智慧農業管理系統組成與發展

牟雪雷

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

智慧農業是指利用物聯網等信息技術對傳統農業進行改革,主要以智能化技術控制農業物聯網技術和農業生產,通過傳感器技術、信息技術實現農業生產過程中信息的全面感知和傳輸[1]。如通過自動采集農作物生產特征和生產環境,基于智能控制技術根據作物生產情況對農作物生長環境進行動態調節,保證農業生態環境更加適合作物生長[2]。

智慧農業的核心技術主要包括云計算技術、大數據技術、傳感器技術等,并將其應用到農業生產的各個環節[3],實現農業生產過程中的智能化決策、社會化服務、精細化管理,對于改善農業生產環境、提升農業生產效率和改變農業生產方式具有重要意義。

針對以上問題,本研究系統論述了國內外智慧農業典型發展模式與技術,提出我國智慧農業發展中存在的問題與未來發展前景。研究結果旨在為全面提升我國農業發展和現代化農業轉型提供技術參考與依據。

1 智慧農業

1.1 定義

智慧農業是指充分利用現代信息技術,集成計算機網絡技術、物聯網技術、人工智能技術和無線通信技術等,在農業生產中實現遠程診斷、專家決策和災難預警等功能,為農業生產提供一種可視化管理和智能化決策的發展模式[4]。智慧農業在實現農業生產管理智能化的同時,還包括農業電子商務、食品溯源、農業休閑旅游和農業信息服務等,將各項技術從農業生產延伸到農業管理、營銷等各個環節。

1.2 發展特征

1.2.1 基本特征

與傳統農業相比,智慧農業是現代農業的發展和繼承,其基本特征是高效化、集約化、信息化。

1.2.2 產業特征

智慧農業是將現代技術與專家經驗相互融合而成的農業發展新形態,最大限度地將人類智慧轉變為先進生產力,利用信息化技術和知識驅動農業經濟增長。

1.3 主要內容

智慧農業按照應用領域不同分為智慧科技、智慧生產、智慧組織、智慧管理4個內容[5]。

1.3.1 智慧科技

農業科技是解決三農問題的重要技術,農業只有依靠科技才能進步,進而改善農民勞動環境。智慧科技是在農業科技的基礎上實現農業現代化發展,實現農業生產新模式。

1.3.2 智慧生產

農業生產是整個農業系統的核心,主要包括生物、技術、環境和經濟4個生產要素,智慧農業可以在農業生產過程中探尋生產規律,在此基礎上建立農業生產系統,減少農業資源浪費與環境污染。

1.3.3 智慧組織

智慧組織是指在農業生產過程中實現布局區域化、管理企業化、生產專業化、服務社會化和經營一體化農業生產模式,將散戶農業生產組織轉變為適應現代市場發展需求的現代農業生產模式。

1.3.4 智慧管理

智慧管理主要是通過了解相關資源配置,感知農業環境變化,加強對農業生產的監管、開發,利用現代科學技術,如田間各類傳感器的應用,及時幫助農戶獲取農業生產信息,通過控制系統對信息進行整理與分析,為農戶做出合理的決策。

2 國外智慧農業發展模式與特征

2.1 美國

美國智慧農業最突出的特征是農業信息化服務體系,主要以政府為主體,構建一定規模的農業信息數據中心,全面采集區域內農業數據資源,為各個部門、農戶提供生產管理決策基礎信息[6],其基本構成如圖1所示。

圖1 美國農業信息服務體系基本構成

2.2 英國

英國以精準農業發展為主要生產模式,其核心技術包括全球定位系統、地理信息系統、空間技術、遙感系統、專家決策系統等各類信息技術的集成與應用,涉及精準播種、精準施肥、精準灌溉、精準收獲等農業生產全過程。

1)精準播種。將精準種子工程與精準播種技術有機結合,使精準播種機播種均勻、精量播種、播深一致。精準播種技術既可以節約大量優質種子,又可使作物在田間獲得最佳分布,從而為作物生長和發育創造最佳環境,有效提高作物對營養和太陽能的吸收率。

2)精準施肥。根據不同地區、不同土壤類型、土壤中各種養分的盈虧情況、作物類別和產量水平,將氮、磷、鉀和多種可促進作物生長的微量元素與有機肥加以科學配比,從而做到有針對性地科學施肥,既可以減少因過量施肥造成的環境污染和農產品質量下降情況,又可以降低成本。

3)精準灌溉。根據不同作物、不同生育期間土壤墑情和作物需水量,實施精量灌溉,極大節約了水資源,提高了水資源利用率。

4)精準收獲。利用精準收獲系統做到顆粒歸倉,同時還可根據一定標準準確分級。

2.3 日本

日本耕地面積較小,農業資源有限,而且日本老齡化問題不斷加劇,農業生產人口不斷減少,日本農業生產人員平均年齡達到64歲,在這種情況下,利用互聯網技術發展智慧農業是實現農業可持續發展的必經之路。

1)重視農村信息化的市場規則及發展政策的制定。日本政府根據農業生產生活的市場運營規則,建立了若干個專門咨詢委員會,制定了一系列的制度性、運行性規則,約束市場各方的行為規范,并根據實際需要制定發展政策,促進市場有序運行。

2)重視農業基礎設施建設。日本歷屆政府都十分重視農村的通信、廣播、電視的發展。目前,日本農林水產省正在制訂一項名為“21世紀農林水產領域信息化戰略”的計劃,其基本思路是大力建設農村的信息通信基礎設施,如鋪設光纜等,以建立發達的通信網絡。

3 我國智慧農業發展現狀

我國高度重視現代農業發展,先后出臺多個政策支持各個地區智慧農業的發展。目前,我國已經建立了200個國家級現代農業示范區域,對物聯網技術、傳感器技術等現代信息技術進行試運行,全面推進農業資源管理、農情災害預警和無人機監測等信息化試驗示范工作,逐漸完善智慧農業運營機制與模式。

4 智慧農業核心技術

4.1 物聯網技術

物聯網技術是以聯網為代表的信息技術集成,主要包括無線傳感器技術、遠程控制技術、無線通信技術等[7]。

4.1.1 無線傳感器技術

智慧農業生產中主要是以無線傳感器技術對農業生產中的各項環境參數,如溫度、濕度、氣體濃度等環境參數,通過自動化、遠程監控技術等檢測作物生長環境,并將采集的信息進行匯總與分析。

4.1.2 遠程控制技術

遠程控制技術主要是通過遠程監控參數,與標準值動態調整農業生產條件,及時對環境參數進行智能化調控。

4.1.3 無線通信技術

智慧農業生產中利用無線通信技術建立農業無線傳感器信息系統,充分對農業生產過程中的各項指標和信息參數進行分析,促進農業生產管理向精細化和科學化方向發展。

4.1.4 射頻識別技術

智慧農業生產中采用射頻識別技術可以建立農產品溯源系統,可追溯農產品生產的每個環節,提高農業生產安全與農產品技術含量。

4.2 大數據技術

大數據技術主要是采用數理統計方法,通過對采集數據進行精細分析、聚類和特征提取,找出有價值的數據資源,從復雜數據中分析其內在規律與本質關系,得出有價值的決策信息與結論。

1)大數據技術可以通過提取某個區域農業生產的歷史災害數據、土壤環境信息和農產品市場需求變化信息等,采用統計學方法,為智慧農業生產與決策提供參考和依據。

2)對農業生產數據,如水資源數據、土壤環境數據、氣候環境數據等,基于深度學習和回歸預測等方法,科學規劃農業生產條件與可行性分析。

3)通過農業遠程監控技術、自動化技術等實時采集數據,分析農業生產過程中存在的問題,為農業生產和農產品深加工提供決策依據。

4.3 “5S”技術

在智慧農業發展中,利用“5S”技術可以快速分析農業生產中土壤環境、作物長勢和氣候條件,進而做出正確的決策。“5S”技術類型和應用特點如表1所示。

表1 “5S”技術類型和應用特點

4.4 云計算技術

云計算技術可以執行數據收集、分析等指令,按照一定的運算法則與方式進行數據儲存、共享和調用,基層管理部門等可以實時進行農業生產數據監督,為農業管理提供參考。

5 我國智慧農業發展趨勢與策略

根據目前我國智慧農業發展現狀,提出未來我國智慧農業發展趨勢與要點。

5.1 培育創新主題

研究制訂農業創新型企業評價標準,培育一批研發投入大、技術水平高、綜合效益好的農業創新型企業、以“星創天地“為載體,推進大眾創業、萬眾創新,鼓勵新型職業農民,如大學生、返鄉農民工、留學歸國人員、科技特派員等組成農業創業創新的生力軍。支持家庭農場、農民合作社等新型農業經營主體的創業創新。

5.2 做強主導產業

按照一區一主導產業的定位,加大高新技術研發和推廣應用力度,著力提升主導產業技術創新水平,打造具有競爭優勢的農業高新技術產業集群。加強特色優勢產業關鍵共性技術攻堅,著力培育現代農業發展和經濟增長的新業態、新模式,增強示范區創新能力和發展后勁。強化“農業科技創新+產業集群”的發展路徑,提高農業產業競爭力,推動其向產業鏈中高端延伸。

5.3 集聚科教資源

推進“政產學研用創”的緊密結合,完善各類研發機構、測試檢測中心、新農村發展研究院、現代農業產業科技創新中心等創新服務平臺,引導高等學校、科研院所的科技資源和人才,向示范區集聚。健全新型農業科技服務體系,創新農技推廣服務方式,探索研發與應用無縫對接的有效辦法,支持科技成果在示范區內的轉化、應用和示范。

5.4 培育職業農民

加大培訓投入、整合培訓資源、增強培訓能力、創新培訓機制,建設具有區域特點的農民培訓基地,提升農民職業技能,優化農業從業者結構。鼓勵院校、企業和社會力量開展專業化教育,培養更多愛農業、懂技術、善經營的新型職業農民。

5.5 促進融合共享

推進農村一、二、三產業融合發展,加快轉變農業發展方式積極探素農民分享二、三產業增值收益的機制,激勵農民增收致富,增強農民的獲得感。推動城鄉融合發展,推進區域協同創新,逐步縮小城鄉差距,打造新型“科技+產業+生活”社區,建設美麗鄉村推動綠色發展。堅持綠色發展理念,發展循環生態農業,推進農業資源高效利用,打造水體潔凈、空氣清新、土壤安全的綠色環境。加大生態環境保護力度,提高垃圾和污水處理率,正確處理農業綠色發展和生態環境保護、糧食安全、農民增收的關系,實現生產、生活、生態的有機統一。

5.6 強化信息服務

促進信息技術與農業農村全面深度融合,發展智慧農業,建立健全智能化、網絡化的農業生產經營體系,提高農業生產全過程的信息管理服務能力。加快建立健全適應農產品電商發展的標準體系,支持農產品電商平臺建設,推進農業農村信息化建設。

5.7 加強國際合作

結合“一帶一路建設和農業“走出去”,統籌運用國外、國內兩個市場、兩種資源,提升示范區國際化水平。加強國際學術交流和技術培訓,國家引進的農業先進技術、先進模式優先在示范區轉移示范。依托示范區合作交流平臺,推動裝備、技術標準,服務“走出去”,提高我國農業產業的國際竟爭力。

6 結論

改革開放以來,我國農業生產取得了巨大進步與發展,我國糧食產量不斷提高,農業生產效率逐漸提升。近年來,隨著云計算技術、大數據技術、人工智能技術等發展,我國農業生產大力發展智能設備、物聯網等先進技術構建我國智慧農業發展模式,實現農業精細化作業,對于保障我國糧食安全,提升我國農業競爭力和農業可持續發展具有重要意義。本研究系統論述了國內外智慧農業發展現狀,提出未來我國智慧農業的發展方向于實施策略。研究結果對于全面提高我國農業經濟發展,實現農業趕超戰略提供技術參考。