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范晓飞:农业智能时代引航者

发布时间:2021-01-22 02:57:38 所属栏目:物联网 阅读:

原创 祝传海 科学中国人

范晓飞:农业智能时代引航者

范晓飞
求学期间,他在图像处理、光谱成像、人工智能、自动化等现代工程技术领域艰难跋涉,在机器视觉、机器学习、图像处理等方面成绩卓著;
工作后,他选择在生物医学、新品种育种、种子质量检测、农业生产优化、作物表型研究等领域孜孜以求,在农业人工智能领域开辟了一方天地;
如今,踏上祖国的大地,他依然选择农业,志在为中国农业装上智能的眼睛……
他叫范晓飞,现在是河北农业大学教授,博士生导师,“太行学者”三层次引进人才,入选河北省引进高层次人才“百人计划”。
一定要出去,大洋彼岸学习先进技术
在中国民航大学,范晓飞学的是电子信息工程专业。按部就班,毕业后他的去向是民航机务。
对这个很多人向往的职业,范晓飞的看法是,“这个工作,就是拿着一张单子,让修哪里就按照规程修哪里,规程让怎么修就怎么修,不允许有创造性”。
因此,范晓飞选择了考研。本科毕业那年,他考到了清华大学生物医学工程专业。读研期间,他的主要工作是利用近红外光来检测乳腺癌。“这个工作,与图像处理有关”,范晓飞说:“这是我职业生涯中首次接触机器视觉领域。”
研究生毕业,范晓飞选择出国攻读博士学位。2006年,他飞向大洋彼岸的美国密苏里大学,开始博士阶段的学习和生活。在密苏里大学,他做的第一个项目是老鼠视皮层成像。“这项研究,需要把老鼠的头皮去掉,试验完成后需要杀死老鼠”,范晓飞觉得这个工作不适合他。
到了博士二年级的时候,范晓飞换了一个实验,做自闭症检测,“就是通过光学成像的方法来检测自闭症,这些小孩的年龄在6〜16岁”。做自闭症检测的设备是范晓飞他们自己研发的,原理是让光刺激孩子的瞳孔,然后观察孩子的反应,从反应的情况来判断“自闭症的可能性”。
读博士期间,范晓飞一直在视觉图像领域做研究。这个时期,他每周的工作时间几乎都在八九十个小时以上,很辛苦也很充实。2010年,范晓飞进入密苏里州的一家农业企业,在农业领域从事视觉机器的图像研究。一开始,视觉机器方向,只有范晓飞一个人在做。大家有趣地称他为“摄影师”。不过,就是这个摄影师,能为企业的每一种种子带来上百万甚至更多的利润。不知不觉中,企业已经有了100多名像范晓飞这样的“摄影师”。在这个过程中,范晓飞有了自己的团队。用范晓飞的话来说,他的职责就是带领团队帮助企业省钱。
机器视觉,到底是一项什么技术呢?范晓飞喜欢解释得很明白,他说:“就是通过成像技术自动地把好种子和坏种子区分开来。”就是这么一个目标,20多项新技术在范晓飞和他的团队诞生。比如与玉米相关的,有玉米手持式近红外湿度仪、玉米种子高速成像与筛选系统、基于图像的玉米穗尺寸检测系统、基于高光谱成像的玉米胚胎筛选系统等;与棉花相关的,有基于X光成像的棉花种子成熟度检测、基于成像的种子包衣均匀度定量检测算法、棉花种子质量成像系统等;与大豆相关的,如大豆质量成像系统的开发、孟山都美国种子质检中心自动化流水线、种子活力成像系统等;与蔬菜相关的,有三维重建成像对蔬菜可用移植幼苗的检测、蔬菜种子及种子球尺寸测量成像系统、基于行扫描相机和传送带的蔬菜种子质量成像系统、蔬菜果实成像系统的开发及应用等。
到2017年,范晓飞又接手了一个新的领域,就是做技术推广。“这个问题不是我们想象中的最后一公里问题,而是与科研结合非常紧密的一项技术问题”。范晓飞意识到了问题的严重性,“在实验室做得很好的东西,测试了也没有问题,但是当运用到生产环节或者质检环节的时候,就会发现一些很好的技术用不上。所以,那些机器就摆在那里,最后变成一个架子,人们把各种东西堆在上面,慢慢地积满了灰尘,再也没有人去看它一眼”。
针对这个问题,范晓飞牵头成立了一个技术推广组织,就是做研发技术的推广,特别是工程研发技术。“实际上,就是让实验室的技术落地,把实验室到田间的鸿沟填平。”范晓飞说。他当时的想法是,建立一个体系让研发很好地过渡到应用中去。所以,从2017年开始,范晓飞基本上是一边负责研发,一边负责推广。
他们当时做得比较大的一个项目就是在艾奥瓦州的一个玉米加工厂,推广种子检测技术。企业遇到的一个很大的问题是,优质的种子被抛弃,这个量非常惊人。范晓飞带着研发团队,开发出了一套成像系统,成功地解决了好种子和坏种子的区分问题,为企业节约了大量资金。
一定要回来,为自己的祖国工作
说起在四十不惑的年龄回国,范晓飞讲了三个故事。
第一个故事是一个游子的故事。范晓飞在20岁的青春年华选择了出国,他是想出去看看,想学习发达国家的先进技术。因此,他在美国密苏里大学拿到了统计学的硕士学位,生物医学工程学的博士学位,并在生物医学工程方向完成了博士后的研究。迫于生活的压力和技术的稚嫩,范晓飞想去企业历练自己。于是,他选择了视觉图像技术尚未形成气候的农业企业,从种子筛选做起。这一做,就是十几年光阴。
十几年的时间里,当年的毛头小伙子已为人夫,为人父,在企业里也拥有了自己的团队,他的物质生活变得越来越宽裕。但是,随着年龄的增长,范晓飞的心里总是隐隐觉得,“赚钱”这个唯一的动力正在变成阻力,他不想只是为了工资而活着。而此刻,思乡的心理也越来越重。他越来越觉得,自己的所学,不是在为自己的祖国工作,不是在为自己的祖国贡献力量,将成为他最大的遗憾。
范晓飞说,他的这种感觉是从2015年开始产生的。到了2017年的时候,他感觉都快受不了了,“越来越坚定地想要回国,想回国为自己的国家做事”。但是,回国也不是一件容易的事,孩子的学业,自己的科研,优越的物质条件,回国后还能不能保持?他感觉到了巨大的压力……
第二个故事是一个呼唤游子的故事。就在范晓飞日夜思虑回国的去向的时候,河北农业大学向他伸出了橄榄枝。这是中国成立最早的高等农业院校之一,其前身是直隶农务学堂。如今,学校设有29个学院(部、系),成长为以农学为优势学科引领,工、管、理、经、文、法、艺术等多学科交叉融合的一流农业院校。在农业科研领域,河北农业大学在作物遗传改良、生长调控等方向基础雄厚,建有华北作物改良与调控国家重点实验室、教育部华北作物种质资源重点实验室、河北省蔬菜种质创新与利用重点实验室、河北省作物生长调控重点实验室等省部级科研平台。范晓飞想去看看,这首先与他的科研方向有关,因为如果范晓飞选择进企业,他将面临转行。然而,他舍不得农业。如果他选择进高校或者政府,那么收入将是一个非常现实的问题。除了回还是不回,回哪里也成为范晓飞选择的第二个十字路口。他没有抱太大的希望,是因为不想给自己太大的压力。
不过,奇迹有时总是发生在一瞬间。当范晓飞一下飞机的时候,他说他感觉到的是“一种扑面而来的舒适和久违了的熟悉”。“崇德、务实、求是”,不仅仅是写在校园里的校训,更是深刻在骨子里的文化。在之后的回忆中,范晓飞觉得,“是河北农业大学的朴实和接地气吸引了他”,这里是农业的圣地。
然而,范晓飞并没有讲的故事是,他就出生于河北的这片沃土,这里是他的家乡。一踏上这片土地,他的思乡之情,立刻消解。他觉得,这里的一切刚刚好。他还没有讲的另一个故事是,他的父亲就毕业于河北农业大学机电学院。这里,有他深深的爱。
第三个故事则加快了范晓飞回家的步伐。这个故事不美丽,却那么真实。故事的内容是,2011年3月,范晓飞受到美国某部门调查,原因是怀疑他技术泄密。第一次,范晓飞在美国家中所有的存储设备被带走。之后的几个月间,范晓飞经常被请去喝咖啡。再之后的8个月,美国机场,飞机起飞前5分钟,范晓飞被“请”下飞机,检查行李。“这几乎是一次生死较量,差一点,就失去了人身自由”。飞机进入祖国的领空时,范晓飞依然惊魂未定。
之后,再想起,他感谢这次人生经历。他说:“这是一段特殊的经历,对我的成长很有帮助。之后,我对很多事情都看开了,也看淡了。所以,也就更加知道自己想要什么,在想问题的时候也能想得更清楚一些,站得也更高更远一些。”

范晓飞:农业智能时代引航者

团队合影
一定做农业,智能时代需要技术先行
回国,范晓飞想做农业。机器视觉技术不是只能做农业,因为这是一项前沿技术,在很多领域都亟待发展;同时范晓飞看到人工智能在中国农业的应用时代已经到来。他说,城镇化正在急速地发展,有限的耕地+有限的农业从业人员,亟须人工智能提高农业生产率和农业附加值,依靠大量人力投入的农业时代将成为过去。
范晓飞讲到了美国的“大农业”和荷兰的“精农业”。他说,美国有着地广人稀的天然优势。在美国,一个农场主,往往拥有上千公顷土地。因此,他们对效率的要求很高,必须大规模、机械化、自动化。因此,美国对技术的要求,是适用于大企业的。他们希望通过大数据运算,解决如何施肥、如何撒药、如何浇水,然后实现农户利益最大化的问题。荷兰则不同,依靠填海造陆的国度,寸土寸金。因此,荷兰的农业是精致的。他们一般是温室种植,耕作都非常精细,但是有更高的产量和更好的质量。也因此,荷兰对技术的要求,是适用于精确农业的。他们希望通过一项技术,将坏的剔除,留下好的,让好的更好。以种子为例,在荷兰某些品种的番茄种子可以卖到一美元一粒。这样,高科技投入就成为必然。
在这样的背景下,范晓飞希望为中国农业贡献一己之力。从2011年年底回国到2020年短短的2年时间内,范晓飞已经带领他的科研团队开展了多项研究。
基于深度学习的图像算法与种子表型组学研究。这是在机器视觉和深度学习的基础上,对玉米种子的不完善粒进行的研究。范晓飞和他的团队以卷积神经网络架构为基础建立了虫蚀、发霉、破损、色变等种子缺陷的自动识别算法。同时,基于多光谱成像技术和卷积神经网络算法,对玉米、茄子、辣椒等种子的纯度鉴别进行了研究,旨在建立分类模型。
基于多光谱成像的蔬菜叶色与光谱特征的定量分析。范晓飞和他的团队以大白菜叶片为材料,利用多光谱成像设备采集叶片多光谱图像,利用叶绿素仪测定SPAD值,通过关联比较建立的最优模型R2=0.9,表明多光谱成像方法能够对叶片的叶绿素含量较准确地预测。
基于机器视觉及形态学特征提取的大白菜表型定量分析。范晓飞和他的团队通过可见光成像、机器视觉技术和图像处理算法定量获取大白菜的表型特征,包括叶球形状、纵剖面形状及颜色、中心柱形状等,并采用统计学方法定量研究各参数的相关性。
目前,他们正在开展的研究,是以不同结球类型的大白菜为研究对象,选取不同发育阶段的叶片,通过多视角立体成像与多种图像处理技术手段定量获取叶片卷曲、形状及结球方式特征,并结合叶片微观解剖结构显微图像的组织分割和定量分析。其目的是,建立大白菜叶片表型的3D成像建模方法;建立基于成像技术的叶片表型和组织细胞结构特征的自动、定量提取算法;揭示不同结球基因型的大白菜叶片表型性状与叶球层状结构及抱合方式之间的关系,以及组织细胞发育对叶球形成的影响和规律。
之所以要从大白菜入手,范晓飞的考虑是,大白菜原产中国,且是我国栽培面积最大的蔬菜之一,在我国蔬菜供应中占有重要地位。随着人们生活水平的提高,不管是消费者还是种植者都对大白菜育种提出了新的要求,而大白菜的生产水平与品种选育休戚相关。
忧国忧民是范晓飞作为一名知识分子最大的特点。这不仅表现在他的研究方向,更表现在他的研究态度中。采访中,范晓飞提及最多的是“最合适的解决方案”,而不是“听起来高大上的解决方法”。他强调最多的是落地,在生产中得到应用。也因此,他鼓励自己的学生看到自己的优势,根据自己的优势制订学习计划或工作计划,在优势上不断加强,从而在某个领域实现创新。
一定要出去,出息了一定要回来,回来了一定做农业,这是范晓飞20多年的人生轨迹。然而,这也是流淌着中华民族血液的炎黄子孙,对祖国最真切的爱和回报……
原标题:《范晓飞:农业智能时代引航者》