航天技术助力智慧农业

  农业是国民经济发展和社会稳定的基础，“三农”工作始终被视为国家工作的重点，摆在治国理政的重要位置。从2004年起中央一号文件持续聚焦农业，既体现了国家对农业和农村的重视，也体现农业和农村的重要性。全面建设社会主义现代化国家，最艰巨最繁重的任务仍然在农村。农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，面对21世纪新的情况和新的局面，中央政府提出实施乡村振兴战略。通过推进乡村产业、人才、文化、生态和组织等方面的振兴，实现乡村社会经济文化整体繁荣兴旺。

  航天农业应用技术是目前最具有科技含量的农业新兴应用技术，是世界农业领域中尖端的科学技术课题之一。航天农业的诞生与发展为我国现代化农业的发展提供了一条高新科技的道路，实现航天科技对生产力的有效转化，解决了农村产业和农民就业问题，确保群众长期稳定增收、安居乐业，推动乡村产业振兴。

  航天农业是集航空航天技术（高空探测火箭、航天育种、无人机技术等）、卫星应用技术（遥感技术、卫星通信、北斗定位、气象卫星等）、互联网+技术（物联网、大数据、云计算等）、生物技术、农业种植技术等一系列集最新科技于一体的新型高科技农业。

  航天农业，用航天技术服务、改造、提升中国农业，全方面提高农业生产技术上的含金量、提高生产效率，以减少相关成本，增加农业国际竞争力，实现可持续发展，保证稳定产出和供给，为国民经济稳定发展提供坚实基础。

  航天农业时代，随着慢慢的变多更具科技含量的新技术新设备新设施应用到农业领域，农业的生产模式、运营模式、组织管理模式等必将会出现重大的变化。

  1.空间生物技术：通过航天搭载诱变，分子生物技术和传统技术相结合，定向培养优质、抗逆、高产植物新品种和特异性品质。

  2.航天航空技术：根据火箭增雨作业的原理和火箭飞行速度和高度的关系分析技术，确定作业目标、时机和部位；依靠农业无人机对农业进行农田药物喷洒、农田信息监测等应用，提高效益和安全性。

  3.卫星应用技术：将卫星遥感技术与农学各学科及其技术相结合，利用遥感技术进行土地资源的调查；利用卫星作为中继站来转发无线电波，实现卫星通信；利用北斗定位导航技术建立农业农田管理数据库、定位土壤取样检测，合理施肥灌溉；建立气象无线传感器网络，实现农田精确的天气预报，根据大数据的统计数据，对一系列影响农作物正常生长的灾变采取预防措施。

  4.可持续发展：未来农业生产更注重生产的可持续性，任何竭泽而渔的手段都会给未来生产埋下毁灭的种子；未来农业生产分工更细，各个生产环节和专业之间的协作将更加紧密，高度的商业化才能促进整个产业的协调发展，利润均衡，和谐共赢。

  5.建立与航天农业相适应的政府宏观调控机制：未来农业生产的规模更大，市场经济的盲目性对农业生产造成的危害也会更大，建立与之相适应的宏观调控机制，补齐农业生产发展的短板是必要和必需的。

  卫星遥感、空间科学试验、卫星通信、卫星定位等航天技术与未来农业的生产息息相关，可以深度的参与农业生产的全部过程（图1）。

  国民经济的发展先要制定规划，制定规划的前提是了解“家底”，卫星遥感技术已深度参与到了这样的一个过程中，定期的国土资源调查就是了解“家底”的过程，随着遥感技术的进步，目前可通过各类专项遥感数据快速而精准的完成这一过程。农业生产是先进遥感技术的受益者，未来农业的生产将是：资源调查→国土空间规划→土地利用规划→基本农田红线→农业发展规划→作物种植布局→作物种植计划。

  森林大多分布于山地区域内，人迹罕至，进行森林资源调查是十分艰难的工作。利用卫星遥感结合无人机遥感，则可以比较轻松迅速以较小的代价完成对森林资源的调查，从而制定合理规划利用和培育计划。

  随着未来农业规模化发展，农业生产再也不能像过去一样跟风种植，“啥东西效益好，迅速无限扩张；啥东西效益差，迅速萎缩”。利用先进的卫星遥感技术，及时了解种植趋势变化，制定合理的种植布局和支持与引导政策，可以合理平衡各类农作物的种植规模，避免无序扩张带来的“谷贱伤农”事件，也避免各类农产品供给的大起大落，保障社会平稳发展。

  随着社会经济的持续不断的发展，对于农业资源的信息需求慢慢地增大，通过持续不断的发展的遥感技术和地理信息系统等技术，利用深度学习和多种遥感图像分类方法开展多平台、多时期、多类型农业资源遥感监测，可以每时每刻掌握农业资源利用动态。利用遥感技术，可根据地形、作业状态和路径，自动调节播种孔道或喷洒流量避免漏播，减少重复播种的面积，同时能最大限度地为用户节约时机和燃油，提高经济收益。

  农业生产与气象紧密相关，长中短期天气预报、长期气象监测、灾害性天气预警与监测、森林火险预警与监测等这样一些方面卫星遥感比传统地面监测更加准确、快捷。尤其是局部短期灾害性天气的气象监测则更能避免巨大的财产损失。

  在地面气象观测获得的数据中，可以将有用的信息编制成为气象信息数据库。将这一些数据与农业生产相结合，可以给农业生产提供对应的气象信息服务（图2）。对农业生产的气象信息能够直接进行精准的预报，帮助农民提高农作物的生产，以及农作物的播种、收获的时间安排。帮助农户预警可能出现的对农业生产不利的天气情况，使农户能提前预知并进行防范和解决。例如在高温天气中，根据气候高温维持的时间的长短选择对农作物进行及时的灌溉，完善气候灾害的预测和解决措施，使农作物在生长过程中可以趋利避害，为农业的生产提供较为可靠的保障。

  农业生产中农作物的健康生长离不开环境的支持，对土、温、光、水、气、肥等进行实时监测，掌握其变动情况，做出有效的应对措施，促进农作物健康生长，为获得丰收奠定基础。

  利用卫星遥感技术能快速大面积对土壤墒情、肥力、污染、温度进行监测从而判定作物生长环境；利用卫星遥感技术根据覆盖度、叶面积、叶绿素含量等多项指标进行监测从而判定农作物的生长情况；利用卫星遥感技术能够迅速大面积准确获取农作物病虫害尤其是传播性病虫害的发生区域及扩散速度从而制定合理经济的应对措施；综合多项监测结果则可以准确预估农作物的产量从而提前布局应对期货市场的变化，保障市场供应的平稳。

  监测技术的应用，能够全面地掌握每一台机器的具置以及每一台农业机械当前工作状态，通过计算机整理，分析整体农业机械的应用情况，保证农业机械作业的可靠性，有关技术人员也能够第一时间获知农业机械出现的故障问题，以便迅速做处理和解决。实时监测技术的发展，实现农业自主导航、精准施肥、精准播种、智能灌溉等功能，农业生产将实现智能化、数字化、自动化（图3）。不仅提高了农业生产和管理的效率，还降低了劳动力成本和环境污染。

  航天育种是指将植物种子、微生物或试管种苗送到太空，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境（高真空、宇宙高能离子辐射、宇宙磁场、高洁净）的诱变作用，使种子产生变异，再返回地面选育新种子、新材料，培育新品种的作物育种新技术。航天育种具有：变异多、变幅大、稳定快以及高产、优质、早熟、抗病力强等特点。其变异率较普通诱变育种高3～4倍，育种周期较杂交育种缩短约1倍，由8代左右缩短至4代左右。图4为航天育种原理流程图。

  华航一号水稻是我国首个通过国家农作物品种审定的“太空新品种”（图5），通过该品种再繁育，具备丰产、抗稻瘟病、矮秆等种质的新水稻品种超过四十个。

  2020年11月24日，搭乘嫦娥五号登月，历时约23天、76万千米的一批“航二代”稻种，其父本母本均为航天育种成果，分别名为华航31号和航恢1508。此次搭载是全世界独一无二的绕月深空诱变研究，实现了水稻种子深空搭载的首次突破。

  鲁原502是由山东省农业科学院原子能农业应用研究所和中国农业科学院作物科学研究所以航天突变系9940168为母本、济麦19为父本经田间系谱法选育而成的小麦品种。鲁原502年推广面积超过1500万亩。目前，鲁原502小麦累计推广面积超1亿亩，成为中国三大主推小麦品种之一。

  自1987年以来，我国利用航天育种技术已诱变育成一系列高产、优质、多抗的作物新品种、新品系及新种质（图6），其中不少属于具有突破性影响的优良突变。实践证明，航天育种是培育优良新品种的有效途径，能够为促进农作物育种开拓新的思路和办法。

  （a）航椒4号 （b）航茄7号 （c）太空黄瓜图6航天育种新品种

  截至2022年，利用航天育种技术先后培育出水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、花生、芝麻、番茄、青椒、莲藕、苜蓿等较为成熟、大量推广的作物新品种。目前已通过国家级或省级审定的新品种或新组合有260多个，培育成了一批高产、优质、多抗的粮食作物、蔬菜作物、观赏植物、药用植物与其他经济作物等具有多种优势的新品系、新品种，为我国粮食安全做出了巨大贡献。

  精准农业采用3S(GPS、GIS和RS)等高新技术与现代农业技术相结合，按照田间每一块操作单元上的具体条件，通过“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，可以更好地利用耕地资源潜力、科学精准合理规划利用物资投入，以提高农作物产量和品质，降低生产所带来的成本，减少农业活动带来的污染，改善环境质量。相对于传统农业的最大特点是：以高新技术投入和科学管理换取对自然资源的最大节约和对农业产出的最大索取。

  3S等高新技术在现代农业生产活动中应用，能够充足表现其诸多方面的功能，发挥优势作用。北斗导航技术在农业中的应用首先能节约农业生产劳动成本，实现农业机械的无人驾驶，有效代替人工操作，减少人力劳动强度，降低人力成本（图7）。减少农业机械受到自然环境因素的影响，提高农业试生产作业效率，并能够对农业机械进行适时地调整，保证农业作业质量与作业精度。

  农业生产都在野外，条件相对略差。随着以卫星导航为基础的无人驾驶技术的成熟，无人驾驶农机已经在许多地方出现，未来的农业生产可以完全由无人驾驶农机来实现，来提升效率和解放劳动力。

  未来的农业生产将是航天农业的时代，随着未来航天技术的发展和应用，结合其他科学技术的进步，必将进一步服务未来农业。航天技术在农业生产中应用，必须向更加实用的方向发展，农业机械朝着自动化、无人化、智能化运行方向发展。航天技术应用于农业生产，从多方面推动我们国家农业现代化、智能化、科技化发展，对提升农业生产效率、作业质量有着重要的影响，推进乡村振兴的具体落实，真正的完成产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕。