人工智能在设施园艺中的应用现状及发展前景.pdf

中国果菜 China Fruit 2 Zoucheng Agro technology Extension Center Jining 273500 China Abstract Protected horticulture is a modern agricultural model that uses artificial structures to regulate the growing environment and provide optimal conditions for horticultural crops Artificial intelligence AI aims to simulate human consciousness thinking and information processing processes enabling machines to perform complex tasks that require human intelligence The artificial intelligence based protected horticulture industry is a new type of intelligent project that highly integrates technologies such as artificial intelligence protected cultivation industrial equipment big data and the Internet of Things It can promote the rapid upgrading of the 设施园艺是利用人工建造的设施 如玻璃温室 大 棚等 抵抗外界不利于作物生长的因素 为园艺作物生 长创造适宜的环境 以实现高效生产的一种现代农业方 式 设施园艺可以是由遮阳棚 防虫网等组成的简易设 施园艺 也可以是目前应用比较广泛的日光温室 塑料 大棚等常规设施园艺 2022年统计数据显示 我国设施 园艺总面积超 280 万 hm 2 占世界设施栽培总面积的 80 以上 其中 蔬菜栽培面积占比 81 占据绝对优 势 1 3 随着经济的发展 自动化控制系统以及可实现环 境因子的精准调控和无人化管理应用于设施园艺业 从 而形成了智能温室 植物工厂等高端设施园艺 利用设 施园艺进行生产可实现环境可控 高效高产以及技术集 成 设施园艺规模化集中 资源优势显著 在节约土地的 前提下 实现效益突出增长 4 人工智能是近些年科技飞速发展的产物 5 6 其在设 施园艺上的应用主要体现为将工程技术 信息技术 环 境技术以及人工智能技术等融为一体 将机械化 信息 化 智能化与农艺措施结合应用于农业生产 可缓解人 工成本增加 农业从业者减少带来的负面影响 7 如通过 自主研发的 智小农 系统进行人工智能指导管理 能够 自动调节室内温 光 水 肥 气 精准打造最适宜番茄生 长的环境 每667 m 2 产量为1 5 2万 kg 按市场价格 10元 kg计算 年产值可达 15 20万元 人工智能应用 在设施园艺产业上 可有效提升农业生产能力 增强风 险抵抗能力与市场竞争力 提高单位面积的生产效率 精准把控作物生长过程中环境变化 提升资源利用率以 及劳动生产率 如 棚掌柜 系统在全国23个省份推广 13 000多棚 帮助农户每667 m 2 平均增收20 且单个 农户可通过手机远程管理数百个大棚 彻底改变 全 家上阵管棚 的传统模式 本文对我国设施园艺的发 展历程进行简要阐述 并对人工智能的应用现状进行 介绍 针对当前设施园艺人工智能的应用现状 对未 来的发展方向提出建议 以期为人工智能设施园艺的 发展提供参考 1 我国设施园艺的发展历程 新中国成立以后 随着生产关系的变革以及人们生 活水平的提高 设施园艺业得到快速发展 早期的设施 园艺受当时经济发展条件以及技术水平的限制 主要由 简单的阳null 风障等设施组成 且主要分布于北方大城 市的近郊位置 随着经济的快速发展以及国家对 菜篮 子工程 的重视 简易设施园艺的产出品已不能满足人 们日益增长的生活需求 塑料大棚 日光温室等设施的 出现促进了园艺业发展 随着劳动力成本的增加 年轻 的劳动力不愿从事繁重的体力劳动 于是出现了当代智 能温室 8 从简易设施到现代的智能温室的发展历程大 致可划分四个阶段 1 1 传统园艺设施改良 新中国成立后10年 由于各行各业百废待兴 设施 园艺产业发展虽有基础但很薄弱 农业技术人员在总结 传统设施园艺生产经验的基础上 推进了风障 阳null 加 温单屋面温室蔬菜栽培技术的推广应用 这些设施园艺 主要分布于北方城市的近郊 产品由于没有冷藏条件和 物流转运系统 产品主要供应附近城市null民 20世纪50 年代末至60年代末 技术革新的重点放在了开展单屋面 土温室改良和塑料薄膜大中小棚蔬菜生产技术的研究 上 这些技术措施的改良和应用推动了设施蔬菜生产的 发展 9 50年代末 改造了一面坡加温土温室 研发出北 京改良式温室以及鞍山两折 三折式温室等单面加温温 室 主要用于早春育苗和秋延迟蔬菜栽培 从日本的引 入PVC薄膜于蔬菜生产中 进一步促进了设施蔬菜生 产 60年代末 北方大中城市郊区初步形成简易覆盖null 田 阳null 拱棚和单面加温温室体系 为调节城市郊区蔬 菜周年均衡供应发挥了重要作用 中国果菜 modern horticulture industry and realize a qualitative leap in the horticulture industry This article briefly described the development process of facility horticulture industry analyzed the current application status of artificial intelligence in the facility horticulture industry mainly from the aspects of seedling production field management etc Based on this it look forward to the future development prospects of intelligent facility horticulture in order to promote the intelligent development of facility horticulture Keywords Artificial intelligence protected horticulture current application status development process 产业发展90 1 2 设施园艺大力发展 20世纪70年代至80年代末 设施园艺的发展主要 体现在阳null改良 塑料大棚和地膜覆盖技术的应用推广 上 日光温室 连栋日光温室的投入使用 推动了设施园 艺的发展 70年代初 技术人员改良了阳null 完善了塑料 大棚蔬菜生产技术 推动了大棚蔬菜生产技术的快速发 展 统计数据显示 1980年全国不同类型棚室栽培面积 为6 667 hm 2 我国设施棚膜蔬菜第一次高潮形成 随着 我国低密度聚乙烯农膜和镀锌管架大棚骨架的组合研 究成功 并投入生产 1988年大棚设施面积达10 87万 hm 2 由此形成了我国设施蔬菜生产的第二个高潮 80年 代末 节能型日光温室的出现 使 20 以上地区成功实 现了冬季不加温黄瓜种植 是我国蔬菜园艺史上的重大 突破 此外 果树 花卉以及食用菌等作物也被部分省份 和大城市列入设施园艺发展规划中 促进了设施园艺业 的全面发展 10 1 3 设施园艺整体提升 从20世纪90年代到21世纪初 日光温室的整体技 术进一步提升 不仅应用了温室加温技术 还推广了遮 阳避雨棚等技术 为夏季安全生产提供了重要保障措 施 90年代初期 第一代节能温室除了在京郊附近发展 壮大外 山东 河北乃至内蒙古 黑龙江等地也研发出适 合本地的第一代日光温室 并对日光温室进行了性能升 级 将夜间室内外温差提高到30 实现了在室外环境 25 时 温室内番茄和黄瓜正常生产 此后 山东 河北 河南 江苏等省份也相继研制出第二代日光温室 随后 在2007年 科研人员又成功研制出第三代日光温室 将 夜间室内外温差提高到35 实现在室外环境 28 不加温的前提下 实现了番茄和黄瓜的正常生产 日光 温室自1983年开始发展 建设面积跨越式提升 1990年 为2 2万hm 2 2000年发展到38万hm 2 2010发展到80余 万hm 2 为北方蔬菜周年供应和农民增收做出了重要贡 献 同时 国外连栋温室技术的引进 有效促进了设施园 艺水平的整体提升 11 13 1995年我国塑料拱棚面积为18 7 万hm 2 2010年面积发展到150万hm 2 设施栽培面积增 长了近8倍 1 4 智能化设施园艺开启 自2010年之后 现代节能日光温室 节能塑料大棚 的研究应用 超大型连栋玻璃温室的引进和研制 设施 园艺的初步框架已经形成 提升的空间和重心转移到环 境调控 生产作业 生产模式和资源利用优化等方面 环 境调控实现从 人工判断 到 数据驱动 的过渡 生产作 业逐步从人力作业到 机械协同 管理模式从经验管理 转向 智慧决策 以及能源从粗放消耗实现高效循环 典 型代表如 植物工厂 的出现 植物工厂生产技术的探索 应用 宜机化生产模式的开发 进一步提升了我国园艺设施 的发展水平 使第三代节能日光温室园艺作物生产技术得 到持续优化 温室环境的自动化调控以及设施智能化的逐 步投入使用 大幅提升了我国设施园艺的生产水平 2 人工智能在设施园艺上的应用现状 2024年 我国智能园艺系统行业市场规模达147 3 亿元 同比增长18 6 从区域分布来看 华东与华北地 区是主要市场 2024年两区域合计贡献了全国总市场规 模的58 3 受劳动力转移 减小劳动强度以及节约成本 等方面的影响 园艺设施自动化 智能化是生产发展的需 求与趋势 目前我国部分地区在设施环境自动化控制 作物整形与授粉 病虫害null测与防控 智能化采摘以及加 工等方面加大研发力度 减少劳动力成本 提升生产效 率 提高资源利用率以及操作舒适 在实现自动化和智能 化生产上迈出重要步伐 随着国家对智慧农业的政策扶 持力度加大 以及人工智能技术的不断进步 智能园艺系 统在我国设施园艺领域的应用前景十分广阔 2 1 种苗生产智能化 种苗生产涵盖null前处理 null种 嫁接 移栽和定植等 环节 目前我国的蔬菜育苗大多采用工厂化繁育种苗 苗期水肥管理多采用水肥一体化智能管控系统 在智慧 嫁接方面 中国农业科学院在自动化嫁接方面取得了突 破性进展 采用机械手配套植物黏结剂 将育苗的成功率 提高到75 以上 种苗生产过程利用人工智能 物联网 大数据 自动化控制等先进技术 从精准null种开始 到育 成工程化的商品苗 全部实行了智能化管理 南京国家 农创中心的无人智慧种苗工厂 全流程自动化null种 将null 种准确率稳定在98 以上 还配备了智能催芽愈合室 通过精准调控温湿度 光照与气流 为种子催芽及嫁接苗 愈合创造了最优环境 2 1 1 null种自动化 null种自动控制技术自动调整null种深度 速度 方向等 产业发展 刘娟 等 人工智能在设施园艺中的应用现状及发展前景 91 中国果菜 参数 确保null种质量 图像识别与处理技术利用摄像头 捕捉作物生长初期的图像 通过图像识别与处理技术分 析植株形态 辅助进行null种位置的精准定位 李鑫 14 认 为 改良的气吸式精量null种系统配备微型摄像头实时null 测null种质量 可使种子单粒null种准确率达98 3 漏null率 降到0 7 以下 智能连栋育苗温室配备自动化null种线 全自动物流苗床系统和潮汐式灌溉系统等先进设备 实 现蔬菜育苗全流程的智能化 自动化 这些试点项目的 建设实施 将带动我国智慧设施园艺产业快速发展 目 前我国null种设备的研发和应用还处在起步阶段 部分设 备 排种 自动化设备 研发已取得了一定效果 15 17 但在提高null种的精度和稳定性仍将是今后研发主要目 标和方向 存在很大的提升空间 2 1 2 智能化嫁接 智能化嫁接是指利用先进的机器人技术 计算机视 觉 人工智能等手段 实现植物嫁接过程的自动化和精准 化 张峰峰等 18 采用智能化自动嫁接将辣椒和番茄的砧木 贴合度分别提高到合格率的100 98 33 据研究 第五 代茄果类嫁接机器人 采用气动为主 电动为辅的方式 可以自动完成削切 导向 嫁接 双工位变换 自动夹持上 料 实现机械化连续作业 嫁接效率提升30 40 2 1 3 智能化移栽 智能化移栽是推动农业现代化的关键一环 其是利 用先进的信息技术 自动化控制技术和机械装备等 实 现植物移栽过程的精准化 自动化和高效化发展 当前 生产上借助北斗导航技术进行精准定位 利用视觉和传 感技术对种苗的位置 大小 生长状态和土壤状况进行 判断分析 为移栽提供准确数据 然后采用机械手 自走 无级变速底盘等自动化机械装置 实现自动取苗 投苗 打穴 覆土 压实等一系列移栽动作 我国的穴盘苗移栽 设备研发方面起步较晚 目前还没有成熟的商业化运作 产品 但针对移栽的机器视觉分级和针对不同类型的幼 苗末端执行器的研究已取得初步进展 19 20 曹玲玲等 21 认 为智能化核心技术自主创新能力不足 高精度传感 智 能控制等关键领域依赖进口 导致装备成本高且创新受 限 同时 装备性能与农艺需求适配性不足 null种移栽合 格率低 幼苗损伤及极端环境调控滞后等问题突出 2 2 田间管理智能化 生产过程的智能化是设施园艺发展的重点 目前 我国在环境检测和调控 水肥管理 病虫害null测和田间 管理上进行了智能开发 通过感温探头与高清摄像头采 集田间基础数据 通过物联网传输到智慧大脑 智慧决 策系统作出决策 将指令传输达到设备终端进行相应的 田间操作 大大节约了劳动力资源和操作的舒适度 在 一定程度上实现了设施园艺的智能化 2 2 1 环境null测与调控实现智能化 环境调控是保障设施园艺成功生产的重要前提 良 好的环境条件可以提升生产资源的利用效率和生产管 理效率 23 24 环境调控智能化 是将人工的卷帘 放风 灌 溉等操作 转变为由系统自动处理与决策 智慧农业决 策系统通过传感器 智能控制柜 气象站等设备 实时null 测大棚内的光照 温湿度 土壤等环境数据 并自动调控 风机 水泵 遮阳等设备 实现精准施肥和按需灌溉 节约 水电 提升资源利用效率 郭嘉等 25 研发的设施农业智能 化控制中枢和设施农业智能化控制设备 实现了智能化 调控设施环境 打造了高效能的智能园区 极大地节省 了人力成本 降低劳动强度 提高工作效率 朱于超 26 研 究认为 智能温控设备在大棚蔬菜生产中能够显著提升 蔬菜的产量 品质和经济效益 智能化调控设备应用于 设施农业 将会促进设施园艺业的升级换代 促进设施 园艺业向更高层次发展 创造更多的产业价值 2 2 2 病虫害null测防控智能化 智能化病虫害null测技术是根据传感器进行病虫害 图像识别 借助大数据分析 对作物的病虫害进行实时 null测和预警 通过大数据分析的结果 对病虫害发生情 况进行防治决策 进入21世纪 物联网 大数据 深度学 null 人工智能等现代信息技术加速了病虫测报智能化发 展 大大提高了测报数据的准确性和时效性 25 26 初步实 现了病虫测报的自动化和预警的智能化 预警null测信息 的准确性与及时性对于降低病虫害造成的损失至关重 要 27 当前设施智能管理系统通过虫情测报灯诱捕害虫 图像识别模块自动计数并识别种类 对于常发性 个体 相对较大 特征明显的害虫识别准确度较高 但对于小 型 体态特征不明显的昆虫 目前还无法做到准确识别 由于病虫害null测的复杂性 尚未有成熟的病虫害智能null 测系统应用于生产 目前还主要依赖于 预防为主 综合 防治 的防控策略 产业发展92 2 2 3 田间日常管理智能化 在设施园艺生产中 田间管理是生产过程中最耗费 劳动力成本的工序 通过智慧管理系统 一些生产环节 可实现机械化 如黄瓜的摘叶 放架 西红柿的打顶 去 侧枝 以及根据自动识别系统 对成熟的果实进行采摘 在苹果 西红柿以及茶叶等领域已开始使用 28 30 该技术 通过机器人技术 机器视觉 AI算法等手段 实现农产品 自动识别 定位 抓取与分拣 能大幅提升采摘效率并降 低人工依赖 目前在果蔬领域应用已较为成熟 如苹果 采用机械采摘要改变原来的立体树冠变成平面型树冠 西红柿的果穗要尽可能裸露于机器可以检测到的位置 等 但设备初期建设成本较高 尚无通用型的机器及设 备投入运营 一null系统投入运用 可实现从耕整地 null 种 巡检 打药 采收 转运全程生产的无人化 可支持昼 夜24 h不间断作业 3 设施园艺智能化的发展趋势 3 1 智能化程度不断提高 随着人工智能与大数据技术的飞速发展与深度融 合 设施园艺的智能化正由单点自动化向全域自主决策 的更高阶段null进 未来 智能化系统将首先在数据感知 层实现跃升 通过部署更密集 更多元的物联网传感器 如高光谱 多光谱 激光雷达等 不仅采集传统的温 光 水 气 肥数据 更能实时获取作物株高 叶面积 茎 秆微变化 果实形态及早期胁迫症状等本体生理信息 构建作物生长与环境互作的 数null孪生 体 基于此海 量 多维的数据基础 人工智能将发挥核心作用 通过深 度学null和机理模型融合 系统能够更精准地模拟和预测 植物在不同生长阶段的需求 并前瞻性地研判环境变化 的潜在影响 如提前预测霜冻 热害 病害风险 或动态 优化光 温 水 肥耦合供给策略 最终的智慧决策与执 行将变得更为精准 主动且协同 智慧决策系统发出的 指令 将驱动环控设备 卷帘 风机 湿帘 补光 水肥一 体化系统 甚至是机器人 巡检 授粉 采摘 等形成联动 响应的整体 实现从单因素控制到多因子协同优化的跨 越 这不仅将切实实现设施园艺的全自动化 智能化管 理 逐步减少人工干预 更将推动生产模式从 经验驱 动 向 数据驱动 的根本性转变 从而在稳定提升产量 和品质的同时 显著降低能耗与资源消耗 实现绿色 可 持续的高效生产 3 2 多项技术融合发展 设施园艺生产过程中 蔬菜null种 育苗技术 病虫 害null测防控 生产自动化作业等体系将会更加完善 后期会将人工智能与育种科学深度融合 搭建更完善 的种质资源数据库 开发更精准的育种设计智能模 型 缩短新品种研发周期 培育出更多优质 高产 抗 逆性强的蔬菜品种 病虫害null测技术结合大数据分 析 可以预测病虫害的发生趋势 提前制定防治策略 减少农药使用量 实现绿色防控 人工智能的发展会 将物联网 大数据 云计算 5G 等技术深度融合 构建 更完善的智慧园艺管理系统 逐步实现从生产到销售 的全链条智能化管理 提升产业的综合竞争力 设施 园艺智能体系的运用 可大大降低人力成本 提高生 产效率 尤其在劳动力短缺的情况下 优势将更加明 显 智能技术的不断完善和发展 将人们从繁重的体 力劳动中解放出来 而智能化设备的研发和改造升 级 则会促进智能化园艺设施的进一步发展 参考文献 1 李天来 我国日光温室产业发展现状与前景 J 沈阳农业 大学学报 2005 36 2 131 138 2 郭世荣 孙null 束胜 等 我国设施园艺概况及发展趋势 J 中国蔬菜 2012 18 1 14 3 刘凤之 王海波 李莉 等 我国设施果树产业现状 存在问 题与发展对策 J 中国果树 2021 11 1 4 4 安志信 鞠佩华 郭富常 等 温室发展进程初释 J 农业工 程学报 1990 6 2 22 25 5 齐飞 周新群 张跃峰 等 世界现代化温室装备技术发展 及对中国的启示 J 农业工程学报 2008 24 10 279 285 6 TILLETT N D Robotic manipulators in horticulture A review J Journal of Agricultural Engineering Research 1993 55 2 89 105 7 KONDO N MONTA M FUJIURA T Fruit harvesting robots in Japan J Advances in Space Research 1996 18 1 2 181 184 8 李天来 齐明芳 孟思达 中国设施园艺发展60年成就与 展望 J 园艺学报 2022 49 10 2119 2130 9 刘步洲 陈端生 发展中的中国设施园艺 J 农业工程学 报 1989 5 3 38 41 产业发展 刘娟 等 人工智能在设施园艺中的应用现状及发展前景 93 上接第73页 26 罗国才 杨敏 罗null文 等 矿源黄腐酸钾配施硼对大方皱 椒产量 品质及土壤有效态铅的影响 J 耕作与栽培 2024 44 2 101 103 27 陈玉林 倪琳琳 周园园 等 生物null激素在设施番茄上的 应用效果研究 J 上海蔬菜 2022 1 51 55 28 李有福 张nullnull 段惠敏 等 河西荒漠绿洲区加工番茄果 实品质综合评价 J 西北农林科技大学学报 自然科学版 2022 50 10 125 134 29 魏保国 王明友 生物菌肥对设施连作番茄生长及产量和 品质的影响 J 北方园艺 2014 2 172 175 10 谷元昌 肖韵琴 保护地果树栽培的现状与展望 J null宁果 实 1983 4 26 32 11 李天来 齐红岩 齐明芳 我国北方温室园艺产业的发展 方向 现代日光温室园艺产业 J 沈阳农业大学学报 2006 37 3 265 269 12 李天来 设施蔬菜栽培学 M 北京 中国农业出版社 2011 55 58 13 孙null 高洪波 田婧 等 我国设施园艺发展现状与趋势 J 南京农业大学学报 2019 42 4 594 604 14 李鑫 智能化辣椒种植全程机械化技术集成与应用 J 粮 油与饲料科技 2025 8 64 66 15 姜凯 张骞 王秀 机械式自清洁null种头设计与试验 J 农 业工程学报 2013 29 20 18 23 16 杨艳丽 辜松 李恺 等 大粒种子定向精量null种装置参数 优化试验 J 农业工程学报 2013 29 13 15 22 17 田素博 杨继峰 王瑞丽 等 蔬菜嫁接机嫁接夹振动排序 装置工作参数优化试验 J 农业工程学报 2014 30 6 9 16 18 张峰峰 王家胜 吕振红 蔬菜自动嫁接机砧木初切机构 设计与试验 J 农业工程 2025 15 4 43 47 19 高国华 冯天翔 李福 斜入式穴盘苗移栽手爪工作参数 优化及试验验证 J 农业工程学报 2015 31 24 16 22 20 韩绿化 毛罕平 胡建平 等 蔬菜穴盘苗自动精确移栽组 合式取苗机构设计与测试 英文 J 农业工程学报 2015 31 S2 17 23 21 曹玲玲 曹彩红 姜凯 等 我国芹菜育苗机械化装备与技 术研究进展 J 农机化研究 2026 48 1 277 285 22 RAMIN S R KALANTARI F TING K C et al Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture A transition to plant factories and urban agriculture J International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2018 11 1 1 22 23 刘秀丽 李志胜 苹果水肥一体化技术研究进展 J 烟台果 树 2017 4 6 9 24 李增源 王绍雷 姬廷廷 等 设施葡萄智能化水肥管理体 系研究 J 中国土壤与肥料 2022 1 73 80 25 郭嘉 芦天罡 王null 等 北京市设施温室智能环境调控技 术研究与应用 J 农业工程 2025 15 3 68 73 26 朱于超 智能温控设备对大棚蔬菜生长环境调控的影响 J 农业工程技术 2024 44 26 42 43 27 秦伟博 于合龙 毕春光 等 激光技术在植物保护中的应 用与研究进展 J 吉林农业大学学报 2025 47 4 618 625 28 刘万才 朱景全 赵中华 等 我国农作物病虫害绿色防控 的研究进展 J 植物医生 2021 34 5 5 12 29 马健 刘杰 黄文江 等 我国农作物病虫害null测预警技术 50年回null与展望 J 植物保护 2025 51 5 87 97 30 沈熙程 王沈策 史雨霖 无土垂直农业中圣女果采摘设 备的模块化与智能化设计研究 J 中外食品工业 2025 9 33 35 31 杨化伟 矮砧密植果园苹果智能化采摘关键技术研究 D 泰安 山东农业大学 2024 26 29 32 高一聪 许晨 林琼 等 茶叶生产装备自动化与智能化技 术研究进展与展望 J 农业机械学报 2024 55 7 1 14 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 产业发展中国果菜94