*接2019年1月16日 第2期*
2.2 人、机器和作物共生
要开发商业化综合杂草防治策略，机电一体化(电和机械工程结合)、机器学习和自动化机器等技术方案将具有重要作用。技术性杂草防除不再陌生，20世纪60年代，加利福尼亚大学戴维斯分校对智能机器商业化用于农场作物栽培，以及英国对机器自动化用于甜菜疏苗进行了早期开发研究。20世纪90年代，加利福尼亚大学戴维斯分校成功开发出智能、精准的脉冲喷射技术(pulsed-jet spray technology)，即移动平台上的机器人系统能够在田间杂草的单个叶片（1cm）上施用微量除草剂。
研究表明，先进的智能机技术能够在成行的作物田中杂草密度低时自动防除杂草，然而，商业化用于所有作物还存在诸多问题，如杂草品种和生长条件仍有待研究。目前，阻碍完全自动化杂草防除机器应用的最重要技术瓶颈为，缺乏能以95%的比率检测和区分田间相似作物和杂草的传感器。虽然已开发了先进的鉴定品种的软件演算法，用于确定只有单个叶片图像的植物品种。然而，Hearn表明，即使应用先进的叶形状识别算法，用自动机器识别方法也只能识别151种品种的72%。以叶或植物形状为特征进行识别的传统机器视觉感应存在问题，因为杂草和作物叶片的混杂会遮挡视线。在早期生长阶段，杂草密度低，从植物的大小和种植方式易于区别作物和杂草，故取得了一些商业化成功；在杂草发生中等或较重时，植物大小不是检测杂草的可靠方法，需要新的方法来鉴别杂草。目前，有2个最有发展前景的自动杂草防除系统的感应技术，分别为高光谱成像法和用于种植的作物绘图传感器(crop-mapping sensor)的系统方法。
在杂草密度高的情况下，监测杂草的高光谱成像法比基于形状的监测法更有效，因为此方法能测定整个植物或叶片形状图像的每个点的发射谱。通过识别每个点的谱特征来确定植物种类。Zheng和Slaughter发现，此方法除了能识别部分被遮挡的叶片，还能很好地区分相似度高的植物种类，例如番茄和龙葵(Solanum nigrum)，具有辨别相似叶形状品种的能力。Hyperweeding方法由基因型决定，但环境相互作用对每个品种光谱反射率的影响也会对其造成影响。为了能够商业应用，设备生产者需要开发先进的机器学习方法，能够刻画较广生长环境中重要作物和杂草品种的光谱发射率。Zhang等人对2个阶段专家系统的机器学习方法进行了研究，此机器学习方法首先应用“环境专家”，即以以前的权威知识数据确定与当前季节最匹配的以前生长季节的环境；然后，第二步应用“品种专家”，即以以前最相似生长环境数据对未知植物品种进行分类，来准确地区分作物和杂草；他们的研究表明，这种机器学习方法能很好地与一定环境条件下的植物基因型对应。
系统方法是另一个有发展前景的技术，可短期内商业化用于开发智能机器进行自动化杂草防除。在此系统方法概念中，种植时绘制作物-植物位置用于后来作物的保护，例如杂草防除。除草机器人根据生长季节后期的实时作物-植物图，一旦有杂草出现，根据位置就能够区别作物和杂草。研究者已表明，利用精确到厘米的实时动态GPS在种植期间对作物位置进行实时作图具有可行性。PérezRuiz等人开发了自动的GPS除草系统，并经研究表明，利用GPS作物-植物实时位置图和一对小型机器人锄头自动杀灭作物行间生长的杂草具有可行性。此技术有2个优点：一是不需要受环境相互作用影响的作物或杂草基因型知识，能用于大范围的作物品种和生长条件；二是精确到厘米的GPS系统已在农业中商业化使用，随着此类型技术的发展、精准度的提高与被采纳，其费用可能下降。
2.3 机器人除草时代的开启
机电一体化和自动化技术可能更有效，可商业用于未来杂草防除策略，现已用于工业化国家的特色作物。一般，西兰花、甘蓝、田间种植的花、中草药、生菜、洋葱和番茄等作物田是手工防除行间杂草。工业已对行间中耕机自动化需求做出了反应。例如丹麦的Robovator行间中耕机为每行作物装备了2个平刃齿，在土表下1～2cm处割除杂草。此平刃齿安装在行间区域，当其接近作物时，计算机系统会调控平刃齿来安全穿过作物，然后再使其处于除草的位置。Robovator系统通过识别作物行和作物与杂草大小差异来辨别作物和杂草。对于Robovator，每行都有一个摄像机，摄像机的图像处理用以确定作物的位置，然后，计算机把信号传导到除草执行器(actuator)，使其在适当的位置打开和关闭。与标准中耕机相比，Robovator在西兰花田和生菜田的除草时间分别减少39%和27%。
从斯坦福大学衍生出来的机器人公司Blue River Technology 正在开发另一个现有方法。他们已经商业化了LettuceBot，此机器能精确地进行生菜田疏苗，现正把在棉花田精准应用除草剂防除杂草的名为“See & Spray”的技术引入市场。他们的方法为广泛收集植物图像，使机器能够辨别作物和杂草。他们指出，该方法“不依赖空间和颜色”来检测植物间的差异。此方法的优点为潜在地降低除草剂的用量，特别是杂草密度低时，除草剂的精准喷雾和撒施间存在的差异显著。
自动除草技术是替代性杂草防除工具，与在过去60年中占主导地位的传统除草剂相比，更有发展前景，至少对特色作物来说是如此。目前全球有许多公司具有机器人的知识和技术，能够开发自动化杂草防除设备，开发机器人除草机比开发除草剂的费用要低。因为自动化生菜疏苗器依赖于自动化控制喷嘴来精准应用除草剂或肥料；自动化行间中耕机依赖于改进的锄头刃。但是，有许多杂草防除技术要开发为自动化，如激光器、序贯燃烧或喷雾摩擦等。自动化杂草防除功效是传统杂草防治技术和机器人之和。自动化技术、杂草检测和驱动(actuation)与杂草防除设备结合在一起时，就创造了一个全新、高效的工具。
（*未完待续·更多精彩请参阅下期*）
QQ:394529587