我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)研究的現(xiàn)狀·問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

王海宏，周衛(wèi)紅，李建龍*，孫政國(guó)，鄭亞君

(1.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210093；2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211188；3.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇張家港 215600；4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，江蘇南京 210095；5.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210000)

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我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)研究的現(xiàn)狀·問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

王海宏1，2，周衛(wèi)紅1，3，李建龍1，2*，孫政國(guó)1，4，鄭亞君1，5

(1.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210093；2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211188；3.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇張家港 215600；4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，江蘇南京 210095；5.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210000)

在總結(jié)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀并借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了智慧農(nóng)業(yè)的概念、意義、原理與框架體系等，指出了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決方案，進(jìn)而論述了我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的潛力和發(fā)展趨勢(shì)等，為我國(guó)今后發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了科學(xué)依據(jù)、構(gòu)想和導(dǎo)論。

智慧農(nóng)業(yè)；“5S”集成技術(shù)；農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化；物聯(lián)網(wǎng)+；云計(jì)算

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展主要靠品種改進(jìn)、大量施用化肥和耕種管理機(jī)械化等措施，在耕地面積不斷減少和環(huán)境惡化的基礎(chǔ)上，農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增收的潛力已經(jīng)很有限，未來(lái)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要潛力和方向是構(gòu)建轉(zhuǎn)型的智慧農(nóng)業(yè)體系和模式，大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息與生產(chǎn)安全現(xiàn)代化。其緣由是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，灌溉、施肥、噴藥全憑農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)，無(wú)科學(xué)指導(dǎo)和理論根據(jù)；而如今，在智慧農(nóng)業(yè)中，農(nóng)作物澆水、施肥、打藥時(shí)間，農(nóng)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(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)定量精確管理[1]。大力發(fā)展、推廣智慧農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)民的耕作效率，用機(jī)械代替人力勞動(dòng)，從而更加有效地提高產(chǎn)量，保障食品安全，使得各個(gè)農(nóng)業(yè)水土資源可以得到充分的利用。因?yàn)榫_的感知技術(shù)、廣泛的互聯(lián)互通技術(shù)和深入的智能化技術(shù)使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)更加有效、更加智慧和更加聰明，從而達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、食品生產(chǎn)過(guò)程可監(jiān)控好，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、有效利用農(nóng)村能源和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)[2]。筆者概述了智慧農(nóng)業(yè)的概念、原理及體系構(gòu)建，介紹了國(guó)內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展遇到的問(wèn)題，并對(duì)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1　智慧農(nóng)業(yè)概述

智慧農(nóng)業(yè)的主要目標(biāo)是利用建成融數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)控農(nóng)業(yè)機(jī)械為一體的數(shù)字驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)作物、土壤實(shí)施從宏觀到微觀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)、發(fā)育狀況、病蟲(chóng)害、水肥狀況以及相應(yīng)環(huán)境的定期信息獲取，生成動(dòng)態(tài)空間信息系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)象、過(guò)程進(jìn)行模擬，達(dá)到合理利用資源、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。從技術(shù)層面上講，智慧農(nóng)業(yè)是一門(mén)綜合性的學(xué)科，涉及到土壤學(xué)、作物學(xué)、氣象學(xué)和信息技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，即可通過(guò)遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)[3]。

李建龍等[4]提出了“5S”技術(shù)的概念和構(gòu)建框架，將“5S”技術(shù)引入信息農(nóng)業(yè)行業(yè)，為今后發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和生產(chǎn)力提供了新的技術(shù)支持，“5S”技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)將成為今后智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

1.1智慧農(nóng)業(yè)概念的提出為了發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和提高農(nóng)業(yè)發(fā)展效益，解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的各種供求矛盾，2014年我國(guó)提出了“智慧農(nóng)業(yè)”這一新概念。智慧農(nóng)業(yè)是智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，一般是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、“5S”技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)“三農(nóng)”產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化、低碳化、生態(tài)化、集約化，從空間、組織、管理整合現(xiàn)有農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、通信設(shè)備和信息化設(shè)施，使農(nóng)業(yè)和諧發(fā)展實(shí)現(xiàn)“高效、聰明、智慧、精細(xì)”和可持續(xù)生態(tài)發(fā)展，是將科學(xué)技術(shù)融合在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域中的具體實(shí)踐和應(yīng)用[5-7]。具體講，李輝等[8]指出，智慧農(nóng)業(yè)是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)手段與平臺(tái)，通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)和專家系統(tǒng)的指導(dǎo)，定量數(shù)字化模擬、加工與決策，使得農(nóng)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)供銷(xiāo)全過(guò)程智能化、數(shù)字化和信息化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息采集、加工、處理和評(píng)價(jià)分析現(xiàn)代化、科學(xué)化和智能化的目標(biāo)，是我國(guó)農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向之一，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化重要舉措之一。在此基礎(chǔ)上，又提出了構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)理論體系和結(jié)構(gòu)及應(yīng)用措施。

1.2智慧農(nóng)業(yè)的原理及其體系構(gòu)建目前，發(fā)達(dá)國(guó)家采用高度自動(dòng)化機(jī)械化精確生產(chǎn)的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可以逐步脫離人的操縱，由系統(tǒng)自動(dòng)操控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化和信息決策自動(dòng)化等。利用智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)，使得生產(chǎn)者可以遠(yuǎn)程監(jiān)控各個(gè)田地的狀況，從而減少多余勞動(dòng)力的消耗和了解農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)安全性和質(zhì)量好壞。

智慧農(nóng)業(yè)是主要依靠“5S”技術(shù)[分別是遙感系統(tǒng)(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、專家系統(tǒng)(ES)、智慧化決策知識(shí)系統(tǒng)(IDSS)]、“物聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及其他電子和信息技術(shù)，并與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程結(jié)合的新發(fā)展體系和發(fā)展模式[4，8-9]。智慧農(nóng)業(yè)體系是運(yùn)用“5S”技術(shù)快速進(jìn)行土壤分析、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，結(jié)合當(dāng)時(shí)的氣候、土壤情況進(jìn)行分析，進(jìn)而系統(tǒng)做出正確的決策，例如何時(shí)灌溉、灌溉多少，何時(shí)滅蟲(chóng)、施肥，何時(shí)收獲，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、生產(chǎn)管理相結(jié)合，創(chuàng)造新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和經(jīng)營(yíng)出售新模式。

在李建龍等[9]提出的“5S”技術(shù)體系中，RS技術(shù)模塊遙感數(shù)據(jù)模塊通過(guò)解譯遙感數(shù)據(jù)源獲取田地面積及其類型分布，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以遙感反演參數(shù)作為數(shù)據(jù)輸入源；GIS模塊在地理信息系統(tǒng)中整合遙感和氣象數(shù)據(jù)，集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能，利用地理信息系統(tǒng)建立農(nóng)田、田地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的空間轉(zhuǎn)換，并整合各類參數(shù)構(gòu)建反演模型；GPS模塊將系統(tǒng)與GPS導(dǎo)航儀結(jié)合，得到農(nóng)田、田地作物分布和生長(zhǎng)情況繪制成圖，根據(jù)這些信息制定相關(guān)的措施與決策；ES模塊智慧農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)能夠根據(jù)農(nóng)田、田地作物分布特征，劃分農(nóng)作物產(chǎn)量貧瘠區(qū)與豐富區(qū)，得到農(nóng)作物產(chǎn)量的等量圖，為政府決策提供依據(jù)和支持；IDSS模塊智能化決策知識(shí)系統(tǒng)支持決策人員解決處于管理系統(tǒng)不同狀態(tài)的某一領(lǐng)域中的決策問(wèn)題?！?S”技術(shù)體系具有良好的人機(jī)接口，以便科學(xué)地使IDSS與決策管理人員對(duì)話，充分發(fā)揮決策者的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和判斷能力的作用。

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等組成。前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)環(huán)境中光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數(shù)據(jù)的采集和控制[10]。而該研究構(gòu)建的無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要將前端傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺(tái)服務(wù)器上。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)布置攝像頭等監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)，通過(guò)電腦或手機(jī)即可隨時(shí)隨地觀察現(xiàn)場(chǎng)情況、查看現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等參數(shù)和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)與決策、指導(dǎo)農(nóng)作物施肥和淡水等，供數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供分析和決策依據(jù)。其農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，幫助進(jìn)行決策，以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中遇到的各類復(fù)雜問(wèn)題[1]。

2　國(guó)內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我國(guó)政府部門(mén)高度重視現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，先后出臺(tái)了《農(nóng)業(yè)科技發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新持續(xù)增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品供給保障能力的若干意見(jiàn)》《全國(guó)農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系建設(shè)發(fā)展規(guī)劃(2011-2015)》等政策文件，全力支持“十三五”期間我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。最新發(fā)布的《全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有望在農(nóng)業(yè)部確定的200多個(gè)國(guó)家級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)獲得農(nóng)業(yè)部和財(cái)政部資金補(bǔ)貼，并先行先試重點(diǎn)開(kāi)展3G、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、機(jī)器人等現(xiàn)代信息技術(shù)在該區(qū)域的先行先試，推進(jìn)資源管理、農(nóng)情監(jiān)測(cè)預(yù)警、農(nóng)機(jī)調(diào)度及無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)等信息化的試驗(yàn)示范工作，完善運(yùn)營(yíng)機(jī)制與模式。按照“十三五”規(guī)劃要求，今后5年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化總體水平將從現(xiàn)在的35%提高到50%，基本完成農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化從起步階段向快速推進(jìn)階段的過(guò)渡。具體指標(biāo)包括：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化整體水平翻兩番，達(dá)到12%；農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)信息化整體水平翻兩番，達(dá)到24%；農(nóng)業(yè)管理信息化整體水平達(dá)到60%；農(nóng)業(yè)服務(wù)信息化整體水平達(dá)到50%以上等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[11-16]。目前，RFID電子標(biāo)簽、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)、二維碼等技術(shù)日趨成熟，并逐步應(yīng)用到了智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理效率，提升了農(nóng)產(chǎn)品的附加值，加快了我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)步伐。 運(yùn)用智慧農(nóng)業(yè)思想開(kāi)發(fā)出來(lái)的計(jì)算機(jī)溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和生產(chǎn)技術(shù)，也被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。通過(guò)無(wú)線傳感器，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息、生長(zhǎng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程將會(huì)變得更加快捷、有效。

2.2國(guó)外現(xiàn)狀 目前，發(fā)達(dá)國(guó)家如以色列、美國(guó)和澳大利亞等國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)已具備了技術(shù)成套、設(shè)施設(shè)備完善、生產(chǎn)比較規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量保證性強(qiáng)等特點(diǎn)，形成了設(shè)施制造、環(huán)境調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材為一體的產(chǎn)業(yè)體系，能根據(jù)動(dòng)植物生長(zhǎng)的最適生態(tài)條件在現(xiàn)代化設(shè)施內(nèi)進(jìn)行四季恒定的環(huán)境自動(dòng)控制，使得農(nóng)業(yè)不受氣候條件影響，實(shí)現(xiàn)了周年生產(chǎn)、均衡上市。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志和發(fā)展的方向。智能化程度越高，設(shè)施農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平越高。從初級(jí)自動(dòng)化控制向高級(jí)智能化轉(zhuǎn)變，從非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)施向標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品過(guò)渡，控制系統(tǒng)從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)變是設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，突出體現(xiàn)在現(xiàn)代化溫室和植物工廠等方面。

智慧農(nóng)業(yè)的推廣與發(fā)展一定程度上促進(jìn)了美國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。一般專家拿一個(gè)小機(jī)器在手里，在田地里走一圈，便可以了解探測(cè)范圍內(nèi)的土地現(xiàn)狀、該塊土地上的作物需要多少水和養(yǎng)分、什么時(shí)候澆灌最為適宜等信息?？茖W(xué)的監(jiān)控，精細(xì)的調(diào)控，不僅減輕了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，也直接提高了農(nóng)產(chǎn)品的收益與質(zhì)量。

2.3現(xiàn)已取得的主要成果智慧農(nóng)業(yè)的研究核心主要是如何利用計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)農(nóng)作物，涉及農(nóng)作物調(diào)控系統(tǒng)的創(chuàng)新與發(fā)展，同時(shí)也是對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)文化轉(zhuǎn)型的研究，并在溫室農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用。

2.3.1在溫室大棚中的應(yīng)用。近年來(lái)，在政府、科研機(jī)構(gòu)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)等共同推動(dòng)下，部分地區(qū)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了積極的探索，已取得初步成效。如：①大棚溫控技術(shù)的應(yīng)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(duì)蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行全程數(shù)據(jù)化管控，保證蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程綠色環(huán)保、有機(jī)生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)蔬菜反季節(jié)生產(chǎn)，充分保證市場(chǎng)供應(yīng)，緩解了我國(guó)季節(jié)性蔬菜供應(yīng)緊張局面。②田間種植信息化建設(shè)應(yīng)用。黑龍江、河南等地通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)土壤等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田施藥施肥作物遠(yuǎn)程診斷管理等。③農(nóng)業(yè)用水灌溉應(yīng)用。北京、天津等地從2008年起就開(kāi)展農(nóng)業(yè)都市、農(nóng)業(yè)走廊、綜合節(jié)水示范工程以及農(nóng)業(yè)用水遠(yuǎn)程計(jì)費(fèi)收費(fèi)管理，共安裝了上千套農(nóng)業(yè)用水智能計(jì)量管理系統(tǒng)，平均每公頃地節(jié)水50%，節(jié)約了農(nóng)民用水成本，避免了水資源的浪費(fèi)。另外，新疆、河南等地均建設(shè)了農(nóng)業(yè)用水示范區(qū)提升灌溉效益，加大節(jié)水力度。

2.3.2利用“3S”技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要農(nóng)作物產(chǎn)量。李建龍等[6]構(gòu)建了江蘇張家港市主要農(nóng)作物產(chǎn)量遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)信息工作網(wǎng)站，對(duì)張家港市 2004～2010年小麥和水稻單產(chǎn)與NDVI進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)而建立各時(shí)期小麥和水稻的單產(chǎn)估測(cè)模型。根據(jù)地面試點(diǎn)在不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布，將試點(diǎn)數(shù)據(jù)分為2組，一組用作建立單產(chǎn)估產(chǎn)模型( 15個(gè))，另一組用作對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證( 10個(gè))。結(jié)果表明，小麥單產(chǎn)估測(cè)平均誤差小于8%，即小麥估產(chǎn)精度在92%以上。而水稻單產(chǎn)估測(cè)平均誤差小于7%，即水稻估產(chǎn)精度在93%以上。另外，為了使模型更為穩(wěn)定、精確，最終用全部觀測(cè)數(shù)據(jù)估測(cè)整個(gè)張家港地區(qū)的單產(chǎn)模型。結(jié)果表明，無(wú)論是小麥還是水稻，NDVI與最終產(chǎn)量間的擬合度均大于0.45，模型本身的平均誤差表現(xiàn)為小麥7.54%、水稻5.02%，即模型估產(chǎn)精度小麥為92.46% 、水稻為 94.98% 以上。

2.3.3“5S”集成技術(shù)的成功應(yīng)用?！?S”集成技術(shù)的推廣應(yīng)用，能使農(nóng)作物信息的收集、定位、傳輸、存儲(chǔ)、加工處理、管理、分析和空間數(shù)據(jù)可視化、資料共享成為一個(gè)整體的信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)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(shù)，可克服僅用遙感技術(shù)估測(cè)面積與產(chǎn)量過(guò)程中所遇到的技術(shù)難題，如多時(shí)相光譜資料不易集成復(fù)合，各類空間數(shù)據(jù)難以定位、顯示和加工處理，種植作物面積難以自動(dòng)提取及估產(chǎn)誤差過(guò)大等科學(xué)問(wèn)題，可做到農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量等信息的收集、存儲(chǔ)、管理和分析評(píng)價(jià)等，更加實(shí)時(shí)、 快速，精度更高，為農(nóng)學(xué)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理提供了全新的研究手段和科學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)。 “5S”技術(shù)一體化集成系統(tǒng)，為今后我國(guó)實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)科學(xué)管理和信息現(xiàn)代化，提供了新的技術(shù)和系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3.4物聯(lián)網(wǎng)及其他信息技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)土壤水分及其變化的監(jiān)測(cè)是生態(tài)、農(nóng)業(yè)和水土保持等研究中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。蔡鑌等[17]針對(duì)棉花莖桿直徑變化的測(cè)量參數(shù)，結(jié)合Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了棉花精準(zhǔn)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心2個(gè)部分組成，給出了系統(tǒng)總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并給出了軟件流程。該系統(tǒng)使人們隨時(shí)獲得棉花作物精確的需水信息，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。由于采用了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，該系統(tǒng)解決了有線通信方式存在的難以擴(kuò)展難以升級(jí)等問(wèn)題，具有低功耗、低成本、擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)[4，8-9]。

李建龍等[6]利用“5S”技術(shù)和其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了中國(guó)5S智慧農(nóng)業(yè)基本框架，并在張家港市和興化市進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，做了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三大效益及智慧發(fā)展的目標(biāo)。

3　智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展存在的主要問(wèn)題

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用，涵蓋了農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管等多方面，并在技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用、人才培養(yǎng)等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但總體上我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用還處于初步階段，存在關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品及集成體系成熟度較低、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失、有效的運(yùn)營(yíng)機(jī)制和模式尚未建立、專業(yè)人才缺乏等問(wèn)題。

3.1農(nóng)業(yè)信息通訊設(shè)施嚴(yán)重缺乏發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，需要建設(shè)基本的通訊設(shè)施，而目前我國(guó)廣大農(nóng)村還缺乏這些基本設(shè)施，這就使得農(nóng)業(yè)的數(shù)字化、智慧化程度較低，農(nóng)業(yè)信息的時(shí)效性、準(zhǔn)確性、綜合性達(dá)不到廣大農(nóng)民的要求。

3.2缺乏統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，制約著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。農(nóng)業(yè)信息資源雜亂制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、服務(wù)，不能滿足農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)對(duì)資源的需求，也不能滿足農(nóng)業(yè)科研工作對(duì)農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行全面、廣泛獲取的需求。

3.3農(nóng)業(yè)使用者素質(zhì)有待提高我國(guó)農(nóng)業(yè)從業(yè)者目前受教育程度普遍較低，應(yīng)用和接受現(xiàn)代信息化技術(shù)能力較弱，加強(qiáng)對(duì)從業(yè)者的各類知識(shí)培訓(xùn)是解決農(nóng)民科學(xué)使用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)和推廣智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)必要前提。

3.4現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息推廣應(yīng)用有待提高目前大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)種植集約化程度不高，規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力度不夠。大多數(shù)地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)主要以單農(nóng)戶家庭為單位，不能形成集中管理、科學(xué)種植、按需生產(chǎn)，“靠天吃飯”的現(xiàn)象普遍存在，但未來(lái)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向必須是大規(guī)模集體農(nóng)業(yè)、網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)，尤其是要發(fā)展網(wǎng)上購(gòu)銷(xiāo)農(nóng)產(chǎn)品，產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量網(wǎng)上監(jiān)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全全天候網(wǎng)上監(jiān)測(cè)。因此，發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)是挖掘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和提高農(nóng)業(yè)效益的重要渠道之一。

3.5新技術(shù)應(yīng)用推廣力度不夠目前在我國(guó)廣大農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭良好，但仍處于起步階段，技術(shù)研發(fā)與集成和使用標(biāo)準(zhǔn)等均需突破。雖然隨著寬帶技術(shù)、3G技術(shù)、智能終端的普及，突破了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用瓶頸，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在安防、電力、交通、物流、醫(yī)療、食品藥品溯源、環(huán)境監(jiān)控、大棚農(nóng)業(yè)等方面得到應(yīng)用，但真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用還有待提高和發(fā)展[18]。

4　我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”，推廣物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展方式，優(yōu)先在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的集成應(yīng)用，全面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合生產(chǎn)能力和可持續(xù)發(fā)展能力，推進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)方式創(chuàng)新，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力[6]。樹(shù)立智慧農(nóng)業(yè)的意識(shí)，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展的思維模式，由單純的人工耕種轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化的大規(guī)模生產(chǎn)。重視農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全質(zhì)量控制，加大農(nóng)業(yè)信息技術(shù)支持和推廣應(yīng)用[19]。

4.1制定統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持研發(fā)符合農(nóng)業(yè)多種不同應(yīng)用目標(biāo)的高可靠、低成本、適應(yīng)惡劣環(huán)境的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專用傳感器，解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)合理部署等共性問(wèn)題，建立符合我國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)軟件平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品系統(tǒng)集成、批量生產(chǎn)、大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

4.2加強(qiáng)智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)推進(jìn)加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代種業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、養(yǎng)殖業(yè)等產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)及流通業(yè)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⒓s化和服務(wù)社會(huì)化，都需要一些信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，如電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

4.3加快人才培養(yǎng)，提高使用者水平制定農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才培養(yǎng)與培訓(xùn)計(jì)劃，聯(lián)合高等院校和科研院所和企業(yè)，加快對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)、培訓(xùn)，提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力；建立人才激勵(lì)機(jī)制，穩(wěn)定和擴(kuò)大人員隊(duì)伍，滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的人才需求。集聚、研發(fā)科技成果，展示新品種、新技術(shù)，探索新模式、新平臺(tái)。建立健全技術(shù)，科技創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)、科技信息服務(wù)和農(nóng)產(chǎn)品銷(xiāo)售市場(chǎng)等支撐體系。逐步實(shí)行農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、土地流轉(zhuǎn)、多元化投融資、產(chǎn)業(yè)鏈延伸、農(nóng)民與龍頭企業(yè)建立利益聯(lián)結(jié)機(jī)制等，為干旱半干旱地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展探索提供經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和服務(wù)。

4.4加大智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用完善和提升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)孵化園、種苗產(chǎn)業(yè)園、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)示范園、農(nóng)產(chǎn)品加工園、物流園等合理布局、平衡發(fā)展，提倡生態(tài)發(fā)展、綠色發(fā)展、節(jié)約發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工作涉及面廣，資源整合和共享問(wèn)題突出，為了減少重復(fù)投資，必須強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、轉(zhuǎn)化、推廣和應(yīng)用過(guò)程中的重大問(wèn)題研究，做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一和地域優(yōu)勢(shì)平衡發(fā)展[6]。

4.5加大智慧農(nóng)業(yè)科研投入目前，有關(guān)智慧農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的水平在我國(guó)仍不高，各地和相關(guān)科研教學(xué)單位重視程度不同，我國(guó)各級(jí)政府、企業(yè)和相關(guān)科教單位在智慧農(nóng)業(yè)方面的研究投入不足，嚴(yán)重制約著我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。因此，為了提高智慧農(nóng)業(yè)研究的水平和加大推廣應(yīng)用智慧農(nóng)業(yè)成果，各級(jí)政府、相關(guān)企業(yè)和科教單位應(yīng)加大智慧農(nóng)業(yè)的宣傳、加強(qiáng)有關(guān)智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)研究和發(fā)明創(chuàng)造，加大科研經(jīng)費(fèi)投入和科技攻關(guān)力度，不斷提高我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的研發(fā)能力和基層應(yīng)用水平，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、數(shù)字化和智慧發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)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(nóng)業(yè)三新工程項(xiàng)目(SXGC [2014]287)；國(guó)際APN全球變化項(xiàng)目( ARCP2014-06NMY-Li)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140413)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271361)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB950702)。

王海宏(1974- )，男，甘肅蘭州人，講師，碩士，從事農(nóng)業(yè)信息生態(tài)與應(yīng)用科學(xué)研究。*通訊作者，教授，博士，從事信息農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。

2016-04-25

S 126

A

0517-6611(2016)17-279-04