農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系內(nèi)涵及其架構(gòu)探討

宋 茜，楊 鵬，錢建平，史 云，張保輝，余強毅，段玉林，吳文斌

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點實驗室，北京100081）

0 引言

農(nóng)業(yè)是多層次、復(fù)合型的綜合系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的日新月異，農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵不斷豐富、功能不斷拓展。我國農(nóng)業(yè)正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。在對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進行技術(shù)改造的過程中，農(nóng)業(yè)發(fā)展了集糧食保障、原料供給、資源開發(fā)、生態(tài)保護、經(jīng)濟發(fā)展、市場服務(wù)于一體的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，形成了“種養(yǎng)加”“產(chǎn)供銷”“貿(mào)工農(nóng)”“農(nóng)工商”一二三產(chǎn)融合性產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，區(qū)域布局趨于合理。但同時，農(nóng)業(yè)資源趨緊、環(huán)境問題突出、生態(tài)系統(tǒng)退化等重大瓶頸問題，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。破解當(dāng)前自然資源和生態(tài)環(huán)境的約束，迫切需要加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，進一步優(yōu)化區(qū)域布局和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，科學(xué)合理利用資源，發(fā)展經(jīng)濟高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約和環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代模式。

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展作為一種全新的發(fā)展理念和發(fā)展方式，聚焦資源利用效率、產(chǎn)地環(huán)境清潔、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和綠色供給能力，是突破單純追求農(nóng)業(yè)產(chǎn)出量和依賴資源消耗的粗放發(fā)展模式，打通“兩山”轉(zhuǎn)化通道，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活生態(tài)協(xié)調(diào)統(tǒng)一、永續(xù)發(fā)展的必由途徑。為此，黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院高度重視農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，將推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展作為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。然而，農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展是一項宏大的系統(tǒng)工程，涉及農(nóng)業(yè)乃至經(jīng)濟社會發(fā)展各領(lǐng)域，需要系統(tǒng)研究把握水、土、氣、種、肥、藥、廢棄物和生物多樣性等農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展諸要素的內(nèi)在規(guī)律，強化農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展理論；遵循科學(xué)路徑，發(fā)展與之相適應(yīng)的技術(shù)模式，加快農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。

隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，全新的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在萌發(fā)，農(nóng)業(yè)數(shù)字技術(shù)的形成、理論算法的革新、計算能力的提升及集成利用的演進正在驅(qū)動農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)進入新階段，助力綠色農(nóng)業(yè)邁入數(shù)字化、定量化新階段［1］。數(shù)字技術(shù)已經(jīng)成為引領(lǐng)農(nóng)業(yè)創(chuàng)新和驅(qū)動轉(zhuǎn)型的先導(dǎo)力量，為我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了新手段［2-3］。構(gòu)建支撐農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的數(shù)字技術(shù)體系［4］，對農(nóng)作物生長發(fā)育、畜禽養(yǎng)殖和漁業(yè)生產(chǎn)中土壤、水等環(huán)境質(zhì)量狀況進行長期跟蹤監(jiān)測和分析，推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程全程精細(xì)化管理，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要支撐。

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的數(shù)字技術(shù)體系涉及多部門、多領(lǐng)域、多學(xué)科的交叉和集成，具有獨特的系統(tǒng)性和復(fù)雜性，其關(guān)鍵理論和技術(shù)創(chuàng)新研究成為綠色技術(shù)的數(shù)字化的基礎(chǔ)和優(yōu)先任務(wù)，也是目前農(nóng)業(yè)信息技術(shù)學(xué)科的國際前沿和熱點研究問題之一?；诖?，文章圍繞農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系建設(shè)開展研究，提出農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的內(nèi)涵、基本架構(gòu)和重點任務(wù)等，以期為發(fā)展和豐富數(shù)字農(nóng)業(yè)學(xué)科體系、推動我國未來綠色農(nóng)業(yè)數(shù)字化發(fā)展提供參考。

1 農(nóng)業(yè)綠色化與數(shù)字化發(fā)展的歷程

自20 世紀(jì)80 年代中期“綠色農(nóng)業(yè)”概念誕生以來，我國開展了積極的探索，在中國乃至世界農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了重要影響?！皵?shù)字農(nóng)業(yè)”概念于20 世紀(jì)90 年代提出，數(shù)字技術(shù)日益廣泛應(yīng)用于整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和經(jīng)濟環(huán)境，數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展加快推進，數(shù)字農(nóng)業(yè)經(jīng)濟日益活躍［5］。在真正的實踐中，農(nóng)業(yè)的綠色化發(fā)展和數(shù)字化發(fā)展往往是交織進行的，農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展需要大量的數(shù)字技術(shù)和裝備的支撐和賦能，數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的目的就是促進農(nóng)業(yè)資源的優(yōu)化配置、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展?？v觀我國農(nóng)業(yè)綠色化與數(shù)字化的發(fā)展歷程，可以將其劃分為4 個階段：第一階段，1986—1991 年，萌芽階段；第二階段，1992—2000 年，探索階段；第三階段，2001—2013 年，發(fā)展階段；第四階段，2014—2050 年，深化發(fā)展階段（圖1）。

圖1 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展進程Fig.1 The development process of green agriculture

1.1 萌芽階段（1986—1991 年）

20 世紀(jì)80 到90 年代，萌芽階段。在全國實行“家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制”時代背景下，1986 年首次提出“綠色農(nóng)業(yè)”概念［6］。該階段的“綠色農(nóng)業(yè)”以土地、勞動力為主要生產(chǎn)要素，憑經(jīng)驗判斷農(nóng)時、配方施肥、看禾選種，發(fā)展綠色農(nóng)作物種植業(yè)，提高綠色植物覆蓋率，大力增加農(nóng)藥農(nóng)膜等物資投入，構(gòu)建“產(chǎn)量型”“增量型”綠色農(nóng)業(yè)，推動“綠色革命”。此時，以遙感技術(shù)為基礎(chǔ)對農(nóng)作物進行動態(tài)監(jiān)測及估產(chǎn)，農(nóng)業(yè)計算統(tǒng)計科學(xué)與農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理嶄露頭角，開啟了綠色生產(chǎn)記錄與管理電子統(tǒng)計的新階段，為綠色農(nóng)業(yè)數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)［7-8］。

1.2 探索階段（1992—2000 年）

1992 年我國開始實行社會主義市場經(jīng)濟，綠色農(nóng)業(yè)向“質(zhì)量型”“高效型”方向轉(zhuǎn)變。該階段的“綠色農(nóng)業(yè)”以技術(shù)和資本為重要生產(chǎn)要素，種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的綠色食品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測規(guī)模逐步擴大；光、熱、水、土等產(chǎn)地資源利用的理論和技術(shù)，極大地促進了綠色農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著農(nóng)業(yè)數(shù)字模型與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的誕生，中國綠色食品信息服務(wù)平臺于1998 年開通運行，實現(xiàn)綠色食品的發(fā)布、管理及查詢，為綠色農(nóng)業(yè)數(shù)字化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。很明顯，第二階段“綠色農(nóng)業(yè)”的內(nèi)涵較第一階段有了較大拓展。

1.3 發(fā)展階段（2001—2013 年）

21 世紀(jì)中國農(nóng)業(yè)專家開始探索綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，詮釋了“生態(tài)型”“安全型”綠色農(nóng)業(yè)的新內(nèi)涵，促進了我國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展進程。該階段生物科技成為重要要素，生物養(yǎng)地與生態(tài)減災(zāi)技術(shù)日趨完善，形成相對系統(tǒng)和完整的綠色生產(chǎn)技術(shù)體系。這一階段農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)體系初具規(guī)模、推進“金農(nóng)工程”改版、搭建綠色農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺、實施農(nóng)業(yè)信息服務(wù)“三電合一”工程，整合綠色農(nóng)業(yè)信息資源，促進綠色信息交流與知識共享，為綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。從這里可以看出，與第一階段、第二階段相比，農(nóng)業(yè)綠色化與數(shù)字化融合的深度有了較大的提高和發(fā)展。

1.4 深化發(fā)展階段（2014—2050 年）

2014 年以后，環(huán)境保護法律法規(guī)陸續(xù)修訂和頒布，農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)保法律不斷完善，綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展“四梁八柱”基本建立［9］。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息技術(shù)，與綠色種養(yǎng)融合發(fā)展，不斷推進綠色農(nóng)業(yè)信息化進程，發(fā)展精準(zhǔn)綠色農(nóng)業(yè)。這一階段，數(shù)據(jù)知識的價值受到普遍認(rèn)可和重視，“數(shù)字型”“功能型”成為農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)流通領(lǐng)域的主要特征。該階段綠色農(nóng)業(yè)數(shù)字化服務(wù)備受關(guān)注，開啟了綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展升級轉(zhuǎn)型的新征程。與上一階段相比，農(nóng)業(yè)綠色化與數(shù)字化融合的理論逐漸成熟、技術(shù)日趨完善、特征更加凸顯。

2 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的內(nèi)涵

2.1 綠色農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的概念

綠色農(nóng)業(yè)是以資源節(jié)約為基本特征、以環(huán)境友好為內(nèi)在屬性、以生態(tài)保育為根本要求、以質(zhì)量高效為重要目標(biāo)的農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展模式，其核心要義是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益、突出強調(diào)農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境、生產(chǎn)過程和農(nóng)產(chǎn)品輸出全系統(tǒng)、全過程綠色化。發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)既是破解中國農(nóng)業(yè)發(fā)展資源約束瓶頸和生態(tài)環(huán)境壓力的必然選擇，也是滿足人民日益增長的優(yōu)質(zhì)安全農(nóng)產(chǎn)品和良好生態(tài)環(huán)境需求的客觀要求。

數(shù)字農(nóng)業(yè)是利用現(xiàn)代信息技術(shù)對農(nóng)業(yè)對象、環(huán)境和全過程進行可視化表達、數(shù)字化設(shè)計、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。具體來說，是將遙感、物聯(lián)網(wǎng)、智能裝備等新一代信息技術(shù)與地理學(xué)、農(nóng)學(xué)、植物生理學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機結(jié)合，對農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)、要素、過程與管理進行二進制及模型化表達，構(gòu)建以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化等為特征的計算機管理和應(yīng)用系統(tǒng)，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)決策、調(diào)控與管理［10］。數(shù)字農(nóng)業(yè)使得數(shù)字技術(shù)與農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)深度有效融合，改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進農(nóng)業(yè)資源空間上和時間上的合理配置利用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本［5］。

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系是支撐農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的數(shù)字技術(shù)的有機系統(tǒng)。具體的說，是以“綠水青山就是金山銀山”為理念，以數(shù)字技術(shù)支撐引領(lǐng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展為主線，賦予綠色農(nóng)業(yè)數(shù)字內(nèi)涵，用數(shù)字化全面改造升級農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)、加工、經(jīng)營、管理和服務(wù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色化與數(shù)字化同向同行、同頻共振，著力提升農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的質(zhì)量效益和競爭力。

可見，綠色農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系3 者的內(nèi)涵、對象和技術(shù)不盡相同（表1）。在內(nèi)涵上，綠色農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新理念、新形態(tài)，基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源利用節(jié)約化、生產(chǎn)過程清潔化，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綜合效益提高，是一種軟思維；數(shù)字農(nóng)業(yè)是利用信息技術(shù)解決農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條問題的新技術(shù)、硬技術(shù)；農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系是信息技術(shù)賦能、綠色思維拓局的產(chǎn)物，是利用信息技術(shù)重組農(nóng)業(yè)行業(yè)運行方式的新系統(tǒng)、新模式。在對象上，綠色農(nóng)業(yè)圍繞農(nóng)業(yè)資源節(jié)約、廢棄物資源化利用、動物疫病凈化和生態(tài)保護修復(fù)等領(lǐng)域，實現(xiàn)質(zhì)量變革；數(shù)字農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、經(jīng)營、管理和服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，實現(xiàn)效率變革；農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系是針對產(chǎn)地環(huán)境、水肥條件、品種質(zhì)量、物資添加、生產(chǎn)規(guī)模等一體化的智能解決方案，實現(xiàn)效益變革。在技術(shù)上，綠色農(nóng)業(yè)主要基于生物養(yǎng)地、資源節(jié)約技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)、生態(tài)減災(zāi)技術(shù)、循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)等單一技術(shù)，或者這些技術(shù)的綜合運用；數(shù)字農(nóng)業(yè)采用遙感網(wǎng)、傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)融合應(yīng)用；農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系是綠色技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的融合與深化應(yīng)用。同時，綠色農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系三者相互支撐。農(nóng)業(yè)綠色化發(fā)展是數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展要實現(xiàn)的目標(biāo)之一，綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展又需要數(shù)字化技術(shù)的支撐。農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系既是綠色農(nóng)業(yè)的重要組成，也是數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。數(shù)字農(nóng)業(yè)與綠色農(nóng)業(yè)的融合發(fā)展是新發(fā)展格局下貫徹新發(fā)展理念的具體落實。

表1 綠色農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系Table 1 Concept comparison of green agriculture，digital agriculture and digital technology system of green agricultural development

2.2 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的關(guān)鍵特征

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系是以綠水青山就是金山銀山理念為指引，以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵生產(chǎn)要素，以云為核心技術(shù)引擎，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)營、管理深度融合，對綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的人、機、動植物、環(huán)境、信息等全要素進行深度感知、精準(zhǔn)識別與智能控制，用信息化全面升級改造農(nóng)業(yè)綠色產(chǎn)業(yè)鏈上下游，形成綠色感知精準(zhǔn)化、綠色生產(chǎn)智能化、綠色流通可溯化、綠色交易平臺化、綠色服務(wù)定制化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型產(chǎn)業(yè)生態(tài)。農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系兼具綠色農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的基本特征。

（1）要素協(xié)同。利用海量多維的數(shù)字資源，通過數(shù)據(jù)分析、清洗、整合與轉(zhuǎn)換，對土、肥、水、種等核心投入要素協(xié)同配置，形成生產(chǎn)全要素的優(yōu)化配比方案。

（2）控制精準(zhǔn)。匯聚與挖掘大數(shù)據(jù)，形成精量播種、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)施藥以及品種適宜性選擇等策略，與農(nóng)機控制設(shè)備進行聯(lián)動，實現(xiàn)精播精施與精控。

（3）治理智能。在深度感知過程中，積累農(nóng)業(yè)資源利用效率和環(huán)境承載力時空數(shù)據(jù)，強化學(xué)習(xí)、自主進化，構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理與精準(zhǔn)控制模型，調(diào)度智能農(nóng)機裝備及裝置，實現(xiàn)自主作業(yè)。

（4）資源集約。整合農(nóng)業(yè)自然資源、信息資源和知識資源，集中合理的運用現(xiàn)代化信息技術(shù)，重構(gòu)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式，實現(xiàn)效率變革、質(zhì)量變革。

（5）環(huán)境友好。將農(nóng)田、畜禽養(yǎng)殖場、水產(chǎn)養(yǎng)殖基地等生態(tài)環(huán)境視為整體，運算其物質(zhì)交換和能量循環(huán)關(guān)系，破解土壤板結(jié)、畜禽糞便污染等問題。

3 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系框架

3.1 總體框架

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系以“數(shù)字化”和“綠色化”的深度融合為基本思路，通過智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、智能分析和自動控制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)、加工、銷售及流通等全環(huán)節(jié)和全鏈條的數(shù)字化，形成廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性、安全可控的數(shù)字架構(gòu)，其總體架構(gòu)如圖2 所示，主要包括4 個部分。

（1）以數(shù)字設(shè)施為基礎(chǔ)的綠色源頭，即深度感知產(chǎn)地環(huán)境、水肥條件、品種質(zhì)量、物資添加、生產(chǎn)規(guī)模等綠色生物物理指標(biāo)，形成農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展“觸角”；

（2）以數(shù)字資源為核心的綠色生產(chǎn)，即基于云基礎(chǔ)和大數(shù)據(jù)技術(shù)整合交換農(nóng)產(chǎn)、農(nóng)資、農(nóng)商等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，解析與環(huán)境安全、綠色資源消耗、生態(tài)功能的關(guān)系，形成農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展“心臟”；

（3）以數(shù)字平臺為依托的綠色決策，即激發(fā)人工智能與農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)跨界融合，形成數(shù)字農(nóng)業(yè)“大腦”和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展“超腦”；

（4）以數(shù)字應(yīng)用為引領(lǐng)的綠色服務(wù)，即數(shù)字化在集約利用、清潔生產(chǎn)、生態(tài)減災(zāi)及廢物循環(huán)等全程綠色應(yīng)用，形成農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展“血液”。

3.2 精準(zhǔn)化的綠色源頭

在產(chǎn)前感知環(huán)節(jié)，數(shù)字基建是基礎(chǔ)，主要由物聯(lián)感知、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)施三部分組成。綜合利用通導(dǎo)遙等空間技術(shù)，建設(shè)天空地一體化農(nóng)業(yè)觀測網(wǎng)絡(luò)，形成物聯(lián)感知能力［11］；發(fā)展以5G、Wi-Fi 6、量子通信等技術(shù)為核心的新連接，構(gòu)建高效互連的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，形成萬維信息傳輸能力；適配處理器、存儲器、外圍設(shè)備、現(xiàn)場總線等硬件設(shè)備，提升信息服務(wù)系統(tǒng)硬件設(shè)施的計算、通信和控制的能力，形成物理世界和數(shù)字孿生世界的雙向交互能力。

在區(qū)域結(jié)構(gòu)布局上，整合大數(shù)據(jù)、AI、云、GIS 和融合通信等ICT 資源，立足當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源條件、資源稟賦、生態(tài)條件和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，精準(zhǔn)規(guī)劃主栽品種，實現(xiàn)適地適區(qū)適種。在優(yōu)良品種選育上，借助介電頻譜、太赫茲波等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，采集田間育種材料性狀數(shù)據(jù)，從親本選配到遺傳評估進行全系譜信息化管控，形成選種決策，全面提高作物育種的信息化水平，加速綠色品種選育的進程［12］。在產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測上，聚焦“地學(xué)農(nóng)學(xué)”不同觀測領(lǐng)域，針對“水土氣生”不同觀測要素，利用“天空地人”不同觀測平臺，開展“定量定性”不同觀測屬性的數(shù)據(jù)采集，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)感知觀測網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用體系，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)全領(lǐng)域、全過程、全覆蓋的實時動態(tài)觀測。

圖2 總體架構(gòu)Fig.2 The overall framework

3.3 智能化的綠色生產(chǎn)過程

在綠色生產(chǎn)環(huán)節(jié)，數(shù)字資源是智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵，主要是基于云基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，形成從大數(shù)據(jù)到知識、從知識到?jīng)Q策的能力。從需求看，將綠色生產(chǎn)從本地遷移到云端，打造多架構(gòu)云形態(tài)，增強數(shù)據(jù)信息粘性，提高大規(guī)模數(shù)字資源優(yōu)化能力，形成農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)大數(shù)據(jù)靈活定容的能力。從本質(zhì)看，云基礎(chǔ)解決的核心問題是綠色生產(chǎn)信息的計算、存儲、分析、安全和運維；大數(shù)據(jù)技術(shù)是對農(nóng)資、農(nóng)產(chǎn)、農(nóng)商、服務(wù)等各類海量、高維、動態(tài)、異質(zhì)、異構(gòu)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，進行分離、抽取、轉(zhuǎn)換、整合，構(gòu)建綠色農(nóng)業(yè)全鏈路和全要素的數(shù)字化生態(tài)［13］。人工智能、認(rèn)知計算、深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)、人機交互等人工智能技術(shù)，與綠色生產(chǎn)各環(huán)節(jié)深度融合，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動、人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能經(jīng)濟形態(tài)［14］。

大田種植中，集成遙感、無人機、物聯(lián)網(wǎng)、北斗導(dǎo)航等技術(shù)，布設(shè)低時延、大容量的5G 通信傳輸，升級天空地一體化的農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)，開展田間“四情”監(jiān)測［15］。推進水肥一體、養(yǎng)分自動管控、能效自動監(jiān)測、植保智能測報、機管機收機采、智能手機遠(yuǎn)程控制，提升大田生產(chǎn)綠色化水平［16］。設(shè)施種植中，配置溫度、濕度、光照等環(huán)境控制設(shè)施設(shè)備，建設(shè)環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，布設(shè)自動氣象站、環(huán)境傳感器、視頻監(jiān)控等設(shè)備，利用PID 法、模糊法、預(yù)測法等智能控制算法，集成溫室環(huán)控、智能催芽、工廠化育苗、智能灌溉、果蔬分級分選等技術(shù)，以小步快跑、快速迭代為范式，利用科技敏捷帶動業(yè)務(wù)敏捷，實現(xiàn)工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程全程監(jiān)控與管理［17］。畜禽養(yǎng)殖中，推廣RFID 測溫定位電子耳標(biāo)，發(fā)展自動投料機、集成智能補光通風(fēng)加濕系統(tǒng)、配置疫病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，匹配聲音知識庫，精準(zhǔn)化監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境、數(shù)字化記錄生產(chǎn)、智能化管理物流、身份化溯源質(zhì)量［18-20］。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，利用傳感檢測技術(shù)，實時檢測水環(huán)境、水質(zhì)情況以及各種氣候條件指標(biāo)?；谥悄軅鞲?、無線傳感網(wǎng)、通信、智能處理與智能控制等技術(shù)，集水質(zhì)環(huán)境在線采集、餌料自動精準(zhǔn)投喂、水產(chǎn)類病害監(jiān)測預(yù)警、循環(huán)水裝備控制、網(wǎng)箱升降控制等信息技術(shù)和裝備于一體，聯(lián)動控制［21］。

3.4 定制化的綠色消費終端

瞄準(zhǔn)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的終端，完善生產(chǎn)資料和消費品的數(shù)字化加工、儲藏、運輸和銷售體系，構(gòu)建包括綠色指標(biāo)墻、產(chǎn)品樹、關(guān)聯(lián)網(wǎng)、圖譜庫在內(nèi)的綠色農(nóng)業(yè)終端管理業(yè)務(wù)平臺，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色消費的信息調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能調(diào)度、智慧預(yù)警，使終端消費系統(tǒng)快速迭代，提升市場對消費終端的敏捷度。同時，以數(shù)據(jù)統(tǒng)計和綜合評判為核心，延伸產(chǎn)業(yè)鏈長度，擴展服務(wù)環(huán)節(jié)，實施綠色追溯管理方式，加強對食品安全的數(shù)字化監(jiān)督和管理，促進綠色消費的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和規(guī)范化管理，保證食物的營養(yǎng)價值和食用安全性。

聯(lián)“碼”，即發(fā)展“地塊碼、作業(yè)碼、投入品碼、商品碼”互聯(lián)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展編碼體系，完善數(shù)字化消費架構(gòu)，促進綠色化生產(chǎn)與消費的解耦。通“鏈”，即利用大數(shù)據(jù)分析和信息共享，聯(lián)接供應(yīng)商、專營商、銷售終端和消費者等相關(guān)方，形成生態(tài)鏈互通模式，有效促進綠色消費鏈的快速響應(yīng)和高效管控，實現(xiàn)“訂單即運單”。守“線”，即嚴(yán)守資源高效、環(huán)境安全、生態(tài)友好、產(chǎn)品安全等綠色數(shù)字化底線，夯實農(nóng)業(yè)綠色消費的數(shù)字應(yīng)用基礎(chǔ)，推進綠色消費從經(jīng)驗到精確、從人工到智能的轉(zhuǎn)變。反“導(dǎo)”，即通過大數(shù)據(jù)分析消費者喜好，反向引導(dǎo)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)與綠色品牌打造，升級改造農(nóng)產(chǎn)品加工物流、冷鏈倉儲等基礎(chǔ)設(shè)施，推進農(nóng)特產(chǎn)品全程區(qū)塊鏈防偽追溯和千里眼溯源［22］。

4 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)

4.1 筑牢農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐

綠色技術(shù)的數(shù)據(jù)采集是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的基礎(chǔ)。圍繞我國不同的自然生態(tài)類型、區(qū)域特性和產(chǎn)業(yè)特點，建設(shè)集長期觀測、科學(xué)研究、試驗示范和決策支撐為一體的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展觀測試驗站，針對制約農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的突出問題開展技術(shù)試驗，獲取第一手農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展原始資料和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境、生態(tài)等系列綠色指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)據(jù)中心，研究分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出、資源環(huán)境保護之間的最佳路徑和模式，為綠色技術(shù)、政策集成創(chuàng)新和推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4.2 夯實農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的數(shù)字基礎(chǔ)建設(shè)

數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的關(guān)鍵。推進衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面物聯(lián)網(wǎng)觀測體系建設(shè)，建設(shè)天空地一體化的綠色農(nóng)業(yè)觀測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)全領(lǐng)域、全過程、全覆蓋的實時動態(tài)觀測。加強5G 在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展場景中的應(yīng)用，在大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）、超高可靠超低時延通信（uRLLC）、天空地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)條件下，實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展園區(qū)5G 全覆蓋。

4.3 研發(fā)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展大數(shù)據(jù)平臺是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的核心。精準(zhǔn)把脈傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)改造提升的技術(shù)需求，聚焦數(shù)字農(nóng)業(yè)的核心算法、數(shù)字建模、核心傳感器、專用芯片等關(guān)鍵技術(shù)和重點領(lǐng)域加強攻關(guān)，加快構(gòu)筑支撐高端引領(lǐng)的先發(fā)優(yōu)勢；聚力數(shù)字農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、先進基礎(chǔ)工藝、產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)“四基”領(lǐng)域，以“鼎新”帶動“革故”，以增量帶動存量，推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的作業(yè)裝備升級和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化變革。

4.4 拓展農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)典型應(yīng)用場景

在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展基礎(chǔ)較好的示范區(qū)、科技園、產(chǎn)業(yè)園、試驗站等重點園區(qū)和站點，引導(dǎo)轉(zhuǎn)型企業(yè)打造精準(zhǔn)數(shù)字農(nóng)業(yè)作業(yè)及精準(zhǔn)控制“云數(shù)智”應(yīng)用范式，通過農(nóng)業(yè)數(shù)字化典型應(yīng)用場景“驅(qū)動”綠色農(nóng)業(yè)的數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，打造基于AI、云計算、區(qū)塊鏈的綠色發(fā)展數(shù)字化典型案例。樹立農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型企業(yè)標(biāo)桿，支持傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)開展基于IPv6 協(xié)議下的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)與綠色產(chǎn)業(yè)的深度融合應(yīng)用，支持有能力的農(nóng)業(yè)裝備企業(yè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，探索裝備制造、綠色生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品銷售全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的發(fā)展模式。

4.5 完善農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)的保障體系

頂層設(shè)計上，編制《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字化行動計劃》，出臺農(nóng)業(yè)“數(shù)字化綠色發(fā)展”指南，并制定相應(yīng)的評估體系。財政政策上，通過發(fā)放財政專項債、地方政府債券等中長期貸款，加大在農(nóng)業(yè)綠色領(lǐng)域在數(shù)字化建設(shè)的投入比例。金融政策上，鼓勵多主體、多渠道投入，規(guī)范并推動PPP 等模式，進一步放開市場準(zhǔn)入，擴大投資主體。產(chǎn)業(yè)政策上，對農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展領(lǐng)域提供各類優(yōu)惠；推進涉農(nóng)企業(yè)在綠色發(fā)展領(lǐng)域與基礎(chǔ)電信企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、信息通信設(shè)備制造企業(yè)通力合作，形成優(yōu)勢互補。

5 結(jié)論

“十四五”時期是我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的快速提升期，我國將進入農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展時期。建立用“數(shù)據(jù)說話”的驅(qū)動發(fā)展機制，構(gòu)建精準(zhǔn)高效的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字體系，用信息化全面改造升級農(nóng)業(yè)綠色技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)、管理和評價，實現(xiàn)綠色化與數(shù)字化同向同行、同頻共振，是順應(yīng)新時代經(jīng)濟發(fā)展需求、推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、提升資源可持續(xù)利用的重要著力點。該文在分析農(nóng)業(yè)綠色化與數(shù)字化的發(fā)展歷程基礎(chǔ)上，從內(nèi)涵、對象和技術(shù)三個方面科學(xué)界定了綠色農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的數(shù)字技術(shù)體系概念的異同，提出了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系架構(gòu)，提出了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系建設(shè)的重點任務(wù)。從信息科學(xué)發(fā)展、跨學(xué)科應(yīng)用的實踐看，如何利用量化新、全、深的農(nóng)業(yè)綠色數(shù)字技術(shù)，逐步認(rèn)識農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的演變規(guī)律，分區(qū)集成農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展評價指標(biāo)，進一步研究探討調(diào)控和干預(yù)、評估和預(yù)報綠色技術(shù)途徑，比如，土地面源污染防控、作物有害生物綠色防控、土壤有機質(zhì)提升等，這些都依賴于農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字技術(shù)體系的支撐。農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展與數(shù)字技術(shù)的深度融合，已成為打贏農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展硬仗、推動綠色發(fā)展由先行先試為主向示范推廣轉(zhuǎn)變的驅(qū)動，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展數(shù)字化發(fā)展的必然要求。