农业中基于人工智能的杂草检测与清除

杂草是农业中一个长期存在的问题，因为它们与作物争夺阳光、水分和养分。如今的挑战不仅仅是“杀死杂草”（拖拉机和除草剂可以做到），而是要有选择性地去除杂草——在不伤害作物的情况下清除杂草。

尖端的人工智能和机器人技术现在提供了强大的新工具。通过使用计算机视觉和机器学习，现代农机能够“识别”单个植物，区分作物和杂草，然后自动去除或消灭杂草。

这些系统有望节省劳动力，减少化学品使用，使农业更加高效和可持续。

1. 人工智能如何识别杂草
2. 人工智能驱动的杂草清除方法
3. 实际案例研究
4. 优势：效率、盈利与可持续性
5. 挑战与推广
6. 未来展望

人工智能如何识别杂草

基于人工智能的杂草控制依赖于计算机视觉和深度学习。安装在拖拉机、喷雾器或小型机器人上的摄像头捕捉植物图像，AI模型（通常是卷积神经网络，CNN）经过训练以区分作物和杂草。

例如，Carbon Robotics上传了数百万张标注了杂草和作物的图像，用于训练其LaserWeeder设备上的卷积神经网络，该设备完全离线运行（无需互联网）。约翰迪尔同样在其自动驾驶拖拉机和See & Spray喷雾器中嵌入视觉系统和CNN，实现实时识别杂草。在研究环境中，定制的AI模型如YOLO变体和视觉变换器在田间识别杂草种类的准确率超过90%。

结果是现代视觉系统能够以像素级精度标记杂草。它们在机器移动时实时工作。

例如，约翰迪尔的See & Spray喷杆配备了多个摄像头和车载处理器，每秒扫描数千平方英尺。每个微小的摄像头画面都由机器学习分析以判断“作物还是杂草？”，如果是杂草，系统会立即激活该位置的喷嘴。

实际上，人工智能将拖拉机变成了一台非常智能的机器人，能够识别田间甚至只有2-3片叶子的细小杂草。

人工智能杂草识别

人工智能驱动的杂草清除方法

一旦识别出杂草，不同系统采用不同方式去除。三种主要方法是精准喷洒、机械除草和激光或热能除草。所有方法都利用AI视觉技术，仅针对杂草进行处理。

精准喷洒（点喷系统）：这些系统在喷杆或移动平台上安装摄像头，仅对检测到的杂草喷洒除草剂。例如，约翰迪尔的See & Spray系统使用喷杆摄像头和AI，平均减少约59%的除草剂使用量。

喷雾器以最高15英里/小时的速度扫描田地，当车载神经网络识别出杂草时，立即激活该植物上方的单个喷嘴。相比之下，传统喷洒会覆盖整个田地。

研究表明，这类点喷机器人可将除草剂用量减少20倍，化学品使用量最多降低95%。瑞士农业科技公司Ecorobotix同样推出了超精准的田间喷雾器，利用AI软件区分杂草和作物，仅喷洒不需要的植物。

实际上，这些AI喷雾器已节省了数百万加仑的化学品——约翰迪尔报告称，其See & Spray系统在2024年覆盖超过一百万英亩，节省了约800万加仑除草剂。
机械除草机：一些自主机器人使用物理工具代替喷洒。例如，Aigen的Element机器人（由多家大型科技公司资助）结合摄像头和AI，配备机械“锄头”从根部切除杂草。

机器人在作物行间行驶时，其算法引导锋利的刀片切碎检测到的杂草。由于是接触式方法，作物不会受损。Element机器人采用太阳能和风能驱动，设计用于持续无化学除草。

类似地，初创公司FarmWise和Verdant Robotics开发了AI引导的耕作机。Verdant的“Sharpshooter”机器人利用计算机视觉仅对每株杂草喷洒微量除草剂，减少约96%的投入。机械方法对有机或特种作物尤为有利，因为这些作物对除草剂使用极为敏感。
激光和热能除草：一种非常新颖的方法是使用高功率激光或热束杀死杂草。美国Carbon Robotics开发了LaserWeeder G2，这是一种拖拉机牵引的设备，配备多个240瓦激光器和摄像头。

其视觉系统（由神经网络驱动）扫描植物，然后发射激光精确烧灼杂草的核心组织。这种方法无化学污染且极其精准：Carbon Robotics声称其定位精度达到亚毫米级，且每小时可处理数百万张图像。

（英国的相关系统Map & Zap同样使用AI引导激光，效果超过90%。）另一种热能方法是火焰除草；一些设备利用定向热量使杂草枯萎。
在所有这些激光/热能系统中，AI视觉至关重要——没有它，高能束会烧毁所有植物。

这些不同的除草方法也可以结合使用。例如，圭尔夫大学开发了一种拖拉机安装的AI扫描仪，能够绘制利马豆田中的杂草密度图。

农民随后只需在标记的区域施用除草剂。未来，我们可能会看到集成系统：机器人根据作物类型和环境条件，利用AI视觉决定是否喷洒、切割或烧毁某株杂草。

人工智能杂草清除方法

实际案例研究

现代AI除草技术已在全球农场投入使用。以下是几个例子：

约翰迪尔See & Spray：这一行业领先系统已被大规模粮食种植广泛采用。2024年试验中，See & Spray喷雾器覆盖超过100万英亩，节省约800万加仑除草剂。

公司报告称，在玉米、大豆和棉花田中，平均除草剂使用量减少约59%。农民们称赞See & Spray带来了显著节省：一位堪萨斯种植者表示，他使用该系统后除草剂成本降低了三分之二。

技术上，See & Spray利用喷杆摄像头和车载神经网络判断“是否为杂草”。一旦检测到杂草，机器会触发单个喷嘴，实现点对点精准喷洒。
Carbon Robotics LaserWeeder：创始人Paul Mikesell（前Uber工程师）花费多年开发了AI驱动的激光除草机。其LaserWeeder G2使用训练好的CNN识别杂草，然后用快速激光脉冲消灭它们。

该系统完全在设备上运行，无需云端支持。Carbon Robotics强调其激光能消除“如笔尖大小”的杂草，防止其与作物竞争。

实际上，LaserWeeder设备（由拖拉机牵引）可昼夜运行，大规模作业。每个模块配备多个摄像头和GPU，操作精度达亚毫米级。

这种精准度意味着几乎不伤害作物，也无需额外耕作。
Ecorobotix ARA喷雾器：瑞士Ecorobotix生产一款太阳能驱动的高精度喷雾器ARA。其“Plant-by-Plant™”视觉系统利用深度学习高速识别杂草。

Ecorobotix声称化学品使用量最多减少95%，因为只针对杂草喷洒。测试显示，AI在机器移动时能以亚厘米精度识别杂草种类，每株植物决策时间约250毫秒。

该公司将其定位于高价值蔬菜和特种作物市场，节省化学品和劳动力至关重要。
Verdant Robotics – Sharpshooter：初创公司Verdant Robotics开发了Sharpshooter机器人，利用计算机视觉识别杂草，然后对每株杂草喷洒微量除草剂。

试验中，Verdant报告称Sharpshooter可减少96%的除草剂投入，除草成本比传统方法降低超过50%。

这是AI支持的点喷技术的又一例子，视觉系统完成了整个喷雾团队的工作。
圭尔夫大学杂草侦测机器人：由Medhat Moussa博士领导的研究团队开发了一个针对有机利马豆农场的原型系统。安装在拖拉机上的AI摄像装置扫描田地，生成猪殃殃等杂草的密度地图。

算法将多张图像拼接，区分利马豆和杂草，帮助农民准确了解田间需要处理的区域。

这种方法辅助人工巡查，节省时间，减少遗漏，指导精准施药。下图展示了他们的自主侦测机器在田间作业。
其他创新：Aigen（美国）正在开发一款完全自主的轮式机器人Element，该机器人利用太阳能驱动，配备摄像头引导的刀片物理铲除杂草。

FarmWise（美国）推出了Vulcan和Titan机器人，利用专有机器学习流程识别并机械清除蔬菜农场的行间杂草。

宾夕法尼亚州立大学推广的拖拉机牵引“智能耕作机”（如VisionWeeding的Robovator，Garford的Robocrop）利用机器视觉精准引导耕作工具。

甚至配备多光谱摄像头和AI算法的无人机也能从空中识别杂草区域，辅助制定处理方案。

总之，无论是大型农场还是小型特色农地，AI驱动的除草设备正以多种形式出现。

现实世界中的人工智能除草

优势：效率、盈利与可持续性

AI除草带来了明显优势：

显著节省化学品：通过仅喷洒杂草，这些系统大幅减少除草剂用量。例如，约翰迪尔报告节省了数百万加仑，相当于100万英亩地的12个奥林匹克标准泳池容量。

研究显示，测试田地中除草剂平均节省60%至76%。减少化学品使用既有利于农民经济，也保护环境。
更高产量与作物健康：更早更彻底地清除杂草有助于作物生长。AI系统能消灭人眼可能忽视的小杂草，防止其抢夺资源。

使用AI除草机的农民常报告作物更健康、长势均匀、产量更高。由于AI在“生长点”处清除杂草，也减少了未来田间杂草种子的压力。
节省劳动力和时间：传统除草劳动强度大（手工或精细驾驶拖拉机）。AI机器人自动完成除草，释放人力。

例如，精准机器人在困难的行作物条件下可减少多达37%的人工除草需求。一位农民表示，借助See & Spray，即使是新手操作员也能达到资深联合收割机驾驶员的表现。
环境与安全收益：减少除草剂意味着水土中化学残留更少。精准技术减少了田间作业次数（降低燃料消耗），许多情况下无需耕作（防止土壤侵蚀）。

麦肯锡咨询指出，这类自动化实现了“三重赢”：生产力提升、农场安全改善（减少人员接触化学品）以及可持续发展目标的推进。
成本效益：所有这些都转化为成本节约。除了减少除草剂，农民还节省了设备使用时间和雇佣费用。

约翰迪尔及其合作伙伴发现，尽管精准喷雾器前期投资较高，但由于投入节省，投资回报期仅需1至3年。许多试验中的种植者在全面使用AI系统后，单位面积除草成本降低了一半以上。