數字生態農業工程應用：框架設計與案例初探＊

（金陵科技學院，江蘇南京 211169）

0.引言

2020年中央一號文件發布《關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現全面小康的意見》；農業農村部、中央網絡安全和信息化委員會辦公室印發《數字農業農村發展規劃（2019—2025年）》；環保部印發《生態環境大數據建設總體方案》；江蘇省政府發布《關于促進鄉村產業振興推動農村一二三產業融合發展走在前列的意見》[1-4]。然而，根據農業部信息化中心調研，相比當前服務業的40%、工業的20%，代表數字科技支撐全產業鏈過程的“數字化率”，在農業養殖、種植、產品加工運輸等方面的占比僅為10%。如此政策規劃與現實形式為發展以智能化、生態友好為核心目標的數字生態農業，既創造了有利的背景條件，也提出了嚴峻而緊迫的要求[5-6]。

踐行習近平總書記“兩山”理論，促進農業生產與生態環境協調發展，需要進一步深入實踐和理論研究。我國非常重視農業生產、資源有效利用以及生態環境保護的多目標協調發展。發展生態農業是保證農產品產量和糧食安全，同時又盡可能保護好生態環境，避免農業生產所導致的環境惡化、環境破壞，使農業走上一條“生態、環保、可持續”發展的必經之路。完善生態農業的多要素支撐體系，科學合理地銜接農業發展的各個生產要素，包括化肥、農藥的使用量，水資源的利用效率等，需要從多學科交叉的角度開展研究[5]。

落實《2020年政府工作報告》是打好藍天、碧水、凈土保衛戰，實現污染防治攻堅戰的階段性目標。2020年政府工作報告提出：“突出依法、科學、精準治污，提高生態環境治理成效。實施重要生態系統保護和修復重大工程，促進生態文明建設。增加專項債券投入，支持現代農業設施、飲水安全工程和人居環境整治，持續改善農民生產生活條件。”因此，耦合數字、生態技術體系，從學科交叉融合的角度研究我國三農問題，對補實國民經濟發展過程中的短板具有重大的現實意義[6]。

近年來，我國各級政府出臺相關政策加強農村網絡基礎設施建設，極大程度地促進著智慧農業的發展。2018年底，全國行政村通寬帶的比例達到96%，農村網民規模達到2.11億，城鄉網民比例為2.8:1，“互聯網+現代農業”行動取得顯著成效。智慧農業作為“科技+現代農業”的最佳載體，正成為全球農業發展的大勢所趨，也必將提高我國農業基礎設施的專業化、智能化和信息化水平[1-2]。智慧農業是傳統農業向現代農業發展的必然趨勢，集互聯網、移動互聯網、云計算、物聯網技術為一體，實現農業生產全過程與“物聯網+”、云計算、大數據技術，遙感與地理信息系統、人工智能與專家系統技術，以及其他電子信息技術結合，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。如何為農業生產經營主體提供低成本、環境友好型智慧種植、養殖、水產的解決方案與持續服務，是當前的緊迫任務。

1.總體設計

1.1 定義與目標

根據以上背景，我們認為“數字生態農業工程應用”可定義為：（1）運用多學科交叉手段，以理論機制研究、實踐應用、決策管理為導向，采用先進傳感器網絡、衛星、無人機、云計算、大數據、物聯網、區塊鏈等技術實現區域農業產業提升與生態環境優化的多方面、多層次耦合優化；（2）以農業產業與生態文明協同發展的典型案例與能力體系，支撐“長江大保護”“揚子江生態文明建設”的理念愿景；（3）助力區域農業產業升級、生態文明建設，培養高級應用型、復合型工程技術人才。

由此，“數字生態農業工程應用”的總體目標包括：（1）建立一個交叉學科支撐的、區域農業經濟與生態農業影響的智庫。聚焦“長江大保護”“揚子江生態文明建設”的需要，依托農學、農業經濟、生態環境、軟件工程、信息與通信工程等多學科與專業，圍繞數字生態農業工程技術的研究方向，開展理論方法、共性技術、應用服務研究[7]。（2）建立一個農業產業與生態環境協調發展的技術研究基地。實現農業、漁業用水的高頻監測、信息集成管理、過程細化建模、多種水體內部養分循環模型、對外負荷輸出的定量核算，進一步促進目標湖庫流域水質管理目標的達成，促進我國水產養殖密集區域、亞太人口集中區域，由當前“粗放式”向“可持續、環境友好型”轉型，為政府部門從宏觀上對養殖行為的規劃提供輔助決策。（3）建立一個農業全產業鏈的工程技術服務平臺。構建低功耗、可配置、太陽能水文水質物聯網監測平臺，實現對多種水質指標的全天候、不間斷、高頻率的觀測，結合云平臺進行分析、可視化。提升養殖密集型流域多種水體的遙感監測能力，包括高分、多光譜衛星影像、高光譜影像、無人機低空攝影測量[8]。

實現“數字生態農業工程應用”，需要做好如下具體工作：（1）科學研究。開展理論與方法研究，包括在數字經濟對生態農業建設的影響機制、生態農業多要素監測與模擬、數字農業全產業鏈管理等重點領域完成高質量、問題導向的學術成果，為政府、農業產業園區、企業提供高質量的研究報告、產業地圖和布局規劃等。（2）隊伍建設。培養學術帶頭人和中青年學術骨干若干人，其中包括培養“333”層次人才、建立省級科技創新團隊等。（3）人才培養。培養復合型、應用型高級工程技術人才，服務“長江大保護”“揚子江生態文明建設”產業化和框架下的人力資源需求。（4）學術交流。召開國際性數字生態農業學術會議，參與國內外學術活動。（5）社會服務。提升區域數字生態農業工程實踐能力，形成整套可推廣的示范技術體系。

1.2 總體框架與能力設計

本文設計的總體框架如圖1所示。它依托數字生態農業工程技術研究中心，以應用技術研究院、地方產業研究院、高等院校為基礎支撐，實現共性技術研究、前瞻方法探索、現場應用示范三個主體研究內容，最終輸出成套的能力體系和應用人才。

2.案例初探

本文以南京市高淳區為典型研究區域，發揮金陵科技學院的傳統農學優勢以及軟件工程等多個特色學科在“數字、生態、農業、工程、應用”等方面的交叉融合潛力，對總體框架和能力體系進行初步落實與規劃。

2.1 典型研究區域

圖1 總體框架與能力設計

高淳區位于江蘇省南京市南端，坐擁先天的山湖資源，素有“日出斗金、日落斗銀”的美譽。這里是我國重要的特色現代都市農業基地，國家東部地區重要休閑旅游目的地，“國際慢城聯盟”中國總部所在地。固城湖處于水陽江下游，屬長江水系，是高淳區“魚米之鄉”的重要標志。固城湖流域范圍涵蓋周邊7個鄉鎮和1個省級經濟技術開發區，水資源豐富，水產養殖歷史悠久、享有盛名[7]。

作為“兩山”理論的示范區，高淳區擁有國家農業高新技術產業示范區。當前市政府、區政府非常重視高淳全域山水林田湖草系統的保護與整治規劃，堅持推行“大小共治、水陸共治”，提出了水污染防治、水環境綜合治理、湖泊生態保護、土地整治、生物多樣性保護和鄉村振興等六類生態保護與修復工程[9]。然而，大規模粗放式的養殖方式也造成蟹、蝦、魚局部病害，以及水生態環境的問題[10-11]。

2.2 研究主體特色

江蘇省南京市的經濟發展已由高速增長階段轉向高質量提升階段。“一帶一路”、長江經濟帶等重大國家戰略的深入實施，為南京提供了全新的時代機遇。金陵科技學院（下文簡稱“學校”）坐落于南京，是一所以培養高素質應用型人才為主的全日制普通本科院校，是國家建設類技能型緊缺人才培養試點高校、卓越工程師教育培養計劃、教育部應用科技大學改革試點戰略研究單位、中國應用技術大學聯盟創始單位，CDIO工程教育聯盟成員單位。“數字、生態、農業、工程、應用”是學校發揮傳統農學優勢，融合軟件工程王牌學科，以及農業經濟、城鄉規劃、電子信息等強勢專業，爭創國家一流的重要途徑。

2002年以來，學校響應“5112”教育富民工程號召，組建“農科教講師團”，面向南京各區農村致富骨干、種植、養殖大戶，開展農村實用技術培訓、技術咨詢、新品種新技術開發、農業發展規劃、農科教結合示范基地建設等工作。此繼續教育工作被評為“2019年度江蘇省社區教育特色品牌”。2008年以來，學校主動承擔“江蘇省掛縣強農富民工程項目”，針對蔬菜新品種、新技術新模式開展了示范推廣與技術培訓。2009年以來，承擔各類富農、慧農、幫農工作，依托傳統優勢農學相關學科，結合新興軟件類學科的應用科技研發與人才資源優勢，在智慧農業領域開展了一系列卓有成效的工作。2014年，學校牽頭成立了江蘇省農學會智慧農業分會，為全省農業信息化領域的專家和涉農單位提供交流合作平臺，為全省農業管理部門、農業合作社及涉農企業提供咨詢、培訓等全方位服務。2015年，學校由南京市農委確立為新任南京農業科技創業創新聯盟秘書長單位，努力以新思路、新舉措推動現代農業發展，使南京市在全省率先實現農業基本現代化進程中始終走在前列，切實服務“強富美高”新南京建設。

未來，金陵科技學院將以高淳研究區的現有工作為基礎，以農業農村生態文明和經濟發展互為支撐為特色，借助新一代電子信息技術，融合智慧農業、生態農業、農業經濟、農村區域規劃、農村三產融合等多學科領域的交叉力量，促進地方高質量發展，形成數字、生態、農業、工程、應用一體化的解決方案。以高淳區作為數字生態農業的重點實驗區和特色試驗場，在數字經濟與生態農業建設影響機制、養殖區域/周邊水系的水系監測與模擬、水產養殖全產業鏈設計與實施等方面形成可復制的產品與成果。

2.3 研究方向規劃

2.3.1 數字經濟對生態農業建設的影響機制研究

（1）數字生態農業的內涵體系與作用機理。從產業與生態互利共生的視角科學界定數字生態農業的內涵；從數字化農業生態資源、數字化農業生態環境建設、數字化農業生態產業規劃，以及數字化農業生態試點工程建設等方面出發，對數字生態農業的構成體系和相互作用機理進行研究分析。

（2）數字生態農業發展評價模型研究。緊扣數字生態農業基于數字技術、生態與產業共生的特點，引入農業資源環境容量和人類生態文明響應這兩大系統來分析基于數字技術的農業生態與產業的相互關系；構建涵蓋農業產業經濟壓力子系統、資源環境容量狀態子系統、生態效益影響子系統、人類生態文明響應子系統的數字生態農業系統結構模型；根據子系統之間的相互作用機理，構建影響數字生態農業發展的指標體系，通過綜合評價方法體系對指標進行初步的篩選和優化，從而為數字生態農業的發展應用提供理論支撐[11]。

（3）數字生態農業發展應用研究。選取高淳區作為數字生態農業發展評價模型的應用場景，通過高淳區的發展實踐對模型進行優化和修正，找到制約研究區域數字生態農業提升的短板，從而為區域生態農業的可持續發展提供科學決策。通過不斷深化與調整，讓研究區的“綠色”變成“紅利”，讓自然“活水”變為發展“活水”，讓“綠水青山”變成“金山銀山”，從“環境美”走向“發展美”，實現高淳數字生態農業高質量發展的新路徑。

2.3.2 生態農業多要素監測與模擬

（1）基于多源遙感數據融合的區域農業本地信息動態監測。通過圖像特征提取和分析，采用目視解譯與機器學習結合的方式，獲取研究區域精細土地利用狀況、作物種類分布、水系等基礎農業地理圖件；通過野外采樣和室內分析，結合經典統計學、化學計量學、機器學習等方法，建立生態環境關鍵參量與多源遙感影像間的定量反演模型，從而獲取研究區域各類基礎數字圖件，以實現生態環境參量的動態監測。

（2）山—水—林—田—湖—塘的物質循環過程模擬。針對呈污染態勢的“熱點”區域，結合流速、流量、水位在線監測，模擬多種自然、人為影響下的湖—庫—塘連通與水量傳輸過程[9]。構建高密度水產養殖、農業種植、禽畜養殖行為下，環境中多種物質的循環模擬，量化有機物、無機物、重金屬等含量的動態變化，及其內部循環演變與水產品、種植作物、養殖禽畜的關系，核算養殖、種植周期下的養分負荷的輸入與輸出。

（3）區域種植、養殖行為的環境效應及優化調控。結合模型參數敏感性、尺度提升技術，模擬典型養殖區域、典型種植區域多片水體、森林、田地等農業生產環境，與上下游湖庫、河道之間的水質聯系。明晰不同投料、換水等人工養殖行為，施肥、播種、翻地、灌溉等多種種植行為，以及干旱、暴雨等自然降雨條件下的養分輸出過程，建立兼顧農產品增產增收、質量提升、水土環境優化的多目標決策模型工具[10]。

2.3.3 數字農業全產業鏈管理

（1）農業農村生產、生態環境感知。研發各類低功耗無線電池供電、太陽能供電終端，集成水質、氣象、土壤等農業生產環境傳感器；建設異構物聯網管理平臺實現接入網絡終端節點的全生命周期管理，監測傳感器異常和性能參數，評價終端使用壽命，同時提供終端的遠程校準、升級功能；建設農業農村生態環境感知管理平臺，實現環境參數的準確可靠采集，建立農業生產、農村生態環境時序數據庫，實現農業農村全數據可視化管理[7-8]。

此處，物聯網環境感知與方向二“生態農業多要素監測與模擬”的技術關聯與持續改進策略如圖2所示。

圖2 技術關聯與持續改進

（2）農業生產智能化管理。運用數字化技術挖掘農業生產環境因子的關聯關系及對種養殖產品的影響，融合多環境因子建立品種生長模型，智能識別環境異常指標變動，并及時發布告警，指導農業生產精準化管理；針對農業生產過程中勞動密集的環節，研發精準播種、精準采摘、精準飼喂、綠色防控等智能化裝備，以人工智能技術實現農業生產的自主安全可控。

（3）農產品全產業鏈大數據。實現農業產業鏈全程數字化管理，建立單品種全產業鏈大數據平臺，完成農產品生產、加工、物流、銷售全產業鏈數字化；研發冷鏈物流配送、網絡營銷新模式對應的信息化平臺解決方案，打通產業鏈各環節的數據壁壘，實現平臺共用、數據共享，將納入平臺中的新型農業經營主體信息直報管理部門信息系統；運用區塊鏈、智能合約技術，重點跟蹤記錄農獸藥基礎數據、種養殖行為記錄、物聯網監測數據、農產品交易數據，實現農產品質量全程溯源。

3.結語

本文在“數字生態農業工程應用”初步定義的基礎上，認為其總體框架可依托工程技術研究中心，以應用技術研究院、地方產業研究院、高等院校為支撐，涵蓋共性技術研究、前瞻方法探索、現場應用示范三部分研究內容。以高淳區為典型研究對象，結合金陵科技學院的傳統農學特色與軟件工程、農業經濟、城鄉規劃、電子信息等優勢學科，對“數字經濟對生態農業建設的影響機制”“生態農業多要素監測與模擬”“數字農業全產業鏈管理”三塊研究主題進行設計規劃。研究過程與結果能夠為智慧農業、農村三產融合、長江大保護等國家發展戰略提供多學科融合視角下的獨特參考。