王海宏,周衛紅,李建龍*,孫政國,鄭亞君
(1.南京大學生命科學學院,江蘇南京 210093;2.南京交通職業技術學院,江蘇南京 211188;3.江蘇科技大學蘇州理工學院,江蘇張家港 215600;4.南京農業大學草業學院,江蘇南京 210095;5.東南大學自動化學院,江蘇南京 210000)
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我國智慧農業研究的現狀·問題與發展趨勢
王海宏1,2,周衛紅1,3,李建龍1,2*,孫政國1,4,鄭亞君1,5
(1.南京大學生命科學學院,江蘇南京 210093;2.南京交通職業技術學院,江蘇南京 211188;3.江蘇科技大學蘇州理工學院,江蘇張家港 215600;4.南京農業大學草業學院,江蘇南京 210095;5.東南大學自動化學院,江蘇南京 210000)
在總結我國農業發展現狀并借鑒發達國家農業發展經驗的基礎上,提出了智慧農業的概念、意義、原理與框架體系等,指出了智慧農業發展存在的問題,給出了相應的解決方案,進而論述了我國未來實現農業現代化和發展智慧農業的潛力和發展趨勢等,為我國今后發展智慧農業和實施可持續發展戰略提供了科學依據、構想和導論。
智慧農業;“5S”集成技術;農業信息現代化;物聯網+;云計算
目前,我國農業發展主要靠品種改進、大量施用化肥和耕種管理機械化等措施,在耕地面積不斷減少和環境惡化的基礎上,農業高產增收的潛力已經很有限,未來我國現代農業發展的主要潛力和方向是構建轉型的智慧農業體系和模式,大力發展現代農業和實現農業信息與生產安全現代化。其緣由是在傳統農業中,灌溉、施肥、噴藥全憑農民經驗和感覺,無科學指導和理論根據;而如今,在智慧農業中,農作物澆水、施肥、打藥時間,農作物的空氣溫度、空氣濕度、酸堿度、光照、二氧化碳濃度、土壤水分,都有信息化智能化監控系統實時定量精確管理[1]。大力發展、推廣智慧農業,提高農民的耕作效率,用機械代替人力勞動,從而更加有效地提高產量,保障食品安全,使得各個農業水土資源可以得到充分的利用。因為精確的感知技術、廣泛的互聯互通技術和深入的智能化技術使農業系統的運轉更加有效、更加智慧和更加聰明,從而達到農產品競爭力強、食品生產過程可監控好,農業可持續發展、有效利用農村能源和環境保護的目標[2]。筆者概述了智慧農業的概念、原理及體系構建,介紹了國內外智慧農業的研究及應用現狀,分析了智慧農業發展遇到的問題,并對我國智慧農業的發展趨勢進行了展望。
智慧農業的主要目標是利用建成融數據采集、數字傳輸網絡、數據分析處理、數控農業機械為一體的數字驅動的農業生產管理體系,在農業生產過程中對作物、土壤實施從宏觀到微觀的實時監測,以實現對農作物生長、發育狀況、病蟲害、水肥狀況以及相應環境的定期信息獲取,生成動態空間信息系統,對農業生產中的現象、過程進行模擬,達到合理利用資源、降低生產成本、改善生態環境、提高農作物產量和質量的目的。從技術層面上講,智慧農業是一門綜合性的學科,涉及到土壤學、作物學、氣象學和信息技術等科學領域,即可通過遙感技術、地理信息系統、全球定位系統、專家系統和農業模擬優化決策系統來實現其目標[3]。
李建龍等[4]提出了“5S”技術的概念和構建框架,將“5S”技術引入信息農業行業,為今后發展智慧農業,提高農業現代化和生產力提供了新的技術支持,“5S”技術和互聯網等信息技術將成為今后智慧農業發展的重要技術支撐。
1.1智慧農業概念的提出為了發展現代農業和提高農業發展效益,解決現有農業生產中存在的各種供求矛盾,2014年我國提出了“智慧農業”這一新概念。智慧農業是智能農業專家系統的簡稱,一般是指利用物聯網技術、“5S”技術、云計算技術和大數據等信息化技術實現“三農”產業的數字化、智能化、低碳化、生態化、集約化,從空間、組織、管理整合現有農業基礎設施、通信設備和信息化設施,使農業和諧發展實現“高效、聰明、智慧、精細”和可持續生態發展,是將科學技術融合在農業發展領域中的具體實踐和應用[5-7]。具體講,李輝等[8]指出,智慧農業是利用現代計算機技術和互聯網手段與平臺,通過專家經驗和專家系統的指導,定量數字化模擬、加工與決策,使得農作物生長與產供銷全過程智能化、數字化和信息化,實現農業信息采集、加工、處理和評價分析現代化、科學化和智能化的目標,是我國農業未來發展的方向之一,是實現農業現代化重要舉措之一。在此基礎上,又提出了構建智慧農業理論體系和結構及應用措施。
1.2智慧農業的原理及其體系構建目前,發達國家采用高度自動化機械化精確生產的智慧農業生產模式,可以逐步脫離人的操縱,由系統自動操控,實現農業的產業化和信息決策自動化等。利用智慧農業技術,使得生產者可以遠程監控各個田地的狀況,從而減少多余勞動力的消耗和了解農產品生產安全性和質量好壞。
智慧農業是主要依靠“5S”技術[分別是遙感系統(RS)、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、專家系統(ES)、智慧化決策知識系統(IDSS)]、“物聯網+”、云計算技術、大數據技術及其他電子和信息技術,并與農業生產全過程結合的新發展體系和發展模式[4,8-9]。智慧農業體系是運用“5S”技術快速進行土壤分析、作物長勢監測,結合當時的氣候、土壤情況進行分析,進而系統做出正確的決策,例如何時灌溉、灌溉多少,何時滅蟲、施肥,何時收獲,將農業生產活動、生產管理相結合,創造新型農業生產方式和經營出售新模式。
在李建龍等[9]提出的“5S”技術體系中,RS技術模塊遙感數據模塊通過解譯遙感數據源獲取田地面積及其類型分布,進行實時監測,并以遙感反演參數作為數據輸入源;GIS模塊在地理信息系統中整合遙感和氣象數據,集成數據存儲分析功能,利用地理信息系統建立農田、田地生態系統碳儲量數據庫,實現數據源的空間轉換,并整合各類參數構建反演模型;GPS模塊將系統與GPS導航儀結合,得到農田、田地作物分布和生長情況繪制成圖,根據這些信息制定相關的措施與決策;ES模塊智慧農業專家系統能夠根據農田、田地作物分布特征,劃分農作物產量貧瘠區與豐富區,得到農作物產量的等量圖,為政府決策提供依據和支持;IDSS模塊智能化決策知識系統支持決策人員解決處于管理系統不同狀態的某一領域中的決策問題。“5S”技術體系具有良好的人機接口,以便科學地使IDSS與決策管理人員對話,充分發揮決策者的知識、經驗和判斷能力的作用。
物聯網智慧農業平臺系統由前端數據采集系統、無線傳輸系統、遠程監控系統、數據處理系統和專家系統等組成。前端數據采集系統主要負責農業環境中光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數據的采集和控制[10]。而該研究構建的無線傳輸系統主要將前端傳感器采集到的數據,通過無線傳感器網絡傳送到后臺服務器上。遠程監控系統通過在現場布置攝像頭等監控設備實時采集視頻信號,通過電腦或手機即可隨時隨地觀察現場情況、查看現場溫濕度等參數和進行遠程控制調節與決策、指導農作物施肥和淡水等,供數據處理系統負責對采集的數據進行存儲和處理,為農業生產提供分析和決策依據。其農業專家系統根據智慧農業領域一個或多個專家提供的知識和經驗進行推理和判斷,幫助進行決策,以解決農業生產活動中遇到的各類復雜問題[1]。
2.1國內現狀我國政府部門高度重視現代農業的發展,先后出臺了《農業科技發展“十三五”規劃》《關于加快推進農業科技創新持續增強農產品供給保障能力的若干意見》《全國農墾農產品質量追溯體系建設發展規劃(2011-2015)》等政策文件,全力支持“十三五”期間我國農業的發展。最新發布的《全國農業農村信息化發展“十三五”規劃》指出,物聯網等技術有望在農業部確定的200多個國家級現代農業示范區獲得農業部和財政部資金補貼,并先行先試重點開展3G、物聯網、傳感網、機器人等現代信息技術在該區域的先行先試,推進資源管理、農情監測預警、農機調度及無人機監測等信息化的試驗示范工作,完善運營機制與模式。按照“十三五”規劃要求,今后5年,農業農村信息化總體水平將從現在的35%提高到50%,基本完成農業農村信息化從起步階段向快速推進階段的過渡。具體指標包括:農業生產信息化整體水平翻兩番,達到12%;農業經營信息化整體水平翻兩番,達到24%;農業管理信息化整體水平達到60%;農業服務信息化整體水平達到50%以上等。
隨著物聯網技術的不斷發展,越來越多的技術應用到農業生產中[11-16]。目前,RFID電子標簽、遠程監控系統、無線傳感器監測、二維碼等技術日趨成熟,并逐步應用到了智慧農業建設中,提高了農業生產的管理效率,提升了農產品的附加值,加快了我國智慧農業的建設步伐。 運用智慧農業思想開發出來的計算機溫室監測系統和生產技術,也被廣泛應用到生產實際中。通過無線傳感器,網絡系統的構建,對作物的生長環境信息、生長狀況進行實時的監測。隨著物聯網技術的蓬勃發展,農業生產的過程將會變得更加快捷、有效。
2.2國外現狀 目前,發達國家如以色列、美國和澳大利亞等國設施農業已具備了技術成套、設施設備完善、生產比較規范、產量穩定、質量保證性強等特點,形成了設施制造、環境調節、生產資材為一體的產業體系,能根據動植物生長的最適生態條件在現代化設施內進行四季恒定的環境自動控制,使得農業不受氣候條件影響,實現了周年生產、均衡上市。設施農業智能化是設施農業發展水平的標志和發展的方向。智能化程度越高,設施農業和農業科技發展水平越高。從初級自動化控制向高級智能化轉變,從非標準化設施向標準化產品過渡,控制系統從自動化向智能化轉變是設施農業的發展趨勢,突出體現在現代化溫室和植物工廠等方面。
智慧農業的推廣與發展一定程度上促進了美國經濟的增長。一般專家拿一個小機器在手里,在田地里走一圈,便可以了解探測范圍內的土地現狀、該塊土地上的作物需要多少水和養分、什么時候澆灌最為適宜等信息。科學的監控,精細的調控,不僅減輕了農民的負擔,也直接提高了農產品的收益與質量。
2.3現已取得的主要成果智慧農業的研究核心主要是如何利用計算機等科學技術大規模生產農作物,涉及農作物調控系統的創新與發展,同時也是對我國傳統農業文化轉型的研究,并在溫室農業和現代設施農業中得到應用。
2.3.1在溫室大棚中的應用。近年來,在政府、科研機構及農業生產企業等共同推動下,部分地區在農業物聯網技術應用方面進行了積極的探索,已取得初步成效。如:①大棚溫控技術的應用。甘肅、河南、遼寧、陜西等不少地方利用溫度、濕度、氣敏、光照等多種傳感器對蔬菜生長過程進行全程數據化管控,保證蔬菜生長過程綠色環保、有機生產。實現蔬菜反季節生產,充分保證市場供應,緩解了我國季節性蔬菜供應緊張局面。②田間種植信息化建設應用。黑龍江、河南等地通過物聯網技術對農作物生長土壤等進行實時準確地監測,實現農田施藥施肥作物遠程診斷管理等。③農業用水灌溉應用。北京、天津等地從2008年起就開展農業都市、農業走廊、綜合節水示范工程以及農業用水遠程計費收費管理,共安裝了上千套農業用水智能計量管理系統,平均每公頃地節水50%,節約了農民用水成本,避免了水資源的浪費。另外,新疆、河南等地均建設了農業用水示范區提升灌溉效益,加大節水力度。
2.3.2利用“3S”技術動態監測主要農作物產量。李建龍等[6]構建了江蘇張家港市主要農作物產量遙感監測系統和互聯網信息工作網站,對張家港市 2004~2010年小麥和水稻單產與NDVI進行相關性分析,進而建立各時期小麥和水稻的單產估測模型。根據地面試點在不同鄉鎮的分布,將試點數據分為2組,一組用作建立單產估產模型( 15個),另一組用作對模型進行驗證( 10個)。結果表明,小麥單產估測平均誤差小于8%,即小麥估產精度在92%以上。而水稻單產估測平均誤差小于7%,即水稻估產精度在93%以上。另外,為了使模型更為穩定、精確,最終用全部觀測數據估測整個張家港地區的單產模型。結果表明,無論是小麥還是水稻,NDVI與最終產量間的擬合度均大于0.45,模型本身的平均誤差表現為小麥7.54%、水稻5.02%,即模型估產精度小麥為92.46% 、水稻為 94.98% 以上。
2.3.3“5S”集成技術的成功應用。“5S”集成技術的推廣應用,能使農作物信息的收集、定位、傳輸、存儲、加工處理、管理、分析和空間數據可視化、資料共享成為一個整體的信息系統與網絡。根據筆者多年在江蘇省張家港市的研究證明( 2004~2014年 ),利用“5S”技術,可克服僅用遙感技術估測面積與產量過程中所遇到的技術難題,如多時相光譜資料不易集成復合,各類空間數據難以定位、顯示和加工處理,種植作物面積難以自動提取及估產誤差過大等科學問題,可做到農作物種植面積和產量等信息的收集、存儲、管理和分析評價等,更加實時、 快速,精度更高,為農學和農業系統管理提供了全新的研究手段和科學創新平臺。 “5S”技術一體化集成系統,為今后我國實施精細農業,提高農作物單位面積產量,實現農業生產系統科學管理和信息現代化,提供了新的技術和系統,具有廣闊的應用前景。
2.3.4物聯網及其他信息技術的應用。對土壤水分及其變化的監測是生態、農業和水土保持等研究中的一項基礎工作。蔡鑌等[17]針對棉花莖桿直徑變化的測量參數,結合Zigbee無線傳感器網絡技術設計了棉花精準灌溉監控系統。該系統由無線監控網絡和遠程數據中心2個部分組成,給出了系統總體架構,設計開發了無線傳感器網絡節點,并給出了軟件流程。該系統使人們隨時獲得棉花作物精確的需水信息,并實現精準灌溉。由于采用了無線數據傳輸方式,該系統解決了有線通信方式存在的難以擴展難以升級等問題,具有低功耗、低成本、擴展靈活等優點[4,8-9]。
李建龍等[6]利用“5S”技術和其他物聯網技術構建了中國5S智慧農業基本框架,并在張家港市和興化市進行了實際應用,做了農業生產實時監測,提高了農業生產效益,實現了農業生產三大效益及智慧發展的目標。
目前,物聯網技術在我國現代農業發展中的應用,涵蓋了農業資源利用、農業生態環境監測、農業生產經營管理和農產品質量安全監管等多方面,并在技術研發、示范應用、人才培養等方面積累了一定的經驗,但總體上我國農業物聯網技術應用還處于初步階段,存在關鍵技術產品及集成體系成熟度較低、農業物聯網應用標準規范缺失、有效的運營機制和模式尚未建立、專業人才缺乏等問題。
3.1農業信息通訊設施嚴重缺乏發展物聯網等信息技術,需要建設基本的通訊設施,而目前我國廣大農村還缺乏這些基本設施,這就使得農業的數字化、智慧化程度較低,農業信息的時效性、準確性、綜合性達不到廣大農民的要求。
3.2缺乏統一的物聯網技術標準物聯網技術標準的缺失,制約著農業物聯網共享平臺的應用和開發。農業信息資源雜亂制約著農業生產、科研、服務,不能滿足農業標準化生產對資源的需求,也不能滿足農業科研工作對農業信息進行全面、廣泛獲取的需求。
3.3農業使用者素質有待提高我國農業從業者目前受教育程度普遍較低,應用和接受現代信息化技術能力較弱,加強對從業者的各類知識培訓是解決農民科學使用現代農業技術和推廣智慧農業技術必要前提。
3.4現代農業信息推廣應用有待提高目前大部分地區農業種植集約化程度不高,規模化農業生產力度不夠。大多數地區的農業生產經營主要以單農戶家庭為單位,不能形成集中管理、科學種植、按需生產,“靠天吃飯”的現象普遍存在,但未來我國現代農業發展的方向必須是大規模集體農業、網絡農業及物聯網農業,尤其是要發展網上購銷農產品,產前、產中、產后農產品質量網上監測等,實現農產品安全全天候網上監測。因此,發展互聯網+農業和智慧農業是挖掘農業生產潛力和提高農業效益的重要渠道之一。
3.5新技術應用推廣力度不夠目前在我國廣大農村物聯網等信息技術發展勢頭良好,但仍處于起步階段,技術研發與集成和使用標準等均需突破。雖然隨著寬帶技術、3G技術、智能終端的普及,突破了物聯網應用瓶頸,物聯網技術已在安防、電力、交通、物流、醫療、食品藥品溯源、環境監控、大棚農業等方面得到應用,但真正實現物聯網技術在智慧農業中的廣泛應用還有待提高和發展[18]。
發展“智慧農業”,推廣物聯網等現代信息技術在農業中的應用,加快轉變農業生產與發展方式,優先在農業生產經營管理、農產品質量安全、農業資源與生態環境監測等領域建設農業物聯網應用示范工程,推動物聯網技術在現代農業中的集成應用,全面提高農業生產綜合生產能力和可持續發展能力,推進農業技術和生產方式創新,提高農業產業綜合競爭力[6]。樹立智慧農業的意識,轉變農業發展的思維模式,由單純的人工耕種轉變為機械化的大規模生產。重視農業發展目標設計,加強農業生產安全質量控制,加大農業信息技術支持和推廣應用[19]。
4.1制定統一的物聯網使用技術標準支持研發符合農業多種不同應用目標的高可靠、低成本、適應惡劣環境的農業物聯網專用傳感器,解決農業物聯網自組織網絡和農業物聯網感知節點合理部署等共性問題,建立符合我國農業應用需求的農業物聯網基礎軟件平臺和應用服務系統,為農業物聯網技術產品系統集成、批量生產、大規模應用提供技術支撐。
4.2加強智慧農業應用基礎設施建設推進加快發展設施農業、現代種業標準化、養殖業等產業,加快發展農產品加工業及流通業,推進農業生產經營專業化、標準化、規模化、集約化和服務社會化,都需要一些信息技術基礎設施的支持,如電網、互聯網、手機網絡和計算機網絡等基礎設施的建設。
4.3加快人才培養,提高使用者水平制定農業物聯網技術人才培養與培訓計劃,聯合高等院校和科研院所和企業,加快對農業物聯網專業技術人才的培養、培訓,提高農業物聯網技術創新能力、應用能力;建立人才激勵機制,穩定和擴大人員隊伍,滿足農業物聯網發展的人才需求。集聚、研發科技成果,展示新品種、新技術,探索新模式、新平臺。建立健全技術,科技創新、標準化生產、生態農業循環、科技信息服務和農產品銷售市場等支撐體系。逐步實行農業標準化生產、土地流轉、多元化投融資、產業鏈延伸、農民與龍頭企業建立利益聯結機制等,為干旱半干旱地區現代農業發展探索提供經驗、技術和服務。
4.4加大智慧農業技術推廣應用完善和提升現代農業企業孵化園、種苗產業園、標準化生產示范園、農產品加工園、物流園等合理布局、平衡發展,提倡生態發展、綠色發展、節約發展。智慧農業物聯網技術工作涉及面廣,資源整合和共享問題突出,為了減少重復投資,必須強化頂層設計,大力推進農業物聯網技術研發、轉化、推廣和應用過程中的重大問題研究,做到協調統一和地域優勢平衡發展[6]。
4.5加大智慧農業科研投入目前,有關智慧農業科學研究的水平在我國仍不高,各地和相關科研教學單位重視程度不同,我國各級政府、企業和相關科教單位在智慧農業方面的研究投入不足,嚴重制約著我國智慧農業的發展和應用。因此,為了提高智慧農業研究的水平和加大推廣應用智慧農業成果,各級政府、相關企業和科教單位應加大智慧農業的宣傳、加強有關智慧農業的技術研究和發明創造,加大科研經費投入和科技攻關力度,不斷提高我國智慧農業的研發能力和基層應用水平,為我國實現農業現代化、數字化和智慧發展提供科學依據和技術支撐。
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Current Status, Problems and Development Trend of the Wisdom Agriculture Research in China
WANG Hai-hong1,2, ZHOU Wei-hong1,3,LI Jian-long1,2*et al
(1. School of Life Sciences, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210093; 2. Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing, Jiangsu 211188; 3. Suzhou Institute of Technology, Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang, Nanjing 215600)
The agricultural development history and status of China were summarized. Based on the agricultural development experiences in China, the concept, meaning, principle and frame system of wisdom agriculture were put forward. The existing problems of wisdom agriculture development in China were pointed out. Corresponding solutions were put forward. The potential and development trend of wisdom agriculture development was discussed, as well as the realization of agricultural modernization in future. This research provided scientific basis, ideas and guide for developing wisdom agriculture and implementing sustainable strategy in China in the future.
Wisdom agriculture, 5S integrated technology; Internet of Things +; Cloud computing
江蘇省農業三新工程項目(SXGC [2014]287);國際APN全球變化項目( ARCP2014-06NMY-Li);江蘇省自然科學基金項目(BK20140413);國家自然科學基金項目(41271361);國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)項目(2010CB950702)。
王海宏(1974- ),男,甘肅蘭州人,講師,碩士,從事農業信息生態與應用科學研究。*通訊作者,教授,博士,從事信息農業生態學研究。
2016-04-25
S 126
A
0517-6611(2016)17-279-04