智能農(nóng)業(yè)管理平臺研究與應(yīng)用

孫瑤

摘要 [目的]為了更好地實(shí)現(xiàn)耕地資源的高效合理利用和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理。[方法]在系統(tǒng)分析農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)的基礎(chǔ)上，深入分析了智能農(nóng)業(yè)在國內(nèi)外應(yīng)用背景狀況和發(fā)展現(xiàn)狀，提出了智能農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要性。[結(jié)果]全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、新型應(yīng)用集成系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程在線培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成了智能農(nóng)業(yè)管理平臺的技術(shù)體系。[結(jié)論]我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型、信息感知、信息傳輸、信息處理等技術(shù)水平較低，要構(gòu)建優(yōu)質(zhì)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)際需求合理規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)，并對其功能模塊進(jìn)行細(xì)化分析。

關(guān)鍵詞 智能農(nóng)業(yè);3S技術(shù);管理平臺

中圖分類號：F302.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）02-065-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.025

Application Research of the Intelligent Agricultural Management Platform

SUN Yao（Yantai Agricultural Technology Promotion Center，Yantai，Shandong 264001）

Abstract [Objective] In order to better realize the rational use of cultivated land and the precise management of agricultural modernization. [Method] On the basis of systematically summarizing the paper on intelligent agriculture，some suggestions strengthening the construction of agricultural intelligence were put forward. Meanwhile，the application background and current situation of intelligent agriculture at home and abroad were deeply studied. [Result] According to the research，global positioning systems（GPS），geographic information systems（GIS），remote sensing systems，agricultural expert decision systems，agricultural environmental information systems，intelligent agricultural machinery systems，field information collection systems，new application integration systems，intelligent agricultural network management systems，remote online training systems， constituted the technical system of intelligent agricultural management platform. [Conclusion] At present，architecture model of agricultural iot，information perception，information transmission，and information processing in China were at a lower technical level. To build a high-quality intelligent agricultural system，it was necessary rationally plan the system architecture according to actual demands，and conduct detailed analysis of functional modules.

Key words? ?Intelligent agriculture;3S technology;Management platform

智能農(nóng)業(yè)（也稱工業(yè)農(nóng)業(yè)），是指在相對可控的環(huán)境條件下，采用工業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效集約可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，即農(nóng)業(yè)先進(jìn)設(shè)施與土地相配套、技術(shù)規(guī)格高度匹配和高效率的集約化生產(chǎn)經(jīng)營模式，是繼傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、機(jī)械化農(nóng)業(yè)、自動(dòng)化農(nóng)業(yè)之后更高的農(nóng)業(yè)發(fā)展階段。智能農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)有利于減少農(nóng)業(yè)要素投入，改變傳統(tǒng)粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理模式，實(shí)現(xiàn)有限農(nóng)業(yè)資源的高效集約化規(guī)模經(jīng)營生產(chǎn)模式，最大限度地減少農(nóng)業(yè)面源污染，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[1-4]。

目前，中國農(nóng)業(yè)發(fā)展正處在從傳統(tǒng)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡的過程中，土地資源短缺、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題嚴(yán)重、自然災(zāi)害抵御能力低下、勞動(dòng)力老齡化加劇、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境壓力增大等問題突出，迫使農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、信息技術(shù)和裝備技術(shù)的創(chuàng)新步伐不斷加快，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、經(jīng)營方式和管理方式的轉(zhuǎn)變，要充分抓住國家實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”行動(dòng)計(jì)劃的機(jī)遇，才能穩(wěn)步推進(jìn)中國走向智能農(nóng)業(yè)時(shí)代[5-6]。

1 智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用背景

1.1 我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，我國用世界10%的耕地、6%的淡水養(yǎng)活了世界20%的人口、提供了世界25%的糧食，然而這一成果是通過大量消耗資源和破壞生態(tài)環(huán)境而獲得的。中國化肥的利用率僅為發(fā)達(dá)國家的1/2，單位面積的農(nóng)藥使用量卻為世界平均水平的2.5倍，水資源的利用率僅為發(fā)達(dá)國家利用率的1/3[7]。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化依然存在不足，主要體現(xiàn)為勞動(dòng)生產(chǎn)率低、土地產(chǎn)出率低、資源利用率低，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高、農(nóng)業(yè)競爭力低、農(nóng)民收入增長慢[8]。對于資源稟賦本就不富足的中國來說，農(nóng)業(yè)發(fā)展不能依靠無休止的資源消耗，而是明顯受到資源的剛性制約，特別是在城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的大力推進(jìn)下，勞動(dòng)力、耕地、水資源等傳統(tǒng)生產(chǎn)要素正在向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)剝離，而且在有限資源的情況下，我國人口還在不斷增長，對糧食和資源的需求量將更大[9-10]。

在資源環(huán)境和補(bǔ)貼政策嚴(yán)重制約、價(jià)格“天花板”與成本“地板”雙重?cái)D壓的形勢下，中國農(nóng)業(yè)迫切需走一條以信息技術(shù)為核心的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精細(xì)化、組織化的發(fā)展道路，可有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和增值空間。以智能農(nóng)業(yè)為特色的新型農(nóng)業(yè)發(fā)展模式可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務(wù)的技術(shù)裝備，挖掘并有效的提升潛在生產(chǎn)能力，這將是未來中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展的有效途徑[11-12]。

因此，當(dāng)前要科學(xué)定位國內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展階段，理清我國從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到智能農(nóng)業(yè)的位置，提前謀劃、系統(tǒng)規(guī)劃，制定符合中國國情的農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑，走出一條集約、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)道路，具有十分重要意義。

1.2 國際智能農(nóng)業(yè)發(fā)展

目前智能農(nóng)業(yè)的國際慣例是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，發(fā)展的特點(diǎn)為：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，保障農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的生產(chǎn)。確保農(nóng)業(yè)發(fā)展和工業(yè)化信息化發(fā)展相協(xié)調(diào)，并用工業(yè)化和信息化促進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化。

1.2.1 德國 德國作為一個(gè)高度發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，其生產(chǎn)效率也很高。“數(shù)字農(nóng)業(yè)”概念的引入與“工業(yè)4.0”并無不同。它一直致力于智能農(nóng)業(yè)的政策與環(huán)境、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)。通過大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的應(yīng)用，將農(nóng)田天氣、土壤、降水、溫度、地理位置等上傳云端并在平臺上處理，然后將處理好數(shù)據(jù)發(fā)送到智能化的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械上進(jìn)行精細(xì)作業(yè)。

1.2.2 法國 信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果是精確農(nóng)業(yè)。盡管精確農(nóng)業(yè)的發(fā)起國是美國，法國雖然在10年后對其進(jìn)行了研究，但其應(yīng)用水平和程度都不低[13]。在法國，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于測報(bào)病蟲害災(zāi)情，自動(dòng)化施肥，打藥和灌溉等田間管理;同時(shí)分析土壤環(huán)境。在生產(chǎn)、采收、加工和儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2.3 日本 實(shí)施農(nóng)業(yè)IT戰(zhàn)略促進(jìn)智能農(nóng)業(yè)發(fā)展，平均每個(gè)縣有一個(gè)智能農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息中心，大力建設(shè)氣象、病蟲害防治、農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)等數(shù)據(jù)庫。建立了全國農(nóng)業(yè)信息的收集、處理、儲(chǔ)存和傳輸?shù)模―RESS）管理信息系統(tǒng)。據(jù)調(diào)查，東芝公司在東京神奈川縣建成了占地50 000 m2的智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，該基地采用電子遙感技術(shù)、新能源技術(shù)和自動(dòng)化管理系統(tǒng)，為各種蔬菜批量生產(chǎn)提供所需土、肥、水、光。相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)不僅可以提高蔬菜產(chǎn)量，而且基本消除了對農(nóng)藥的需求，產(chǎn)品安全性更高[14]。

2 智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢及前景

2.1 趨勢分析

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)越來越依賴于新興技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、智能機(jī)器人、模式識別等。這些新技術(shù)的使用可以為集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供支持?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)更加關(guān)注規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。

智能農(nóng)業(yè)主要經(jīng)營對象包括：①農(nóng)業(yè)資源。農(nóng)用土地資源、水資源、大氣和生產(chǎn)資料;②農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。土壤、大氣、水質(zhì)、氣象和病蟲害;③生產(chǎn)過程。精準(zhǔn)耕作、設(shè)施農(nóng)業(yè)、健康養(yǎng)殖和規(guī)?；a(chǎn);④農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與食品安全。產(chǎn)地環(huán)境、生產(chǎn)、加工倉儲(chǔ)和物流供應(yīng)鏈可追溯系統(tǒng);⑤農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施。工況監(jiān)測、遠(yuǎn)程診斷和服務(wù)調(diào)度;⑥農(nóng)民及社會(huì)。農(nóng)民職業(yè)素質(zhì)、農(nóng)村整體面貌和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新意識。

2.2 行業(yè)發(fā)展前景

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段，是將新興的云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集為一體的新興產(chǎn)業(yè)。依托部署的各種傳感節(jié)點(diǎn)（環(huán)境溫濕度、土壤濕度、二氧化碳、圖像等）和無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、專家在線指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策等[15]。

3? 智能農(nóng)業(yè)管理平臺的建設(shè)內(nèi)容

智慧農(nóng)業(yè)管理平臺如圖1所示。其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀，調(diào)節(jié)對作物的投入，進(jìn)行“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”的科學(xué)定位[16]，調(diào)動(dòng)土壤生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)同等收入或更高的收入，改善環(huán)境、有效利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一整套基于信息技術(shù)空間變異的定位、定時(shí)、定量的現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)[17]。

3.1 3S技術(shù)與智能農(nóng)業(yè)的關(guān)系

3S技術(shù)包括全球定位系統(tǒng)（GPS/北斗）、遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）[18]。其中，GPS/北斗系統(tǒng)可用于田間作業(yè)信息收集和準(zhǔn)確定位。RS遙感技術(shù)可通過農(nóng)田反射光譜分析提供諸如農(nóng)田作物生長環(huán)境、生長狀況和收獲情況等信息。GIS系統(tǒng)可以完成對地圖的編輯和繪制工作，建立數(shù)據(jù)與圖形拓樸之間的關(guān)系，同時(shí)基于空間信息的圖形化界面提供農(nóng)業(yè)信息的查詢、監(jiān)管和分析控制等數(shù)據(jù)。

3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查和管理中的應(yīng)用、編制農(nóng)業(yè)區(qū)劃和農(nóng)用地適宜性評價(jià)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境研究、農(nóng)作物病蟲害預(yù)測與評估、農(nóng)作物估產(chǎn)與監(jiān)測等領(lǐng)域，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（田間規(guī)劃、種植、產(chǎn)后分析加工及銷售等）提供直觀可靠的數(shù)據(jù)等方面能夠發(fā)揮重要作用[19]。

3.2 農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)

通過系統(tǒng)中的作物生產(chǎn)管理程序，對3S技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)進(jìn)行建模推演，模擬出作物生長過程和投入/產(chǎn)出分析模型，輔助指導(dǎo)作物種植工作。

3.3 農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用物理、化學(xué)、生物等多種監(jiān)測方法，對污染農(nóng)區(qū)和經(jīng)濟(jì)農(nóng)區(qū)的土壤、作物、大氣、農(nóng)用水質(zhì)和漁業(yè)水域等方面進(jìn)行污染監(jiān)測、環(huán)境影響監(jiān)測、環(huán)境事故監(jiān)測和生態(tài)因素監(jiān)測。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立有關(guān)數(shù)據(jù)檔案或數(shù)據(jù)庫，對環(huán)境現(xiàn)狀或影響進(jìn)行輔助評價(jià)，評價(jià)結(jié)果可以為污染防治和事故仲裁的執(zhí)法提供依據(jù)。

3.4 智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)

智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)是指具有智能或部分智能的農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備，例如帶產(chǎn)量傳感器及可以生成收割區(qū)產(chǎn)量圖的收割機(jī)械;自動(dòng)控制精密播種、施肥、灑藥機(jī)械;無人機(jī)飛行平臺等。

3.5 智能農(nóng)田信息采集系統(tǒng)

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤中氮、磷、鉀含量、pH值、太陽輻照度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量和CO2濃度等參數(shù)。采集系統(tǒng)包括便攜式采集設(shè)備和基于CCD的圖像采集系統(tǒng)。

3.6 新型應(yīng)用集成系統(tǒng)

根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)實(shí)際需要，系統(tǒng)模塊化的組裝和擴(kuò)展，既能充分發(fā)揮當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢，又能避免系統(tǒng)過多造成功能和資金浪費(fèi)。

3.7 智能農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

智能農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是以應(yīng)用軟件為核心的軟硬件分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進(jìn)行性能管理，配置管理，安全管理，計(jì)費(fèi)管理和故障管理等;全自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)、故障智能預(yù)測與分析、多維度監(jiān)控配置、變更告警及比對，并支持多操作平臺。

3.8 遠(yuǎn)程在線培訓(xùn)系統(tǒng)

利用IT技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸共享技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化平臺。進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)的用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取所需的多媒體資訊內(nèi)容，用戶之間可以進(jìn)行音頻、視頻、數(shù)據(jù)的多媒體互動(dòng)。還可以通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與農(nóng)業(yè)專家一對一的交流。

4? 智能農(nóng)業(yè)管理平臺系統(tǒng)組織架構(gòu)

智能農(nóng)業(yè)管理平臺的系統(tǒng)組織由感知與控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層三部分構(gòu)成。平臺的工作流程通過感知與控制層中的傳感器采集系統(tǒng)所需的參數(shù)，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給計(jì)算機(jī)平臺，并使用智能農(nóng)業(yè)管理平臺的應(yīng)用軟件與植物生長同時(shí)期最佳值對比分析得出所需的調(diào)整數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層反饋傳回至感知與控制層，完成溫度、濕度、灌溉、施肥和噴藥等方面的調(diào)整。由于整個(gè)系統(tǒng)是由傳感器、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、控制器構(gòu)成的閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，因此更易達(dá)到高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能的要求。

5 小結(jié)及展望

智能農(nóng)業(yè)的研究應(yīng)用引起了世界各國的高度重視。中國同樣也認(rèn)識到了智能農(nóng)業(yè)對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要性，在智能農(nóng)業(yè)的研究和實(shí)踐中投入了大量人力、物力[20-24]。當(dāng)前我國的智能農(nóng)業(yè)還處于起步階段，其中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)模型、信息感知技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息處理技術(shù)等方面還不是特別成熟，尤其是作為智能農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化程度較低，相關(guān)規(guī)范及政策尚不完善。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是建立在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和微電子等技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上。在此基礎(chǔ)上，智能農(nóng)業(yè)在信息感知方面將更加智能化，信息傳輸方面更加快捷，信息處理方面更加快速可靠，信息服務(wù)更加靈活。相信隨著政府的高度重視，科研機(jī)構(gòu)的潛心研究以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線的大力支持與實(shí)踐，中國的智能農(nóng)業(yè)必將推動(dòng)中國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

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