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江蘇大學(xué)毛罕平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的作物生長信息和病蟲害無損探測裝備?!≠Y料圖
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和植物“對話”,懂得它們的“喜怒哀樂”,知道它們的溫飽冷暖,植物們不再被動地接受“照顧”,而是主動講述它的需求……在江蘇大學(xué)的一座玻璃溫室里,農(nóng)業(yè)工程學(xué)院教授毛罕平的研究團(tuán)隊(duì)似乎獲得了一項(xiàng)“特殊能力”。
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近日,毛罕平主持的江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備學(xué)部項(xiàng)目“基于與植物對話的設(shè)施環(huán)境智慧管控機(jī)理”順利通過驗(yàn)收,并獲得等級。該項(xiàng)目的成功驗(yàn)收標(biāo)志著該團(tuán)隊(duì)在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進(jìn)展。
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設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展需“更上一層樓”
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“智能溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的類型。然而,當(dāng)下各地興起的一些智能溫室示范基地,更多還是依靠基于設(shè)定值的溫室環(huán)境控制方法。”毛罕平說,一定程度上這是用計(jì)算機(jī)代替人手去按開關(guān)而已,還不能算作真正意義上的智能化。
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據(jù)毛罕平介紹,首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)參數(shù)(如室內(nèi)的溫濕度、光照等),控制器根據(jù)檢測到的實(shí)時(shí)結(jié)果與目標(biāo)參數(shù)之間的差距做出決策,通過環(huán)境調(diào)節(jié)裝備開閉來達(dá)到目標(biāo)值,這是目前國內(nèi)溫室普遍采用的相對粗放式的智能化管理模式。其蘊(yùn)含的技術(shù)水平、帶來的作物產(chǎn)量與荷蘭等發(fā)達(dá)國家相比,都有不小的差距。
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以西紅柿種植為例,國內(nèi)一般的溫室大棚,西紅柿產(chǎn)量每平方米為15公斤左右,但荷蘭能到達(dá)60至70公斤?!坝捎诘乩?、氣候、農(nóng)藝和經(jīng)濟(jì)差異較大,照搬照抄荷蘭先進(jìn)技術(shù)的路子行不通?!泵逼秸f。
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因此,毛罕平認(rèn)為國外先進(jìn)技術(shù)不能適應(yīng)我國現(xiàn)狀,必須依靠自主創(chuàng)新?!皣鴥?nèi)的溫室要發(fā)揮效應(yīng),必須要探索科學(xué)、適用的溫室環(huán)境控制技術(shù),通過優(yōu)化溫室環(huán)境調(diào)控方法來改善作物的生產(chǎn)條件,提高能源利用效率,降低能耗,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)施作物的高產(chǎn)?!彼f。
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讓植物“開口說話”
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現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長環(huán)境的功能見長,毛罕平認(rèn)為,調(diào)控的首要任務(wù)應(yīng)該是了解作物需求。
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毛罕平解釋說,“如果不按照植物真實(shí)的動態(tài)需求信息進(jìn)行反饋控制,比如傳統(tǒng)的大水大肥灌溉模式下,作物產(chǎn)量潛力沒有被充分挖掘,不僅不能高產(chǎn),而且會增加生產(chǎn)成本、能耗,甚至帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?!?/div>
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讓植物“開口說話”,通俗地講,為的就是真實(shí)感知植物什么時(shí)候餓了、渴了,胖了還是瘦了,之后根據(jù)其生長的實(shí)際需要進(jìn)行精準(zhǔn)控制。
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團(tuán)隊(duì)中從事多源光信息的作物長勢監(jiān)測研究的農(nóng)業(yè)工程學(xué)院副研究員張曉東告訴記者,聽懂植物“語言”,奧秘就在于植物生命信息感知技術(shù)。要想實(shí)現(xiàn)和植物“對話”,首先必須精準(zhǔn)有效地采集影響植物生長的土壤養(yǎng)分、氣象環(huán)境以及植物營養(yǎng)、長勢數(shù)據(jù)等。
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水分或各類營養(yǎng)元素脅迫下,不同葉片的結(jié)構(gòu)、紋理甚至表面溫度等是發(fā)生變化的。依據(jù)此特性進(jìn)行植物信息檢測是實(shí)驗(yàn)室里的常見方法。
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“但在溫室環(huán)境中,即便是頭頂飄來的一片云,都會導(dǎo)致整個(gè)檢測信息的變化。”張曉東說,受光照、溫濕度、地面蒸騰以及獲取主體信息時(shí)的其他背景因素的影響,如何克服影響建立相應(yīng)的修正模型才是關(guān)鍵。
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為此,團(tuán)隊(duì)采用視覺、光譜、偏振等多源信息融合技術(shù),突破對溫室作物氮磷鉀營養(yǎng)、水分、植株形態(tài)、品質(zhì)和病蟲害信息的感知,實(shí)現(xiàn)對作物生長信息的全面、實(shí)時(shí)、全程動態(tài)監(jiān)測。
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經(jīng)國家法定檢測機(jī)構(gòu)檢測,該技術(shù)對作物氮含量檢測精度達(dá)98.3%,磷鉀水平的檢測相關(guān)系數(shù)為0.9,顯著高于國外先進(jìn)技術(shù)水平;作物冠幅、株高、莖粗和果實(shí)直徑檢測誤差分別為1.3%、1.6%、4.2%、4.7%,國內(nèi)外無同類技術(shù)。
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智能檢測與控制技術(shù)是智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前端和后端。信息感知后,解決作物“缺啥補(bǔ)啥”的問題是團(tuán)隊(duì)面臨的又一關(guān)鍵技術(shù)難題。
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團(tuán)隊(duì)成員農(nóng)業(yè)工程學(xué)院副教授左志宇一直從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)研究,他說,“由于溫室環(huán)境的控制過程極其復(fù)雜,具有變量多、耦合強(qiáng)、干擾大等特點(diǎn),一套科學(xué)適用的智能控制系統(tǒng)如同一個(gè)‘超級大腦’?!?/div>
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如何建立集作物生長模型、環(huán)境控制模型、成本模型等為一體的綜合溫室調(diào)控模型?溫室環(huán)境間歇快速變化的響應(yīng)時(shí)間一般不超過15分鐘,作物連續(xù)緩慢生長的響應(yīng)時(shí)間卻長達(dá)24小時(shí),二者如何優(yōu)化匹配?如何實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)組分的調(diào)配?如何實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)的優(yōu)化控制?……左志宇表示,團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十余年的深入研究,研發(fā)的“超級大腦”先后解決了上述難題,才完成了基于與植物對話的溫室環(huán)境智慧管控系統(tǒng)的研發(fā)工作。
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實(shí)現(xiàn)智能化需要內(nèi)外兼修
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實(shí)際上,自1995年起,毛罕平便帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)率先瞄準(zhǔn)智能化溫室開展研究。多年的研究成果為基于與植物對話的設(shè)施環(huán)境智慧管控研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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“作物信息的檢測、作物生長模型庫的建立、多目標(biāo)的優(yōu)化控制……都需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以驗(yàn)證?!泵逼教寡?,在夏天50攝氏度的試驗(yàn)溫室里“蒸桑拿”,在數(shù)九寒天通宵達(dá)旦地“喝西北風(fēng)”,一路走來,失敗是必經(jīng)的坎坷,也少不了“板凳要坐十年冷”的積累,但積累夠了,自然會有水到渠成的收獲。
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如今毛罕平團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的溫室環(huán)境智慧管控的核心技術(shù)體系,成功改變了環(huán)境控制基本沿用國外技術(shù)、高端溫室大量進(jìn)口的局面。以番茄、為例,在該管控方法下,與國內(nèi)引進(jìn)的荷蘭先進(jìn)的溫室相比,產(chǎn)量接近,但能耗降低20%以上、節(jié)水節(jié)肥25%以上。
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然而,不論是作物信息感知技術(shù)還是溫室環(huán)境控制技術(shù),相應(yīng)的裝備是保障,技術(shù)與裝備的完美融合,才能真正實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化。因此,配套的設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備也亟須跟進(jìn)。
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經(jīng)過不懈努力,團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)設(shè)施作物營養(yǎng)和長勢信息的在線檢測裝備、水肥管理裝備、屋頂全開啟型自適應(yīng)遮陽溫室、半封閉正壓溫室等7種裝備,構(gòu)成的大型綠色溫室和環(huán)境智慧管控裝備,經(jīng)用戶使用,相較于傳統(tǒng)溫室,能耗降低20%,節(jié)藥30%,提高產(chǎn)量25%以上。
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對于應(yīng)用型學(xué)科來講,毛罕平團(tuán)隊(duì)設(shè)法解決的卻不僅僅只有科學(xué)問題,團(tuán)隊(duì)心中始終裝著關(guān)于市場化和產(chǎn)業(yè)化的想法。
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記者了解到,團(tuán)隊(duì)多年來積極推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化工作,目前研究成果已進(jìn)行了大規(guī)模推廣應(yīng)用,在全國31個(gè)省市都有推廣應(yīng)用和示范點(diǎn)。近三年累計(jì)推廣設(shè)施園藝工程面積445.13萬平方米。近兩年新增銷售額21.08億元,新增利潤、稅收和節(jié)支總額6.46億元。
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“通過長期攻關(guān),溫室環(huán)境控制技術(shù)取得了長足進(jìn)步,但要想加快成果普及推廣,取得更高水平的成果,依然需要久久為功。”毛罕平的設(shè)想是,未來的智能化溫室能夠幫助更多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”種植管理,只需一個(gè)按鍵即可完成從到產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程,使之成為真正率、高產(chǎn)出、高質(zhì)量、勞動強(qiáng)度低的智能化生產(chǎn)。
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