利用物聯網等現代化技術實現農業農村現代化

王昭蘇，馮 敏

（山東第一醫科大學 醫學信息工程學院，山東 泰安 271000）

我國是一個農村占比很大的超級農業大國，農業是我國的重要戰略產業，擁有不可撼動的支柱地位。但目前，我國仍有不少落后農村地區仍未實現脫貧。作者通過查閱資料、觀看視頻等，發現我國目前不少農村地區仍在采用最原始、最基礎的耕作方式，不僅耽誤時間、浪費人力物力資源，收益與效率也非常低下，收獲與付出嚴重不成比例。而且由于資金問題，實現機械化收獲的耕地少之又少，若遇到自然災害、蟲病等，更是會使年產量大幅減少，導致巨額虧損，使辛苦勞作的農民們入不敷出，從而導致種植業從業者積極性下降。近年來可用耕地數量不變，種植業從業人數減少就是此問題的最直觀表現。這時，農業農村智能現代化就刻不容緩了。農業農村現代化將會讓農耕種植變得自動、迅速、便捷，可以節省大量時間資源。如果能夠實現多數農村地區的農業智能現代化，那么許多農村地區人民的脫貧則指日可待。

近幾年來，部分農村地區的智能化、現代化與機械化程度正在穩步提升，取得了顯著的好成績。目前，隨著人口生育模式發生轉型，人口和農村勞動力供給變少，數量從剩余轉向短缺，因此農業和工業、農村與城市之間爭奪勞動力的情況加劇，導致農業投入出現重大階段性變化，農作物用工成本增加、單位用工量減少、機械投入大幅增加。由此，農業勞動生產率顯著提高。[1]可見農業農村現代化益處頗多，而有了如此良好的開端和先例，農業農村全面實現智能現代化也不再只是想象。

那么，如何最有效地實現農業農村現代化呢？就作者個人的觀點，可以將目前超速發展的物聯網信息技術應用到農業農村產業中。物聯網是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程。[2]借助網絡信息技術與裝備，物聯網可以實現所有物品的通信與聯接，讓所有的物品都可以被搜索或檢測到。如果能利用它的這些功能特點，將農業農村與物聯網緊密結合應用，定將會大大提升效率和收益，節省大量時間和資源，益處無窮。

影響農業種植、作物生長的因素有許多，包括氣候環境、空氣溫度與濕度、土地酸堿度、土壤水分、環境二氧化碳濃度、風速與光照等等。目前的傳統農業中農民只能通過自己的感覺來判斷這些因素，從而施行耕作、灌溉、施肥、噴藥等，這樣不僅費時費力，還極易造成損失。而這時，便可以將物聯網遙感技術應用到農業種植中。農業物聯網遙感指利用遙感技術進行農業資源調查、土地利用現狀分析、農業病蟲害監測、農作物估產等農業應用的綜合技術，可獲取農作物影像數據，包括其農作物生長情況、預報預測農作物病蟲害。利用農業遙感技術，便可以在節省大量人力的情況下對環境溫度濕度、空氣質量狀況、土地pH值等各種農業種植影響因素進行實時監測，同時又可對農作物長勢進行監測，對病蟲害及時防控。一系列作物在不同生長周期的問題，都有信息化、智能化的監控系統實時定量精確把關。[3]這樣不僅確保了數據的精確性、作物的安全性與穩定性，確保農作物在同一時段內最優的環境中生長，有問題也可以及時發現，實現科學監測、科學種植，大大降低了作物的死亡率。

同時，在實施監控的基礎上，可以進一步通過接收無線傳感匯聚節點發來的數據等，實現各個基地測試點信息的獲取并進行管理，以直觀圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據以上各類信息的反饋對農業園區進行自動灌溉、自動降溫、自動卷模、自動進行液體肥料施肥、自動噴藥等自動控制。[4]通過各種儀器儀表實時顯示或作為變量參與到自動控制中，保證農作物有一個良好的、適宜的生長環境。采用物聯網的無線傳感器網絡來獲得作物生長的最佳條件，可以為農業現代化提供科學依據達到增產增收、改善品質、調節生長周期及提高經濟效益的目的。[5]

此外，蟲害也是影響農作物生長的重要因素之一，而除蟲設備繁多、使用復雜、遇到惡劣天氣易損壞、大面積噴灑農藥耗時耗力、設備無保障損壞難修等問題是不少種植業從業者的煩惱。而物聯網應用中的傳感器集成應用可以有效解決這些問題，比如已經被投入市場應用的“誘蟲燈”，就是利用害蟲的趨光性、趨色性等特性原理，誘使病蟲靠近“誘蟲燈”，再利用外圍的高壓網殺死害蟲，使害蟲落到蟲袋里達到殺蟲目的，可見傳感器是一種很好的防蟲設施；除了利用害蟲的趨光性，還可以對害蟲進行“誤導”，例如，模擬一種類似農作物的“氣味”，通過傳感器將該氣味釋放出來，然后在傳感器附近設置大面積的“捕蟲網”，將病蟲粘住，達到捕捉病蟲的目的。不僅在種植業，在畜牧養殖方面同樣如此。畜牧業作為我國農業的重要組成部分，是農業產業結構的經濟支柱之一，目前也同樣存在著問題。畜牧養殖的收益相比種植業要更多，魚、肉、蛋、奶都是畜牧養殖的所得產物，養殖成本較低，利潤較大，但在養殖過程中的風險也比種植業更高，若牲畜感染瘟疫則會產生巨大虧損。此外，牲畜肉質的優質與否與飼料、活動范圍甚至心情都有著較大關系，因此，在平時的養殖過程中，可以利用機器“人為”進行干預，比如，讓機器模擬并學習一種能使牲畜感到愉悅的“信息素”，通過聲波等方式傳遞出來，作用到動物身上。若動物長年累月受此影響，肉質口感自然會比一般的牲畜更佳。

再者，是否可以將機器學習結合物聯網和計算機信息技術等引入到農作物收獲中去，幫助農民進行自動化收獲呢？機器學習是一門較為復雜的交叉學科，涉及概率論、統計學、逼近論、凸分析、算法復雜度理論等多門學科，專門研究計算機如何模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結構使之不斷改善自身的性能，并通過某種算法，對歷史數據進行分析與訓練從而得出某種模型，當有新的數據提供時，可以使用訓練產生的模型對未來進行預測。這意味著，機器學習是一種能夠賦予機器進行自主學習，不依靠人工進行自主判斷的技術，它和人類對歷史經驗歸納的過程有著相似之處。也就是說，機器完全可以通過算法學習人類的語言、技術甚至思維，模擬人類的行為，在農業生產上，可以將人類行為通過算法導入機器，讓其模擬并學習一些行為，再進行分析與運用，從而掌握一門技術。綜上，通過機器學習，農作物的種植收割將會解放大量人力，變得更為精確、簡易、便捷，加之與現代化信息技術相結合，達到資源的最優利用，實現共贏。

下面，將詳細介紹一下我國農業農村目前發展的現狀與存在的不足，各項現代化技術的定義、特點、詳細的應用情況和具體的實例分析，以及作者的一些觀點與設想。通過分析，結合各項技術本身的作用與特點，將它們正確應用到農業生產中，必將會受益無窮。

1 我國農業農村發展的現狀與不足

1.1 現狀

近些年來，我國農業生產環節利潤水平不高一直都是無法否認的事實，經常付出與收獲不成正比。究其原因，一方面是由于延續了多年的以農業支持工業發展的國家發展策略造成的長期影響，另一方面也是由于絕大多數農業生產者分散而力量薄弱，加之進入門檻較低，并不具備產業鏈的議價能力。且各種所需要的原材料、農資產品等價格普遍不斷增高，使農業生產成本變高。[6]此外，頻發的極端惡劣天氣亦會對農業產生一定負面影響，使利潤極易造成損失。[7]

21世紀以來，中國農業份額下降到現代化轉折點，第一產業占三大產業的產值比重到2011年降至10%，2012年則基本保持穩定，達到10.1%。[8]中國農業目前也正在經歷以勞動密集投入為主，提高土地生產率的傳統農業類型向以機械化為主，提高農業勞動生產率的現代農業轉型。

1.2 不足

成本高，利潤低，付出與收獲不對等，易受天氣影響。一旦逢暴雨、冰雪等惡劣天氣，便極有可能會對農業種植產生不可逆轉的打擊，使農民們長久以來的努力全部作廢，造成嚴重的損失。

雖然我國目前已有部分農村地區基本實現現代化、機械化，但仍有不少農村地區耕作方式較為落后，效率低下。不同的地區之間發展差距較大，現代化技術并不普及。應利用物聯網與信息技術等現代化技術，做到將農業農村現代化、機械化、智能化等在各個地區廣泛普及，實現共同脫貧。

2 名詞釋義

2.1 物聯網

物聯網是一種承載體，可以利用傳感器、全球定位系統、氣體感應器、監控等收集光、熱等環境條件的信息，再通過物聯網技術把信息進行共享和交換，以實現智能化識別和管理功能。物聯網在日常生活中廣為應用，由于其具有應用多、范圍廣、智能化等特點，與傳統技術結合可以提高生產生活質量。物聯網的多種應用，與傳統農業結合是當前農業發展的趨勢。物聯網分為三個方面，一是感知層，類似于人類的感覺器官，是用于感知外在變化，感知溫度、濕度、風速、光照等各種自然條件的傳感器，用于對植物的基礎生長進行信息采集;二是傳遞層，主要是利用云計算和網絡，把信息進行傳遞和共享；三是應用層，主要完成數據研究、分析與應用。[9]通過這三類功能，可以基本實現農耕自動化、農業災害防治、自動收割等。

而物聯網與農業相結合，不僅使農耕更加便利，而且在提高產量，增加農民收入方面亦有巨大影響。實現農業智能化監控管理，實時監控農作物生長，實現全天候數據監控、遠程操控機器設備、農林有害生物監測及數據融合分析一體化，全面提高生產效率，可稱為智慧農業；在灌溉、日光溫室大棚、農業云平臺等方面進行智能化處理，即智慧種植。其中廣泛應用的日光溫室大棚雖然加快了許多作物的生長周期，卻仍然存在一部分需要解決的問題，而利用物聯網智慧農業控制系統是較優的解決辦法。使用溫室大棚進行種植，就會存在如下問題：（1）人工判斷不準確，無法 24 小時值守；（2）人工操作依靠種植經驗，人力消耗較大；（3）生產管理強度大，容易產生懈怠，管理要求高。基于此情況，利用物聯網智慧農業控制系統對大棚的智慧化進行管控則大大提升了效率，主控制部分可連接電腦、手機、顯示屏等，將監控數據進行實時傳輸，主控制柜主要監測大棚內的溫濕度、光照度、土壤水分、二氧化碳含量等，并且可對溫室蔬菜大棚、溫室菌類養殖大棚、溫室花草養殖大棚等進行管控。智慧農業控制系統可以科學化、智能化地監測和管理農業，實時查看、分析數據，實現綜合性、靈活性的智能管理，提供監測、數據分析、數據模擬應用等服務，實現農業智能化管理。目前，許多耕地采用日光溫室大棚進行種植，這是因為氣候不適宜部分作物生長，而使用日光溫室大棚后，產量明顯趨于穩定。而在技術方面，如在農業控制系統、蟲情監測系統、農藥殘留檢測等方面進行優化，形成區塊鏈，將多片耕地進行區域化管理，由多名耕地承包人共同承擔費用，可以降低成本。

2.2 農業現代化

農業現代化是指由傳統農業轉變為現代農業，把農業建立在現代科學的基礎上，用現代科學技術和現代工業來裝備農業，用現代經濟科學來管理農業，創造一個高產、優質、低耗的農業生產體系和一個合理利用資源、又保護環境、有較高轉化效率的農業生態系統。農業現代化的目標是建立發達的農業、建設富庶的農村和創造良好的環境。[10]

農業現代化的重要理念是“綠色耕作”，即在不污染環境、不破壞耕地的情況下提升產量，這就意味著機器智能與自動化的程度要達到一個較高的水準。而農民的盈利水平通常在5-10萬/年，若虧損有可能降至5萬以下，在資金不足的情況下，要實現機器的自由調度就比較困難。一般一位農民承包一片耕地，這片耕地的盈虧與否都只關系一位農民，那么是否可以將鄰近的幾塊耕地編為一組，由一臺機器管理，承包人與耕地數目不變，只是將機器管理的耕地范圍擴大，這樣即使年產量沒有達到預期，也可以緩解因資金問題帶來的無法使用機器的問題，畢竟機器自動化在農業農村現代化中具有舉足輕重的作用，實現機器自動化的耕地往往具有更大的優勢。機器模擬在學習人類的行為后進行重新組織與訓練，使其本身具有的“知識結構”不斷改善自身性能，從而得出新的模型，當給機器提供新數據時，可以使用分析得出的模型進行未來預測，這一應用可以在全自動化耕作、防治病蟲害等方面發揮重要作用。

2.3 農業遙感技術

通常所講的農業遙感主要指遙感技術在種植業生產活動中的應用，具體來說是綜合運用由遙感、地理信息系統和全球定位系統所構成的3S技術及計算機物聯網等高新技術，對農業生產，尤其是種植業生產過程中的各個環節進行數據的獲取、存儲、處理、分析及表達與應用的一種綜合性技術。

例如，在種植初階段，病蟲害對作物的威脅較大，如果面臨病蟲入侵，人工查找病蟲害區域并進行驅蟲，耗時耗力，且不一定能完全驅除，這時運用遙感定位技術可以對區域進行監測，準確定位病蟲區域，比人工監測效率更高、速度更快、結果更加精確、效果更好，有效對病蟲害進行防治。

2.4 機器學習

機器學習是一門多學科交叉專業，涵蓋概率論知識、統計學知識、近似理論知識和復雜算法知識，使用計算機作為工具并致力于真實實時的模擬人類學習方式，并將現有內容進行知識結構劃分來有效提高學習效率[11]。

作者通過查閱資料與研究發現，農作物的播種、澆灌、收獲都不存在較大的困難，機器進行學習后，通過分析與訓練獲得這些最基本的行為，通過計算機算法，可以在以后的播種、澆灌與收獲中進行運用，可以大大提高生產效率。而對于農作物產生較大影響的因素，除了自然因素如光照、溫度、濕度外，就是自然災害與病蟲害。其中自然災害屬于不可控因素，暫不做討論，而病蟲害可以進行人為控制，但傳統的“噴藥”會對農作物產生影響，輕則影響口感，重則影響健康，那么此時便可以通過機器進行病蟲害防治，通過算法讓機器學習釋放病蟲天敵的“信息素”，從而讓病蟲產生“農作物是天敵”的錯覺來保護農作物，能有效防止因病蟲害而造成的產量減少。另外，在處理作物播種、澆灌、施肥、收獲等方面可以實現全自動化，讓計算機模擬并學習農民的播種、耕作、收獲行為，達到機器耕作，可以增強耕作效率。

3 結束語

以上便是各項擬用的現代化技術的含義解釋與詳細說明，以及作者對此的一些設想和看法。本文以我國農業的現狀與存在的不足為出發點，重點講述了各項現代化技術比如農業遙感技術、機械學習等與我國農業相結合的一些構思、設想和事例，旨在使我國農業的發展更進一步。現代化科技技術的飛速發展是我國當前社會的一大主流特征，我們應該合理應用它們，讓它們發揮出自身最大的價值和作用，這也符合我國目前可持續發展戰略的綠色能源理念，節能節源，物盡其用。綜上所述，這些現代化智能技術都對我國農業農村的發展有著適宜的幫助，只要正確地加以結合利用，分而治之，專項專攻，合理利用，并適時在這些現代化技術的基礎上加以再次創新，定會讓我國農業農村的現狀得到較大的改善和提升。