一、基本情况

南京农业大学白马农业信息化示范基地位于南京国家农业高新技术产业示范区内，占地约5274亩，总建筑面积约20万平方米，是集产、学、研为一体的现代信息化农业基地，其中智慧农业生产线及智能农机库建设规模约6000平方米，无人智慧农作集成展示区500亩。

白马基地智慧农场积极利用大数据、物联网、人工智能、5G、北斗定位为代表的新一代信息技术，融合了我校参与研发的大田环境监测、作物长势监测、农场数字建模、智慧作业决策、远程智能控制等多个作物种植子系统，形成了一套现代化智慧大田种植体系。其中，“基于北斗导航的智慧麦作技术”荣获农业农村部2020年10大引领性技术，“稻麦生长指标光谱检测与定量诊断技术”荣获2018年国家科学技术进步二等奖。

二、智慧农业应用情况及创新点

（一）智慧农业装备应用情况

1、大田环境监测系统

通过5G网络，将大气、土壤、虫情信息无线采集终端与农田物联网关规模部署在稻麦生产区域，保障气象、作物、土壤、病害、虫害等多源信息快速获取，进一步将多平台获取的多源信息进行有效融合。引入和升级迭代相关核心传感技术装备，优化部署多光谱作物长势信息传感器、土壤墒情监测传感器、大气温湿度传感器以及病虫害传感器等，快速、实时、无损、大面积地获取土壤墒情、大气信息和病虫害信息。

图1 大田观测点

图2 虫情监测设备

图3 5G农业环境监测平台

2、作物长势监测系统

作物长势监测系统集成多种传感器（作物长势传感器、RGB 图像传感器、株高传感器等）与实时监测相机（RGB相机、深度相机、多光谱相机与激光雷达），综合应用物联网、嵌入式技术、智能控制技术、机器人自动导航技术，实现作物不同生育期的田间表型数据（植被指数、作物长势、株高、叶面积指数、茎蘖数、亩穗数、生育期等）的实时多维采集。便携式监测设备包括便携式作物生长监测诊断仪和手持式谷物品质监测仪，可快速、实时、无损的获取田块尺度上作物生长要素，如水稻叶层氮含量、氮积累量、叶面积指数、叶干重等农学参数以及冠层植被指数RVI和NDVI，从而精确化推荐氮肥追施量；谷物品质方面可快速、无损、多指标定量检测水稻、小麦、大豆等谷物籽粒品质信息，包括籽粒蛋白质含量、含水率等信息。

通过巡检无人以及便携式监测设备的应用，结合部署在田间农情信息采集设备，不断采集农作物生长信息（叶面积指数、叶片氮积累量、叶片氮含量、叶干重等），耦合不同生育期水稻适宜生长动态诊断模型，从而实现对作物在时间以及空间上多维度的监测诊断。

图4 大田农情巡检机器人及手持设备

图5 大田作物监测

图6 小麦长势监测

3、农场数字建模

利用RS和GIS技术对白马基地地块进行标注，并通过农田多源信息立体化建模对地块分布、数量、面积、土壤、气象、地块的种植作物品种等多维度实时和历史信息进行分析和展示，并通过产量预测模型结合土壤、气象、长势等多维度数据，动态的预测作物产量，最终形成农田大数据底座，生成数字农田的综合看板。

图7 数字农田综合看板

4、智慧作业决策

基于农田大数据底座建设的基础上，对每一个地块土壤环境情况、病虫状况、作物生长情况、灾害等情况进行实时监测和数据采集，监测预警系统联合作物管理知识模型、生长模型、灾害预警模型等模块，对作物实时远程监测与诊断，为每块农田提供智能化、自动化管理决策，以便对各个生产环节进行管理，及时进行施肥、施药、灌溉等作业。综合考虑每一个地块的作物生长情况、灾害情况、土壤肥力状况等要素，预测作物的产量和品质，以此为根据对每块田地的作物产出价值进行客观评估，并对生产环节进行动态调整。

图8 作业规划

5、智能控制系统

在对农田进行数字建模的基础上，综合统筹多源信息，将生产资料的管理、农田权属管理、农资以及农机作业的管控等信息融合，用信息化的方式进行农事管理，让作物种植更加规范化和标准化。

图9 作业管控系统

智能灌溉系统基于灌溉泵房、进水闸门和排水闸门的智能化控制改造，结合视频监控系统和农情监测系统，在农田灌区的沟渠内建设了物联网的智慧灌溉系统，通过5G专用网，实现灌溉环境信息监测、泵房远程控制及状态监测、智能进排水闸门远程启闭功能，达到了节约灌溉用水和科学、高效管理灌区的目的。在智慧作业决策的基础上，全面提升耕种管收作业装备的无人化水平。根据智慧生产决策系统针对不同生产阶段、不同生产条件提出的生产决策，耦合作物播栽和肥水药调控模型，通过全自动水泵及电磁阀控制系统，实现农田精确灌溉，结合基于高精度北斗卫星自动导航技术，实现稻麦的无人播栽，肥药的无人精确撒喷。

图10 智能化灌溉装备

图11 5G+智能灌溉平台

图12 无人种植农机

（二）创新点与国内外比较

1、在白马基地创新性的建设了一张5G专用物联网，通过复用运营商5G基站资源和垂直组网，实现了田间智能化设备的高速连接，保证了园区流量不出互联网，实现各类设备的安全连接和低延时控制，极大降低了农业场景下的组网成本。农业生产和管理者可以通过开通专网切片业务，在全国范围内随时随地接入本地网络，查看平台数据，对各类智能装备进行远程控制。得益于国内大力推动5G基础条件建设，以江苏为例，2023年底江苏省已全面实现了农村5G覆盖，相较于国外已经处于领先地位，依托5G实现数字农业的全面化、泛在化条件已经成熟。

2、通过建设农业大数据平台，构建及数据分析、数据应用为一体的智慧农场系统，初步实现对白马基地部分实验田块的土壤环境情况、病虫状况、作物生长情况、灾害等多个维度进行监测，基本达到用户无需亲临现场就可随时查阅基地农产品生产状态信息、环境气象信息及设备作业信息，可根据大数据平台信息进行远程智能化精准作业，实现了科研成果展示、装备远程控制、科研远程协助、信息及时保存与分享等功能与目标，节省了教学、生产和科研的时间和路途成本，提高了教学和科研效率。

3、当前，美国、以色列、德国等国家拥有世界高水平农业信息化系统，不仅农业信息化设备比较完备，而且组织化程度、服务质量和管理水平均居于世界前列。我国当前智慧种植市场成熟度不高，产业链整合不充分，农业相较于其它行业，如工控、市政、医疗等，依然存在较大差距。白马基地部署的农业物联网平台目前依赖公司建设，与我校自主研发的各类系统还需进一步对接和完善。

三、成本效益

（一）5G+智慧农业

随着智慧农业的发展，多光谱分析、图像识别、农机远程操控等智慧农业应用对网络高带宽、低时延、高可靠要求越来越高，而传统的物联网协议，如lora、蓝牙等已不能满足带宽和时延要求，而光纤通信又存在易被农业生产破坏、建设成本高等问题。白马基地总面积5500亩，东西向长约5公里，南北向最宽处约1公里，实现整体光纤覆盖约需要敷设地下管道约17公里，造价约800万元（不包括光纤布设和通信终端费用）。而通过复用运营商5G网络，下沉5G专网设备，运营商投资仅需100万元左右。平均部署一处5G通信网关的成本（含太阳能供电系统、防水箱、5G CPE等）约1万元，极大提升了通信设施部署的灵活性和使用效率，减少了不必要的通信投资和运维费用。

（二）无人农场

无人农场采用信息技术均为目前主流通用信息技术，如5G、北斗定位、视觉分析等，技术适用场景广泛，普适性强，易于实施。通过统一智慧农田平台，实现了集约化的耕、种、管、收、存的稻麦种植全生命周期管理，具备规模部署和广泛的接入能力。

1、低污染

通过大田精准作业，相较于传统粗放式管理，可有效节约灌溉水用量约20%，降低农药使用量和废料排放约40%，可有效保护土壤肥力，解决了土地撂荒、粗放经营等诸多难题。

2、高效率

通过对标准化农田进行标定和建模，可实现规模机械化、智能化作物生产，有效提高生产效益，整体农机作业效率提高40%以上，可解决农村劳动力不足、传统农业生产效益低下等问题，加速规模经营发展，为我国乡村振兴、农业增效、农民增收提供技术支撑。

3、高品质

通过智慧种植系统实时监控作物生长状态，及时发现病虫灾害，尽早干预作物生产，同时通过大数据分析决策精准施肥、精准灌溉，可实现最优品质生产，有效提升作物产量和品质，稻麦种植每亩增收约80元。

4、易复制

在长期生产实践中积累的农业数据，有助于农业数据沉淀和生产模型完善，不断优化智慧种植知识体系，该体系有数据、有办法，使农技指导更有依据、更加科学，可解决以往农业社会化服务能力不足的问题。