棉花臨界氮濃度稀釋模型[19]，確定了不同生育時期的氮素投入閾值，構(gòu)建了基于歸一化植被指數(shù) （normalized differential vegetation index,NDVI）的全生育期定量施肥決策模型[20]；提出了以棉花不同生長階段的累積熱量、葉面積指數(shù)等為主要輸入?yún)?shù)的反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建棉田蒸散量預(yù)測模型、棉花生育時期需水診斷模型和棉花灌水量決策模型，優(yōu)化了新疆滴灌棉花水肥一體化高效灌溉制度[21]；研發(fā)了“棉花水分養(yǎng)分監(jiān)測與診斷→水肥決策→處方制定→精量配肥施肥”的滴灌棉田精準(zhǔn)追肥系統(tǒng)[13]（圖3，見封三彩版）。

2.3 棉田精準(zhǔn)定量配肥施肥與精準(zhǔn)灌溉技術(shù)裝備

針對目前滴灌追肥定時定量可控性差、配肥精度低、施肥均勻度差、肥料溶解度低易造成支管堵塞的技術(shù)難題，創(chuàng)新性研發(fā)了滴灌定量配肥施肥裝置[11]（圖3，見封三彩版），實現(xiàn)了作物根、水、肥空間同位、時間同步的高效水肥施入，攻克了滴灌棉田追肥均勻度低、肥效差、缺少精量控制技術(shù)的難題。該技術(shù)替代了傳統(tǒng)滴灌施肥方法。該系統(tǒng)配肥精度為98%，比壓差式注肥的均勻度提高30%～35%。

針對滴灌用水前處理工藝復(fù)雜、成本高、易堵塞，自動灌溉閥門工作狀態(tài)反饋錯誤率高的問題，研發(fā)了低能耗、不間斷連續(xù)過濾、高抗堵塞的無壓自滲透過濾的泵前過濾器，最大容雜能力達(dá)到150 g·L－1，大幅度降低泵后過濾負(fù)荷；采用濾網(wǎng)內(nèi)表面高壓輔助結(jié)合表面負(fù)壓同心吸吮式反沖洗技術(shù)，研制了高性能、強(qiáng)自清洗的泵后過濾器[11-12]（圖4），最高容雜能力是國際同類產(chǎn)品的4 倍以上。采取泵前泵后雙級過濾，使地表水的過濾處理成本大幅度降低，并能避免堵塞，保障滴灌系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖4 過濾器

研制了低能耗閥門反饋控制的灌溉自動控制系統(tǒng)[22]。該系統(tǒng)可感應(yīng)的最低閥門入水口壓力為0.015 MPa，明顯提高了電磁閥工作狀態(tài)信息反饋的準(zhǔn)確性，使閥門狀態(tài)監(jiān)測錯誤率大幅下降，實現(xiàn)了田間灌溉系統(tǒng)精確管控，極大地提高了灌溉效率。

2.4 滴灌棉田水肥一體化精準(zhǔn)/ 智能管理控制平臺

依據(jù)土壤理化特性和棉花不同生育階段的水、肥需求特征，構(gòu)建了棉花全生育期水肥一體化管理知識庫與模型庫，集成傳感器實時監(jiān)測、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band internet of things,NB-loT）傳輸、大數(shù)據(jù)分析、水肥精控等多項技術(shù)，搭建了滴灌棉田水肥一體化精準(zhǔn)管理云服務(wù)平臺[13]（圖5），實現(xiàn)了“首部過濾精細(xì)化、灌溉用能低耗化、水肥決策智能化、水肥控制精準(zhǔn)化”，大幅降低了生產(chǎn)成本。

圖5 滴灌棉田水肥一體化精準(zhǔn)管理云服務(wù)平臺

3 滴灌棉田病蟲害精準(zhǔn)測報系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

3.1 棉蚜發(fā)生量實時監(jiān)測與危害預(yù)警技術(shù)及平臺

針對棉蚜圖像背景復(fù)雜、棉葉卷曲或棉蚜堆積粘連等為棉蚜精確識別計數(shù)帶來困難的問題，研發(fā)了一種棉田復(fù)雜背景下的手持式可調(diào)控棉蚜拍攝裝置[23]。該裝置通過構(gòu)建自適應(yīng)結(jié)構(gòu)元素，對復(fù)雜背景下的棉蚜圖像進(jìn)行彩色分割，實現(xiàn)對目標(biāo)的自動分割和定位。研發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)的棉蚜圖像特征表達(dá)和識別計數(shù)方法，建立了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，顯著提升了復(fù)雜背景下的棉蚜識別能力，平均計數(shù)精度達(dá)到86.47%[24]。研發(fā)基于智能移動終端的棉蚜精準(zhǔn)監(jiān)測與預(yù)警管理系統(tǒng)[25]（圖6，見封三彩版），集成了“棉蚜圖片采集→精確識別計數(shù)→危害預(yù)警（定位預(yù)測）→定點(diǎn)施藥決策（決策指導(dǎo)）”的棉蚜精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)體系。

3.2 大田棉花黃萎病實時監(jiān)測技術(shù)與診斷平臺

針對監(jiān)控視頻中圖像幀信息復(fù)雜和冗余性高的問題，提出了基于復(fù)雜背景下棉花病害關(guān)鍵幀圖像葉片分割模型。研發(fā)了“形態(tài)學(xué)處理→彩色分割→邊緣檢測→輪廓搜索”的黃萎病識別技術(shù)，實現(xiàn)了棉花葉片病區(qū)精準(zhǔn)提?。粯?gòu)建了基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的棉花黃萎病識別診斷模型，建立了圖像特征提取、層次結(jié)構(gòu)化和圖像分類相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)模型，對圖像大小改變、特征位置、旋轉(zhuǎn)角度具有較好的魯棒性，病害診斷精度平均達(dá)到95.36%[26]。研發(fā)了棉花黃萎病實時識別診斷系統(tǒng)，集成了 “視頻采集→關(guān)鍵幀提取→棉花葉片分割→病害實時診斷”的棉花黃萎病實時監(jiān)測與診斷平臺[27]（圖7，見封三彩版）。

3.3 棉花病蟲害精準(zhǔn)防控技術(shù)裝備

針對目前棉花精準(zhǔn)施藥處方依據(jù)不科學(xué)、施藥位置定不準(zhǔn)、藥量控制不精確的關(guān)鍵問題，構(gòu)建了基于蟲口密度分布特征、病害程度和植株位置的精準(zhǔn)施藥處方模型，利用GIS 技術(shù)構(gòu)建施藥處方圖，形成了棉花病蟲害精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)[28]；基于精量噴藥、機(jī)械位置與作業(yè)速度的高度匹配，創(chuàng)建基于車速、流量、壓力及藥量等信息融合的噴藥自動精準(zhǔn)控制技術(shù)；研制了自走式高地隙精準(zhǔn)施藥控制系統(tǒng)，創(chuàng)建了“病蟲監(jiān)測→預(yù)警決策→施藥處方→精量噴藥”的棉花病蟲害精準(zhǔn)防控技術(shù)（圖8，見封三彩版），從而可實現(xiàn)依據(jù)處方的棉花病蟲害精準(zhǔn)防控作業(yè)。

4 滴灌棉花精準(zhǔn)收獲技術(shù)體系構(gòu)建與應(yīng)用

4.1 車載棉花質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

采用電容陣列檢測與差分信號處理技術(shù)，研發(fā)了車載差分型電容陣列質(zhì)量流量傳感器，并結(jié)合含水率傳感器構(gòu)建了基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network,CAN）總線的籽棉產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)[29]。該系統(tǒng)通過電容陣列信號響應(yīng)與籽棉質(zhì)量流量、籽棉含水率關(guān)系模型[30-33]，可實現(xiàn)籽棉產(chǎn)量在線精確獲取，提高了獲取不同含水率籽棉產(chǎn)量信息的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了基于空間位置的籽棉產(chǎn)量在線測定，同時生成的產(chǎn)量分布圖能為來年施肥、灌溉決策提供重要可靠依據(jù)。

4.2 采棉機(jī)棉箱火情監(jiān)測系統(tǒng)

研發(fā)了基于一氧化氮NO、一氧化碳CO 等多氣體傳感的棉箱火情監(jiān)測系統(tǒng)[34]，通過實時檢測棉箱內(nèi)NO 和CO 氣體含量獲取棉花陰燃信息，提前通知駕駛員對陰燃火情進(jìn)行處理，避免火災(zāi)發(fā)生。該系統(tǒng)攻克了棉箱火情預(yù)判精度不高且無法連續(xù)監(jiān)測的難題，同時具有低功耗、低成本、高穩(wěn)定性、長壽命及受溫濕度影響小等特點(diǎn)，適合在采棉機(jī)作業(yè)過程中使用。

4.3 棉花機(jī)械作業(yè)工況智能監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制云管理平臺

針對傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)管理平臺監(jiān)控參數(shù)單一、缺少故障診斷預(yù)警及區(qū)域調(diào)度困難等問題，開發(fā)了采棉機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制云管理平臺[35]。該平臺可實現(xiàn)對采棉機(jī)采摘頭、風(fēng)機(jī)、輸棉管風(fēng)速風(fēng)場、棉箱、動力傳動扭矩、發(fā)動機(jī)等核心部件的16 項工況參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。還研發(fā)了基于核心部件工作參數(shù)融合的故障診斷和預(yù)警技術(shù)，實現(xiàn)采棉機(jī)行走速度、采摘頭高度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的自適應(yīng)控制[36]。同時，根據(jù)車輛的運(yùn)行狀況及作業(yè)情況，對車輛進(jìn)行區(qū)域調(diào)度管理，提高車輛作業(yè)效率，率先邁入“互聯(lián)網(wǎng)＋農(nóng)機(jī)管理”的時代。

5 棉花農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)及管理平臺

針對規(guī)?；藁ㄉa(chǎn)管理與產(chǎn)品經(jīng)營中信息采集手段落后、數(shù)據(jù)融合與共享程度不高、數(shù)據(jù)價值分析挖掘力度不足等難題，研發(fā)了農(nóng)業(yè)資源大數(shù)據(jù)、棉花生產(chǎn)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)遙感大數(shù)據(jù)、農(nóng)機(jī)作業(yè)大數(shù)據(jù)和棉花產(chǎn)品市場大數(shù)據(jù)的獲取、分析挖掘與決策管理等關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)，集成構(gòu)建了新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花生產(chǎn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺[37]，實現(xiàn)了棉花生產(chǎn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)綜合管理和共享，農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測，農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控與運(yùn)行維護(hù)，種業(yè)生產(chǎn)管理，水、肥、藥智能決策，產(chǎn)品質(zhì)量追溯，以及市場預(yù)警預(yù)測等服務(wù)。

6 總結(jié)與展望

智慧農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展轉(zhuǎn)型的必由之路。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，智慧化生產(chǎn)已經(jīng)成為不可逆的趨勢，未來棉花生產(chǎn)智慧管理發(fā)展將更加緊密地圍繞空天地一體化、大數(shù)據(jù)綜合管理、快速監(jiān)測裝備等方面，加快信息技術(shù)的支持和應(yīng)用。主要發(fā)展方向包括：（1）空天地一體化監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用。充分利用無人機(jī)與高光譜遙感等技術(shù)，構(gòu)建空天地一體化監(jiān)測技術(shù)，對作物生長信息（長勢、養(yǎng)分、病蟲害等）進(jìn)行監(jiān)測，提高農(nóng)情信息的監(jiān)測精度和擴(kuò)大監(jiān)測范圍。（2）快速監(jiān)測設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用。充分利用高光譜遙感作物生長信息監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合智能農(nóng)業(yè)裝備，研發(fā)新型高光譜快速監(jiān)測裝備（水肥、病蟲害等），進(jìn)一步提高光譜技術(shù)應(yīng)用效果，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。（3）大數(shù)據(jù)技術(shù)及平臺研發(fā)應(yīng)用。借助大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)平臺和云服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)綜合管理云服務(wù)平臺，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中的真正價值，在專業(yè)人員和普通大眾之間建立一座橋梁，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的真正結(jié)合。（4）智能化機(jī)械裝備研發(fā)與應(yīng)用。開展智能化機(jī)械裝備研發(fā)與應(yīng)用，提升智能化機(jī)械核心裝備研發(fā)制造能力，形成完備的大型農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)制造和技術(shù)創(chuàng)新體系，建立完善的農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵零部件供應(yīng)鏈，實現(xiàn)高端機(jī)械國產(chǎn)化。（5）構(gòu)建大規(guī)?，F(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)集成體系。結(jié)合現(xiàn)代光譜及成像技術(shù)，以及遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制技術(shù)，快速獲取農(nóng)田信息，實現(xiàn)棉田精準(zhǔn)智慧生產(chǎn)管理與決策，研發(fā)智慧作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備，構(gòu)建智慧精準(zhǔn)系統(tǒng)與技術(shù)體系，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)集成應(yīng)用和示范。