基于大數(shù)據(jù)的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

朱林軍

(江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司，江蘇 丹陽(yáng) 212311)

0 引言

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)成為熱點(diǎn)問(wèn)題。基于大數(shù)據(jù)的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，智慧農(nóng)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)密切相關(guān)。在農(nóng)產(chǎn)品養(yǎng)殖方面，涵蓋了飼料配方、疾病防治、均衡營(yíng)養(yǎng)和品質(zhì)檢測(cè)等環(huán)節(jié)；在農(nóng)作物生長(zhǎng)方面，涵蓋了生長(zhǎng)狀態(tài)、田間管理、產(chǎn)量監(jiān)測(cè)和收獲后處理等環(huán)節(jié)；在農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸儲(chǔ)存方面，涵蓋了物流管理、車輛管理和運(yùn)輸狀態(tài)等環(huán)節(jié)；在農(nóng)產(chǎn)品銷售和售后服務(wù)方面，涵蓋了農(nóng)產(chǎn)品基本信息、銷售記錄和物流運(yùn)輸信息等環(huán)節(jié)。上述多個(gè)環(huán)節(jié)均需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、跟蹤和管理，大數(shù)據(jù)技術(shù)的利用對(duì)實(shí)現(xiàn)上述功能提供了必要的技術(shù)支撐，可以不斷提高農(nóng)業(yè)管理水平，進(jìn)而促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展[1-3]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，我國(guó)逐步重視智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)包括方面很多，發(fā)展不夠均衡。目前，智慧農(nóng)業(yè)主要體現(xiàn)在無(wú)人機(jī)技術(shù)、溫室大棚、生態(tài)養(yǎng)殖柜、智能配肥技術(shù)、智慧養(yǎng)殖場(chǎng)和智慧農(nóng)業(yè)園區(qū)等方面，在協(xié)助農(nóng)業(yè)整合資源配置、節(jié)省生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率及優(yōu)化生產(chǎn)流程方面，做出了一定的貢獻(xiàn)，其他領(lǐng)域也在逐步開(kāi)始引入智慧農(nóng)業(yè)的思想和理念[4-6]。

目前，我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)整體發(fā)展?fàn)顩r呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

(1)從發(fā)展前景看，市場(chǎng)對(duì)以互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展為中心的智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品需求不斷增加，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，相關(guān)的農(nóng)業(yè)資產(chǎn)不斷上升，農(nóng)產(chǎn)品的配送收益也達(dá)到前所未有的水平，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿^大。

(2)從發(fā)展模式看，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)深度融合。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，以阿里巴巴、蘇寧、京東等大型電商企業(yè)為代表的互聯(lián)網(wǎng)巨頭逐步擴(kuò)展農(nóng)村電商業(yè)務(wù)，逐步深入到智慧農(nóng)業(yè)中。

(3)從發(fā)展特點(diǎn)看，智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的附加值不斷增加，品牌更加獨(dú)特。隨著生活水平的提高，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注產(chǎn)品的品牌。智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品比普通農(nóng)業(yè)產(chǎn)品更能獲得消費(fèi)者的認(rèn)可，并且智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的營(yíng)銷模式也較為便捷，從而更能夠搶占市場(chǎng)。

(4)從國(guó)家層面看，智慧農(nóng)業(yè)屬于國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，2015年的政府工作報(bào)告中，已經(jīng)重點(diǎn)關(guān)注智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展；2016年之后，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展逐步上升到國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略；2017年，政府推行了多項(xiàng)支持智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)惠政策，加速了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，成為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的新動(dòng)力[7-9]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，是指一種廣義上的巨型網(wǎng)絡(luò)，物品與物品之間依據(jù)事先約定的協(xié)議，利用GPS全球定位系統(tǒng)、激光掃描器和各種感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備相互聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)物品的智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控及管理。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、電力、城市和家居等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

2.2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物，目的是利用網(wǎng)絡(luò)將成本相對(duì)較低的計(jì)算實(shí)體整合成具有強(qiáng)大計(jì)算能力的系統(tǒng)，從而減輕終端的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，并使其享受更多的云端服務(wù)。其具有虛擬化、高可靠性、經(jīng)濟(jì)性、需求服務(wù)自助化、分布式和資源池化等特點(diǎn)。云計(jì)算技術(shù)可以使人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)便捷、高效和低成本地獲取所需的資源和服務(wù)，如強(qiáng)大的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和軟硬件資源等，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，云計(jì)算技術(shù)的使用大大降低了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本，適合在農(nóng)村推廣應(yīng)用。

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在各行各業(yè)發(fā)展迅速，可以解決海量數(shù)據(jù)的搜集、存儲(chǔ)、計(jì)算和挖掘等問(wèn)題，并且從搜集的數(shù)據(jù)中獲得有價(jià)值的信息，發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含的知識(shí)并予以利用，以便進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)和正確決策，尤其在電商平臺(tái)、外賣平臺(tái)等利用十分廣泛。上述平臺(tái)可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)的銷售數(shù)據(jù)去判斷用戶的喜好，并有針對(duì)性的進(jìn)行產(chǎn)品推薦，以期最大化的實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)銷售。大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)化應(yīng)用被稱為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，不僅具有大數(shù)據(jù)的共同特點(diǎn)，也具有農(nóng)業(yè)自身的特點(diǎn)，主要包括生產(chǎn)過(guò)程管理數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境管理數(shù)據(jù)、農(nóng)產(chǎn)品與食品安全管理數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。通過(guò)綜合分析和利用各類數(shù)據(jù)，可以及時(shí)、科學(xué)和有效地解決生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題，切實(shí)保護(hù)用戶的利益。

2.4 3S技術(shù)

地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感技術(shù)(RS)統(tǒng)稱為3S技術(shù)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，通常將3S技術(shù)有機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體，并將其運(yùn)用到農(nóng)業(yè)實(shí)踐中。

地理信息系統(tǒng)(GIS)集采集、儲(chǔ)存、分析處理和直觀描述地理分布數(shù)據(jù)為一體，屬于綜合性信息技術(shù)系統(tǒng)。利用GIS具有空間信息可視化的特點(diǎn)，制作各類農(nóng)田信息分布圖，可全面了解農(nóng)田作業(yè)狀況，如制作作物產(chǎn)量分布圖、地形狀況分布圖和病蟲(chóng)災(zāi)害覆蓋圖等。

全球定位系統(tǒng)(GPS)可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)和全方位的三維導(dǎo)航和定位服務(wù)，在地理信息系統(tǒng)(GIS)提供數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，利用GPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位及精確定時(shí)功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)進(jìn)行澆水、施肥和施藥量調(diào)整，并且將水、化肥和農(nóng)藥作用到準(zhǔn)確位置。

與地理信息系統(tǒng)(GIS)相似，遙感技術(shù)(RS)也是一種綜合性的空間信息獲取技術(shù)。利用RS技術(shù)可以感知土壤狀況的變化；監(jiān)測(cè)不同生長(zhǎng)期農(nóng)作物的情況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施；預(yù)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量，進(jìn)而實(shí)施宏觀調(diào)控；評(píng)估農(nóng)作物病蟲(chóng)害及自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，從而采取相應(yīng)的生產(chǎn)補(bǔ)救措施。RS核心工作部件是傳感器。

2.5 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源技術(shù)

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是關(guān)系到民生的大事，利用互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段追溯農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)田到餐桌的各個(gè)環(huán)節(jié)，如生產(chǎn)、加工和銷售等，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將產(chǎn)品信息向消費(fèi)者公開(kāi)。農(nóng)產(chǎn)品自身貼有信息標(biāo)識(shí)，一旦該產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，可以從各個(gè)環(huán)節(jié)去追溯，找到問(wèn)題的源頭，及時(shí)進(jìn)行解決和處理，避免發(fā)生更大的安全問(wèn)題。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源技術(shù)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括信息標(biāo)識(shí)、采集、查詢、存儲(chǔ)和管理技術(shù)。

3 大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)數(shù)字化和信息化發(fā)展迅速，通過(guò)構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和作業(yè)效率，幫助用戶發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和規(guī)律，加速農(nóng)業(yè)信息的傳遞，對(duì)建立完善的智慧農(nóng)業(yè)體系和模式有重要作用，能夠不斷推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)必須符合目前各類用戶的應(yīng)用需求，把用戶作為重點(diǎn)，構(gòu)建面向農(nóng)戶的個(gè)性化系統(tǒng)，以高效準(zhǔn)確地滿足用戶需求為設(shè)計(jì)原則，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)思路，建立完整的智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)。

以華為智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)構(gòu)架為例，分析大數(shù)據(jù)平臺(tái)的框架和數(shù)據(jù)流程。該平臺(tái)建立了4個(gè)層級(jí)、5大模塊。

3.1 平臺(tái)框架

華為智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)構(gòu)架如圖1所示，包括應(yīng)用層、服務(wù)層、傳輸層和感知層4個(gè)層級(jí)。應(yīng)用層分為智慧農(nóng)業(yè)指揮中心、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)管理、農(nóng)產(chǎn)品智能制造、農(nóng)產(chǎn)品溯源和農(nóng)業(yè)智能服務(wù)5大模塊，包含了從農(nóng)業(yè)狀態(tài)、指揮調(diào)度、農(nóng)業(yè)決策、環(huán)境監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害管理、農(nóng)機(jī)管理、農(nóng)產(chǎn)品加工管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、溯源管理、流通管理、數(shù)字服務(wù)及市場(chǎng)評(píng)估等功能。服務(wù)層包括農(nóng)機(jī)服務(wù)、指揮調(diào)度、食味分析、遠(yuǎn)程控制、專家服務(wù)、區(qū)塊鏈服務(wù)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、GIS圖、視頻云和指揮調(diào)度等功能。傳輸層主要通過(guò)eLTE集群專網(wǎng)、eLTE物聯(lián)專網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。感知層能夠?qū)υO(shè)備工況、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害、土壤養(yǎng)分、環(huán)境和作業(yè)狀況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各層之間依據(jù)智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相互連接，形成一個(gè)整體。

圖1 華為智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)構(gòu)架Fig.1 Framework of Huawei smart agriculture platform

3.2 數(shù)據(jù)流程

華為智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。第1步，數(shù)據(jù)源進(jìn)入大數(shù)據(jù)后臺(tái)處理中心；第2步，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)從處理中心被傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中。

圖2 華為智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)數(shù)據(jù)流程Fig.2 Data flow of Huawei smart agriculture platform

4 生產(chǎn)應(yīng)用研究

在實(shí)際應(yīng)用的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，主要分為3級(jí)。第1級(jí)是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，主要收集農(nóng)作物種植、生產(chǎn)加工、物流運(yùn)輸、銷售和售后服務(wù)等數(shù)據(jù)，并且以報(bào)表的形式上報(bào)管理部門。第2級(jí)是地方縣級(jí)農(nóng)業(yè)管理部門，主要是統(tǒng)計(jì)和管理農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)上報(bào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。第3級(jí)是省級(jí)農(nóng)業(yè)管理部門，主要管理縣級(jí)農(nóng)業(yè)部門上報(bào)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，同時(shí)完成災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急處理、農(nóng)作物生產(chǎn)情況評(píng)估預(yù)測(cè)和氣象預(yù)警等工作。智慧農(nóng)業(yè)中大數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究主要包括以下4個(gè)方面。

4.1 農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控

在農(nóng)業(yè)環(huán)境應(yīng)用方面，重點(diǎn)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對(duì)環(huán)境狀況做出評(píng)價(jià)，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)行預(yù)警提示。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以收集作物生長(zhǎng)環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)比分析以往歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，選擇適宜的種植模式和防治措施，提前有效避免由于氣候等自然災(zāi)害帶來(lái)的農(nóng)作物產(chǎn)量損失。土壤環(huán)境是農(nóng)業(yè)環(huán)境的重要方面，農(nóng)田土壤鹽堿度、pH值等土壤信息對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響較大，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤環(huán)境為農(nóng)作物的科學(xué)生產(chǎn)提供依據(jù)。

4.2 農(nóng)作物種植和畜牧養(yǎng)殖應(yīng)用

利用智能設(shè)施和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到農(nóng)業(yè)測(cè)土配方、茬口作業(yè)計(jì)劃等數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲得精準(zhǔn)的種植建議，如適宜的種植品種、土壤類型和種植模式等。這樣可以達(dá)到農(nóng)作物產(chǎn)量最大化，獲取最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

在畜牧養(yǎng)殖方面，通過(guò)開(kāi)展農(nóng)產(chǎn)品差異化生產(chǎn)，提高種養(yǎng)殖生產(chǎn)效益。如針對(duì)不同的養(yǎng)殖個(gè)體，采用不同的飼料配方，通過(guò)生成的飼料報(bào)表和健康數(shù)據(jù)報(bào)表指導(dǎo)畜牧養(yǎng)殖活動(dòng)。

4.3 農(nóng)產(chǎn)品物流跟蹤

隨著人們生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注農(nóng)產(chǎn)品安全，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。任何一項(xiàng)農(nóng)產(chǎn)品從田間到餐桌要經(jīng)歷諸多環(huán)節(jié)，跟蹤和監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品越來(lái)越重要。一旦發(fā)生食品安全問(wèn)題，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的原因。通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品追溯大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以獲得農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地、檢測(cè)狀況、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和客戶評(píng)價(jià)等信息，可以達(dá)到全程監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品的目的。

4.4 市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)

市場(chǎng)時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，不同個(gè)體消費(fèi)者需求差異較大，為了最大化降低庫(kù)存風(fēng)險(xiǎn)，可以利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)收集消費(fèi)者需求，指導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)需求進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到供需平衡，防止農(nóng)產(chǎn)品短缺或過(guò)剩問(wèn)題。還可以利用大數(shù)據(jù)分析某種產(chǎn)品的用戶需求、營(yíng)銷現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，提出農(nóng)產(chǎn)品精準(zhǔn)營(yíng)銷實(shí)施策略，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)銷。

5 結(jié)束語(yǔ)

智慧農(nóng)業(yè)是一種新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)，通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，將農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)有效連接起來(lái)，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還可以提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。

雖然近幾年我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，但仍然存在一些問(wèn)題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部分環(huán)節(jié)發(fā)展滯后，如產(chǎn)品營(yíng)銷、農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)等，還有從業(yè)人員信息技術(shù)水平落后等問(wèn)題也影響智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)度。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的不斷深入，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展也將迎來(lái)良好的發(fā)展機(jī)遇[10]。