基于大數(shù)據(jù)的智慧農(nóng)業(yè)水利數(shù)據(jù)價(jià)值提升探析

王燁峰 戴潤華 宋希賢

摘要 ? ?針對農(nóng)業(yè)水利數(shù)據(jù)來源于多個(gè)部門、信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重、數(shù)據(jù)價(jià)值無法系統(tǒng)性實(shí)現(xiàn)其價(jià)值等問題，本文分析了國內(nèi)外智慧水利的研究現(xiàn)狀，探討了基于大數(shù)據(jù)思維的農(nóng)業(yè)水利數(shù)據(jù)應(yīng)用的平臺設(shè)計(jì)思路，并就如何更好地提升數(shù)據(jù)價(jià)值進(jìn)行了要點(diǎn)分析。

關(guān)鍵詞 ? ?智慧水利;大數(shù)據(jù);農(nóng)業(yè)水利;數(shù)據(jù)價(jià)值

中圖分類號 ? ?F416.9 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）22-0139-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能以及5G技術(shù)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域均大力推進(jìn)傳統(tǒng)模式與新一代信息技術(shù)的深度融合，細(xì)化其在各傳統(tǒng)行業(yè)的創(chuàng)新。這也成為水利行業(yè)未來發(fā)展的方向，“智慧水利”是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)的綜合應(yīng)用，是水利信息化發(fā)展的更高級階段[1-2]，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感知[3]、互聯(lián)互通、科學(xué)決策、智慧管理的多維度跨越。

社會服務(wù)既是智慧水利建設(shè)的主要功能之一，也是水利數(shù)據(jù)價(jià)值實(shí)現(xiàn)的主要途徑，但是目前大多數(shù)水利信息平臺建設(shè)關(guān)注信息整合、資源共享，側(cè)重于對重點(diǎn)工程汛情、旱情的實(shí)時(shí)監(jiān)測和省、市、縣三級的聯(lián)動協(xié)調(diào)和調(diào)度[4-6]，面向社會服務(wù)的功能受信息技術(shù)公眾普及性差、關(guān)注率低等因素影響，多處于規(guī)劃層面。目前，以精準(zhǔn)節(jié)水灌溉、精準(zhǔn)施肥及遠(yuǎn)程監(jiān)控為特征的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)在很多灌區(qū)得到了大力發(fā)展，同時(shí)移動互聯(lián)技術(shù)的普及也加速了現(xiàn)代農(nóng)民對水利信息的需求，并向個(gè)性化、定制化服務(wù)的方向發(fā)展。因此，開發(fā)面向灌區(qū)社會服務(wù)的智慧水利信息平臺，提升水利信息滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的功效，最大限度地發(fā)揮水利數(shù)據(jù)價(jià)值，助力農(nóng)民增收，具有較強(qiáng)的社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 ? ?國內(nèi)外相關(guān)研究

“智慧水利”是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動、實(shí)時(shí)地感知水資源、水環(huán)境、用水過程及各種水利工程的關(guān)鍵數(shù)據(jù);通過通信網(wǎng)絡(luò)將感知數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫和云存儲中，利用云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模和推演，能自主或輔助做出科學(xué)優(yōu)化的判斷和決策，并反饋給人或設(shè)備。灌區(qū)水利社會服務(wù)是農(nóng)村水利管理的主要功能之一，該功能目前主要應(yīng)用于對“水”的管理，日趨朝著信息化、智能化、高效化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度[7-8]。

1.1 ? ?國外研究與發(fā)展

國外發(fā)達(dá)國家，尤其是水資源和土地資源匱乏的國家均比較重視水利信息化建設(shè)，以期最大限度地提高灌溉水利用率，實(shí)現(xiàn)單位土地經(jīng)濟(jì)效益的最大化[9-10]，經(jīng)過長期發(fā)展，節(jié)水、環(huán)保、高效、科學(xué)的種植與管理理念已經(jīng)與信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)融合。以色列是一個(gè)水資源嚴(yán)重緊缺的國家，農(nóng)業(yè)用水量占總供水量的62%。為了提高灌溉水效率，農(nóng)田均采用了噴灌、滴灌技術(shù)和自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水量計(jì)量、水價(jià)政策、灌溉過程的計(jì)算機(jī)管理和遙控、水肥同步，使灌溉水平均利用率達(dá)到90%。在智慧化方面，以色列農(nóng)業(yè)有較高的信息化和數(shù)字化基礎(chǔ)，農(nóng)場可以利用大數(shù)據(jù)制定符合自身實(shí)際的耕種方案。以色列農(nóng)業(yè)技術(shù)企業(yè)Taranis利用衛(wèi)星圖像、作物實(shí)地生長報(bào)告以及當(dāng)?shù)夭∠x害分布等大數(shù)據(jù)資源建立植物生長模型，隨時(shí)采取可視化數(shù)據(jù)并且預(yù)測植物病蟲害風(fēng)險(xiǎn)和氣候變化，農(nóng)民據(jù)此可精確霧化灌溉設(shè)備的閾值及方向、肥料及殺蟲劑使用數(shù)量等;AKOL公司建立了包含不同區(qū)域農(nóng)民工作習(xí)慣和方式在內(nèi)的龐大農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫，綜合分析區(qū)域內(nèi)土壤狀況、溫度和濕度數(shù)據(jù)、害蟲指數(shù)等，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的工作習(xí)慣，幫助農(nóng)民制定更加精細(xì)的種植方案。

美國佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)的AFSIRS系統(tǒng)，可以根據(jù)作物類型、土壤情況、灌溉系統(tǒng)、生長季節(jié)、氣候條件和管理方式等變量，估計(jì)出對象區(qū)域的灌溉需水量。該系統(tǒng)收集了佛羅里達(dá)州9個(gè)氣象觀測站的長期觀測資料，對當(dāng)?shù)貧庀髼l件了解較為全面，且應(yīng)用廣泛。

1.2 ? ?國內(nèi)研究與發(fā)展

國內(nèi)較為先進(jìn)和典型的水利信息建設(shè)主要集中在政府監(jiān)控層面。水利部水利信息中心成功搭建了水利部“基礎(chǔ)設(shè)施云”，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算、存儲資源的池化管理和按需彈性服務(wù)，有力支撐了國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、水利財(cái)務(wù)管理信息系統(tǒng)等13個(gè)項(xiàng)目的快速部署和應(yīng)用交付。無錫利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對太湖水質(zhì)、藍(lán)藻、湖泛等進(jìn)行智能感知，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)藻打撈、運(yùn)輸車船智能調(diào)度，顯著提升了太湖的治理水平。舟山應(yīng)用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+，通過公共通信部門提供的手機(jī)實(shí)時(shí)位置信息，及時(shí)掌握臺風(fēng)防御區(qū)的人員動態(tài)情況，結(jié)合水利部門的臺風(fēng)路徑、影響范圍等有效信息，可以自動通過短信等諸多方式及時(shí)發(fā)布預(yù)警和提醒信息。在灌區(qū)信息化管理方面的典型應(yīng)用有：山西夾馬口灌區(qū)建立了水費(fèi)管理系統(tǒng)，有效減少了農(nóng)民用水量;黑龍江省水利廳建立了覆蓋全省322處大中型灌區(qū)的黑龍江省灌區(qū)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理，大幅提高了行業(yè)管理水平和效率;新疆建設(shè)兵團(tuán)第二師塔里木灌區(qū)針對水資源、水環(huán)境、水安全、水功能、水庫大壩安全管理等區(qū)域水問題的綜合治理進(jìn)行了信息化建設(shè)。以上信息系統(tǒng)均以政府為主導(dǎo)，服務(wù)于政府水務(wù)部門，需要充分利用水利大數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究政府治理與社會化服務(wù)有機(jī)結(jié)合的基層水利服務(wù)的模式創(chuàng)新，建立政府牽頭、農(nóng)民參與、社會資本適當(dāng)補(bǔ)充的多元投入與多維服務(wù)機(jī)制。

2019年8月，水利部適時(shí)印發(fā)了《智慧水利總體方案》，方案指出要深度融合遙感、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，確定了天空地面一體化水利感知網(wǎng)、高速互聯(lián)的水利信息網(wǎng)、智慧水利大腦、創(chuàng)新協(xié)同的智能應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系、保障體系等6項(xiàng)重要任務(wù)，明確了應(yīng)用、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)與安全、感知等4類10項(xiàng)重點(diǎn)工程，是智慧水利推進(jìn)的頂層設(shè)計(jì)。江蘇省作為水利部水利信息資源整合共享省級試點(diǎn)（2015年），處于長江、淮河下游，是水利大省，在水利信息化建設(shè)方面始終走在各省前列，已經(jīng)完成了對各地域、專業(yè)、部門信息應(yīng)用系統(tǒng)的資源整合和信息共享[11]，在一定程度上解決了信息孤島問題。實(shí)現(xiàn)了基于元數(shù)據(jù)和信息資源目錄的水利數(shù)據(jù)資源共享管理，完善并建成了全省統(tǒng)一的水文信息采集、地理信息服務(wù)、省級視頻監(jiān)控和動態(tài)可配置交換等平臺，為水利管理和社會服務(wù)提供了必要的基礎(chǔ)信息和決策支持。目前，江蘇省水利信息建設(shè)正處于由“信息化”向“智慧化”過渡的關(guān)鍵時(shí)期，智慧化帶來新機(jī)遇也帶來新挑戰(zhàn)[12-13]，尤其是如何加強(qiáng)對水利大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)的服務(wù)化和價(jià)值化。

2 ? ?智慧型水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)狀分析，本文平臺設(shè)計(jì)整體思路如圖1所示。平臺立足于實(shí)際水利信息需求，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、定制化、智慧化、多平臺為主線進(jìn)行功能劃分和具體實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，整個(gè)平臺采用四層體系結(jié)構(gòu)，分別為表示層、Web服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)管理層。表示層只負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后呈現(xiàn)給用戶，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，按照規(guī)定的接口格式，開發(fā)符合自己需要的界面表現(xiàn)形式;Web服務(wù)層是Apache服務(wù)器，用PHP、XML、CSS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和業(yè)務(wù)邏輯處理;應(yīng)用服務(wù)層主要是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與XML文件轉(zhuǎn)化，能夠提供數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)預(yù)測等功能，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值提升的主要模塊;數(shù)據(jù)管理層主要實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)功能，可以接受來自應(yīng)用服務(wù)層的數(shù)據(jù)，將其規(guī)范化存儲，同時(shí)能夠接受應(yīng)用服務(wù)層的獲取數(shù)據(jù)請求，向其傳輸數(shù)據(jù)。

3 ? ?智慧型水利大數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘要點(diǎn)分析

3.1 ? ?重視灌區(qū)社會服務(wù)的水利信息需求

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，以國內(nèi)外比較研究和實(shí)地調(diào)研為主要需求分析途徑，以助力灌區(qū)農(nóng)民實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥、科學(xué)種植、墑情監(jiān)測及遠(yuǎn)程監(jiān)控等，為水利數(shù)據(jù)價(jià)值提升的突破口，深度融合新一代信息技術(shù)，進(jìn)行水利信息需求分析，為信息平臺的功能設(shè)計(jì)做好初步規(guī)劃。

3.2 ? ?整合好政府主導(dǎo)和農(nóng)民主動參與協(xié)同作用下的水利信息資源

一方面，將水利各級部門已經(jīng)整合的水利數(shù)據(jù)資源根據(jù)灌區(qū)農(nóng)民的需求進(jìn)行梳理，研究信息共享的途徑和技術(shù)實(shí)現(xiàn);另一方面，需要深入研究如何根據(jù)農(nóng)民的個(gè)性化需求，對主要信息來源如4G/5G模式下的各信息感知終端進(jìn)行信息接入方式研究。另外，對于區(qū)域內(nèi)的小型水利工程（例如水庫、水閘、泵站、氣象站），可以借助平臺實(shí)現(xiàn)信息化管理，例如通過二維碼電子名片方式實(shí)現(xiàn)信息錄入、修改、查詢等諸多功能。

3.3 ? ?合理規(guī)劃灌區(qū)水利信息平臺

智慧水利在微觀層面上服務(wù)于個(gè)體。一方面，個(gè)體的需求存在不同程度的差異，如耕作區(qū)域不同、種植作物不同、需水規(guī)律不同、灌溉設(shè)施不同;另一方面，在數(shù)據(jù)表現(xiàn)方面又存在趨同性，如各土壤溫濕度傳感器、環(huán)境檢測傳感器等，同時(shí)農(nóng)民的田間耕作具有較強(qiáng)的時(shí)變性。因此，通過政府對個(gè)性化的需求進(jìn)行信息推送服務(wù)具有準(zhǔn)確性差、實(shí)時(shí)性差等問題，必須轉(zhuǎn)變服務(wù)模式，以農(nóng)民通過PC端、移動端自行構(gòu)建定制化信息服務(wù)為主要途徑，實(shí)現(xiàn)基于信息平臺的數(shù)據(jù)定制化服務(wù)。

3.4 ? ?以系統(tǒng)思維探索多維服務(wù)模式下水利數(shù)據(jù)的價(jià)值提升途徑及方法

水利數(shù)據(jù)涉及防汛、抗旱等多個(gè)部門，需要以系統(tǒng)的觀點(diǎn)從多維角度進(jìn)行價(jià)值提升的路徑探索。一方面，需要利用水利部門的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息接入（在數(shù)據(jù)開放的前提下），實(shí)現(xiàn)旱情、汛情、墑情的區(qū)域可定制;另一方面，農(nóng)民自行構(gòu)建的種植感知信息可以實(shí)現(xiàn)信息上傳，充分借助平臺的數(shù)據(jù)分析功能，在PC、移動端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)及歷史趨勢曲線顯示、部分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能，輔助農(nóng)民做出科學(xué)決策，同時(shí)這一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以根據(jù)農(nóng)民授權(quán)情況作為政府指導(dǎo)決策的參考。

3.5 ? ?創(chuàng)新智慧水利在灌區(qū)社會服務(wù)中的模式

技術(shù)進(jìn)步為各領(lǐng)域帶來應(yīng)用模型的創(chuàng)新機(jī)會。一方面，要積極研究水利數(shù)據(jù)價(jià)值提升與智慧化有機(jī)結(jié)合的突破點(diǎn)，個(gè)性化的種植過程數(shù)據(jù)為科學(xué)種植提供了差異化的、豐富的數(shù)據(jù)來源，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在服務(wù)于個(gè)體的同時(shí)，也為“智慧化”的實(shí)現(xiàn)提供了可能，是以人為本，將種植理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的最佳結(jié)合途徑，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐修正理論，通過對這一部分?jǐn)?shù)據(jù)的知識挖掘，“智慧”指導(dǎo)農(nóng)民制定更加精細(xì)的種植方案，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民利益的最大化。另一方面，需要積極探索人工智能在農(nóng)業(yè)水利應(yīng)用的落腳點(diǎn)，人工智能技術(shù)日新月異，產(chǎn)生的社會價(jià)值與日俱增，尤其是新冠病毒疫情期間更是為疫情防控效率和效果作出了巨大的貢獻(xiàn)，相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用都可以為農(nóng)業(yè)水利提供借鑒，進(jìn)行創(chuàng)新性技術(shù)轉(zhuǎn)移，甚至進(jìn)一步創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

4 ? ?結(jié)語

大數(shù)據(jù)的普遍應(yīng)用已經(jīng)為農(nóng)業(yè)水利的價(jià)值提升帶來了新的途徑。然而，在實(shí)現(xiàn)過程中，從系統(tǒng)思維如何實(shí)現(xiàn)各信息孤島的整合成為關(guān)鍵，這種整合不僅是數(shù)據(jù)的引入和流出，同時(shí)也要挖掘數(shù)據(jù)背后的真正價(jià)值所在，如分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性、因果關(guān)系，應(yīng)用人工智能做好數(shù)據(jù)預(yù)測，精準(zhǔn)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植，為政府防汛抗旱、節(jié)能減排提供決策依據(jù)。隨著5G時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)傳輸速度、傳輸方式已經(jīng)不再是制約信息技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，可以預(yù)見的是未來以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為載體的人工智能技術(shù)將深入到農(nóng)業(yè)水利的各個(gè)角落。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 張臻，高正，張鵬，等.智慧水利關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].浙江水利科技，2019，47（4）：66-70.

[2] 蔡旭東.新時(shí)代智慧水利建設(shè)的思考[J].水利信息化，2019（2）：7-10.

[3] 芮曉玲，吳一凡.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水利系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（6）：161-163.

[4] 杜紅艷，薛惠鋒，侯俊杰，等.面向智慧水利的水資源數(shù)據(jù)融合探析[J].中國水利，2018（23）：61-64.

[5] 解建倉，羅軍剛.水利信息化綜合集成服務(wù)平臺及應(yīng)用模式[J].水利信息化，2010（5）：18-23.

[6] 艾萍，吳禮福，陳子丹.水利信息化頂層設(shè)計(jì)的基本思路與核心內(nèi)容分析[J].水利信息化，2010（2）：9-12.

[7] 林向陽.基于嵌入式的灌區(qū)用水監(jiān)測與信息接收系統(tǒng)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[8] 羅鵬，陳秀萬，萬瑋，等.基于WebGIS的大型灌區(qū)水利信息綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].節(jié)水灌溉，2013（1）：64-68.

[9] 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，美國、以色列和中國有什么區(qū)別[J].中國合作經(jīng)濟(jì)，2019（4）：17-18.

[10] 易小燕，吳勇，尹昌斌，等.以色列水土資源高效利用經(jīng)驗(yàn)對我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的啟示[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2018，39（10）：37-42.

[11] 葉健.江蘇水利信息資源整合共享研究與實(shí)踐[J].水利信息化，2018（5）：1-5.

[12] 蔡陽.智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀分析與發(fā)展思考[J].水利信息化，2018（4）：1-6.

[13] 楊明祥，蔣云鐘，田雨，等.智慧水務(wù)建設(shè)需求探析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，54（1）：133-136.