大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)融合在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

王其富 王孟平 高巖

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用是目前各行各業(yè)發(fā)展的趨勢，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推動農(nóng)業(yè)向“精準”和“智慧”方向發(fā)展。首先闡述了物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的概念、特征及其關(guān)系;其次分析農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用架構(gòu)以及6大應(yīng)用方向;最后根據(jù)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的特點和難點，指出其融合應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域面對的困難與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng);融合;農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S126 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-0037（2018）11-78-3

DOI：10.19345/j.cxkj.1671-0037.2018.11.021

Application of the Integration of Big Data and IOT in Agriculture

Wang Qifu， Wang Mengping， Gao Yan

（Henan Academy of Science Institute of Applied Physics Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450008）

Abstract： Application of the integration of Internet of things （IOT） and big data is the development trend in all walks of life. Its application in agriculture promotes the development of agriculture to "precision" and "wisdom". Firstly， the concept， characteristics and relationship of IOT and big data were expounded. Then the architecture and 6 major application directions of the Integration of big data and IOT in agriculture were analyzed. Finally， according to the characteristics and difficulities of agricultural big data， the difficulties and challenges of the integration application in agriculture were pointed out.

Key words： big data;IOT;integration;agriculture

信息技術(shù)的快速發(fā)展使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)指的是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展不僅加強了世界各國之間的頻繁交流，其在運行的過程中同時也豐富了當前的信息資源，推動了大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)都是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上而形成的，這使二者具備較高的相似性，也在某種程度上產(chǎn)生了相互促進的積極性作用。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的有效結(jié)合將成為推動我國信息產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的主要因素，由此可見，物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)之間存在著相互促進、相輔相成的關(guān)聯(lián)性，主要表現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)推動了物聯(lián)網(wǎng)[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域各自的需求，利用具有感知能力、通信能力和運算能力的智能終端，一方面獲取物理世界的各種信息，另一方面將所有能夠獨立尋址的物理終端互聯(lián)起來，實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理的智能信息服務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)建人與物、物與物互聯(lián)。

物聯(lián)網(wǎng)雖然是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但它并不是互聯(lián)網(wǎng)概念、技術(shù)與應(yīng)用的簡單擴展，它們只是在基礎(chǔ)設(shè)施上有一定程度的重合?；ヂ?lián)網(wǎng)只是針對人與人之間信息共享的深度與廣度，而物聯(lián)網(wǎng)更加強調(diào)物與人、物與物等人類社會生活的各個方面、國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域廣泛與深入的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是全面感知、互通互聯(lián)、智能處理。

1.2 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)概念剛剛提出的時候作為一個IT行業(yè)術(shù)語指的是海量數(shù)據(jù)的簡單集合，不過這些數(shù)據(jù)集合在某一時間范圍內(nèi)，無法通過常規(guī)軟件工具進行采集和處理，必須通過創(chuàng)建新模式和新技術(shù)才能實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的有效處理。目前，對大數(shù)據(jù)概念的理解主要有兩種：①認為大數(shù)據(jù)需要通過創(chuàng)造新型處理模式，才能適應(yīng)當前海量且高增長的多元化數(shù)據(jù)資產(chǎn)，通過數(shù)據(jù)產(chǎn)生有效的結(jié)論，實現(xiàn)決策力、洞察力的有效提升;②認為大數(shù)據(jù)還是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集合，只是規(guī)模巨大，且在獲取、儲存、管理和分析等過程均遠超傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理工具所能承受范圍[2]。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的關(guān)系

物聯(lián)網(wǎng)作為一個新興產(chǎn)業(yè)，目前發(fā)展勢頭迅猛，尤其在大數(shù)據(jù)這個大環(huán)境的促進下，更是得到了全球的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)之間有著數(shù)不盡的關(guān)聯(lián)，具體表現(xiàn)如下：①物聯(lián)網(wǎng)是依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而興起的新一代互聯(lián)網(wǎng)，表現(xiàn)出新型互聯(lián)網(wǎng)模式的主要特征，并積極引導大數(shù)據(jù)的發(fā)展;②物聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過程中產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)，同時大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)解決了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中遇到的問題，反過來推動了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展;③移動智能終端作為物聯(lián)網(wǎng)的一種多功能階段，是一個龐大的信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生源頭，是物聯(lián)網(wǎng)在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的主要應(yīng)用形式。

2 大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)融合在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及其作用

2.1 大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)融合的應(yīng)用架構(gòu)

大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合在農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的不斷深入，推動了農(nóng)業(yè)向精準、智慧方向發(fā)展[3]。根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)的相關(guān)要素進行劃分，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用可以分為服務(wù)、管理、應(yīng)用、資源和技術(shù)5個方面[4]，如圖1所示。其中，服務(wù)是為廣大農(nóng)戶、涉農(nóng)組織和企業(yè)等提供各類越來越智慧化的農(nóng)業(yè)服務(wù)，是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用與發(fā)展的最終目標;管理是在農(nóng)業(yè)活動過程中，政府及農(nóng)業(yè)活動主體都要履行的農(nóng)業(yè)管理職能，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)活動的宏觀管理，包括智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)規(guī)劃管理、農(nóng)業(yè)活動運營管理和監(jiān)督評價管理;應(yīng)用是指不同種類的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)的集合，為上層管理、功能方案實現(xiàn)和下層服務(wù)提供應(yīng)用支撐;資源包括自然資源、基礎(chǔ)設(shè)施資源和信息資源，資源的開發(fā)利用是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)施資源更是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用功能實現(xiàn)的硬件基礎(chǔ);技術(shù)層面涉及數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)、存儲技術(shù)、計算能力、挖掘技術(shù)、功能展現(xiàn)和開發(fā)者平臺6個部分。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，不僅要求海量數(shù)據(jù)可靠存儲，還需要系統(tǒng)支持大量數(shù)據(jù)的快速訪問。

2.2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用及其作用

根據(jù)目前農(nóng)業(yè)信息技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)生大數(shù)據(jù)的主要來源分析，可以將其應(yīng)用領(lǐng)域歸納為以下幾個方面。

2.2.1 生產(chǎn)過程管理。生產(chǎn)過程管理的典型例子是精準農(nóng)業(yè)。精準農(nóng)業(yè)根據(jù)智慧農(nóng)場里每一操作單元的具體需求，定時、定量地調(diào)整指定區(qū)域土壤和作物的各項管理措施，優(yōu)化各項資源投入的量、質(zhì)和時機，以取得最高產(chǎn)量比和最大經(jīng)濟效益。與此同時，還可以兼顧農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護，防止土地等農(nóng)業(yè)自然資源惡化。運用大數(shù)據(jù)技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，提高整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測精準化、決策智能化、管理和調(diào)控科學化程度，進而優(yōu)化農(nóng)資配方。智慧化的管理決策和設(shè)施控制，使農(nóng)業(yè)實現(xiàn)增產(chǎn)、農(nóng)民獲得增收。

2.2.2 農(nóng)業(yè)資源管理。農(nóng)業(yè)資源指的不僅是土地和水等自然資源，還包括各種農(nóng)業(yè)生物資源和積累的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料等。我國雖然幅員遼闊，但卻因為種種原因可利用的農(nóng)業(yè)資源越來越少。農(nóng)業(yè)資源信息化工作經(jīng)過多年的發(fā)展，積累了海量數(shù)據(jù)，但是由于沒有統(tǒng)一的標準，數(shù)據(jù)類型多樣，還存在大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用后，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)更是快速增長，如何充分利用以發(fā)揮農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的價值已成為當前重要任務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合應(yīng)用，對農(nóng)業(yè)資源進一步優(yōu)化統(tǒng)籌、合理利用，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和節(jié)能高效的可持續(xù)發(fā)展。

2.2.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境管理。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具體包括土壤、大氣、水質(zhì)、氣象、災(zāi)害等，要實現(xiàn)高產(chǎn)、節(jié)能、高效的可持續(xù)發(fā)展，需要對這些影響因子進行全面監(jiān)測、精準化管理。荷蘭、法國、以色列、澳大利亞等的農(nóng)業(yè)大棚在環(huán)境動態(tài)監(jiān)控方面已較普遍。實踐證明，培育環(huán)境的優(yōu)化管理能夠保證作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，實現(xiàn)節(jié)約資源、減少污染及病蟲害的發(fā)生，增加了規(guī)模效益。我國所采用的培育環(huán)境動態(tài)監(jiān)控及管理技術(shù)還處于初級階段，限制了農(nóng)業(yè)總體效益的進一步提高，而且我國地域、水土、氣候的南北差異，使得國外經(jīng)驗并不完全適合我國國情或本地情況。因此，研制適合我國國情的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)控與管理系統(tǒng)是重中之重。

2.2.4 農(nóng)產(chǎn)品和食品安全管理。農(nóng)產(chǎn)品和食品安全管理涉及的因素和環(huán)節(jié)很多，包括產(chǎn)地環(huán)境、產(chǎn)業(yè)鏈管理、產(chǎn)前產(chǎn)中產(chǎn)后、儲藏加工、市場流通領(lǐng)域、物流、供應(yīng)鏈等方面。這些因素直接影響農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)在品質(zhì)，進一步影響人體的健康狀況。隨著我國經(jīng)濟水平的快速提升，人們對食品安全的要求越來越高，但是目前我國在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理上存在問題，對我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理體系標準化的具體內(nèi)容進行分析研究，能有效提升食品質(zhì)量管理效率，保證人民群眾的食品安全。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)結(jié)合最大的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)性。農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈上質(zhì)量安全數(shù)據(jù)存儲后，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進行深度挖掘，并形成質(zhì)量安全報告。一方面可以使得社會公眾能夠查閱到準確的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息，另一方面可以對安全管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)反饋，最終形成一個完整的質(zhì)量安全數(shù)據(jù)閉環(huán)。

2.2.5 農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施監(jiān)控。農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施監(jiān)控是基于GPS、GPRS和GIS的監(jiān)控管理信息系統(tǒng)，包括終端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心3部分，可以實現(xiàn)對農(nóng)機裝備和基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)控、遠程故障診斷以及資源調(diào)度服務(wù)等方面的智能化管理和應(yīng)用。目前，國外很多大型農(nóng)業(yè)裝備已經(jīng)實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，系統(tǒng)終端通過無線通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控管理中心實時傳輸農(nóng)業(yè)裝備的位置及工作狀態(tài)等信息。我國對農(nóng)業(yè)裝備遠程監(jiān)控管理才剛剛起步，產(chǎn)品功能比較單一，無法滿足日益增長的應(yīng)用需求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠使農(nóng)業(yè)裝備監(jiān)控數(shù)據(jù)成倍增長，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，可以實現(xiàn)設(shè)備故障提前預測和服務(wù)調(diào)度，進行計劃內(nèi)設(shè)備維修和生產(chǎn)服務(wù)安排，解決停機維修和裝備空閑的問題，提高農(nóng)機生產(chǎn)效率。

2.2.6 各種農(nóng)業(yè)科研活動產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)智慧化研究產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)不但包括空間與地面的遙感數(shù)據(jù)，還包括基因圖譜、大規(guī)模測序、農(nóng)業(yè)基因組數(shù)據(jù)、大分子與藥物設(shè)計等大量的生物實驗數(shù)據(jù)，有效集成、挖掘和使用這些數(shù)據(jù)，將對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展發(fā)揮極其重要的作用。當前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域存在的諸多尚未解決的問題，如糧食安全、土壤治理、動植物育種、病蟲害預測與防治、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等，都可利用大數(shù)據(jù)進行預測和干預。大數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科學研究相結(jié)合，可以為農(nóng)業(yè)科研、政府決策、農(nóng)企發(fā)展等提供新思路。

3 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

我國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究起步比較晚，但是起點比較高，目前主要面臨數(shù)據(jù)異構(gòu)性、數(shù)據(jù)實時性和數(shù)據(jù)挖掘能力3個問題。

3.1 數(shù)據(jù)異構(gòu)性

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)涉及耕地、育種、播種、施肥、收獲、植保、儲運、農(nóng)產(chǎn)品加工、運輸、銷售、畜牧業(yè)生產(chǎn)等多環(huán)節(jié)、跨行業(yè)、跨專業(yè)的多元數(shù)據(jù)，其中的每一部分又包含了來自各種射頻設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)中心、移動終端等不同數(shù)據(jù)源，這是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)異構(gòu)性不可改變的事實。如何將這些異構(gòu)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的儲存和管理將影響農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展的步伐。

3.2 數(shù)據(jù)實時性

在農(nóng)業(yè)大量數(shù)據(jù)中，有些數(shù)據(jù)對實時性要求特別高。因為隨著時間流逝，數(shù)據(jù)的價值會迅速衰減，例如天氣、環(huán)境狀況相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果不能及時分析反饋，很可能就導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生重大損失。由于數(shù)據(jù)在短時間發(fā)生變化，能否在可以接受的時間內(nèi)完成指定要求的數(shù)據(jù)分析成為一個衡量標準。

3.3 數(shù)據(jù)挖掘能力

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的異構(gòu)性導致農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有類型多樣和數(shù)據(jù)集過大的特點，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法并不能很好地解決農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的挖掘問題。另外，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)處理實時性特點使得算法的準確率不再是主要指標。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的挖掘能力需要在實時性和準確率之間取得平衡。

4 結(jié)語

我國是農(nóng)業(yè)大國，一直以來都非常重視全國農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源建設(shè)，數(shù)據(jù)體量浩大。針對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源分布廣、實時性強、類型多樣、結(jié)構(gòu)復雜等特點，對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域進行研究和應(yīng)用具有重要意義。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個重要方向，也是目前的研究熱點之一。在整個農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究應(yīng)用鏈條中，各研究單位獨立獨行是不可能完成的，必須在學校、企業(yè)、科研單位和政府部門之間建立一個協(xié)作關(guān)系，發(fā)揮各自優(yōu)勢，協(xié)同攻關(guān)。這樣才能以最快的速度產(chǎn)出研究成果，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

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