智能農業管理平臺研究與應用

孫瑤

摘要 [目的]為了更好地實現耕地資源的高效合理利用和農業現代化精準管理。[方法]在系統分析農業智能化建設的基礎上，深入分析了智能農業在國內外應用背景狀況和發展現狀，提出了智能農業建設的重要性。[結果]全球定位系統、地理信息系統、遙感監測系統、農業專家決策系統、農業環境監測系統、智能化農機具系統、農田信息采集系統、新型應用集成系統、智能農業網絡管理系統和遠程在線培訓系統構成了智能農業管理平臺的技術體系。[結論]我國農業物聯網架構模型、信息感知、信息傳輸、信息處理等技術水平較低，要構建優質的智能農業系統，需要根據實際需求合理規劃系統架構，并對其功能模塊進行細化分析。

關鍵詞 智能農業;3S技術;管理平臺

中圖分類號：F302.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）02-065-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.025

Application Research of the Intelligent Agricultural Management Platform

SUN Yao（Yantai Agricultural Technology Promotion Center，Yantai，Shandong 264001）

Abstract [Objective] In order to better realize the rational use of cultivated land and the precise management of agricultural modernization. [Method] On the basis of systematically summarizing the paper on intelligent agriculture，some suggestions strengthening the construction of agricultural intelligence were put forward. Meanwhile，the application background and current situation of intelligent agriculture at home and abroad were deeply studied. [Result] According to the research，global positioning systems（GPS），geographic information systems（GIS），remote sensing systems，agricultural expert decision systems，agricultural environmental information systems，intelligent agricultural machinery systems，field information collection systems，new application integration systems，intelligent agricultural network management systems，remote online training systems， constituted the technical system of intelligent agricultural management platform. [Conclusion] At present，architecture model of agricultural iot，information perception，information transmission，and information processing in China were at a lower technical level. To build a high-quality intelligent agricultural system，it was necessary rationally plan the system architecture according to actual demands，and conduct detailed analysis of functional modules.

Key words? ?Intelligent agriculture;3S technology;Management platform

智能農業（也稱工業農業），是指在相對可控的環境條件下，采用工業化生產，實現高效集約可持續發展的現代化先進農業生產方式，即農業先進設施與土地相配套、技術規格高度匹配和高效率的集約化生產經營模式，是繼傳統農業、機械化農業、自動化農業之后更高的農業發展階段。智能農業的出現有利于減少農業要素投入，改變傳統粗放的農業經營管理模式，實現有限農業資源的高效集約化規模經營生產模式，最大限度地減少農業面源污染，實現綠色可持續發展，提高農產品質量[1-4]。

目前，中國農業發展正處在從傳統向現代農業過渡的過程中，土地資源短缺、產品結構不合理、農產品質量安全問題嚴重、自然災害抵御能力低下、勞動力老齡化加劇、農業生態環境壓力增大等問題突出，迫使農業生物技術、信息技術和裝備技術的創新步伐不斷加快，傳統農業生產方式、經營方式和管理方式的轉變，要充分抓住國家實施“互聯網+農業”行動計劃的機遇，才能穩步推進中國走向智能農業時代[5-6]。

1 智能農業應用背景

1.1 我國農業發展現狀

作為一個農業大國，我國用世界10%的耕地、6%的淡水養活了世界20%的人口、提供了世界25%的糧食，然而這一成果是通過大量消耗資源和破壞生態環境而獲得的。中國化肥的利用率僅為發達國家的1/2，單位面積的農藥使用量卻為世界平均水平的2.5倍，水資源的利用率僅為發達國家利用率的1/3[7]。農業現代化依然存在不足，主要體現為勞動生產率低、土地產出率低、資源利用率低，導致生產成本高、農業競爭力低、農民收入增長慢[8]。對于資源稟賦本就不富足的中國來說，農業發展不能依靠無休止的資源消耗，而是明顯受到資源的剛性制約，特別是在城鎮化、工業化的大力推進下，勞動力、耕地、水資源等傳統生產要素正在向非農產業剝離，而且在有限資源的情況下，我國人口還在不斷增長，對糧食和資源的需求量將更大[9-10]。

在資源環境和補貼政策嚴重制約、價格“天花板”與成本“地板”雙重擠壓的形勢下，中國農業迫切需走一條以信息技術為核心的網絡化、智能化、精細化、組織化的發展道路，可有效提升農業生產效率和增值空間。以智能農業為特色的新型農業發展模式可以促進農業的規模化、標準化和產業化發展，提升農業生產、經營、管理、服務的技術裝備，挖掘并有效的提升潛在生產能力，這將是未來中國農業生產實現持續健康發展的有效途徑[11-12]。

因此，當前要科學定位國內農業的發展階段，理清我國從傳統農業到智能農業的位置，提前謀劃、系統規劃，制定符合中國國情的農業發展路徑，走出一條集約、高效、優質、生態、安全的現代農業道路，具有十分重要意義。

1.2 國際智能農業發展

目前智能農業的國際慣例是將物聯網技術與農業相結合，發展的特點為：利用物聯網技術，保障農業集約、高產、優質、高效、生態、安全的生產。確保農業發展和工業化信息化發展相協調，并用工業化和信息化促進農業智能化。

1.2.1 德國 德國作為一個高度發達的工業國家，其生產效率也很高。“數字農業”概念的引入與“工業4.0”并無不同。它一直致力于智能農業的政策與環境、農業物聯網基礎設施建設和數據庫建設。通過大數據和云技術的應用，將農田天氣、土壤、降水、溫度、地理位置等上傳云端并在平臺上處理，然后將處理好數據發送到智能化的大型農業機械上進行精細作業。

1.2.2 法國 信息技術發展的必然結果是精確農業。盡管精確農業的發起國是美國，法國雖然在10年后對其進行了研究，但其應用水平和程度都不低[13]。在法國，物聯網技術用于測報病蟲害災情，自動化施肥，打藥和灌溉等田間管理;同時分析土壤環境。在生產、采收、加工和儲藏等環節實現計算機的全程實時監控。

1.2.3 日本 實施農業IT戰略促進智能農業發展，平均每個縣有一個智能農業網絡信息中心，大力建設氣象、病蟲害防治、農業栽培技術等數據庫。建立了全國農業信息的收集、處理、儲存和傳輸的（DRESS）管理信息系統。據調查，東芝公司在東京神奈川縣建成了占地50 000 m2的智能農業生產基地，該基地采用電子遙感技術、新能源技術和自動化管理系統，為各種蔬菜批量生產提供所需土、肥、水、光。相關負責人介紹，利用現代電子信息技術不僅可以提高蔬菜產量，而且基本消除了對農藥的需求，產品安全性更高[14]。

2 智能農業發展的趨勢及前景

2.1 趨勢分析

現代農業越來越依賴于新興技術，如物聯網、智能機器人、模式識別等。這些新技術的使用可以為集約、高產、優質、高效、生態、安全的農業發展提供支持。現代農業在生產的各個環節更加關注規模化、標準化、智能化。

智能農業主要經營對象包括：①農業資源。農用土地資源、水資源、大氣和生產資料;②農業生態環境。土壤、大氣、水質、氣象和病蟲害;③生產過程。精準耕作、設施農業、健康養殖和規模化生產;④農產品質量與食品安全。產地環境、生產、加工倉儲和物流供應鏈可追溯系統;⑤農業裝備與設施。工況監測、遠程診斷和服務調度;⑥農民及社會。農民職業素質、農村整體面貌和農業創新意識。

2.2 行業發展前景

智慧農業是農業生產的高級階段，是將新興的云計算和物聯網技術集為一體的新興產業。依托部署的各種傳感節點（環境溫濕度、土壤濕度、二氧化碳、圖像等）和無線通信網絡，實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策等[15]。

3? 智能農業管理平臺的建設內容

智慧農業管理平臺如圖1所示。其基本涵義是根據作物生長的土壤性狀，調節對作物的投入，進行“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”的科學定位[16]，調動土壤生產力，實現同等收入或更高的收入，改善環境、有效利用各類農業資源，取得經濟效益和環境效益。在此基礎上，實現了一整套基于信息技術空間變異的定位、定時、定量的現代化農事操作技術與管理系統[17]。

3.1 3S技術與智能農業的關系

3S技術包括全球定位系統（GPS/北斗）、遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS）[18]。其中，GPS/北斗系統可用于田間作業信息收集和準確定位。RS遙感技術可通過農田反射光譜分析提供諸如農田作物生長環境、生長狀況和收獲情況等信息。GIS系統可以完成對地圖的編輯和繪制工作，建立數據與圖形拓樸之間的關系，同時基于空間信息的圖形化界面提供農業信息的查詢、監管和分析控制等數據。

3S技術在農業資源調查和管理中的應用、編制農業區劃和農用地適宜性評價、農業生態環境研究、農作物病蟲害預測與評估、農作物估產與監測等領域，為精準農業（田間規劃、種植、產后分析加工及銷售等）提供直觀可靠的數據等方面能夠發揮重要作用[19]。

3.2 農業專家決策系統

通過系統中的作物生產管理程序，對3S技術采集到的數據和數據庫中的參數進行建模推演，模擬出作物生長過程和投入/產出分析模型，輔助指導作物種植工作。

3.3 農業環境監測系統

農業環境監測系統采用物理、化學、生物等多種監測方法，對污染農區和經濟農區的土壤、作物、大氣、農用水質和漁業水域等方面進行污染監測、環境影響監測、環境事故監測和生態因素監測。通過分析監測數據，建立有關數據檔案或數據庫，對環境現狀或影響進行輔助評價，評價結果可以為污染防治和事故仲裁的執法提供依據。

3.4 智能化農機具系統

智能化農機具系統是指具有智能或部分智能的農業機械化設備，例如帶產量傳感器及可以生成收割區產量圖的收割機械;自動控制精密播種、施肥、灑藥機械;無人機飛行平臺等。

3.5 智能農田信息采集系統

利用無線傳感網絡（WSN）采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤中氮、磷、鉀含量、pH值、太陽輻照度、風向、風速、降水量和CO2濃度等參數。采集系統包括便攜式采集設備和基于CCD的圖像采集系統。

3.6 新型應用集成系統

根據當地農業實際需要，系統模塊化的組裝和擴展，既能充分發揮當地農業資源優勢，又能避免系統過多造成功能和資金浪費。

3.7 智能農業網絡管理系統

智能農業網絡管理系統是以應用軟件為核心的軟硬件分布式網絡應用集成系統。該系統可進行性能管理，配置管理，安全管理，計費管理和故障管理等;全自動拓撲發現技術、故障智能預測與分析、多維度監控配置、變更告警及比對，并支持多操作平臺。

3.8 遠程在線培訓系統

利用IT技術和網絡傳輸共享技術構建網絡化平臺。進行遠程培訓的用戶可以通過互聯網獲取所需的多媒體資訊內容，用戶之間可以進行音頻、視頻、數據的多媒體互動。還可以通過遠程系統實現與農業專家一對一的交流。

4? 智能農業管理平臺系統組織架構

智能農業管理平臺的系統組織由感知與控制層、網絡傳輸層和應用層三部分構成。平臺的工作流程通過感知與控制層中的傳感器采集系統所需的參數，再通過網絡傳輸給計算機平臺，并使用智能農業管理平臺的應用軟件與植物生長同時期最佳值對比分析得出所需的調整數據，然后通過網絡傳輸層反饋傳回至感知與控制層，完成溫度、濕度、灌溉、施肥和噴藥等方面的調整。由于整個系統是由傳感器、網絡、計算機、控制器構成的閉環智能控制系統，因此更易達到高效、優質、節能的要求。

5 小結及展望

智能農業的研究應用引起了世界各國的高度重視。中國同樣也認識到了智能農業對我國農業現代化的重要性，在智能農業的研究和實踐中投入了大量人力、物力[20-24]。當前我國的智能農業還處于起步階段，其中農業物聯網的體系架構模型、信息感知技術、信息傳輸技術、信息處理技術等方面還不是特別成熟，尤其是作為智能農業基礎的農業物聯網產業化程度較低，相關規范及政策尚不完善。

農業物聯網的發展是建立在計算機、網絡和微電子等技術快速發展的基礎上。在此基礎上，智能農業在信息感知方面將更加智能化，信息傳輸方面更加快捷，信息處理方面更加快速可靠，信息服務更加靈活。相信隨著政府的高度重視，科研機構的潛心研究以及農業生產一線的大力支持與實踐，中國的智能農業必將推動中國的農業現代化。

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責任編輯：劉赟