農(nóng)業(yè)數(shù)字化的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和應(yīng)用

農(nóng)業(yè)數(shù)字化的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和應(yīng)用農(nóng)業(yè)數(shù)字化是把數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的改造和提升，為此，本文簡(jiǎn)要介紹了農(nóng)業(yè)數(shù)字化的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)的獲取、通信及處理，并介紹了農(nóng)業(yè)數(shù)字化的幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。農(nóng)業(yè)數(shù)字化是信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的高級(jí)階段，主要指在農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中進(jìn)行農(nóng)業(yè)要素、過(guò)程、管理的數(shù)字化。同時(shí)，農(nóng)業(yè)具有自身特點(diǎn)，在利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的改造過(guò)程中要充分尊重農(nóng)業(yè)自身規(guī)律對(duì)數(shù)字化技術(shù)擇優(yōu)而用，如此方能充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。01農(nóng)業(yè)數(shù)字化特點(diǎn)1.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)范圍包括農(nóng)業(yè)中的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、生物信息（營(yíng)養(yǎng)、水分、葉片、根系等）及農(nóng)業(yè)社會(huì)信息數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的獲取主要指通過(guò)傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、3S（GPS、RS、GIS）技術(shù)以及人工標(biāo)注及網(wǎng)絡(luò)抓取等方式獲取數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)主要利用溫度、濕度、光照等傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。生物信息數(shù)據(jù)主要利用人工監(jiān)測(cè)結(jié)合設(shè)備檢測(cè)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行作物形狀、顏色、紋理等特征的非接觸式監(jiān)測(cè)將成為生物信息數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的方向。融合3S（GPS、RS、GIS）技術(shù)、航空監(jiān)測(cè)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的天空地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的未來(lái)將為獲取更全面的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)提供牢固的技術(shù)支撐。2.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)通信農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有分散性特點(diǎn)，且往往因地形環(huán)境復(fù)雜性，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)通信中難以普及，因此農(nóng)業(yè)信息通信技術(shù)主要是基于無(wú)線模式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是兩種重要的信息傳輸形式，分別適用于近距離無(wú)線通信和遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，相對(duì)比數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)更為成熟。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的近距離通信具體應(yīng)用有藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等技術(shù)，具有低成本、高可靠、自組織的特點(diǎn)。尤其是ZigBee技術(shù)在農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中扮演越來(lái)越重要的角色，與藍(lán)牙和WiFi相比，具有低速率（20-250kbps）、低功耗的特點(diǎn)，適合農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)近距離（10-100m）通信。遠(yuǎn)距離通信，GPRS（2.5G）是比較成熟的通信技術(shù)，具有永遠(yuǎn)在線、套餐價(jià)位低廉的特點(diǎn)，在當(dāng)前依然可視為農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸首選。以5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）、Ipv6（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版，比現(xiàn)行Ipv4地址資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)豐富，且更安全，響應(yīng)更快）為代表的新一代通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了更加可靠、安全、高效的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐。3.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有地域性、周期性、時(shí)效性、綜合性等特點(diǎn)，非線性問(wèn)題、不確定性問(wèn)題在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理中顯得尤為突出。利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的處理主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)挖掘、算法技術(shù)、視覺(jué)圖像處理技術(shù)等方面。在獲取農(nóng)業(yè)目標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)及算法選取適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型和信息學(xué)模型，對(duì)研究對(duì)象未來(lái)發(fā)展的可能性進(jìn)行推測(cè)和估計(jì)，或采用智能控制手段和方法對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)，其中視覺(jué)圖像處理技術(shù)、智能算法、智能控制技術(shù)是重點(diǎn)。云計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)所需的計(jì)算、存儲(chǔ)等資源的按需獲取，大數(shù)據(jù)為海量信息處理和利用提供支持。利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，由局部到整體、由經(jīng)驗(yàn)型到機(jī)理型、由功能化到可視化地構(gòu)建農(nóng)作物決策與管理系統(tǒng)，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及管理的數(shù)字化。02農(nóng)業(yè)數(shù)字化現(xiàn)狀1.國(guó)外情況國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)字農(nóng)業(yè)研究在上世紀(jì)5、60年代開(kāi)始起步，歷經(jīng)了農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)定量化、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理、知識(shí)工程及專家系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)綜合應(yīng)用等階段，現(xiàn)今在研究上已經(jīng)達(dá)到比較高的水平，并已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)知識(shí)工程及專家系統(tǒng)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)展農(nóng)業(yè)信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的研究與開(kāi)發(fā)。比較典型的有：作物的生長(zhǎng)發(fā)育模型與模擬，美國(guó)模擬玉米、小麥、水稻等作物生產(chǎn)的CERES模型系統(tǒng)，荷蘭的SWAN5系統(tǒng)，在作物生長(zhǎng)模擬模型和土壤水分、養(yǎng)分轉(zhuǎn)移過(guò)程模型研究的基礎(chǔ)上，完成了兩類模型的初步整合；施肥機(jī)械和植保機(jī)械等利用GPS和GIS系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)；在計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面，美國(guó)研制了高速高頻計(jì)算機(jī)視覺(jué)水果分級(jí)系統(tǒng)，應(yīng)用于蘋(píng)果、橘子、桃等的產(chǎn)品分級(jí)。2.國(guó)內(nèi)情況我國(guó)農(nóng)業(yè)存在耕地高度分散、生產(chǎn)規(guī)模小、時(shí)空差異大、量化和規(guī)?；潭炔?、穩(wěn)定性和可控程度低等問(wèn)題。為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，我國(guó)在上世紀(jì)90年代即出現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)推理型專家系統(tǒng)，溫室控制方面研制了使用工控機(jī)進(jìn)行管理的植物工廠系統(tǒng)，可以視為農(nóng)業(yè)數(shù)字化的發(fā)端。我國(guó)于2003年在國(guó)家863計(jì)劃中啟動(dòng)實(shí)施了“數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)研究與示范”的重大項(xiàng)目，時(shí)至今日已經(jīng)初步形成了我國(guó)數(shù)字農(nóng)業(yè)的技術(shù)框架?！稊?shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》指出，加快發(fā)展數(shù)字農(nóng)情，利用衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面物聯(lián)網(wǎng)等手段，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)重要農(nóng)作物的種植類型、種植面積、土壤墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)、災(zāi)情蟲(chóng)情，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，提升種植業(yè)生產(chǎn)管理信息化水平，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展具有提綱挈領(lǐng)的指導(dǎo)作用?？偟膩?lái)說(shuō)我國(guó)數(shù)字農(nóng)業(yè)尚在起步階段，使用得更少。缺少基礎(chǔ)研究及精確農(nóng)業(yè)發(fā)展支撐，關(guān)鍵技術(shù)仍依賴從國(guó)外引進(jìn)，成本高、針對(duì)性較差。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)手段落后、速度慢、精度低，不適宜推廣和使用。開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)運(yùn)用平臺(tái)、信息接口、軟硬件等的兼容性較差，不利于進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換、傳播和使用。03農(nóng)業(yè)數(shù)字化具體應(yīng)用1.基于物聯(lián)網(wǎng)的小氣候環(huán)控與水肥一體化技術(shù)在相對(duì)封閉的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中，溫、光、水、氣、肥等作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子具有了有效調(diào)控的可能性。尤其在設(shè)備集成化程度較高的大型溫室，通過(guò)對(duì)設(shè)施環(huán)境的監(jiān)測(cè)及中控管理，操控相應(yīng)環(huán)境調(diào)控設(shè)備調(diào)節(jié)溫室的溫度、濕度、光照等環(huán)境，維持植物或動(dòng)物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。通過(guò)在設(shè)施生產(chǎn)區(qū)設(shè)置環(huán)境測(cè)量設(shè)備，進(jìn)行溫度、光照等環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，并進(jìn)行必要的物理量、模擬量、數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，然后通過(guò)有線或無(wú)線的方式發(fā)送測(cè)量信息到控制中心，控制中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算后發(fā)送指令到執(zhí)行設(shè)備，執(zhí)行設(shè)備啟動(dòng)，即可進(jìn)行環(huán)境調(diào)控。水肥一體化方面，在大田農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)以及現(xiàn)代化智能溫室中均有不同程度的應(yīng)用，其中以傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)如日光溫室中應(yīng)用最廣，以現(xiàn)代化智能溫室中應(yīng)用智能化程度最高。通過(guò)在生產(chǎn)區(qū)域布置傳感器，測(cè)量與水分蒸發(fā)蒸騰相關(guān)的溫度、光照、空氣相對(duì)濕度、基質(zhì)含水率等環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與發(fā)送、傳輸，到達(dá)控制設(shè)備，控制設(shè)備經(jīng)過(guò)單因素或進(jìn)行多因素耦合運(yùn)算后發(fā)送指令執(zhí)行設(shè)備，進(jìn)行水肥供應(yīng)。2.基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)區(qū)塊鏈主要是利用計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)記錄整個(gè)網(wǎng)內(nèi)所有交易信息的功能，是一種公開(kāi)性賬本，是一種中心化的數(shù)據(jù)框架，具有信息高度透明，不容易被篡改的特點(diǎn)。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源方面，基于分布式賬本體現(xiàn)出的去中心化農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以有效的保障溯源節(jié)點(diǎn)信息的真實(shí)性。系統(tǒng)分為前端和后端，前端進(jìn)行掃碼訪問(wèn)或訪問(wèn)溯源系統(tǒng)操作，后端由智能合約和區(qū)塊鏈基礎(chǔ)服務(wù)組成。在業(yè)務(wù)層面采用去中心化設(shè)計(jì)，在技術(shù)層面去數(shù)據(jù)庫(kù)化設(shè)計(jì)，采用共識(shí)機(jī)制保證賬本一致性和真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源。3.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的智能農(nóng)機(jī)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)自動(dòng)采集農(nóng)田環(huán)境或植株圖像，通過(guò)圖像處理確定相關(guān)參數(shù)以及位置，輔助農(nóng)業(yè)機(jī)器人或農(nóng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)操作。其中大田環(huán)境采集上，重點(diǎn)在于通過(guò)圖像分析處理確定導(dǎo)航路徑上，提取導(dǎo)航基準(zhǔn)線，進(jìn)行三維操作。大田“四情”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的采摘機(jī)器人、田間作業(yè)機(jī)器人等，可以進(jìn)行作物生長(zhǎng)管理過(guò)程中的育苗嫁接、生長(zhǎng)形態(tài)觀測(cè)、整枝打叉、果實(shí)采收、產(chǎn)品分級(jí)。4.虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)技術(shù)虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)方面，可以進(jìn)行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)無(wú)法完成的研究，使研究成果在更大地理范圍和更長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)推廣使用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重點(diǎn)在建模和可視化研究，并對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)群體或個(gè)體進(jìn)行模擬和分析。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在虛擬植物和虛擬儀器上。應(yīng)用到的技術(shù)有生長(zhǎng)機(jī)模擬、可視化模擬以及三維重建技術(shù)等，其中三維重建需要大