精細農業理念在棉花產業鏈中的應用

■王亮 劉進軍

〔河南農業大學，河南 鄭州 450002〕

農業是一個古老而又恒久的行業，它記錄著人類文明的歷史，是關系到國民經濟能否長期穩定、協調發展的關鍵產業。當今時代，農業發展既要保證高產高效，又要實現優質低耗，這就要求農業必須由經驗型的傳統農業向知識型的精細農業轉變。棉花作為一種多用途的經濟作物，在全世界范圍內都得到了廣泛種植，是農業生產中十分重要的組成部分。棉花產業也直接影響到紡織、服裝等工商業的發展，是關系國計民生的重要產業之一。目前，我國的棉花產業需要按照精細農業的理念，充分利用現代化信息技術、物聯網技術等作為其跨越式發展的驅動力，使其實現種植規模化、加工自動化、技術智能化以及提升產品市場競爭力、降低生產成本等多元化目標。

一、精細農業

精細農業是相對于較為保守的傳統農業而言的，它是一種知識密集型的現代化農業生產理念，而傳統農業的生產管理模式是粗放型的。以種植棉花為例，傳統農業中的播種、施肥、除蟲、灌溉等作業都是由經驗型、均一化的管理模式來指導完成的，其在施肥時間、施肥量、施藥量、灌溉量上多采用統一的標準。這種管理方式一方面造成了部分相對肥沃的土地資源的浪費以及環境污染；另一方面造成棉花系列產品的農藥、化肥殘留過高，籽棉、皮棉品質下降，市場競爭力不高。而精細農業可以根據棉花種植的田間變異來確定最合適的生產管理決策，從而改善這一問題，其目標是在降低消耗、保護環境的前提下，獲得最佳的收成。

精細農業主要是利用3S技術（遙感技術RS、地理信息系統GIS、全球衛星定位系統GPS），對農作物生產過程中的氣候、土壤等因素進行實時監測，獲取農作物的生長狀態、發育情況、病蟲害情況、水分需求、肥料需求等信息，根據數據分析確定農作物生產中的田間變異情況，從而制定生產決策計劃，最終通過定量可控的農業化機械實施田間作業，完成農業生產。隨著現代化農業的深入發展，精細農業的理念也由農田種植業逐步拓展到養殖業、林果種植業、設施園藝、農產品流通加工等，并越來越多的延伸到農業產業系統的各個領域。為此，精細農業的核心理念可以歸結為：利用信息技術精確獲知農產品生態環境、動植物生命、最終品質等特征信息并進行智能化的決策處理，以實現農業生產及其流通過程的有效監控和科學管理，從而達到合理利用農業資源、降低生產成本、保護自然環境、提高農產品品質的目的。

農業的生產實踐表明，3S技術的應用為精細農業理念的應用提供了強有力技術支持。以棉花種植為例，利用RS遙感技術可以估算棉花的種植面積。通過獲取具有較高分辨率的遙感影像以及判讀技術，可以獲取不同區域種植棉花的品種信息及同一區域棉花生長的差異情況，在棉花的生長過程中，還可以通過實時的遙感圖像分析它的長勢征兆及種植區域的天氣情況。利用GPS可以在精細農業中用于準確定位。棉花種植的面積較為廣泛，在種植面積較大的區域內怎樣根據不同范圍內的棉花生長需求來科學合理地進行施肥、澆水、除蟲等田間作業尤為重要。GPS技術可以為這些作業內容進行精確的位置導航，真正實現田間的差異化管理，節約資源、降低污染。在籽棉、皮棉等棉花產品的流通階段，GPS技術可以準確地提供位置信息，確保運輸過程的安全。GIS技術是采集、存儲、分析、查詢、輸出地理數據的分析系統，是精細農業的技術核心。它可以根據遙感技術和GPS技術獲取的棉花生長、土壤、產品檢測、倉儲流通等信息來進行數據分析，制定具有精確位置信息的產業計劃，為棉花生產的各個環節提供決策幫助。

精細農業理念和3S技術的應用為農業的發展帶來了不小的變革，也大力促進了現代化農業的進一步成熟與發展，但3S技術的應用還存在一定程度的缺陷。RS、GPS、GIS技術都普遍存在使用成本高、大量數據信息采集難度大、廣大農民使用困難、難以與自動化農業機械配合等問題。

二、農業領域的物聯網技術

在精細農業的實施過程中，如何有效地獲取農業空間信息，快速地對大量的農業信息進行分析處理，最后形成科學合理的生產決策是最為關鍵的幾項工作。隨著信息技術的不斷進步與發展，物聯網成為人們在追求低成本、高效益的發展之路上發明的一項有力武器，它被稱為信息產業的第三次浪潮。經過研究，人們普遍認為物聯網存在經典的三層結構，其分別是感知層、網絡層和應用層。這三個層次所發揮的功能正好解決了精細農業理念中的幾項關鍵問題。感知層可以有效地獲取大量的農業空間信息，網絡層負責這些信息的傳輸工作，而應用層通過對信息數據的清洗、融合、識別等形成技術數據用于最后的生產決策。農業生產中，通過物聯網技術的全面感知，可以獲取農作物生長、土壤狀態、環境現狀、產品質量、流通加工狀態以及消費市場信息等大量的農業空間信息，為精細農業的實施提供數字化的科學依據。通過物聯網技術的傳輸與分析應用，使大量的農業空間信息能夠物盡其用，提高了精細農業的科學決策和作業實施水平。

物聯網技術的發展和提出有賴于人們不斷地追求信息技術集約化、小型化的期望，這使得體積小、效用好、成本低的各類傳感器成為發展精細農業可以使用的工具。由于人們把這些與傳感器類似的各種感知元件應用到整個農業生產的過程中，使得大量農業空間數據的獲取變為可能，再通過各類網絡進行的數據傳輸和各類系統的分析決策，人們第一次真正意義上掌握了農業生產的全過程，因此，精細農業需要與信息技術、物聯網技術緊密地結合起來，使其進入快速發展的新階段。

三、棉花產業鏈中的應用

棉花產業是一個涉及范圍較大的行業，從棉花的種植、加工、流通再到終端消費，其產業鏈涵蓋了農業、工業、商業等多個產業范疇。為便于研究，現筆者將棉花產業鏈分為產前期、產中期和產后期3個階段討論。

1.產前期。

產前期就是指從棉花種植到采摘的作物生長期。在這一階段，棉花種植可以利用分布的各類傳感器來獲取所需要的生長信息，例如土壤水分、土壤PH值、土壤養分、空氣溫度、空氣濕度、空氣成分、各類氣象數據等。利用RS技術可以設置圖像采集器，用于實時觀測棉花生長的狀態、病蟲害等情況。這一系列的監測數據將會被傳輸至生態環境監控系統、生長監控系統、病蟲害觀測系統，經分析處理后向具有施肥、灌溉、噴藥精準控制能力的農機設備下達處理指令，使其按計劃完成各項生產作業。通過精細農業的控制方案，可以有效地減少棉花生產過程中過度使用化肥、農藥等生產資料的浪費現象，降低生產成本，保護生態環境。

2.產中期。

產中期主要是指棉花采摘以后的分類加工、檢測、運輸、倉儲到進入紡織企業制成消費品的階段。這一時期棉花生產重點關注的參數指標來自多個方面，需要各類檢測設備、傳感器、RFID技術、視頻監控等完成大量信息的采集和分類工作。在籽棉進行分類加工以前，應用計算機視頻成像技術要觀測棉花的品種、等級、回潮率以及含雜率等技術參數，利用RFID射頻技術對其信息進行記錄并分垛堆放。根據最新修訂的棉花國家標準，檢測將重點關注顏色級、軋工質量、馬克隆值、斷裂比強度、長度整齊度指數等指標，這些參數同樣可以利用視頻成像及RFID技術進行采集和處理。在運輸和倉儲過程中，重點監測濕度、溫度、防火防盜、視頻監控等信息，利用RFID技術自動進行分揀、入庫、裝卸作業。通過信息技術、物聯網技術的應用，對產中期棉花產品的流通加工過程進行全方位的檢測和監控，增加自動化控制能力、降低物流成本、保證產品質量。

3.產后期。

產后期主要是指棉花經紡織企業制成成品進入消費市場領域的階段。在此階段，利用物聯網技術可以對棉紡織制品的來源、生產過程、品質以及運輸等多個環節進行控制。成品一旦出現質量問題，可以根據實時記錄追根溯源，保證終端消費者的合法權益。它對于打擊違規操作、假冒偽劣產品都有重要的積極意義。

為了更為直觀地表明物聯網技術在棉花產業鏈中的應用，將產前、產中、產后3個時期進行分類對比，詳見表1。

表1.聯網技術在棉花產業中的應用對照表

四、結束語

隨著精細農業理念的逐步深入，棉花產業對應用相關信息技術的認識也越來越深刻，傳統的單一化種植、加工、物流作業已經成為制約產業發展的瓶頸，難以解決棉花產業面臨由粗放型加工向自動化、精細化加工轉變的問題。將物聯網技術引入到棉花產業的精細加工作業里來，使產業鏈從種植到終端市場的各個環節均能夠實現智能高效、科學合理的管理決策，這不僅開拓了精細農業生產的新階段，也為棉花產業提高生產率和經濟效益，增加行業智能化、自動化水平及抗風險能力提供了強有力的技術保障。