精細(xì)農(nóng)業(yè)理念在棉花產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用

■王亮 劉進軍

〔河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002〕

農(nóng)業(yè)是一個古老而又恒久的行業(yè)，它記錄著人類文明的歷史，是關(guān)系到國民經(jīng)濟能否長期穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)。當(dāng)今時代，農(nóng)業(yè)發(fā)展既要保證高產(chǎn)高效，又要實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低耗，這就要求農(nóng)業(yè)必須由經(jīng)驗型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向知識型的精細(xì)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。棉花作為一種多用途的經(jīng)濟作物，在全世界范圍內(nèi)都得到了廣泛種植，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中十分重要的組成部分。棉花產(chǎn)業(yè)也直接影響到紡織、服裝等工商業(yè)的發(fā)展，是關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)之一。目前，我國的棉花產(chǎn)業(yè)需要按照精細(xì)農(nóng)業(yè)的理念，充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等作為其跨越式發(fā)展的驅(qū)動力，使其實現(xiàn)種植規(guī)?；?、加工自動化、技術(shù)智能化以及提升產(chǎn)品市場競爭力、降低生產(chǎn)成本等多元化目標(biāo)。

一、精細(xì)農(nóng)業(yè)

精細(xì)農(nóng)業(yè)是相對于較為保守的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言的，它是一種知識密集型的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理念，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理模式是粗放型的。以種植棉花為例，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的播種、施肥、除蟲、灌溉等作業(yè)都是由經(jīng)驗型、均一化的管理模式來指導(dǎo)完成的，其在施肥時間、施肥量、施藥量、灌溉量上多采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這種管理方式一方面造成了部分相對肥沃的土地資源的浪費以及環(huán)境污染；另一方面造成棉花系列產(chǎn)品的農(nóng)藥、化肥殘留過高，籽棉、皮棉品質(zhì)下降，市場競爭力不高。而精細(xì)農(nóng)業(yè)可以根據(jù)棉花種植的田間變異來確定最合適的生產(chǎn)管理決策，從而改善這一問題，其目標(biāo)是在降低消耗、保護環(huán)境的前提下，獲得最佳的收成。

精細(xì)農(nóng)業(yè)主要是利用3S技術(shù)（遙感技術(shù)RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS），對農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的氣候、土壤等因素進行實時監(jiān)測，獲取農(nóng)作物的生長狀態(tài)、發(fā)育情況、病蟲害情況、水分需求、肥料需求等信息，根據(jù)數(shù)據(jù)分析確定農(nóng)作物生產(chǎn)中的田間變異情況，從而制定生產(chǎn)決策計劃，最終通過定量可控的農(nóng)業(yè)化機械實施田間作業(yè)，完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的深入發(fā)展，精細(xì)農(nóng)業(yè)的理念也由農(nóng)田種植業(yè)逐步拓展到養(yǎng)殖業(yè)、林果種植業(yè)、設(shè)施園藝、農(nóng)產(chǎn)品流通加工等，并越來越多的延伸到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的各個領(lǐng)域。為此，精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心理念可以歸結(jié)為：利用信息技術(shù)精確獲知農(nóng)產(chǎn)品生態(tài)環(huán)境、動植物生命、最終品質(zhì)等特征信息并進行智能化的決策處理，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其流通過程的有效監(jiān)控和科學(xué)管理，從而達(dá)到合理利用農(nóng)業(yè)資源、降低生產(chǎn)成本、保護自然環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實踐表明，3S技術(shù)的應(yīng)用為精細(xì)農(nóng)業(yè)理念的應(yīng)用提供了強有力技術(shù)支持。以棉花種植為例，利用RS遙感技術(shù)可以估算棉花的種植面積。通過獲取具有較高分辨率的遙感影像以及判讀技術(shù)，可以獲取不同區(qū)域種植棉花的品種信息及同一區(qū)域棉花生長的差異情況，在棉花的生長過程中，還可以通過實時的遙感圖像分析它的長勢征兆及種植區(qū)域的天氣情況。利用GPS可以在精細(xì)農(nóng)業(yè)中用于準(zhǔn)確定位。棉花種植的面積較為廣泛，在種植面積較大的區(qū)域內(nèi)怎樣根據(jù)不同范圍內(nèi)的棉花生長需求來科學(xué)合理地進行施肥、澆水、除蟲等田間作業(yè)尤為重要。GPS技術(shù)可以為這些作業(yè)內(nèi)容進行精確的位置導(dǎo)航，真正實現(xiàn)田間的差異化管理，節(jié)約資源、降低污染。在籽棉、皮棉等棉花產(chǎn)品的流通階段，GPS技術(shù)可以準(zhǔn)確地提供位置信息，確保運輸過程的安全。GIS技術(shù)是采集、存儲、分析、查詢、輸出地理數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，是精細(xì)農(nóng)業(yè)的技術(shù)核心。它可以根據(jù)遙感技術(shù)和GPS技術(shù)獲取的棉花生長、土壤、產(chǎn)品檢測、倉儲流通等信息來進行數(shù)據(jù)分析，制定具有精確位置信息的產(chǎn)業(yè)計劃，為棉花生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)提供決策幫助。

精細(xì)農(nóng)業(yè)理念和3S技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了不小的變革，也大力促進了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的進一步成熟與發(fā)展，但3S技術(shù)的應(yīng)用還存在一定程度的缺陷。RS、GPS、GIS技術(shù)都普遍存在使用成本高、大量數(shù)據(jù)信息采集難度大、廣大農(nóng)民使用困難、難以與自動化農(nóng)業(yè)機械配合等問題。

二、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在精細(xì)農(nóng)業(yè)的實施過程中，如何有效地獲取農(nóng)業(yè)空間信息，快速地對大量的農(nóng)業(yè)信息進行分析處理，最后形成科學(xué)合理的生產(chǎn)決策是最為關(guān)鍵的幾項工作。隨著信息技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)成為人們在追求低成本、高效益的發(fā)展之路上發(fā)明的一項有力武器，它被稱為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。經(jīng)過研究，人們普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)存在經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)，其分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。這三個層次所發(fā)揮的功能正好解決了精細(xì)農(nóng)業(yè)理念中的幾項關(guān)鍵問題。感知層可以有效地獲取大量的農(nóng)業(yè)空間信息，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)這些信息的傳輸工作，而應(yīng)用層通過對信息數(shù)據(jù)的清洗、融合、識別等形成技術(shù)數(shù)據(jù)用于最后的生產(chǎn)決策。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全面感知，可以獲取農(nóng)作物生長、土壤狀態(tài)、環(huán)境現(xiàn)狀、產(chǎn)品質(zhì)量、流通加工狀態(tài)以及消費市場信息等大量的農(nóng)業(yè)空間信息，為精細(xì)農(nóng)業(yè)的實施提供數(shù)字化的科學(xué)依據(jù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳輸與分析應(yīng)用，使大量的農(nóng)業(yè)空間信息能夠物盡其用，提高了精細(xì)農(nóng)業(yè)的科學(xué)決策和作業(yè)實施水平。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和提出有賴于人們不斷地追求信息技術(shù)集約化、小型化的期望，這使得體積小、效用好、成本低的各類傳感器成為發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)可以使用的工具。由于人們把這些與傳感器類似的各種感知元件應(yīng)用到整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，使得大量農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)的獲取變?yōu)榭赡?，再通過各類網(wǎng)絡(luò)進行的數(shù)據(jù)傳輸和各類系統(tǒng)的分析決策，人們第一次真正意義上掌握了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程，因此，精細(xì)農(nóng)業(yè)需要與信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密地結(jié)合起來，使其進入快速發(fā)展的新階段。

三、棉花產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用

棉花產(chǎn)業(yè)是一個涉及范圍較大的行業(yè)，從棉花的種植、加工、流通再到終端消費，其產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)等多個產(chǎn)業(yè)范疇。為便于研究，現(xiàn)筆者將棉花產(chǎn)業(yè)鏈分為產(chǎn)前期、產(chǎn)中期和產(chǎn)后期3個階段討論。

1.產(chǎn)前期。

產(chǎn)前期就是指從棉花種植到采摘的作物生長期。在這一階段，棉花種植可以利用分布的各類傳感器來獲取所需要的生長信息，例如土壤水分、土壤PH值、土壤養(yǎng)分、空氣溫度、空氣濕度、空氣成分、各類氣象數(shù)據(jù)等。利用RS技術(shù)可以設(shè)置圖像采集器，用于實時觀測棉花生長的狀態(tài)、病蟲害等情況。這一系列的監(jiān)測數(shù)據(jù)將會被傳輸至生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、生長監(jiān)控系統(tǒng)、病蟲害觀測系統(tǒng)，經(jīng)分析處理后向具有施肥、灌溉、噴藥精準(zhǔn)控制能力的農(nóng)機設(shè)備下達(dá)處理指令，使其按計劃完成各項生產(chǎn)作業(yè)。通過精細(xì)農(nóng)業(yè)的控制方案，可以有效地減少棉花生產(chǎn)過程中過度使用化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的浪費現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本，保護生態(tài)環(huán)境。

2.產(chǎn)中期。

產(chǎn)中期主要是指棉花采摘以后的分類加工、檢測、運輸、倉儲到進入紡織企業(yè)制成消費品的階段。這一時期棉花生產(chǎn)重點關(guān)注的參數(shù)指標(biāo)來自多個方面，需要各類檢測設(shè)備、傳感器、RFID技術(shù)、視頻監(jiān)控等完成大量信息的采集和分類工作。在籽棉進行分類加工以前，應(yīng)用計算機視頻成像技術(shù)要觀測棉花的品種、等級、回潮率以及含雜率等技術(shù)參數(shù)，利用RFID射頻技術(shù)對其信息進行記錄并分垛堆放。根據(jù)最新修訂的棉花國家標(biāo)準(zhǔn)，檢測將重點關(guān)注顏色級、軋工質(zhì)量、馬克隆值、斷裂比強度、長度整齊度指數(shù)等指標(biāo)，這些參數(shù)同樣可以利用視頻成像及RFID技術(shù)進行采集和處理。在運輸和倉儲過程中，重點監(jiān)測濕度、溫度、防火防盜、視頻監(jiān)控等信息，利用RFID技術(shù)自動進行分揀、入庫、裝卸作業(yè)。通過信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，對產(chǎn)中期棉花產(chǎn)品的流通加工過程進行全方位的檢測和監(jiān)控，增加自動化控制能力、降低物流成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.產(chǎn)后期。

產(chǎn)后期主要是指棉花經(jīng)紡織企業(yè)制成成品進入消費市場領(lǐng)域的階段。在此階段，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對棉紡織制品的來源、生產(chǎn)過程、品質(zhì)以及運輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)進行控制。成品一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，可以根據(jù)實時記錄追根溯源，保證終端消費者的合法權(quán)益。它對于打擊違規(guī)操作、假冒偽劣產(chǎn)品都有重要的積極意義。

為了更為直觀地表明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在棉花產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用，將產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后3個時期進行分類對比，詳見表1。

表1.聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在棉花產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用對照表

四、結(jié)束語

隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)理念的逐步深入，棉花產(chǎn)業(yè)對應(yīng)用相關(guān)信息技術(shù)的認(rèn)識也越來越深刻，傳統(tǒng)的單一化種植、加工、物流作業(yè)已經(jīng)成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，難以解決棉花產(chǎn)業(yè)面臨由粗放型加工向自動化、精細(xì)化加工轉(zhuǎn)變的問題。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到棉花產(chǎn)業(yè)的精細(xì)加工作業(yè)里來，使產(chǎn)業(yè)鏈從種植到終端市場的各個環(huán)節(jié)均能夠?qū)崿F(xiàn)智能高效、科學(xué)合理的管理決策，這不僅開拓了精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新階段，也為棉花產(chǎn)業(yè)提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，增加行業(yè)智能化、自動化水平及抗風(fēng)險能力提供了強有力的技術(shù)保障。