中國數(shù)字農(nóng)業(yè)的基本理念與建設(shè)內(nèi)容設(shè)計

王利民，劉 佳，楊玲波，楊福剛

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

0 引言

數(shù)字農(nóng)業(yè)（Digital Agriculture）是指在地學、空間、信息技術(shù)支撐下的集約化和信息化的農(nóng)業(yè)技術(shù)，源于信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理方面的應用。數(shù)字農(nóng)業(yè)的概念最早由美國科學院、工程院于1997年正式提出的，美國副總統(tǒng)戈爾于1998年提出“數(shù)字地球”概念時，再次將“數(shù)字農(nóng)業(yè)”定義為數(shù)字地球與智能農(nóng)機技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理技術(shù)［1］。經(jīng)過近30年的發(fā)展，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系數(shù)字化基礎(chǔ)上，數(shù)字農(nóng)業(yè)逐步拓展到農(nóng)業(yè)管理、決策、服務的各個領(lǐng)域，完成了技術(shù)應用到理論深化的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)代數(shù)字農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀是以水、土、地、氣、生等基礎(chǔ)學科為理論支撐［2］，以3S技術(shù)為核心，結(jié)合計算機、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡通訊等前沿技術(shù)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)信息獲取與管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及相關(guān)服務體系的數(shù)字化、信息化、自動化，達到提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和服務水平的目標。

隨著數(shù)字農(nóng)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字農(nóng)業(yè)與其緊密相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，如“3S”、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）、精準農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）等技術(shù)以及農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策服務系統(tǒng)等內(nèi)容之間的融合更為緊密，相互補充、相互促進，共同促進了數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的建設(shè)。但總體而言，中國的數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)依然處于研究和起步階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理依然粗放，整體水平與發(fā)達國家有較大差距，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的任務依然艱巨。隨著數(shù)字農(nóng)業(yè)各項技術(shù)的不斷成熟以及我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求不斷提高，數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展即將迎來爆發(fā)期。文章在數(shù)字農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)回顧基礎(chǔ)上，分析了數(shù)字農(nóng)業(yè)的基本理念，提出了中國數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)內(nèi)容與思路，為提高中國數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)水平提供支撐。

1 相關(guān)領(lǐng)域的研究進展

與數(shù)字農(nóng)業(yè)緊密相關(guān)的3個技術(shù)領(lǐng)域是“3S”、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）、精準農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture），這3個技術(shù)以農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策服務系統(tǒng)為橋梁，實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的服務目標。從數(shù)字農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)應用最終落腳點的觀點來看，以下相關(guān)技術(shù)的進展實質(zhì)上是數(shù)字農(nóng)業(yè)當前的研究水平。總體來看，對數(shù)字農(nóng)業(yè)概念的理解差異較大、點尺度應用較為普遍、決策服務能力相對不足是當前數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的主要特點。

“3S”技術(shù)是GPS、GIS、RS技術(shù)的統(tǒng)稱，廣泛應用于農(nóng)作物長勢、土壤水分、作物水分和養(yǎng)分虧缺、病蟲害等農(nóng)情監(jiān)測，土壤侵蝕調(diào)查和農(nóng)業(yè)估產(chǎn)等方面［3］，是數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)支撐［4］。“3S”技術(shù)中，遙感（RS）技術(shù)是數(shù)字農(nóng)業(yè)中獲取作物相關(guān)數(shù)據(jù)的重要來源，可以快速、準確、高效地獲取大范圍區(qū)域農(nóng)業(yè)的種植、生長、災害、環(huán)境等相關(guān)信息的空間化成果，為作物的生產(chǎn)、管理提供必需數(shù)據(jù)；地理信息系統(tǒng)（GIS）以空間數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效操作、建模、分析、顯示、管理，是數(shù)字農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)管理、決策分析中必不可少的一環(huán)；全球定位系統(tǒng)（GPS）則提供精準、實時的自動定位技術(shù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各要素提供準確的三維地理坐標，也是精準農(nóng)業(yè)中農(nóng)田、機械、人員定位的關(guān)鍵技術(shù)［5-6］。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)及自動化設(shè)備技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展最為顯著的領(lǐng)域之一，國內(nèi)外相繼開展了一系列農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用研究，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)的信息獲取、農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)管理服務等方面的應用，極大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率、質(zhì)量和水平［7］。與其他物聯(lián)網(wǎng)一樣，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層三大層次，感知層通過智能傳感器自動、快速、準確收集獲取周邊環(huán)境信息，網(wǎng)絡層通過無線網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)等進行數(shù)據(jù)的高效、可靠傳遞，應用層通過云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進行分析處理，并實現(xiàn)對物體的智能化控制［8］。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器主要采集種植區(qū)域的大氣溫度、濕度、風速、降水、土壤濕度、電導率和pH值等信息，然后將信息通過ZigBee模塊等網(wǎng)絡設(shè)備傳輸至網(wǎng)關(guān)，最后，網(wǎng)關(guān)在應用服務器的支持下，控制交換機實現(xiàn)自動供水、施肥、噴藥、通風、濕度、溫度控制等功能［9-11］。

精準農(nóng)業(yè)則是數(shù)字農(nóng)業(yè)的一個重要應用方向，其要求按照田間的每一操作單元的具體條件，精細準確地調(diào)整各項土壤和作物管理措施，最大限度優(yōu)化農(nóng)業(yè)投入，獲取單位面積上最大的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益，并節(jié)約資源利用、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和土地等農(nóng)業(yè)自然資源［12］。精準農(nóng)業(yè)由于施肥、灌溉、用藥等操作在用量上更為準確，可同時達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效，對環(huán)境的污染減到最低程度，拓展了數(shù)字農(nóng)業(yè)相關(guān)的應用基礎(chǔ)和應用技術(shù)的研究。精準農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究尺度大小不同，包括地塊尺度精準農(nóng)業(yè)實施過程［13］、農(nóng)場范圍生產(chǎn)管理［14］、區(qū)域尺度管理模式［15-16］的研究等。

農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)是數(shù)字農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)管理應用中樞，是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通、管理、研究、服務過程中所涉及的海量數(shù)據(jù)信息，按照標準的模式進行數(shù)字化，統(tǒng)一進行存儲、分析、顯示、應用等的數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)，可以有效促進農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的收集、流通、共享、分析和應用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息管理領(lǐng)域，從微觀的基因庫的管理，到宏觀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的管理，信息管理系統(tǒng)與3S技術(shù)得到了最廣泛的應用，甚至形成了農(nóng)業(yè)生物信息學，AgDB就是美國建立的與農(nóng)業(yè)有關(guān)的數(shù)據(jù)庫與信息資源的總清單［17-18］。

農(nóng)業(yè)決策領(lǐng)域的數(shù)字化一直是數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的熱點，研究方法主要有時空關(guān)聯(lián)方法、數(shù)學建模與仿真、人工智能和機器學習等方法。農(nóng)業(yè)決策領(lǐng)域的數(shù)字化，極大提高了農(nóng)業(yè)決策的能力水平和效率，促進了農(nóng)業(yè)決策的科學性、客觀性，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用［19-20］。如采用農(nóng)作物生長模型將生長過程進行數(shù)字化表達，通過研究品質(zhì)、土壤、光照、施肥、水分等對作物生長的定量影響，預測作物的長勢、產(chǎn)量、品質(zhì)等，并對作物的生長進行風險決策分析［21］。

2 數(shù)字農(nóng)業(yè)的基本理念

2.1 數(shù)字農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵

數(shù)字農(nóng)業(yè)這一術(shù)語已被廣泛應用，理解也是多方面多層次的，總的可分為狹義和廣義兩大類。狹義的角度可以理解為精細農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)，是直接與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與生產(chǎn)管理相關(guān)聯(lián)的［22］。廣義的角度可以理解為，對農(nóng)業(yè)各個方面（包括種植業(yè)、畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)、林業(yè)等）、各種過程（生物過程、環(huán)境過程、經(jīng)濟過程）全面實現(xiàn)數(shù)字化、信息化，并在農(nóng)業(yè)的各個部門（生產(chǎn)、科研、教育、行政、存儲、流通、服務等）全面實現(xiàn)數(shù)字化與網(wǎng)絡化管理［23］。顯然，廣義的理解更符合當前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化系統(tǒng)建設(shè)的要求，該文采用廣義的理解。

相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，數(shù)字農(nóng)業(yè)利用數(shù)字化技術(shù)貫穿農(nóng)業(yè)活動的整個流程，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全要素的數(shù)字化為基礎(chǔ)，以對農(nóng)業(yè)全要素數(shù)字化信息的管理為核心，并最終服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)要素指的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營中必不可少的物質(zhì)和非物質(zhì)因素或條件（資源），如生物、光、熱、水、空氣、養(yǎng)分、土壤、氣候、土地、勞動力、資本、技術(shù)、管理等，對各類農(nóng)業(yè)要素的信息進行采集、傳輸、存儲和共享，構(gòu)建農(nóng)業(yè)全要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；在此基礎(chǔ)上，通過農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)要素的信息進行分類、分析和決策，如分析天氣變化對農(nóng)業(yè)活動的影響、農(nóng)作物病蟲害的監(jiān)測預測、農(nóng)作物長勢和產(chǎn)量的監(jiān)測預測、土壤肥力的監(jiān)測，并進行計算機輔助決策，科學、有效、快速地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的調(diào)整，服務于精準農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)等應用領(lǐng)域，減少農(nóng)業(yè)成本投入、提高農(nóng)業(yè)收益、降低農(nóng)業(yè)風險，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

圖1是數(shù)字農(nóng)業(yè)各要素的邏輯關(guān)系圖，數(shù)字農(nóng)業(yè)以數(shù)字化管理為核心，其硬件支撐包括計算資源、存貯資源、網(wǎng)絡架構(gòu)和桌面終端等，主要功能包括數(shù)據(jù)庫功能、農(nóng)業(yè)信息動態(tài)監(jiān)測、預測預警和輔助決策，其信息流從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素開始，經(jīng)過要素數(shù)字化，并進行數(shù)字化要素的管理、分析獲取所需信息，以此為基礎(chǔ)進行農(nóng)業(yè)決策，而交換網(wǎng)絡則實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集傳輸以及決策信息的服務傳遞，最終服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、農(nóng)業(yè)環(huán)境綠色發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綜合效益最大化。

圖1 中國數(shù)字農(nóng)業(yè)各主要要素的邏輯關(guān)系Fig.1 Logical relationship of major factors of China’s digital agriculture

2.2 數(shù)字農(nóng)業(yè)的性質(zhì)

在當前的數(shù)字農(nóng)業(yè)概念中，存在農(nóng)業(yè)信息化、農(nóng)業(yè)電氣化、農(nóng)業(yè)信息數(shù)字化、農(nóng)業(yè)智能化、農(nóng)業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等相關(guān)概念。

農(nóng)業(yè)信息化可以認為是實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的過程，農(nóng)業(yè)電氣化則是農(nóng)業(yè)數(shù)字化的先導，農(nóng)業(yè)信息數(shù)字化是數(shù)字農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，數(shù)字農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)自動化、智能化的前提和支撐，而數(shù)字農(nóng)業(yè)的根本目標則是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。數(shù)字農(nóng)業(yè)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代發(fā)展的必然形式，對數(shù)字農(nóng)業(yè)的認識，要從農(nóng)業(yè)歷史發(fā)展的角度、數(shù)字化能力、管理水平、服務能力等4個方面開展研究。

（1）數(shù)字化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然階段

中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史可以劃分為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、近代農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)3個階段。根據(jù)原中國國家科學技術(shù)委員會發(fā)布的《中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)政策》（1997），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵包括產(chǎn)前的農(nóng)業(yè)機械、化肥、水利、農(nóng)藥等領(lǐng)域，產(chǎn)中的種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，產(chǎn)后的農(nóng)產(chǎn)品加工、儲藏、運輸、營銷及進出口貿(mào)易等領(lǐng)域的現(xiàn)代化，而實現(xiàn)現(xiàn)代化的主要技術(shù)手段包括現(xiàn)代機械工程技術(shù)、現(xiàn)代生物工程技術(shù)、衛(wèi)星和遙感技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)等高科技技術(shù)。數(shù)字農(nóng)業(yè)的很多特征在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中都有具體的表現(xiàn)，如數(shù)字農(nóng)業(yè)應用于農(nóng)業(yè)機械，可以實現(xiàn)農(nóng)機自動化、智能化，應用于施肥施藥，可以根據(jù)各傳感器收集的作物狀態(tài)、土壤條件、大氣環(huán)境等實現(xiàn)自動、精準施放，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)施肥施藥的定量化、綠色化，應用在農(nóng)業(yè)管理領(lǐng)域，則有包括數(shù)字糧倉、農(nóng)業(yè)災害預測預警、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量品質(zhì)監(jiān)測預測等?？梢哉J為，數(shù)字農(nóng)業(yè)的本質(zhì)就是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要工具。

（2）數(shù)字化是數(shù)字農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)

數(shù)字化是數(shù)字農(nóng)業(yè)的主要特征，通過將農(nóng)業(yè)各要素數(shù)字化，并以數(shù)字化的形式對農(nóng)業(yè)各要素進行管理。數(shù)字化的手段包括所有將模式信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的技術(shù)，宏觀尺度的如遙感技術(shù)，中等尺度的如航空、平流層遙感技術(shù)，微觀及樣點尺度的如地塊尺度的各類傳感器、近地面的無人機獲取技術(shù)等等，這些技術(shù)的發(fā)展和應用保障了數(shù)字農(nóng)業(yè)各項信息的實時采集能力。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)數(shù)字化的另一個重要內(nèi)容，歷年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料的收集、存儲、發(fā)布對于數(shù)字農(nóng)業(yè)具有重要意義，為數(shù)字農(nóng)業(yè)的決策制定、農(nóng)業(yè)管理提供基本的參考信息。數(shù)字化不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個組成部分的靜態(tài)描述，還包括這些內(nèi)容的動態(tài)變化以及要素之間的聯(lián)系也要進行數(shù)字化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息獲取的自動化，農(nóng)業(yè)分析的定量化，農(nóng)業(yè)決策科學化，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各要素的合理配置，提高農(nóng)業(yè)資源的利用水平及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。

（3）管理是數(shù)字農(nóng)業(yè)的核心

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素及其過程數(shù)字化基礎(chǔ)之上的管理分析與信息挖掘是數(shù)字農(nóng)業(yè)的核心內(nèi)容，農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的管理和應用能力直接影響了數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)水平。數(shù)字農(nóng)業(yè)的管理不僅僅代表了對農(nóng)業(yè)要素數(shù)據(jù)信息的傳輸、存儲、分發(fā)、共享，還包括了對數(shù)據(jù)的分析、處理和應用，通過對農(nóng)業(yè)數(shù)字信息的管理，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)全要素的信息化管理。長期以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理部門重視數(shù)字農(nóng)業(yè)硬件部分的建設(shè)，投入的大量資源進行數(shù)據(jù)的采集、存儲，而輕視數(shù)字農(nóng)業(yè)軟件部分的建設(shè)，導致數(shù)據(jù)的管理不善，無法有效服務于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)決策中。要充分發(fā)揮數(shù)字農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)包含的多尺度海量有效信息的巨大優(yōu)勢，查清中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的環(huán)境承載能力，以農(nóng)業(yè)資源高效利用為目標，促進結(jié)構(gòu)合理的農(nóng)作物、草原、漁業(yè)等數(shù)字化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系的形成。重視并加強對農(nóng)業(yè)數(shù)字化信息的管理，以大數(shù)據(jù)分析、農(nóng)業(yè)數(shù)學模型建設(shè)、農(nóng)業(yè)計算機輔助決策系統(tǒng)建設(shè)、提高農(nóng)業(yè)信息的分析挖掘能力，建設(shè)科學、合理、客觀的農(nóng)業(yè)決策服務體系，提高中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的水平。

（4）服務是數(shù)字農(nóng)業(yè)的目標

數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)的目的是為了服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力水平。數(shù)字農(nóng)業(yè)的服務對象包括農(nóng)民、農(nóng)場、政府、企業(yè)、研究機構(gòu)和人員等，在進行數(shù)字農(nóng)業(yè)各個環(huán)節(jié)建設(shè)的同時，必須明確服務對象，充分了解服務對象對于數(shù)字農(nóng)業(yè)的具體需求，才能實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的長效發(fā)展。數(shù)字農(nóng)業(yè)的服務建設(shè)內(nèi)容包括了農(nóng)業(yè)信息服務、農(nóng)業(yè)管理決策服務、農(nóng)業(yè)存儲和流通服務、農(nóng)業(yè)市場服務、農(nóng)業(yè)技術(shù)服務、農(nóng)業(yè)機械服務、農(nóng)業(yè)教育服務、農(nóng)業(yè)金融服務等多個領(lǐng)域。面向不同的服務對象，定制化地進行數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)，通過前沿技術(shù)的試點研究、成熟技術(shù)的推廣應用，逐步地推廣數(shù)字農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理中各個層級的應用。數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)，只有服務好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的各個部門，才能落到實處，并獲得持續(xù)的發(fā)展［24］。在中國數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)工程中，有些領(lǐng)域的服務成熟度相對較高，如面向政府部門的農(nóng)業(yè)管理決策服務，而在面向農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)市場服務、農(nóng)業(yè)教育服務、農(nóng)業(yè)技術(shù)服務等領(lǐng)域的建設(shè)還有待加強，也是今后數(shù)字農(nóng)業(yè)服務領(lǐng)域需要建設(shè)的重點。

3 中國數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)內(nèi)容

數(shù)字農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的數(shù)字形式，中國數(shù)字農(nóng)業(yè)主要由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系、硬件平臺、信息管理系統(tǒng)、分析決策系統(tǒng)、應用服務體系等幾部分組成，圖2給出了中國數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)主要內(nèi)容及邏輯結(jié)構(gòu)。

圖2 中國數(shù)字農(nóng)業(yè)框架體系結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of China’s digital agriculture framework

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系由生產(chǎn)主體對象、環(huán)境因子、技術(shù)推動、社會進步等4個部分組成，其中生產(chǎn)主體對象包括農(nóng)作物、動物、微生物等；環(huán)境因子是指影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象各種自然因子；技術(shù)推動包括3S技術(shù)研究、農(nóng)業(yè)智能機械研究、優(yōu)質(zhì)品種研究、農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究、農(nóng)業(yè)土肥研究、農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)研究等；社會進步指的是農(nóng)業(yè)市場調(diào)節(jié)、農(nóng)業(yè)流通建設(shè)、農(nóng)業(yè)政策制定、農(nóng)業(yè)金融服務、農(nóng)業(yè)災害防治、農(nóng)業(yè)教育培訓等對農(nóng)業(yè)起到推動作用的社會活動。硬件平臺包括計算處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊設(shè)備、田間觀測傳感器、農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星、智能農(nóng)業(yè)機械等設(shè)備的建設(shè)；信息管理系統(tǒng)則包括農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫管理規(guī)范體系、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析處理和反饋功能、農(nóng)業(yè)信息的共享發(fā)布及查詢檢索功能等內(nèi)容；分析決策系統(tǒng)包括作物生長模型、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論、農(nóng)業(yè)市場監(jiān)測分析技術(shù)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預測及優(yōu)化等內(nèi)容；應用服務系統(tǒng)包括種植決策服務系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策管理服務系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)市場管理服務系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)糧食收購政策服務系統(tǒng)等內(nèi)容。

中國數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的各組成部分的數(shù)字化，這一數(shù)字化的過程是通過硬件平臺中的傳感器觀測節(jié)點、農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星、網(wǎng)絡通訊、計算機處理等過程實現(xiàn)的。通過對數(shù)字化信息的規(guī)范化整理、處理，形成可供分析決策使用的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。分析決策系統(tǒng)是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個要素定量化的分析基礎(chǔ)上，從科學化管理理念出發(fā)，結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)、農(nóng)業(yè)環(huán)境、農(nóng)業(yè)趨勢等，借助于作物模型、農(nóng)業(yè)優(yōu)化模型等高度理論化的知識，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素間的變化規(guī)律及發(fā)展結(jié)果進行分析、預測，形成穩(wěn)健可靠的決策結(jié)果。應用服務系統(tǒng)是將分析決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為農(nóng)戶、企業(yè)、政府等用戶，滿足不同層次用戶對農(nóng)業(yè)信息、農(nóng)業(yè)技術(shù)、農(nóng)業(yè)政策等的差異化需求，實現(xiàn)分級服務能力，保證中國數(shù)字農(nóng)業(yè)體系效益成果的最大化。

3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)分析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)決定了數(shù)字農(nóng)業(yè)的架構(gòu)基礎(chǔ)，同時也是數(shù)字農(nóng)業(yè)數(shù)字化的重點對象，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容的數(shù)字化、信息化，是實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)分析、管理、決策、服務的前提。中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)包括生產(chǎn)主體對象、環(huán)境因子、技術(shù)推動和社會進步等4個方面，生產(chǎn)主體對象是4個方面的核心，數(shù)字農(nóng)業(yè)后續(xù)的生產(chǎn)、管理、服務都將緊密圍繞這一核心展開；環(huán)境因子和技術(shù)推動決定了數(shù)字農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平提高的程度，同時也可以促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化演變；社會進步是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織關(guān)系的變革及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，代表著社會體系對農(nóng)業(yè)的促進作用，我國不同歷史時期的農(nóng)業(yè)政策即屬于此類因素。

3.2 數(shù)字農(nóng)業(yè)的硬件平臺組成

數(shù)字農(nóng)業(yè)的硬件平臺包括傳感器層、網(wǎng)絡層、計算機層、智能機械層，各個平臺層構(gòu)成一個有機的網(wǎng)絡，共同支撐起數(shù)字農(nóng)業(yè)的各項數(shù)據(jù)獲取、傳遞、處理、運行。傳感器層相當于人的眼睛、耳朵、鼻子等，獲取各項農(nóng)業(yè)因子的信息，包括遙感衛(wèi)星、無人機、自動氣象站、土壤水分監(jiān)測、CO2探測儀等傳感器，將農(nóng)業(yè)環(huán)境的各項信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號；網(wǎng)絡層相當于人的神經(jīng)網(wǎng)絡，鏈接數(shù)字農(nóng)業(yè)硬件的各個平臺層，如負責傳遞經(jīng)過傳感器層獲取的各項數(shù)字信號到計算機層，或者將計算機層的指令信息傳遞到傳感器層，其包括了各類無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡、移動蜂窩網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備；計算機層則相當于人的大腦，通過收集傳感器層獲取的信息，將信息進行存儲、分類、自動處理、自動決策，并通過自動反饋控制傳感器層的感知，或者控制智能機械層的運行，主要的硬件包括刀片服務器、圖形工作站、存儲系統(tǒng)等設(shè)備；智能機械層相當于人的四肢，通過獲取計算層傳遞的各項指令，完成農(nóng)業(yè)的自動化、智能化的播種、施肥、澆水、噴藥、通風、收割、加工等操作，主要設(shè)備包括智能收割機、播種機、數(shù)字化水肥調(diào)控設(shè)備等。

3.3 數(shù)字農(nóng)業(yè)的信息管理系統(tǒng)

數(shù)字農(nóng)業(yè)的信息管理系統(tǒng)是在數(shù)字農(nóng)業(yè)硬件平臺的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的軟件平臺，主要起到兩大方面的功能，一方面是對數(shù)字農(nóng)業(yè)信息管理數(shù)據(jù)庫及相應數(shù)據(jù)的規(guī)范；另一方面是對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的處理、分析、查詢、共享、輸出、顯示等功能。

（1）推進標準規(guī)范的建設(shè)

在中國農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的標準規(guī)范方面，當前的建設(shè)較為滯后，標準不成體系，已有的標準包括《設(shè)施農(nóng)業(yè)多媒體數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一語義表示規(guī)范（DB13/T 2298—2015）》《農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)存儲管理規(guī)范（DB15/T 1125—2017）》《農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集規(guī)范（DB37/T 2874—2016）》《農(nóng)業(yè)信息化工程基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)集規(guī)范（DB45/T 1576）》《農(nóng)業(yè)保險數(shù)據(jù)規(guī)范（JR/T 0128—2015）》《衛(wèi)星遙感影像植被指數(shù)產(chǎn)品規(guī)范（GB/T 30115—2013）》等，多是地方標準或是其他領(lǐng)域標準在農(nóng)業(yè)行業(yè)的共用。因此，為推動數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展，應當加強在國家層面，建設(shè)全面、統(tǒng)一、科學、合理的數(shù)字農(nóng)業(yè)體系相關(guān)的系列標準，包括數(shù)字農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫的相應規(guī)范建設(shè)。

（2）加強數(shù)據(jù)庫功能建設(shè)

數(shù)字農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)要求對數(shù)據(jù)庫中的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行進一步的分析、提取、加工，形成一系列新的數(shù)據(jù)，還需要具備對復雜類型大數(shù)據(jù)的自動處理能力，并在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)的分析，挖掘農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中有效信息，并在數(shù)據(jù)管理、分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對處理結(jié)果數(shù)據(jù)的共享、輸出以及顯示，進行數(shù)據(jù)的有效利用。此外，農(nóng)業(yè)信息種類繁多且分布較為分散，如農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息、農(nóng)業(yè)政策法規(guī)、農(nóng)業(yè)科技信息、農(nóng)業(yè)市場信息等，分布在農(nóng)業(yè)決策部門、農(nóng)業(yè)科研院所、高校等部門，基于Web技術(shù)的農(nóng)業(yè)資源共享建設(shè)是解決信息破碎化的主要途徑。

（3）提高數(shù)據(jù)庫應用能力

中國與數(shù)字農(nóng)業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)已有一定的基礎(chǔ)，主要包括土壤資源數(shù)據(jù)庫、中國中等精度數(shù)字土壤屬性數(shù)據(jù)庫、參考作物需水量數(shù)據(jù)庫、中國葉菜類蔬菜害蟲數(shù)據(jù)庫、中國糧食生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)庫、中國畜產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、水產(chǎn)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫、林木種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫、中國氣象數(shù)據(jù)庫、國家農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫等等。同時，在地方層級的數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中，也建立了一系列的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主要是一些綜合性的數(shù)據(jù)庫，如趙光農(nóng)場數(shù)字農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫［25］，其管理了與農(nóng)場相關(guān)的遙感數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、田間管理數(shù)據(jù)、農(nóng)機數(shù)據(jù)等一系列數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合性應用，為進行數(shù)字化、精準化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫建設(shè)的主要問題是層次不清、應用不足，加強數(shù)據(jù)庫整體建設(shè)水平與應用能力是今后較長時期內(nèi)的重點任務。

3.4 數(shù)字農(nóng)業(yè)分析決策系統(tǒng)

中國數(shù)字農(nóng)業(yè)的分析決策系統(tǒng)建設(shè)，應主要包括作物生長模型研究、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論研究、農(nóng)業(yè)市場監(jiān)測分析技術(shù)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預測及優(yōu)化技術(shù)研究等主要的建設(shè)領(lǐng)域。

（1）作物生長模型技術(shù)

農(nóng)業(yè)決策的過程，實質(zhì)上是在追尋農(nóng)業(yè)決策成本與決策成果效益之間的最優(yōu)化。農(nóng)業(yè)模型由于將農(nóng)業(yè)過程數(shù)字化，可以進行許多傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)試驗無法進行的研究，使農(nóng)業(yè)研究的成果在更大的地理范圍和更長的時間范圍內(nèi)推廣應用。在數(shù)字農(nóng)業(yè)模型構(gòu)建及專家決策系統(tǒng)的構(gòu)建上，我國已有一定基礎(chǔ)，積累了一定經(jīng)驗。在作物生長模擬方面，自1970年荷蘭科學家De Wit建立第一個作物生長模型ELCROS以來，國內(nèi)外已經(jīng)相繼建立了小麥、水稻、棉花等多種作物生長模擬模型［26］，當前常用的作物生長模型主要有CERES模型、DSSAT模型、SWAP模型等。謝祝捷等［27］提出了利用作物生長模型在上海精準農(nóng)業(yè)中的應用前景，提出了開展蔬菜作物模型和專家系統(tǒng)研究的若干方法，并提出使用計算機技術(shù)和生產(chǎn)模擬技術(shù)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學管理和決策。使用數(shù)字農(nóng)業(yè)模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建專家決策支持系統(tǒng)，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程的數(shù)字化描述更加精準，

預測更加科學，為數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)打下基礎(chǔ)。（2）農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中，農(nóng)業(yè)服務、農(nóng)業(yè)銷售比重逐漸加大，促使農(nóng)業(yè)從勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型、知識密集型轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的規(guī)劃更加合理，聯(lián)系也更加緊密，這些都促進了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的進一步升級和優(yōu)化［28］。通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的理論研究，可為數(shù)字農(nóng)業(yè)開展應用指明方向。在國家和地方兩個層面，我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論研究和應用已取得較多的成果。國家層面研究側(cè)重于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的問題和對農(nóng)業(yè)政策進行宏觀研究，為國家的農(nóng)業(yè)大戰(zhàn)略服務［29］；地方層面則偏重于問題導向研究［30-31］。

（3）農(nóng)業(yè)市場監(jiān)測分析技術(shù)

數(shù)字農(nóng)業(yè)要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)隨著農(nóng)業(yè)市場的變動而進行靈活、準確的適應調(diào)整，這就要求研究農(nóng)業(yè)市場的監(jiān)測預測和分析技術(shù)。近年來，隨著農(nóng)產(chǎn)品的價格波動對農(nóng)民收入、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的影響程度日益增大，農(nóng)業(yè)市場監(jiān)測分析及預警技術(shù)受到各方面廣泛關(guān)注。但農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測內(nèi)容、生產(chǎn)體制和機制協(xié)調(diào)不足、基礎(chǔ)技術(shù)落后等問題廣泛存在［32-34］，導致我國農(nóng)業(yè)市場分析結(jié)果權(quán)威性不夠。處理好市場和政府的關(guān)系、加強從地頭到消費者的產(chǎn)業(yè)監(jiān)測統(tǒng)計體系建設(shè)、強化數(shù)據(jù)和模型的支撐，加強市場信息發(fā)布機制建設(shè)，加強對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者的服務能力等是數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)中需要解決的技術(shù)瓶頸。

（4）農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預測技術(shù)

綜合使用地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）等構(gòu)建農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，是完善農(nóng)業(yè)決策分析的主要途徑。近20年來，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步，與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合更使農(nóng)業(yè)資源環(huán)境的研究與監(jiān)測方法得到根本性的改觀，其應用領(lǐng)域十分廣泛，主要包括農(nóng)業(yè)土地、耕地、土壤、森林、草原、水面等各種農(nóng)業(yè)資源的探測評價與動態(tài)監(jiān)測，各種農(nóng)業(yè)災害如洪澇、干旱、風暴、病蟲害等的實時預測與監(jiān)測，各種農(nóng)作物面積與產(chǎn)量的預測與監(jiān)測，農(nóng)業(yè)環(huán)境、大氣、土壤等污染的預測與監(jiān)測。以農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預測技術(shù)為基礎(chǔ)進行科學合理的農(nóng)業(yè)決策是數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)的主要內(nèi)容。

3.5 數(shù)字農(nóng)業(yè)的應用服務系統(tǒng)

數(shù)字農(nóng)業(yè)應用服務系統(tǒng)是數(shù)字化農(nóng)業(yè)發(fā)揮作用的決定因素，從構(gòu)成上包括支撐體系、服務能力、效果反饋3方面內(nèi)容。從功能上包括生產(chǎn)種植決策服務系統(tǒng)、政策決策管理服務系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)市場管理服務系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)糧食收購政策服務系統(tǒng)等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植決策系統(tǒng)的服務對象是生產(chǎn)者，政策管理服務系統(tǒng)的服務對象是政府決策者，農(nóng)業(yè)市場管理服務系統(tǒng)的對象是農(nóng)業(yè)市場經(jīng)營者，農(nóng)業(yè)糧食收購政策服務系統(tǒng)的對象是糧食收購者，不同服務對象需要不同的類別，達到差異化服務的目標。

4 討論與結(jié)論

中國數(shù)字農(nóng)業(yè)體系的建設(shè)，是面向中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色發(fā)展的需要提出的。要保證數(shù)字農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，不僅需要明確數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)的指導思想，更要注重功能定位與服務效率，這也是數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)的基本原則。

中國數(shù)字農(nóng)業(yè)框架體系建設(shè)的主導思想是，面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化要求，充分利用現(xiàn)代數(shù)字化、信息化技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢，以信息化技術(shù)作為推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高的驅(qū)動力，以農(nóng)業(yè)數(shù)字化信息流采集、傳輸、存儲、共享、分析、決策、管理、應用為主線，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量、品質(zhì)、收益，增強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化、自動化水平，加強農(nóng)業(yè)決策、管理水平，增強農(nóng)業(yè)市場對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正向調(diào)控。

在功能定位方面，要充分認識數(shù)字農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的組成部分，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在新的歷史階段的主要任務，一切數(shù)字化的內(nèi)容都是植根于中國農(nóng)業(yè)的具體實踐，是對中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的具體提升。中國數(shù)字農(nóng)業(yè)體系是自上而下的建設(shè)體系，信息獲取的范圍是立足于中國農(nóng)業(yè)又覆蓋全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息獲取能力建設(shè)，功能是滿足中國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置以及綠色可持續(xù)發(fā)展的目標。在建設(shè)原則上，不能急于求成，又不能滯后發(fā)展，要本著數(shù)字化先行、管理分析及時跟進，服務同步發(fā)展的原則進行建設(shè)。在服務效能方面，要注重政府、銷售、農(nóng)戶或企業(yè)等不同層次的指向性需求，以服務能力建設(shè)是數(shù)字農(nóng)業(yè)落腳點的認識進行建設(shè)，發(fā)揮數(shù)字農(nóng)業(yè)的“數(shù)字”效益。