财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > AI+番茄:你所无法想象的智慧农业

AI+番茄:你所无法想象的智慧农业

找回童年的番茄味道 | 图源:pixabay.com
 

撰文 | 黎骋

“世界第一大蔬菜作物” 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,如今在全世界种植面积约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、维生素等优势,征服了世界各国的消费者,成为蔬菜作物的 “天选之子”。

 

中国是世界上番茄种植面积最大(种植面积有1600万亩)、产量最多的国家,年产量约5500万吨,占全国蔬菜总产量的7%左右。然而如何让番茄变得更高品质、更高产量、更具营养价值,仍然是全球最顶尖的农业科研人员追求不渝的目标。

 

在2022年4月25日刚刚结束的第二届 “多多农研科技大赛” 上,人们惊喜地发现,一支多国青年组成的 “番茄快长” 团队以远超传统种植的产量和品质摘得冠军。他们采用 “人机融合智能” 的算法,让番茄的生长变成了一场生动的策略游戏,赛事结束时樱桃番茄的单位面积产量为11.3千克/平米,预期正常生长周期结束时这一数字接近30千克/平米,可以比肩世界领先的荷兰温室同期种植小番茄的巅峰产量。

 

这次大赛由拼多多、中国农业大学、浙江大学联合主办,得到了联合国粮食及农业组织和荷兰瓦赫宁根大学及研究中心技术指导,来自全球最顶尖的农业科研团队在比赛中利用跨学科的种植技术、AI算法,依照可持续的种植实践,种植出兼顾高品质和高产量的农作物,让人们对智慧农业的未来充满了无尽的想象空间。

 

1、与植物对话:人机融合智能种菜

图1 位于云南昆明的 “多多农研科技大赛” 赛事基地 | 摄影: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环境控制应用接口。从去年10月开始,四个团队分别在北京、上海、浙江、荷兰等地,通过软件远程控制位于昆明大赛基地的智能温室,结合营养学、计算机视觉和深度学习等精准农业技术种植番茄。

 

在186天的比赛期间,无论是 “数字番茄智慧管控云平台”、“CO2加富技术”,还是 “病害管理系统”,以及对番茄生长状态的自动识别系统,都让人连连慨叹:我们对智慧农业的认知,多少有些 “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,传统的种植方式种植技术落后,对劳动力需求大。而在本次比赛中构建了智慧大棚,基础硬件一般包括种植槽、椰糠条、岩棉基质块等,与普通的土壤不同,番茄种植基质理化性能稳定,不易分解、腐烂或变性,具有较好的保水性和透气性,成本低、质量轻,还支持可控制调节,是精准种植的最佳搭档。另外,由于日光温室或者塑料大棚所使用的的覆盖设施都会大幅减少到达温室内部的紫外线,影响蔬菜的生长发育,而智慧大棚则通过加热系统和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,技术核心是软件:环境控制应用。为了种好一颗樱桃番茄,选手们把传感器、光谱、算法模型都用上了,甚至还可以远程调节温室内的水肥、光照、二氧化碳等生长环境要素,“人在家中坐,番茄棚里长”,实现无人种植,未来感十足。

 

以往樱桃番茄生长状态识别和辨认完全依靠种植者经验,基于机器视觉的樱桃番茄生长状态识别系统能够有效帮助解决此类问题。

 

中国农业大学牵头的 “智茄” 团队创建了能与植物 “对话” 的 “数字番茄智慧管控云平台”,该平台建立了包括净光合速率模型、蒸腾速率模型在内的番茄植株生长环境模型,引入环境与植株信息交互影响关系参数。当环境实时监测数据超出阈值范围时,系统平台会给操作人员发送短信提醒,形成闭环智能控制。

 

番茄需水量较大,不同生长时期和生长状态灌溉策略也不同。“智茄”团队通过机器视觉和传感器技术实时识别樱桃番茄的叶片、花朵和果实等生理信息,并对环境光照情况和温湿度等进行实时监测,然后通过番茄的叶面积和实时的光合有效辐射计算出番茄的蒸腾速率,进而得出番茄的需水量,以此实现远程调整水肥灌溉量和灌溉频率。

图2 “智茄” 队研发的数字番茄智慧管控云平台

 

由北京极星农业牵头,中国农业大学、西北农林科技大学、荷兰瓦赫宁根大学研究人员组成的 “番茄快长” 团队,所采用的环控系统包含了温度、湿度、光照,通风、幕布和二氧化碳等番茄生长过程中所需的全部环境参数。在灌溉方面,他们主要基于光照累积量进行调节:当光照量累积到一定数值时启动一次灌溉组进行灌溉。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,一旦发现基质含水量过低但是尚未触发基于光照累积量的灌溉,便通过给水肥系统发出一次补充灌溉指令。

 

看似简单的开窗通风,其实需要同时考虑众多因素,包括时间、风向/风速、是否下雨、是否极端天气等,还要考虑内外温差、光照、湿度等对开窗速度、大小和方向的影响。很难想象在常见的普通温室大棚如何应对这么多因素影响。

 

“番茄快长” 团队通过开窗、风机循环、高压喷雾装置等多种方式令番茄始终能够保持在适宜的生长温度。团队甚至针对逆风面和顺风面设置了不同的开窗策略,比如逆风面的开窗策略更加保守,以防大量冷空气瞬间进入温室造成温度骤降、引发严重的植物生理反应。

 

另外,适当提高生长环境的相对湿度,可以显著增加番茄叶面积,然而,湿度太高同样会导致一系列问题,凝结水会传播病毒病和细菌病,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、不同温度来实时触发喷雾器或窗户的开启关闭,精确到每一度和白天晚上。而这一切,基本上都是远程控制的。

 

如此精准的生长控制,彻底告别了传统农业 “靠天吃饭” 的窘境。

 

2、智慧大棚关注可持续发展
 

图3 第二届 “多多农研科技大赛” 决赛队员 | 摄影:彭来

 

上世纪60年代出版的《寂静的春天》为人类敲响了警钟,过度依赖化学农药防治作物病虫害,会造成果实农药残留、病原菌抗药性增加和环境污染等大量难以修复的问题。而智慧大棚的优势不止在于智能,更关注环境友好、人类友好,可以从源头上最大限度解决蔬果农药残留问题。

 

进入决赛的四个团队都提供了不同的病虫害防控思路。浙江大学青年学者组成的 “喜柿” 团队认为在实际农业种植中,准确识别病害类型是重要环节,他们设计并实现了番茄病害分类、病害定位算法,在早疫病、白粉病等八种病害识别上达到了98%的准确率,进而帮助提供相应防治策略。

 

来自江苏大学、北京市农技推广站、北京工商大学、韩国全州大学等科研机构和院校、具备多元化科研背景的 “农圣大脑” 团队,通过选择优质健康种苗从源头杜绝番茄根腐病、枯萎病、炭疽病等土传病害的发生。在番茄生产过程中重点防治气传病害、基质传病害和虫害,在开花前将病虫害控制在极低水平,以减少花期病虫害的发生,避免在花期用药,以免伤花。在出现病虫害时,采用黄色粘虫板诱杀蚜虫、粉虱,蓝色粘虫板诱杀蓟马,绿色无污染,而且成本较低。

 

而番茄种植中常见的真菌性病害如白粉病、叶霉病、黑叶霉病、灰霉病等,其孢子侵染期、潜伏期人类肉眼无法识别,等作物有明显染病症状时,真菌已经处于爆发期,产生了非常多的新孢子,这个时候时才去介入的话,损失较大,成本也较高。

 

“番茄快长” 团队通过自行研发由多个机器学习模型所组合而成的病害管理系统,预测常见的感染真菌性病害的风险,准确率达89%。在孢子侵染作物阶段,病害管理系统就可以将病害发生的风险预测出来,提前干预,如采取精准预防性喷洒药物、改变环控措施等手段,最大限度地降低病害发生风险,可以有效减少农药消耗,同时也保护了环境。最终,该团队生产的番茄也没有检测出任何农药残留。

 

“智茄” 团队则利用机器视觉的识别方法来自动识别番茄病害,识别分析后的结果传送给病害专家系统进行决策,如果确实为病害叶片,将发出报警信息并给出相应的专家解决方案。

 

在种植过程中,各团队还充分考虑了其他方面的成本和环境问题,使用各种精细化手段来节省能源。例如 “喜柿” 团队用改良的沸石分子筛,在较低浓度范围对CO2有更强的吸附能力和较缓的解离能力,在促进光合作用提高的同时,有效避免了直接施用CO2而植物利用有限而导致的二次排放问题。他们还开发出了基于沸石分子筛的适用于玻璃温室、塑料大棚的轻简化CO2加富装置,简单高效,材料可再生重复使用,是推动低碳农业发展的新方向。

 

在光照不足的时候适当补充光照,可以显著提升番茄产量。但考虑到补光灯的能耗较高,“番茄快长” 团队采用了双层补光策略,作物模型根据二氧化碳、外界光照和温度情况判断植物的光合效率,以此判断是否开灯。因此,“番茄快长” 团队在冬季的生产成本仅为15.3元/千克,而据行业经验估计,同季节行业平均植串收小番茄每公斤生产成本在20元左右。

 

为了在达到预期种植效果的基础上最大化提高经济运行效益,“智茄”团队综合分析番茄植株生长模型、环境预测模型和成本模型,结合计算结果调整温室环境参数和运行成本。“喜柿” 团队在这个方面勇争第一,制定了精确的资源消耗管理策略,通过构建精准的番茄需求模型,实现了按需供给,在用水量、用肥量、用电量、人工、植保、种苗等所有物料资源消耗方面都处于领先地位,在能耗控制中表现最佳。

 

3、找回童年的番茄味道

 

多少人念念不忘童年的 “洋柿子”,掰开,粉粉的沙瓤,咬一口,浓郁的番茄味儿直冲脑门儿,如果切块儿拌着白糖吃,是要把盘子底剩的汤儿都舔干净的。如今的番茄,个个红彤彤圆滚滚硬邦邦,漂亮无比,却味道寡淡。人们对现代农业的印象往往是,生产能力越来越强,产量越来越高,风味却被牺牲了,再也找不回童年的味道。

 

作为全球重要的设施蔬菜作物,番茄的产量逐年趋于饱和,人们越来越追求其口感品质及营养价值,现代农业努力的方向也在随之发生改变。

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

 

番茄的‍口感好坏由含糖量和糖酸比直观体现,糖酸比即可溶性糖和有机酸(苹果酸/柠檬酸)的比例。糖酸比越高,番茄吃起来感觉越甜,反之则越酸。

 

市场上知名的樱桃番茄品种,如 “枝纯” 的可溶性糖含量为8.5%,“夏日阳光” 则为9.3%,经过对番茄生长的精密控制,“番茄快长”团队的樱桃番茄平均可溶性糖的含量为9.75%,而且在整个种植期间糖度波动幅度很小,品质稳定。他们的樱桃番茄综合糖酸比为13.3,超出普通番茄的糖酸比(6-10),甚至接近红颜草莓的糖酸比(13.9)。维生素 C、番茄红素、氨基酸等也有非常不错的含量,其中维生素C的含量为35.1毫克/100克,远超普通番茄的维生素C含量。

 

而在风味和营养上更胜一筹的 “喜柿” 团队发现,早上补光可通过提高酶活增加葡萄糖、蔗糖和果糖等可溶性物质含量,于是为应对比赛中冬季光照强度低、时间短的问题,团队结合算法制定了精细的补光调控方案。同时,在不同的水肥配方影响樱桃番茄综合营养品质的前期研究基础上,结合比赛现场水样分析结果,确定了现场环境下达到番茄最佳的营养品质在各个时期所需的水肥配方,采用 “三段式” 管理的灌溉模型,并应用了植物磺肽素(PSK)、鱼蛋白、海藻糖、植物益生源(油菜素内酯,BR)等最新研制成果,最大限度地提升了番茄果实的营养品质和口感价值。他们所种植的樱桃番茄,整个种植周期可溶性固形物的平均值达 9.8%,相较于市售传统栽培番茄,其维生素含量增加 80.8%,氨基酸含量增加 72.5%,番茄红素增加114%。

 

4、90后新农人的广阔天地

 

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工作者已经成为大赛的主力军,这给评委留下了深刻印象。

 

“喜柿” 团队的朱常安是浙江大学农业与技术学院在读的博士二年级学生,从事设施园艺作物生长发育调控的相关研究。他从小生长在农村,见惯了大人们用自己的双手在黄土里讨生活,高强度的劳动换来的只是勉强温饱的生活,这深深刺痛了他的心。

 

在浙江大学,朱常安遇到了很多志趣相投的朋友,他们有的从野生番茄基因组中挖掘功能基因改良现有番茄品种,有的研究新型设施园艺二氧化碳加富设备,有的开发检测植物本体胁迫状态的新型传感器,有的应用功能性物质提高番茄果实营养和风味品质。这群各自身怀绝技的年轻人在得知第二届多多农研科技大赛即将开始后,立即组成了一支团队参赛,同时邀请了人工智能算法和农业物联网领域的一些朋友加入了团队。

图5 冠军队“番茄快长” 队长徐丹(右二)与队员们 | 摄影:彭来

 

毕业于世界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种植企业种了两年多番茄。大型温室、有条不紊的生产、各种环境、水肥等自动化控制系统,以及自动化物流分拣等等,都让他大开眼界,他深刻认识到:“原来我们和发达国家的差距这么大!”

 

2015年,徐丹回国,将荷兰大型温室的生产技术在国内成功落地,他希望让更多的年轻人加入到现代农业的队伍中来。但是残酷而现实的问题是:如何快速培养新的种植者?如何快速适应中国不同地区不同作物的生长需要?“多多农研大赛是一个大胆的尝试,让我有幸可以和作物模型专家、数据科学家一起,共同探讨如何利用人工智能,让种植者能够高效地管理一个温室,能够更快速地掌握技能,能够跨越空间和时间的限制管理更多的园区。”在为期6个月的比赛中,徐丹所在的 “番茄快长” 团队的人机融合算法帮助他们在几乎完全远程的情况下完成了挑战。

图6 “番茄快长” 团队发展的人机融合算法

 

“智茄” 团队由中国农业大学的副教授赵然牵头,团队10个人中有八位是在读博士或硕士。从初见温室到比赛结束,他们在科学家、工人、程序员之间不断变换角色,作为一个 “学生队”,种植经验较少,但通过团队的努力和配合,他们仍然取得了有效产量第二名的好成绩。

 

当品尝到了融合了科技的番茄时,赵然觉得一切都那么值得。赵然也发现,进入决赛的队伍都非常年轻,他认为这传递了积极的信号:越来越多的年轻人愿意从事农业,中国的农业现代化离不开理论知识扎实、实践经验丰富的年轻人。

 

“农圣大脑” 队的祝清震正是赵然所描述的这类年轻人。他一度困惑于“自己将来到底要成为一个什么样的人”,在深刻理解我国农业技术和装备发展落后现状后,毅然离开了一家汽车设计研发企业,转身投入农业科技领域。生长于农村的祝清震希望通过自己的努力,助推中国农业机械化、现代化。2019年获得博士学位后,他加入江苏大学从事精准农业相关的教学和科研工作。

 

“如何用前沿科技赋能传统农业产业?” 是一个始终在祝清震心头萦绕的问题,直到听闻第二届多多农研科技大赛的命题是“利用多元化人工智能相关技术,用绿色可持续的方式挑战种出高品质、高产量的番茄,并且验证商业化可行性”,犹如迷雾中的灯塔,一下子点亮了祝清震,“这正是我们想要探索和深耕的领域,我们组建了包括了3名博士和6名硕士的农圣大脑团队报名参赛,每位队员都具有丰富的农业科技经验。”

 

这次比赛验证了他们所提出的番茄智慧化种植模式的可行性,同时,祝清震也计划将本次比赛的经历作为一次思政教育课向学生进行分享,吸引更多年轻人进入农业,鼓励他们将自己的科研成果写在广袤的农业大地上。

 

“将人工智能引入农业生产能够显著降低生产成本,解放劳动力,增加产能,提高农产品质量的稳定性和统一性。” 大赛评委、浙江大学生物系统工程与食品科学学院院长何勇肯定道,“互联网技术找到农业这个突破口是值得我们欣喜的。作为连接农业科学家、数字技术专家与农户的桥梁,多多农研科技大赛这一农研人的顶级赛事促成了技术开发者与技术使用者的相互了解,有效提升了新技术的应用比率。”

 

“我们正利用我们所学的技术改变农业。大数据和人工智能正在颠覆这个传统行业,‘脸朝黄土背朝天’ 的生产方式将不复存在,未来只需一两个人即可管理一个蔬菜生产园区。” 朱常安说。经过 6 个月的训练和迭代,他们的系统已经拥有非常不错的准确度和表现。

 

大赛的冠军团队 “番茄快长” 在最后总结中说,他们将把大赛中应用的专家现金作物管理策略和 AI 算法沉淀为一套潜在的解决方案——人机融合种植解决方案,“我们下一步会在北京和其他几个合作基地进行进一步可行性试验,不断优化,希望在不久的将来能够推广应用到全国,让不同地区不同设施类型的不同种植户都能获益。” 队长徐丹甚至想好了三阶段的商业化推广方案,对未来信心满怀。

 

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介绍后,感受到年轻有为的一代人对农业上充满了热情和投入,对中国农业科技的发展更加充满信心,他总结道,中国作为农业生产和消费大国,农业的发展离不开科技的赋能。“智慧农业为代表的生产方式,能够让生产更加高产、更加智慧,让农民有更多收入,让消费者吃到更有营养的农产品”,“各位优秀青年科学家可以将事业发展放在农业这个广阔的天地中,这里会让你们大有作为”。

 



推荐 6