農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究進展分析

韓 沙，馬德新

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266109）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及和大量信息的爆發(fā)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系也越來越密切，將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新思維相結(jié)合，需要利用大數(shù)據(jù)來進行農(nóng)業(yè)內(nèi)部許多信息和項目的篩選及分析，大數(shù)據(jù)開始滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，擁有龐大的數(shù)據(jù)庫。隨著各種計算機傳感設(shè)備和農(nóng)業(yè)科技的普及應(yīng)用，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來源渠道更加廣泛、涉及的范圍更廣。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)本身具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模態(tài)變化、實時性和高相關(guān)性的特點。大數(shù)據(jù)已在或?qū)⒃谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)中發(fā)揮巨大作用，因此，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行農(nóng)業(yè)相關(guān)應(yīng)用研究，具有重大的現(xiàn)實意義。本研究采用文獻綜述法，概述了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的研究進展，分析了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用方向，指出了目前發(fā)展存在的問題與挑戰(zhàn)，以期為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展提供參考。

1 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)概述

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，即大數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合，是大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的一種趨勢。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)必然要融合農(nóng)業(yè)自身的一些特點，比如周期性和季節(jié)性。利用大數(shù)據(jù)能夠?qū)r(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進行搜集、存儲、計算和應(yīng)用。其中，云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域內(nèi)給予支持，而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)大數(shù)據(jù)所彰顯出的儲存和管理價值，對于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析意義顯著，使得農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)表現(xiàn)出巨大的價值。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在拓展和深化的過程中完成了高精密度的篩選，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用使農(nóng)業(yè)信息流動得到了擴展和深化［1］。目前，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)市場等領(lǐng)域。雖然大數(shù)據(jù)方面的文章已較多，但是研究農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)的文章卻較少，還需進一步拓展。

2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究進展

2.1 國內(nèi)研究情況

以中國知網(wǎng)（CNKI）的中文報刊網(wǎng)絡(luò)出版圖書館作為數(shù)據(jù)源，搜索策略為主題=“農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)”進行模糊檢索，從2013 年起，截至2019 年，共搜索了3 274 份相關(guān)文獻，如圖1 所示。從圖1 可以看出，隨著國家對農(nóng)業(yè)信息化重視程度的加深，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)開始成為研究的熱點，相關(guān)文獻數(shù)量也隨之增長。

圖1 國內(nèi)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)文獻發(fā)表數(shù)量

孫忠富等［2］結(jié)合農(nóng)業(yè)的實際特點，提出了大數(shù)據(jù)在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)發(fā)展需求中的一些建議。張浩然等［3］指出雖然農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的研究剛起步，但是大量科研人員致力于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的優(yōu)化，在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、集成、存儲和處理等關(guān)鍵技術(shù)中取得了進步，但仍然存在異構(gòu)性、實時性和挖掘能力上的挑戰(zhàn)。溫孚江［4］希望借助農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的戰(zhàn)略意義，從協(xié)同機制出發(fā)，把控農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的多學(xué)科性。許世衛(wèi)［5］主要研究了大數(shù)據(jù)在農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測預(yù)警方面的應(yīng)用，重點研究了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展進程，并且在實時化和可視化角度進行了有關(guān)論述。李道亮等［6］認(rèn)為，大數(shù)據(jù)的未來發(fā)展方向必然與農(nóng)業(yè)人工智能和農(nóng)業(yè)精確篩選有關(guān)，智能化的信息處理將使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更為便捷。李秀峰等［7］論述了農(nóng)業(yè)信息服務(wù)的技術(shù)創(chuàng)新將有助于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展。王文生等［8］將農(nóng)業(yè)信息化現(xiàn)狀與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集方法分析相結(jié)合，考慮了未來的大數(shù)據(jù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用主要集中在準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)決策領(lǐng)域和國家農(nóng)村綜合信息查詢領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，同時還包含農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)等方面。孟祥寶等［9］在闡述農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的概念和特點的同時，從服務(wù)、管理、應(yīng)用、技術(shù)和資源5 個關(guān)鍵方面對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)SMART 應(yīng)用架構(gòu)進行分析設(shè)計，重點把控智能分析的作用，這將成為大數(shù)據(jù)未來發(fā)展的一個典型方向，對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化具有一定的指導(dǎo)意義。郭承坤等［10］提出多學(xué)科數(shù)據(jù)整合和農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺作為重點研究方向。引用次數(shù)較多的文獻研究內(nèi)容分類如表1 所示。從表1 中可以看出，被引用數(shù)量較多的有關(guān)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的文獻中，主要內(nèi)容包括大數(shù)據(jù)及農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的相關(guān)概念介紹、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景展望。

表1 國內(nèi)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)文獻研究內(nèi)容分類

2.2 國外研究情況

在 Web of Science 上以“agriculture big data”為關(guān)鍵詞檢索，2013—2019 年共有相關(guān)文獻288 篇，如圖2 所示。從圖2 可以看出，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)作為研究關(guān)注的熱點之一，各國隨著研究力度加大以及相關(guān)政策的支持，研究文獻數(shù)量呈逐年增長態(tài)勢。

圖2 國外農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量

Wolfert 等［11］研究提出，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)對于農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的重要影響，是大數(shù)據(jù)未來發(fā)展不可忽略的一個發(fā)展分支。Bendre 等［12］研究了大數(shù)據(jù)在天氣預(yù)報方面給精細農(nóng)業(yè)帶來的影響。Waga 等［13］重點關(guān)注降雨、風(fēng)、溫度等環(huán)境條件數(shù)據(jù)，并利用特定的云計算分析工具從中獲取一些有意義的信息，使農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)用于戰(zhàn)略性和成功的農(nóng)業(yè)。Coble 等［14］指出了未來探測農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)來源的重要性。Zhang等［15］詳盡闡述了大數(shù)據(jù)未來分層領(lǐng)域內(nèi)所面臨的挑戰(zhàn)，并且給出了一些建議。Fan 等［16］概括和闡述了大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的覆蓋關(guān)系。Carolan［17］在農(nóng)場管理決策時利用大數(shù)據(jù)，通過對大數(shù)據(jù)行業(yè)人員的訪談表明，人們對于涉及銷售和推廣大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、預(yù)測分析軟件和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的精確方面很支持，對于建立糧食系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺的期望很高。Griffin 等［18］介紹了精細化農(nóng)業(yè)中利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、小型無人機系統(tǒng)等實現(xiàn)利潤最大化，這同樣也是大數(shù)據(jù)在精細農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。引用次數(shù)較多的文獻研究內(nèi)容分類如表2 所示。

從以上分析中可以看出，國外對于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的研究涉及方面比較廣泛，大多數(shù)通過實際案例來說明精細農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，研究內(nèi)容包括算法、具體應(yīng)用等，內(nèi)容比較具體。

3 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.1 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺

對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺進行了多次探索，將農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用進行歸類（表3）。如美國、英國、澳大利亞等國家，對于大規(guī)模的農(nóng)場采用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)工具改善農(nóng)場管理體系，利用采集和上傳到云端的農(nóng)場土壤、氣象、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)管理農(nóng)場，一些大數(shù)據(jù)平臺和移動設(shè)備的應(yīng)用提高了管理的精確性［19］。從國內(nèi)文獻看，王麗娟等［20］分析了中國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用的重點領(lǐng)域。李瑾等［21］設(shè)計了通用型的集設(shè)計原則、思路、框架及功能模塊于一體的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺。文燕［22］構(gòu)建了以Hadoop 作為重點的計算機研究核心和中心領(lǐng)域模塊，HDFS 和HBase 為完善的大數(shù)據(jù)可靠存儲及篩選管理平臺模塊，從而為完善并及時探索大數(shù)據(jù)信息，拓展農(nóng)業(yè)信息領(lǐng)域和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展建設(shè)有效的平臺。

3.2 農(nóng)業(yè)育種

在傳統(tǒng)的優(yōu)良作物品種培育過程中，不僅耗費大量資金和人力，而且可能需要很長時間，但大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用將加快這一過程。大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的興起使得傳統(tǒng)的育種數(shù)據(jù)管理方法無法應(yīng)對大規(guī)模育種的需要，針對此現(xiàn)狀，岳媛等［23］就實際育種問題進行數(shù)據(jù)平臺的探索和研究，為各育種單位和個人開展育種服務(wù)提供了解決方案。大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)育種上的應(yīng)用使育種專家可以在資料數(shù)據(jù)庫中篩選優(yōu)質(zhì)基因片段，對新品種展開生物調(diào)查，獲得適宜且優(yōu)良的品種，同時還能高效確定適宜區(qū)域，為進行品種的抗性表現(xiàn)鑒定提供方便。

3.3 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用主要包括禽蛋處理信息、生產(chǎn)經(jīng)營信息和食品質(zhì)量安全信息，其中對于市場信息和服務(wù)信息的摘錄也是比較全面的［24］。趙爾平等［25］專門對西藏當(dāng)?shù)氐男竽翗I(yè)集中數(shù)據(jù)篩選進行了研究，包括對現(xiàn)有的氣象條件、草原生物害蟲、集中性的農(nóng)場信息和冰雪自然災(zāi)害等進行記錄，從而提出了一種具有融合性的大數(shù)據(jù)解決框架，將智能農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代畜牧業(yè)和獸醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)?？梢钥闯觯悄苻r(nóng)業(yè)已成為現(xiàn)代畜牧業(yè)和獸醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)折點。

表2 國外農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)文獻研究內(nèi)容分類

表3 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.4 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在農(nóng)機作業(yè)上的應(yīng)用

智能農(nóng)業(yè)機械具有智慧指揮調(diào)度、提高作業(yè)水平等功能，大數(shù)據(jù)在農(nóng)機作業(yè)上的應(yīng)用主要有作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理、定位導(dǎo)航、智能測畝、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理［26］。李瑾等［27］認(rèn)為，在目前的互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變過程中，農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域內(nèi)仍然存在創(chuàng)新力不足的問題，如智能化水平不高、農(nóng)業(yè)管理實體能力不足、產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平低，為加速融合提出了相關(guān)建議。因此，有必要加快促進精細化農(nóng)業(yè)與機械智能化領(lǐng)域的結(jié)合。

3.5 智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理

大數(shù)據(jù)引領(lǐng)智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可以進行有效的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測，以數(shù)據(jù)驅(qū)動農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化操作。傳感器和遙感衛(wèi)星的使用可以檢測作物的生產(chǎn)環(huán)境，從而感知作物的生產(chǎn)。全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)GPS 的導(dǎo)航能力正在與其他的工業(yè)領(lǐng)域和技術(shù)領(lǐng)域密切結(jié)合，而生產(chǎn)者也可以根據(jù)農(nóng)作物的追蹤流量和控制設(shè)備需求，逐漸實現(xiàn)對于土地投資的合理微調(diào)，監(jiān)測農(nóng)田狀況，實現(xiàn)智能化農(nóng)田環(huán)境管理。在這種方式的指導(dǎo)下，相關(guān)的農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害不僅可以得到規(guī)避和科學(xué)有效的控制措施，而且可以有效地指導(dǎo)種植方式，使作物穩(wěn)定增產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。利用氣象大數(shù)據(jù)還可以預(yù)知更長時間的氣象情況，減少損失［28］。

3.6 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與追溯

食品安全是社會關(guān)注的焦點，從農(nóng)田到顧客的農(nóng)產(chǎn)品跟蹤過程有利于顧客掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，減少污染和增加收益，對于農(nóng)產(chǎn)品的食品安全監(jiān)督管理也提出了更高的要求。使用農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺，可以實現(xiàn)從工廠到桌面的每個環(huán)節(jié)的跟蹤。農(nóng)產(chǎn)品的食品健康安全監(jiān)測不容忽視，監(jiān)測和預(yù)警都必須要快速分布于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和領(lǐng)域的各個溝通環(huán)節(jié)，從源頭上把控食品安全領(lǐng)域保障食品安全的各項措施。劉楊等［29］設(shè)計了食品安全數(shù)據(jù)智能架構(gòu)，針對食品安全編碼和數(shù)據(jù)庫進行重新整合，把握良性的食品安全大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)各個地區(qū)和不同層級的食品安全數(shù)據(jù)融合及管理應(yīng)用。

3.7 大數(shù)據(jù)在休閑農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)領(lǐng)域與農(nóng)業(yè)休閑領(lǐng)域和旅游領(lǐng)域的結(jié)合，推動了服務(wù)業(yè)智能化的發(fā)展，陳冬生［30］指出在休閑領(lǐng)域內(nèi)結(jié)合完善的數(shù)據(jù)共享技術(shù)，可以實現(xiàn)休閑農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的快速共享和查詢。

3.8 農(nóng)業(yè)市場大數(shù)據(jù)

農(nóng)業(yè)市場大數(shù)據(jù)可以對市場價格信息、物流信息、質(zhì)量安全信息等進行宏觀預(yù)測，對市場價格、供求趨勢等進行分析。農(nóng)業(yè)市場大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以引導(dǎo)政府機構(gòu)宏觀調(diào)控農(nóng)業(yè)的市場走勢，政府指導(dǎo)價格。中國亟需農(nóng)民使用的APP 來方便農(nóng)民查詢農(nóng)產(chǎn)品價格、供求、銷售等信息，因此，開發(fā)適合農(nóng)民使用的終端是農(nóng)業(yè)市場走向發(fā)展前沿的重要步驟。

4 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)

1）農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的使用沒有大范圍推廣。大數(shù)據(jù)雖然已經(jīng)在農(nóng)業(yè)行業(yè)找到了出路，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了機會，但是還存在一些挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的獲取受環(huán)境限制，用于收集所有農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的工具和機器還比較昂貴，大部分農(nóng)場還未普及使用。如果規(guī)模大的農(nóng)場能夠通過使用大數(shù)據(jù)來最大限度地提高效率，那可能會使規(guī)模較小的農(nóng)場很難經(jīng)營。

2）傳統(tǒng)經(jīng)驗束縛農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展。農(nóng)民收集各種指標(biāo)和信息是有好處的，但實際使用該數(shù)據(jù)還存在困難，農(nóng)民如何確定數(shù)據(jù)的有效性是需要解決的問題。農(nóng)民在生產(chǎn)方式、管理方式上經(jīng)驗化嚴(yán)重，保守性突出，傳統(tǒng)觀念的束縛會延緩農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

3）數(shù)據(jù)獲取處理能力較低。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的來源涉及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面，大規(guī)模的數(shù)據(jù)是支撐農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵［31］。因此，深入拓展農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的使用，并且在數(shù)據(jù)采集共享，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)進行改進，通過創(chuàng)新提升數(shù)據(jù)獲取和分析的綜合能力。