數(shù)字化技術(shù)在西南地區(qū)柑橘生產(chǎn)中應(yīng)用分析

摘要：

西南地區(qū)是我國(guó)重要的柑橘產(chǎn)區(qū)，受地理環(huán)境影響，數(shù)字化農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢，依舊以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式為主。為保障柑橘果實(shí)品質(zhì)，需要對(duì)柑橘的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，而數(shù)字化技術(shù)具有智能化水平高、節(jié)省人力、效率高等優(yōu)勢(shì)，可以科學(xué)調(diào)控柑橘生產(chǎn)。通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)和查閱相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，從田間管理、套袋采收等方面闡述西南地區(qū)柑橘生產(chǎn)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)主要存在自動(dòng)化程度低、資源浪費(fèi)、自然災(zāi)害及病蟲害風(fēng)險(xiǎn)感知力低，以及裝備性能指標(biāo)評(píng)估體系缺乏等問(wèn)題。從數(shù)字化的角度對(duì)所存在的問(wèn)題進(jìn)行剖析，最后提出相應(yīng)的解決方案以及對(duì)未來(lái)柑橘數(shù)字化生產(chǎn)的展望，為現(xiàn)代數(shù)字化果園建設(shè)、提高智能作業(yè)裝備技術(shù)水平和構(gòu)建果園標(biāo)準(zhǔn)化管理體系提出參考依據(jù)，為推動(dòng)西南地區(qū)柑橘產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供參考建議。

關(guān)鍵詞：柑橘；農(nóng)業(yè)數(shù)字化；果園管理；農(nóng)業(yè)機(jī)器人；果園智能裝備

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 01-0338-08

Analysis on the application of digital technology in citrus production in Southwest China

Wang Weizi¹， Ma Wei¹， Tian Zhiwei^{1， 2}

（1. "Institute of Urban Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Chengdu， 610213， China；

2. Chengdu National Agricultural Science and Technology Center， Chengdu， 610213， China）

Abstract：

The Southwest region is an important citrus producing area in China. Due to the influence of geographical environment， the development of digital agriculture is slow and still relies mainly on traditional agricultural methods. In order to ensure the quality of citrus fruits， precise regulation of the production process is necessary. Digital technology has the advantages of high intelligence， labor-saving， and high efficiency， which can scientifically regulate citrus production. Through reading a large amount of literature and consulting relevant statistical data， this article mainly elaborates on the current situation of citrus production in the Southwest region from the aspects of field management， bagging and harvesting. It is found that there are mainly problems such as low automation level， resource waste， low perception of natural disasters and pest risks， and a lack of equipment performance indicator evaluation system. From a digital perspective， this paper analyzes the existing problems and proposes corresponding solutions as well as prospects for future digital production of citrus. It provides reference for the construction of modern digital orchards， the improvement of intelligent operation equipment technology， and the construction of standardized management systems for orchards. It also provides reference suggestions for promoting the upgrading of citrus industry in the Southwest region.

Keywords：

citrus; agricultural digitization; orchard management; agricultural robots; orchard intelligent equipment

0"引言

柑橘（Citrus reticulata）是蕓香科柑橘屬的植物，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。根據(jù)2023年國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有柑橘種植面積可達(dá)2 600khm²、年產(chǎn)量可達(dá)64 337.6kt，種植面積和產(chǎn)量位居世界前列，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，成為農(nóng)民脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，柑橘生產(chǎn)模式逐漸向集中化、規(guī)?；姆较蜣D(zhuǎn)變，形成以江西、湖北、廣東、湖南、廣西、浙江、福建、四川、重慶等地為主要產(chǎn)區(qū)的空間分布格局^［1］。其中，四川、重慶是西南地區(qū)重要的柑橘產(chǎn)量大省，而四川省的柑橘產(chǎn)量和種植面積位居西南五省前列，同時(shí)也是2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財(cái)政部批準(zhǔn)建設(shè)的50個(gè)優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)集群之一^［2］。目前，四川省柑橘產(chǎn)業(yè)以成都、資陽(yáng)、廣安、瀘州、眉山為主要種植區(qū)，不斷向優(yōu)勢(shì)區(qū)域集中為西南柑橘產(chǎn)業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)^［3］。

西南地區(qū)柑橘種植面積可達(dá)700khm²，占我國(guó)柑橘總種植面積的27%左右。由于西南地區(qū)氣候條件良好，物種多樣，在柑橘生長(zhǎng)中容易受到多種病蟲害威脅，嚴(yán)重如黃龍病，傳染率高，潛伏期長(zhǎng)，影響柑橘產(chǎn)量；結(jié)果期為提高果實(shí)產(chǎn)量進(jìn)行套袋工作，但易患綠斑病^［4］等。柑橘產(chǎn)量的增加得益于柑橘種植面積的增加。然而，過(guò)于依賴這種“規(guī)模效應(yīng)”說(shuō)明我國(guó)的柑橘種植業(yè)仍處于發(fā)展中階段，生產(chǎn)效率不高，管理方式落后，仍存在著極大的提升空間^［5］。同時(shí)柑橘的快速擴(kuò)增，產(chǎn)生價(jià)格下滑、耕地減少、果園面源污染等問(wèn)題^［1］。為更好地監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)柑橘生長(zhǎng)情況，解決因柑橘快速擴(kuò)增所帶來(lái)的問(wèn)題，傳統(tǒng)的田間管理技術(shù)與裝備存在自動(dòng)化程度低、人力成本高等缺點(diǎn)，無(wú)法高效地解決問(wèn)題，而數(shù)字化技術(shù)具有智能化水平高、節(jié)省人力的優(yōu)點(diǎn)，在解決因柑橘種植問(wèn)題方面具有很高的潛在優(yōu)勢(shì)。

以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)化為機(jī)器作業(yè)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為自動(dòng)作業(yè)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)從而達(dá)到充分利用人力資源、節(jié)約自然資源、提高農(nóng)作物生產(chǎn)效率、保證農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)等目的是數(shù)字化農(nóng)業(yè)的總目標(biāo)。如今，我國(guó)柑橘栽培自動(dòng)化程度低，效率不高，雖然二、三產(chǎn)業(yè)逐漸趨于飽和，但可以反哺促進(jìn)第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；隨著城市化進(jìn)程的腳步加快，農(nóng)業(yè)用地以及從事農(nóng)業(yè)活動(dòng)的人越來(lái)越少，青壯年勞動(dòng)力不愿進(jìn)行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)工作，可用的人力資源越來(lái)越少。而數(shù)字化技術(shù)可節(jié)約大量的人力成本，因此發(fā)展數(shù)字化技術(shù)可以有效緩解我國(guó)用工緊張的問(wèn)題。國(guó)外數(shù)字化農(nóng)業(yè)發(fā)展較我國(guó)而言發(fā)展早起步穩(wěn)，如今已趨于成熟；而我國(guó)農(nóng)業(yè)數(shù)字化技術(shù)起步晚，但發(fā)展迅速，目前在施肥、施藥、采摘果實(shí)方面研究已初見成效，逐漸從試驗(yàn)研究階段過(guò)渡到實(shí)用階段。本文主要闡述數(shù)字化技術(shù)在西南地區(qū)柑橘栽培中的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，以及對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出建議，以期為數(shù)字化果園推動(dòng)提出借鑒與參考。

1"田間管理技術(shù)與裝備

1.1"除草技術(shù)

西南地區(qū)降水充沛、全年溫差較小，利于多種植物生長(zhǎng)，植物種類豐富。因此，柑橘園內(nèi)雜草較多，部分雜草影響柑橘植株吸收土壤養(yǎng)分，進(jìn)而影響柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，我國(guó)果園除草主要采用人工除草、噴灑化學(xué)除草劑和機(jī)械割除等方式^［6］。傳統(tǒng)的果園除草技術(shù)以行間除草為主，但果樹株間為非連續(xù)區(qū)域，選擇機(jī)械除草方式難度較大。人工除草強(qiáng)度大，機(jī)械除草有一定難度，化學(xué)除草易有農(nóng)藥殘留，因此研發(fā)多種前沿科學(xué)技術(shù)于一身的農(nóng)田除草機(jī)器人，以完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)為主要目的，在解決勞動(dòng)力短缺、提高生產(chǎn)效率、減輕環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要作用^［7］。

1.1.1"基于數(shù)字化技術(shù)的化學(xué)除草

我國(guó)目前最流行的除草方式是化學(xué)除草，其優(yōu)點(diǎn)是雜草枯死后覆蓋于地表，利于保持果園水分、促進(jìn)果樹生長(zhǎng)和土壤中蚯蚓及微生物的繁殖，價(jià)格低廉成本低，最常見的除草劑為草甘膦和百草枯^［8］。

隨著機(jī)械化水平的提高，數(shù)字化植保裝備在程序設(shè)定和裝備結(jié)構(gòu)上進(jìn)行高質(zhì)量改良，提高化學(xué)除草效率。呂沐華等^［9］研究并設(shè)計(jì)了一款果園噴藥除草機(jī)器人并提出基于視覺(jué)的除草機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人的履帶式底盤可適用于復(fù)雜的果園地形環(huán)境，在視覺(jué)系統(tǒng)中結(jié)合超綠特征模型和圖像數(shù)據(jù)處理方法可以有效地提取果園雜草圖像且不易受果園光照條件的影響，噴藥末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，提高農(nóng)藥利用率，試驗(yàn)結(jié)果表明，該果園噴灑除草機(jī)器人在日光和夜間照明環(huán)境下的成功率均可達(dá)到80%以上，具有極高的實(shí)用價(jià)值。改良后的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在識(shí)別雜草方面正確率有顯著提高，可自主識(shí)別雜草后進(jìn)行除草作業(yè)，減少了重復(fù)作業(yè)次數(shù)和農(nóng)藥使用量，提高了果園除草效率。

長(zhǎng)期使用同一款除草劑，雖然能消滅并抑制土壤微生物的活動(dòng)和共生固氮作用，但是會(huì)造成土壤板結(jié)，降低土壤碳氧交換率，不利于果樹根系呼吸，會(huì)影響到柑橘的果實(shí)品質(zhì)和柑橘園內(nèi)的生態(tài)環(huán)境^［10］。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，可以對(duì)化學(xué)除草藥劑進(jìn)行改良，或者與機(jī)械除草方式相結(jié)合并引入數(shù)字化技術(shù)，合理調(diào)控除草藥劑的用量。比如使用噴藥效率高、用藥安全系數(shù)高的植保無(wú)人機(jī)噴灑除草劑，岳德成等^［11］在隴東利用植保無(wú)人機(jī)對(duì)玉米田進(jìn)行了土壤處理除草劑的減量效應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)噴施可減少除草劑使用，并對(duì)雜草有良好的控制效果，且對(duì)玉米的產(chǎn)量和性狀的影響很小，具有極高的推廣價(jià)值。大量施用除草劑，不但會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，還對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)構(gòu)成潛在威脅，而減量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果證明，植保無(wú)人機(jī)的使用可以有效減少農(nóng)藥的使用量，在一定程度上減少了農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境以及作物的傷害。

1.1.2"基于數(shù)字化技術(shù)的機(jī)械除草

傳統(tǒng)的機(jī)械除草是人使用除草機(jī)械進(jìn)行除草，果園除草機(jī)械大致分為兩種，一種是果園微耕機(jī)，另一種是割草機(jī)。除草機(jī)械具有省時(shí)省力、操作簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是在使用過(guò)程中會(huì)留下許多除草死角，仍然需要人工除草，同時(shí)微耕機(jī)還會(huì)對(duì)土壤進(jìn)行破壞，不利于果樹生長(zhǎng)。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，除草機(jī)器人的誕生逐漸取代微耕機(jī)和割草機(jī)。西南地區(qū)多山地丘陵，趙智宇等^［12］針對(duì)丘陵果園環(huán)境非結(jié)構(gòu)化且復(fù)雜多變，常規(guī)的除草方式效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種果園除草機(jī)器人底盤系統(tǒng)，根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，有效除草率在97%以上，可在25°斜面上正常行走，對(duì)導(dǎo)航路徑的跟蹤誤差標(biāo)準(zhǔn)差為4.732cm，運(yùn)動(dòng)控制響應(yīng)及時(shí)，能夠提高除草作業(yè)安全性和準(zhǔn)確性；智能果園為我國(guó)果園發(fā)展趨勢(shì)，楊芳等從物聯(lián)網(wǎng)角度出發(fā)，以除草機(jī)器人為監(jiān)測(cè)對(duì)象，構(gòu)建了除草機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和軟硬件平臺(tái)框架，并設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)界面，與科學(xué)的監(jiān)測(cè)管理制度完美融合，逐步向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和智能管理方向邁進(jìn)；國(guó)外在數(shù)字化除草機(jī)器人的研究主要在機(jī)械方面，比如伊利諾伊大學(xué)所研發(fā)的五自由度串聯(lián)機(jī)械臂設(shè)計(jì)的精確除草機(jī)器人和西班牙農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)的Delta機(jī)械臂智能除草機(jī)器人，從末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，所搭載的機(jī)械臂具有低功耗、高精度、高靈活性、高速度以及通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，除草率均在85%以上^［13］。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)的4G-60型除草機(jī)器人（圖1）主要用于丘區(qū)果園、草坪、林地等多種農(nóng)田地形，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和控制方法等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，減少了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑，增加爬坡能力，最大作業(yè)坡度可達(dá)30°，適合用于西南地形；此外還采用電驅(qū)動(dòng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)果園內(nèi)靈活移動(dòng)，除草更加徹底干凈，并且可以遠(yuǎn)程操縱，有效確保人員安全。

1.履帶"2.發(fā)動(dòng)機(jī)"3.調(diào)控箱

機(jī)械除草只是對(duì)雜草進(jìn)行簡(jiǎn)單的切割處理，目前仍需要人推助完成或使用遙控器進(jìn)行除草作業(yè)，在一定程度上沒(méi)有起到節(jié)省人工的作用；傳統(tǒng)的化學(xué)除草技術(shù)雖然提高了除草效率，但所使用的農(nóng)藥劑量過(guò)大，浪費(fèi)資源的同時(shí)還會(huì)造成土壤板結(jié)，不利于柑橘樹生長(zhǎng)，也沒(méi)有達(dá)到理想的效果。隨著機(jī)器視覺(jué)、作業(yè)裝備的完善以及化學(xué)藥劑的升級(jí)，誕生了數(shù)字化技術(shù)除草機(jī)器人，雖然造價(jià)較高，但是在一定程度上起到節(jié)省人工、節(jié)約資源、提高作業(yè)效率的作用，也為數(shù)字化施肥、施藥技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1.2"數(shù)字化施肥技術(shù)及裝備

作為施肥消費(fèi)大國(guó)，我國(guó)農(nóng)業(yè)施肥體系存在一定的缺陷，比如化肥結(jié)構(gòu)投入不合理，為追求低成本，通常施用無(wú)機(jī)化肥，雖然價(jià)格低廉見效快，但會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物吸肥率不高，進(jìn)而增加化肥的投放量，也會(huì)造成土壤板結(jié)、環(huán)境污染等問(wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，2012年，李勇等^［14］根據(jù)耕地適宜性評(píng)價(jià)與施肥推薦研究為理論依據(jù)以金壇市小麥田為具體試驗(yàn)案例，構(gòu)建了小麥適宜性評(píng)價(jià)模型，此模型具有選擇小麥品種特征、對(duì)耕地土質(zhì)進(jìn)行分等定級(jí)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上探討了小麥數(shù)字化施肥技術(shù)，根據(jù)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合小麥?zhǔn)┓蕝?shù)，進(jìn)行大田試驗(yàn)，并得出有效的施肥配比，以及因土壤質(zhì)地不同制定施肥方案，有效提高施肥效率；2017年，有學(xué)者從保護(hù)性耕作技術(shù)發(fā)展、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)施肥技術(shù)等角度出發(fā)，基于RIA體系結(jié)構(gòu)以及多方位的數(shù)據(jù)處理軟件，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有信息查詢、土壤肥力圖表輸出等功能的大田自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)，并進(jìn)行可視化管理和大田試驗(yàn)，取得了良好效果，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大，為數(shù)字化施肥作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。

果園施肥作業(yè)與大田施肥作業(yè)有一定的相似性，因此在提高果園施肥作業(yè)效率上，可以參考大田智能化施肥作業(yè)，即可以從提高機(jī)械化水平和改善數(shù)字化程序入手。一些學(xué)者從機(jī)械化作業(yè)角度出發(fā)，研制出一種具有操作性良好、性能穩(wěn)定，集開溝、施肥、攪拌、回填四種功能為一體的偏置式果園施肥機(jī)，其特點(diǎn)是可以完成開溝、攪拌、回填等聯(lián)合作業(yè)并具備排肥器可精準(zhǔn)排肥，滿足果園施肥深度與寬度的要求，提高了果園裝備機(jī)械化；針對(duì)目前果園種植管理過(guò)程中不能精準(zhǔn)調(diào)控施肥濃度的問(wèn)題，一些學(xué)者從改善程序出發(fā)，開發(fā)了一種集灌溉、可以動(dòng)態(tài)調(diào)控施肥配方做到精準(zhǔn)調(diào)整施肥濃度的多通道移動(dòng)式果園灌溉施肥機(jī)，以西門子S7-1200PLC作為控制核心，可以自動(dòng)按照設(shè)定的灌溉施肥方案進(jìn)行控制，滿足了不同果樹植株在不同生長(zhǎng)周期下的灌溉施肥需求；西南地區(qū)柑橘種植園地形以山地為主，為提高西南地區(qū)柑橘種植園施肥效率，謝燦^［15］提出了一種適合丘陵山區(qū)果園作業(yè)環(huán)境，能夠完成環(huán)狀開溝、施肥、覆土聯(lián)合作業(yè)的果園環(huán)狀開溝施肥裝置，對(duì)開溝施肥部件進(jìn)行仿真分析，以對(duì)其結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，滿足了設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)的施肥作業(yè)機(jī)具主要是從機(jī)械化的角度進(jìn)行改良，提高了聯(lián)合施肥作業(yè)能力，即同一機(jī)器可完成開溝、施肥、攪拌、回填四種功能，極大地提高了施肥效率，但是在肥藥利用率方面，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，會(huì)造成肥藥量增高，易造成燒苗，造成果園減產(chǎn)。為科學(xué)地進(jìn)行施肥作業(yè)，可以引入精準(zhǔn)施肥調(diào)控系統(tǒng)，對(duì)施肥種類和用量進(jìn)行測(cè)量調(diào)控，提高肥料利用率，減少不必要的浪費(fèi)。

為更好地闡述數(shù)字化施肥系統(tǒng)，基于劉永華等^［16］的智能灌溉施肥系統(tǒng)，提出柑橘園數(shù)字化施肥系統(tǒng)模型（圖2）。利用數(shù)字化精準(zhǔn)調(diào)控的優(yōu)勢(shì)與智能設(shè)施相結(jié)合，并設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程故障檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)施發(fā)生故障，會(huì)出發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行第一時(shí)間檢修。

1.3"數(shù)字化技術(shù)的病蟲害管理

1.3.1"病蟲害檢測(cè)

在柑橘生長(zhǎng)過(guò)程中，易生病害，常見的病害如黃龍病、炭蛆病等；害蟲侵食，如紅蜘蛛、木虱等，具有傳染能力強(qiáng)，不易發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)。柑橘病蟲害是影響其果實(shí)質(zhì)量的重要原因，有些病蟲害在柑橘栽培養(yǎng)護(hù)過(guò)程中存在潛伏期長(zhǎng)、不易發(fā)現(xiàn)傳染速度快等問(wèn)題，極大的影響柑橘產(chǎn)量和質(zhì)量。

傳統(tǒng)的果園病蟲害檢測(cè)通常需要植物保護(hù)人員親自到果園對(duì)果樹進(jìn)行查看，受到西南地區(qū)獨(dú)特的地理環(huán)境影響，通常存在路途遙遠(yuǎn)顛簸、用時(shí)不準(zhǔn)確、人力投入較大等問(wèn)題；近些年，在針對(duì)果樹病蟲害防控方面開始引入數(shù)字化技術(shù)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出以及新媒體的發(fā)展，夏雪等^［17］提出了基于云架構(gòu)的果園病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)并首先應(yīng)用于蘋果園中，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控果園內(nèi)蘋果樹的整體生長(zhǎng)狀況和觀測(cè)局部病蟲害發(fā)生情況，將檢測(cè)到的情況儲(chǔ)存在云端，通過(guò)管道傳遞給用戶端，工作人員可以遠(yuǎn)程查看果園病蟲害情況，由于西南地區(qū)地形復(fù)雜，植保人員檢測(cè)橘園病蟲害信息較困難，需要大量的體力和時(shí)間成本，將此系統(tǒng)應(yīng)用于西南地區(qū)柑橘園中可以有效節(jié)省人力。

病蟲害檢測(cè)最重要的技術(shù)點(diǎn)是機(jī)器人對(duì)病蟲害的識(shí)別能力，能否提高預(yù)防柑橘病蟲害的水平重點(diǎn)在于提高識(shí)別病體的科學(xué)技術(shù)，重中之重是提高機(jī)器的影像識(shí)別技術(shù)以及識(shí)別精度。2021年，萬(wàn)軍杰等^［18］為提高果樹病蟲害分級(jí)精度，更好地指導(dǎo)果園病蟲害防治工作，結(jié)合遷移學(xué)習(xí)技術(shù)和GoogLeNet模型對(duì)25種果園作物6種病蟲害的危害程度進(jìn)行識(shí)別和分級(jí)，并基于MATLAB平臺(tái)設(shè)計(jì)了視覺(jué)害蟲識(shí)別分級(jí)系統(tǒng)，其結(jié)果表明可為現(xiàn)代果園智能化、精細(xì)化管理提供一定的技術(shù)支持；2022年，宋中山等^［19］提出一種基于二值化的Faster R-CNN區(qū)域檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，此模型可以在自然條件下對(duì)柑橘葉片進(jìn)行病蟲害檢測(cè)，對(duì)柑橘常見病蟲害如黑斑病、潰瘍病、黃龍病、瘡痂病、健康葉片的平均準(zhǔn)確率可以達(dá)到86%以上，總平均準(zhǔn)確率可以達(dá)到87%以上，極大地提高了病蟲害的識(shí)別效率；在柑橘病蟲害防治工作中存在植保專業(yè)知識(shí)普及度不高、沒(méi)有高效的病蟲害診斷手段等問(wèn)題，杜盼等^［20］基于故障樹分析法創(chuàng)建了柑橘病蟲害診斷專家系統(tǒng)，用戶通過(guò)此系統(tǒng)的病蟲害模塊和病蟲害診斷模塊能夠快速診斷病蟲害并獲取具體的治療方法，同時(shí)普及了專業(yè)的植物保護(hù)知識(shí)，提高了病蟲害診斷手段。以上技術(shù)的建立需要采集大量的柑橘病蟲害影像信息，然后對(duì)機(jī)器進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，最后基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將所訓(xùn)練的結(jié)果植入到模型中或建立識(shí)別系統(tǒng)，才能在實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)到柑橘病蟲害信息，提醒農(nóng)戶做好病蟲害防治工作。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種智能蟲情測(cè)報(bào)捕殺機(jī)器人（圖3），該機(jī)器人具有田間自主移動(dòng)、路徑規(guī)劃和避障功能。通過(guò)燈光、性誘等物理誘捕方式，自動(dòng)完成誘蟲、殺蟲、拍照、信息遠(yuǎn)程發(fā)布等作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)蟲情測(cè)報(bào)無(wú)人托管。搭載多種傳感器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)和蟲害預(yù)測(cè)。裝備蟲情識(shí)別種類包括48種害蟲，致死率99%、識(shí)別率大于98%。

1.3.2"病蟲害防治

當(dāng)檢測(cè)到柑橘植株患有病害后，需要進(jìn)行防治工作。比如在柑橘生長(zhǎng)過(guò)程中黃龍病是發(fā)病率高傳染力強(qiáng)的疾病之一，通過(guò)影響柑橘葉片的光合效率進(jìn)而造成柑橘減產(chǎn)，此病害主要通過(guò)木虱傳播，潛伏期長(zhǎng)不易發(fā)現(xiàn)，通常情況下采用修剪病枝、噴灑農(nóng)藥等方式進(jìn)行防控^［21］。除黃龍病外，還會(huì)受到紅蜘蛛和木虱等害蟲的侵食，一般采用燈光防治和釋放害蟲天敵等方法進(jìn)行防控或采用生物防控，比如利用松毛蟲或赤眼蜂治理卷葉蛾等，或者使用農(nóng)藥和性誘導(dǎo)劑，但要進(jìn)行科學(xué)配比^［22］。

我國(guó)的病蟲害防治手段以噴灑農(nóng)藥為主，雖然有一定的防治效果，可以控制住病情，但是容易產(chǎn)生抗藥性，且防治效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。目前國(guó)際主流精準(zhǔn)噴灑技術(shù)為對(duì)靶噴藥技術(shù)，而國(guó)內(nèi)在農(nóng)藥噴施技術(shù)方面主要采用小型噴霧機(jī)具，使用粗放式的噴施方法，技術(shù)水平較低，目前在對(duì)靶噴藥技術(shù)方面的大多數(shù)成果還停留在試驗(yàn)階段，實(shí)用性不強(qiáng)，距離投入實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還有一段時(shí)間^［23］。為將精準(zhǔn)噴灑技術(shù)投入實(shí)際生產(chǎn)之中，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行分級(jí)研究：2004年，王萬(wàn)章等^［24］基于地圖和傳感器以及機(jī)器視覺(jué)和圖像處理等三個(gè)方面綜述了精確噴霧技術(shù)研究進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用效果；2017年，周良富等^［25］針對(duì)果園變量噴霧所采用的傳感技術(shù)、決策模型和所取得的技術(shù)指標(biāo)方面論述了當(dāng)前世界最典型的裝備現(xiàn)狀，以期為果園變量噴霧技術(shù)與裝備研究提供參考；2022年，蘭玉彬等^［26］闡述了智能農(nóng)藥機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)是精準(zhǔn)變量施藥、自主導(dǎo)航以及無(wú)人化作業(yè)，為數(shù)字化施藥技術(shù)研究提供了新思路。傳統(tǒng)的噴灑方式在效率和保護(hù)環(huán)境方面都不及精準(zhǔn)噴灑技術(shù)，并且在西南地區(qū)，柑橘園內(nèi)地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的噴藥技術(shù)在病蟲害防治方面需要大量的人力和機(jī)具成本，不利于發(fā)展現(xiàn)代化果園，但精準(zhǔn)噴灑技術(shù)普及率低，需要一定的數(shù)字化智能裝備成本略高，但是在分級(jí)研究的情況下，逐步從試驗(yàn)階段進(jìn)入到普及階段，取代傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴施技術(shù)，提高病蟲害防治效率。

國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家率先研究了柑橘噴藥技術(shù)，比如Torrent等^［27］通過(guò)比較兩種不同型號(hào)的噴嘴，即標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和減徑噴嘴，在柑橘園農(nóng)藥施用時(shí)的噴霧漂移潛力和田間噴霧漂移能力，試驗(yàn)結(jié)果表明減徑噴嘴有效降低了漂移和農(nóng)藥沉積，在裝備提升方面為數(shù)字化噴藥技術(shù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。為更好地發(fā)展數(shù)字化噴藥技術(shù)，高效率的防治果園病蟲害問(wèn)題，可以借鑒一些國(guó)外的發(fā)展案例。

為更好地闡述數(shù)字化技術(shù)在病蟲害檢測(cè)防治方面的應(yīng)用趨勢(shì)，基于數(shù)字化病蟲害管理應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建數(shù)字化柑橘園示意圖（圖4），總共分為兩部分內(nèi)容：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和裝備系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)土壤和空氣中的溫度濕度，土傳、氣傳、生物傳播的病蟲害和雜草量，將信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳給管理員進(jìn)行審核，然后啟動(dòng)裝備系統(tǒng)進(jìn)行噴藥、割草、施肥等田間作業(yè)，做到數(shù)字化管控。

1.4"套袋及采摘裝備研究

果實(shí)套袋具有提高果實(shí)外觀品質(zhì)、防止病蟲害傳播等功能，其材質(zhì)對(duì)柑橘果實(shí)影響較大，乳白色單層紙袋能有效降低果實(shí)感染病蟲害的概率，提高外觀品質(zhì)，增加商品價(jià)值，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)柑橘無(wú)公害生產(chǎn)。但目前，我國(guó)果實(shí)套袋以人工套袋為主，效率較低且果實(shí)形狀容易發(fā)生改變。呂佳等^［28］為解決套袋后柑橘的形狀發(fā)生改變，增加了目標(biāo)檢測(cè)算法對(duì)套袋柑橘檢測(cè)識(shí)別的難度，設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)度高速度快的SPM-YOLOv5算法模型，使模型更加關(guān)注形狀改變的套袋柑橘，提高了柑橘套袋檢測(cè)效率。套袋識(shí)別果實(shí)算法的研究是基于深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，識(shí)別成功率越高，越能提高檢測(cè)效率，且在柑橘套袋之后會(huì)進(jìn)行采摘工作，有助于提高采摘的工作效率。

我國(guó)自動(dòng)果實(shí)采摘技術(shù)取得了一定突破。自動(dòng)果實(shí)采摘技術(shù)突破主要有成熟果實(shí)定點(diǎn)識(shí)別^［29］、果實(shí)采摘路徑^［30］、機(jī)械臂避障^［31］、采摘機(jī)械臂末端執(zhí)行器^［32］等方面。畢松等^［29］針對(duì)在自然環(huán)境下柑橘果實(shí)采摘點(diǎn)的提取問(wèn)題，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柑橘識(shí)別方法提取柑橘采摘點(diǎn)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法可在自然環(huán)境中識(shí)別柑橘果實(shí)并分割出有效識(shí)別區(qū)域，準(zhǔn)確率均值可以達(dá)到86%以上；陳鑫等^［30］為提高柑橘果實(shí)采摘效率，從采摘最優(yōu)路徑角度進(jìn)行研究，建立柑橘果實(shí)點(diǎn)三維模型，在蟻群算法的基礎(chǔ)上，引入隨時(shí)間改變的自適應(yīng)信息素濃度更新機(jī)制，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，蟻周模型為最優(yōu)模型；馬冀桐等^［31］為了解決果實(shí)采摘機(jī)器人在工作作業(yè)過(guò)程中機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)障礙物的感知與避障問(wèn)題，依據(jù)果樹枝干特征進(jìn)行分段標(biāo)記，將枝干障礙物關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行三維建模，使樣機(jī)避障成功率達(dá)到90%以上，平均規(guī)劃時(shí)間小于2 s；魏博等^［32］設(shè)計(jì)了通過(guò)三指充分抓握與偏轉(zhuǎn)的融合控制的欠驅(qū)動(dòng)式柑橘采摘末端執(zhí)行器，此末端執(zhí)行器具有仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)三指之間的尺寸可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的柑橘果實(shí)進(jìn)行穩(wěn)定采摘，其結(jié)果表明采摘執(zhí)行器針對(duì)直徑為30～100mm的柑橘果實(shí)抓取成功率可以達(dá)到98%以上，且耗時(shí)短，具有適應(yīng)性強(qiáng)、抓取穩(wěn)定、不損傷果實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)柑橘采摘智能化。以上自動(dòng)化采摘技術(shù)提升主要是通過(guò)識(shí)別算法和對(duì)裝備進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，識(shí)別算法的提升有助于提高果實(shí)的正確率，仿真設(shè)計(jì)可以在節(jié)約人工的同時(shí)減少在采摘作業(yè)中對(duì)果實(shí)的傷害。

2"存在問(wèn)題

2.1"自動(dòng)化程度低

由于我國(guó)各方面仍處于發(fā)展中階段，存在發(fā)展不平衡等問(wèn)題。近些年，雖然我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究取得了一定的成果，但設(shè)備造價(jià)昂貴，未能推廣普及；技術(shù)層面上與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化仍處于初級(jí)階段，在數(shù)字化和自動(dòng)化結(jié)合方面仍有很大的發(fā)展空間。

2.2"環(huán)境資源利用率低

在柑橘園內(nèi)進(jìn)行除草、施肥、噴藥作業(yè)時(shí)，為了讓柑橘增產(chǎn)，管理者會(huì)多次施用大量的農(nóng)藥和肥料，施用量過(guò)多會(huì)影響到柑橘植株的生命力，灼燒柑橘植株造成減產(chǎn)，對(duì)果園環(huán)境而言造成污染，降低資源利用率。

2.3"數(shù)字化風(fēng)險(xiǎn)感知力低

柑橘在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，會(huì)受到多重因素影響，比如溫度、降水、光照等因子。近些年，極端天氣頻發(fā)，晝夜溫差過(guò)大、降水量過(guò)高過(guò)低、陽(yáng)光灼熱都會(huì)對(duì)柑橘造成高溫灼傷低溫凍害等物理化學(xué)傷害。目前的果園管理體系并沒(méi)有感知風(fēng)險(xiǎn)的能力。預(yù)測(cè)極端天氣并通知管理者提前做好應(yīng)對(duì)措施，避免對(duì)柑橘生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。

2.4"數(shù)字化評(píng)估體系缺乏

數(shù)字化評(píng)估體系是通過(guò)科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)用于衡量、評(píng)價(jià)果園管理的質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和方法?？茖W(xué)的數(shù)字化果園管理體系應(yīng)該包含在果園生產(chǎn)的全過(guò)程中所用到的全部智能裝備的標(biāo)準(zhǔn)，即從生長(zhǎng)管理到采收果實(shí)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行把控，并通過(guò)數(shù)字化的形式直觀地呈現(xiàn)給管理者。目前，果園數(shù)字化裝備性能指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依然存在空白，導(dǎo)致其應(yīng)用推廣存在難題。

3"展望

3.1"增加資金扶持，提高農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平

我國(guó)主要從事農(nóng)業(yè)活動(dòng)的人為文化水平較低的農(nóng)民，推廣地區(qū)政府可以組織相關(guān)的農(nóng)業(yè)科普講座，為種植戶普及自動(dòng)化種植技術(shù)，并申請(qǐng)相應(yīng)的補(bǔ)貼，加快農(nóng)業(yè)自動(dòng)化普及。為農(nóng)民進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，建立農(nóng)業(yè)自動(dòng)化試點(diǎn)。

3.2"促進(jìn)學(xué)科融合研究，提高環(huán)境資源利用率

隨著科技發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植已不適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，需要對(duì)傳統(tǒng)果園種植進(jìn)行優(yōu)化，以解決資源緊張、浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，同時(shí)需要科學(xué)的調(diào)控柑橘生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不同的影響因子，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，建立柑橘生長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。比如針對(duì)柑橘在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中易患病蟲害等問(wèn)題，林奕桐等^［33］于2022年提出用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)柑橘黃龍病植株識(shí)別，無(wú)人機(jī)也可以噴施農(nóng)藥，將病體識(shí)別與噴藥技術(shù)結(jié)合，可以定點(diǎn)防治柑橘植株，有效提高了環(huán)境資源利用率。

3.3"鼓勵(lì)跨部門合作，提高風(fēng)險(xiǎn)感知力

果園生產(chǎn)會(huì)受到多重因素的影響，而主要影響因素就是氣象因子，為更加科學(xué)的對(duì)果園進(jìn)行管理，提高果園抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，可以將預(yù)警系統(tǒng)與氣象站聯(lián)系在一起，以便減少損失；除受極端天氣影響外，柑橘病蟲害具有不易發(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)及晚期、傳染力強(qiáng)等特點(diǎn)，極大地影響了風(fēng)險(xiǎn)感知能力，隨著植物柔性傳感器技術(shù)^［34］發(fā)展成熟，在作物生長(zhǎng)中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如對(duì)植物電信號(hào)、揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、水分含量、生長(zhǎng)速率的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)植物表面溫度、濕度、照度等小氣候的監(jiān)測(cè)?？梢詫鞲衅髋c預(yù)警系統(tǒng)連接，及時(shí)反饋植物生長(zhǎng)發(fā)育情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高極端天氣和病蟲害的風(fēng)險(xiǎn)感知能力。

3.4"完善評(píng)價(jià)體系，建立數(shù)字化評(píng)估體系

構(gòu)建科學(xué)的評(píng)估體系，是未來(lái)數(shù)字化果園發(fā)展的重要一環(huán)?？茖W(xué)的評(píng)估體系在柑橘生產(chǎn)過(guò)程中可以避免浪費(fèi)和提高工作安全系數(shù)，比如無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥所產(chǎn)生的噴霧是經(jīng)過(guò)人工計(jì)算的，但農(nóng)藥畢竟對(duì)人體有害，因此要對(duì)果園農(nóng)藥噴灑進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，預(yù)測(cè)樹果園中空氣噴射噴霧應(yīng)用的噴霧漂移^［35］。國(guó)外有使用案例，如在由加拿大農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)食品部HRDC和拉瓦爾大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的TheRCUPAIR，并在佛羅里達(dá)大學(xué)的柑橘園建造了一個(gè)由軸流風(fēng)扇、上行空氣和液體管道、液壓噴嘴以及噴霧捕獲和再循環(huán)系統(tǒng)組成的噴霧器，可有效減少柑橘應(yīng)用中農(nóng)藥的浪費(fèi)^［36］?？梢愿鶕?jù)相關(guān)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)結(jié)合我國(guó)柑橘園的實(shí)際情況制定科學(xué)的數(shù)字化評(píng)估體系。

4"結(jié)語(yǔ)

柑橘已逐步成為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)果樹之一，具有高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和良好的發(fā)展前景。數(shù)字化技術(shù)具有智能化水平高、節(jié)省人力、效率高等優(yōu)勢(shì)，且以人工智能、傳感器和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用為代表的農(nóng)業(yè)第四代革新浪潮正在席卷全球，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更精細(xì)化的管理、更有效的決策，更快地提升產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的效率，也是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。柑橘在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，需要一定的養(yǎng)分環(huán)境才能保證其果實(shí)質(zhì)量，傳統(tǒng)的柑橘園管理技術(shù)和裝備存在自動(dòng)化程度低、資源浪費(fèi)、自然災(zāi)害及病蟲害風(fēng)險(xiǎn)感知力低以及裝備性能指標(biāo)評(píng)估體系缺乏等問(wèn)題，引入數(shù)字化技術(shù)，在提升柑橘園自動(dòng)化水平、提高資源利用率、增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)感知力和建立評(píng)估體系方面具有重大意義，未來(lái)從加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型、創(chuàng)建數(shù)字化果園系統(tǒng)、提高風(fēng)險(xiǎn)感知方法提升數(shù)字化果園建設(shè)，加快建設(shè)數(shù)字化技術(shù)柑橘示范園區(qū)，從而起到良好的示范帶頭作用，推動(dòng)西南地區(qū)柑橘產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。

為促進(jìn)西南地區(qū)柑橘產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，未來(lái)的主要研究?jī)?nèi)容和方向應(yīng)以西南地區(qū)柑橘生產(chǎn)現(xiàn)狀為研究基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及裝備技術(shù)多種技術(shù)建立數(shù)字化柑橘園示范點(diǎn)，夯實(shí)研發(fā)基礎(chǔ)，進(jìn)行推廣試驗(yàn)，促進(jìn)柑橘產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)全面升級(jí)，實(shí)現(xiàn)柑橘生產(chǎn)的全程自動(dòng)化。

參"考"文"獻(xiàn)

［1］

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