數字農業(yè)現狀與發(fā)展探析——以數字化溫室為例.pdf

現代農業(yè)科技 2022年第15期農業(yè)工程學 數字農業(yè)現狀與發(fā)展探析 以數字化溫室為例 周賽杰 浙江虞盛農業(yè)發(fā)展有限責任公司 浙江紹興 312000 摘要 本文以數字農業(yè)技術在數字化溫室中的應用為例 通過調研數字農業(yè)設備 技術和人才方面的現狀 分析了國內目前農業(yè)傳感器技術 通信技術 農業(yè)模型技術 農業(yè)智能設備技術 采后管理技術 農業(yè)數字化人才 等方面存在的問題 提出了一些解決措施 以期為從事數字農業(yè)的職業(yè)新農民提供參考 關鍵詞 數字農業(yè) 數字化溫室 農業(yè)模型 智能裝備 數字化人才 中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 1007 5739 2022 15 0152 04 DOI 10 3969 j issn 1007 5739 2022 15 036 開放科學 資源服務 標識碼 OSID Exploration on Status and Development of Digital Agriculture Taking Digital Greenhouse as an Example ZHOU Saijie Zhejiang Yusheng Agricultural Development Co Ltd Shaoxing Zhejiang 312000 Abstract Taking the application of digital agriculture technology in digital greenhouse as an example this paper investigated and studied the equipment technology and talents of digital agriculture analyzed the current problems in domestic areas including agricultural sensors technology communication technology agricultural model technology agricultural intelligent equipment technology post harvest management technology agricultural digital talents etc Some countermeasures were put forward so as to provide references for new type of skilled farmers engaged in digital agriculture Keywords digital agriculture digital greenhouse agricultural model intelligent equipment digital talent 目前 中國特色社會主義進入了新時代 我國社 會生產力呈現飛速發(fā)展趨勢 綜合實力和國際地位 大幅度跨越和提高 同時 人們生活需求也發(fā)生了明 顯變化 不再局限于衣食住行等物質方面的 硬需 求 而是更加關注民主化 法制化 公平 正義 安 全 環(huán)境等領域的 軟需求 研究表明 為了更好地保障農產品總量供給充 裕 我國農業(yè)主要以增加農業(yè)化學產品投入 土地資 本要素投入 機械投入等常規(guī)動能為基礎 完成 總 產平衡 豐年有余 的目標 甚至產生了結構性產能 過剩 農業(yè)的產出也不能立即消化 形成了資源的損 耗 1 與此同時 以常規(guī)動能為基礎的現代農業(yè)發(fā)展 所產生的環(huán)境污染也令人擔憂 在發(fā)展以增加高產 優(yōu)良種子為核心并搭配改良灌溉施肥技術的模式 下 農業(yè)生產將會對環(huán)境產生很大影響 2 從農產品 安全和環(huán)境保護的角度考慮 利用數字化信息技術 賦能農業(yè)生產是農業(yè)高質量發(fā)展的重要路徑 當前 全球農業(yè)科技項目的投資重點已轉向生物技術 農 場管理 農業(yè)機器人裝備等農業(yè)全產業(yè)鏈上游的技 術革新 數字農業(yè)技術是關鍵 如今 我國要充分發(fā) 揮數字信息技術在農業(yè)層面的應用 推動農業(yè)高質 量發(fā)展 還存在一定難度 因此 迫切需要充分釋放 數字技術力量 全方位促進數字農業(yè)改革 加快傳統(tǒng) 農業(yè)的更新改造 1 數字農業(yè)的概念 數字農業(yè)是指在地理空間與物聯網信息技術支 持下系統(tǒng)化 集約化 信息化的綜合性農業(yè)技術 數 字農業(yè)是以物聯網為基礎 借助云計算技術和數據收稿日期 2021 12 01 152 分析技術 基于多學科 跨行業(yè)的融合 在很大程度 上不受空間和環(huán)境的制約 高集約化生產優(yōu)質農產 品的綜合性農業(yè)生產經營模式 數字農業(yè)充分利用現 代化工業(yè)技術對農業(yè) 包含種植業(yè) 畜牧業(yè) 漁業(yè)等 生產 管理 流通等過程進行全面的數字化和可視化 表達 分析 控制與管理 其本質是對農業(yè)生產過程 中的關鍵性參數進行可視化 將工業(yè)生產中標準化 思想與計算機輔助設計的理念遷移到農業(yè)生產中 將數據分析 機械傳動 電子技術等與農業(yè)生產全面 結合 按照人們的需求高效發(fā)展農業(yè) 2 數字農業(yè)在溫室生產中的應用現狀 2 1 傳感器技術 在數字化溫室的生產環(huán)境中 農業(yè)傳感器的應 用成為數字農業(yè)發(fā)展不可或缺的組成部分 傳感器 的性能直接影響農產品的產出 針對農業(yè)生產多樣 化的特征 先進農業(yè)傳感器技術的發(fā)展催生了種類 繁多的技術領域 按照檢驗對象的不同 可以將先進 農業(yè)傳感器技術分為生命信息傳感器技術與環(huán)境信 息傳感器技術兩大類 生命信息傳感器技術是監(jiān)測動植物整個生長過 程中生理信息 生長發(fā)育信息和病蟲害信息的技術 例如作物生長發(fā)育過程中的氮元素含量 作物生理 信息指標 化肥和農藥等成分的殘留量等 3 4 傳感器 技術改變了農業(yè)技術人員過去固有的單點檢驗識別 方法 引入了多種優(yōu)良的傳感方法 如光譜技術 機 器視覺技術 味覺技術 微量元素識別技術等 5 8 從 智能化 精細化管理的角度進一步推進農作物生命 信息監(jiān)測方法的快速發(fā)展 環(huán)境信息傳感器技術是對與動植物生長有關的 水 空氣等環(huán)境指標進行傳感檢測的技術 現階段 環(huán)境信息傳感技術研究與應用的重點是對農作物生 長發(fā)育的土壤質量 氣體進行檢測以及對動物飼養(yǎng) 過程中環(huán)境氣體進行檢測 9 11 該方法對環(huán)境信息 進行全面 快速 持續(xù)的監(jiān)測評價分析 同時將評價 結果即時應用于植物高效生長發(fā)育管理 12 15 目前 已經開發(fā)設計的植物 土壤以及氣體信息 感知設備多以單點測量和靜態(tài)數據測量為主 可以 執(zhí)行動態(tài) 持續(xù)測定的設備較少 成本高且精度不確 定 此外 測量信息參數的無線可感知化與無線傳輸 水平較低 常常導致物理線路過于復雜或者無線傳 輸數據錯誤等 目前 十分缺乏適用于農業(yè)復雜環(huán)境 下的微小節(jié)能型 穩(wěn)定型 環(huán)境適應型 低成本與信 息化的傳感器產品 難以滿足農業(yè)信息化高速發(fā)展 的需求 2 2 通信技術 農業(yè)生命和環(huán)境數據的收集以及農業(yè)設備的智 能化 自動化技術是區(qū)分數字農業(yè)與傳統(tǒng)農業(yè)的關 鍵技術之一 網絡通信是數字農業(yè)數據收集和監(jiān)控 系統(tǒng)的中樞神經 把具有獨立功能的單個設備或子 系統(tǒng)互相連接 同時根據標準化通信協議進行數據 通信 達到分布式架構的硬件配置 軟件資源的共享 以及系統(tǒng)的全方位管控 通信網絡按照需要采取互 不同的通信技術 根據傳輸介質進行分類 通信技術 可劃分成有線通信技術與無線通信技術 高 峰等 16 研究表明 一般情況下 在小范圍的 數字化溫室生產場景內 如果僅實現溫室內各種環(huán) 境因子 如溫度 濕度和照度等 的監(jiān)測與自動調整 有線通信技術是相對較好的選擇 因為有線通信技 術機器設備之間互通性強 系統(tǒng)穩(wěn)定性高 數據信號 抗干擾能力強 若溫室內要求更高的測量精度 則需 要完善溫室內各種自然環(huán)境因素 如溫度 環(huán)境濕度 和光照強度 土壤環(huán)境因素 如土層水勢和氮 磷 鉀的含量 以及作物的一系列生理指標值 如水分脅 迫聲發(fā)射信號 莖徑縮小 的自動數據采集和數據分 析處理 在這種繁瑣的狀況下 有線通信技術通常不 能滿足需求 如果采用無線通信方式 必須著重考慮 網絡的可靠性和低延遲性 這也在很大程度上影響 著系統(tǒng)的控制精度 目前 數字農業(yè)環(huán)境智能測控系統(tǒng)正在逐漸向 信息化 智能化 自動化以及無線化發(fā)展 但是 無線 通信往往存在通信不穩(wěn)定 高延遲 可靠性較低等缺 點 在農業(yè)實際生產過程中需要根據具體情況選擇 合適的通信技術開展數字農業(yè)系統(tǒng)的搭建 2 3 農業(yè)模型技術 農業(yè)模型 農業(yè)人工智能及數據分析等技術貫 穿于數字農業(yè)的信息感知 信息傳輸 信息處理與控 周賽杰 數字農業(yè)現狀與發(fā)展探析 以數字化溫室為例 153 現代農業(yè)科技 2022年第15期農業(yè)工程學 制全過程 是數字農業(yè)的核心技術 因為感知生命和 環(huán)境兩大類信息內容是從數據信號到農業(yè)參數的轉 化過程 所以需要很多的農業(yè)模型來完成 信息傳輸 包括有線信息傳輸 無線信息傳輸 2 種方式都包含 從數據到信息再到數據的整個過程 也需要大量的 農業(yè)模型進行分析與處理 此外 信息的管理和操控 主要對獲得的數據和資料進行研究和分析 然后制 定對應的管理方案 更加需要農業(yè)模型的應用 使用不同的分類方式能夠將農業(yè)模型劃分為不 同的類別 根據不同的研究對象 農業(yè)模型能夠劃分 為農業(yè)生物模型 包括農業(yè)植物模型 動物模型 微 生物模型 農業(yè)環(huán)境模型 包括農業(yè)氣象模型 農業(yè) 土壤模型 農業(yè)技術模型 包括農業(yè)生物技術模型 生態(tài)技術模型 信息技術模型以及農業(yè)產后技術模 型等 以及農業(yè)經濟模型 包括農村經濟計量模型 市場模型 管理模型 等 根據建模方式和自身特點 的差異 農業(yè)模型可分為經驗性模型 半機理性模 型 機理性模型 其中 經驗性模型主要通過統(tǒng)計方 法構建 其參數估計常用的數據信息難以反映土壤 管理 氣候以及其他狀況的變化 因而其結論不能進 行外推 也不能反映未來可能出現的氣候問題的影 響 機理性模型能夠很好地描述系統(tǒng)狀況變化的過 程 可以對氣象與管理方式等外部變量作出反應 17 半機理性模型相應地處于經驗性模型與機理性模型 之間 2 4 農業(yè)智能化裝備技術 在數字農業(yè)的實際應用場景中 為提高農業(yè)生 產的效率 往往會采用大量的農業(yè)智能化機械設備 以減少對專業(yè)技術人員的依賴 并且提高資源的利 用率 回顧過去 50 年水肥一體化技術的發(fā)展趨勢 18 水肥一體化技術具有諸多優(yōu)勢 如提高水肥利用效 率 有利于農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展等 不但可以大大減 少化肥的使用 而且可以減少養(yǎng)分元素等的淋失破 壞 增強土壤中磷 鉀等元素的流動 進而提高其利 用效率 此外 其還可以改善土壤的理化性質 保持 土壤疏松 增加土壤孔隙度 不破壞土壤中的膠體結 構 保持穩(wěn)定的通氣特性 有利于作物根系的生長發(fā) 育 然而 水肥一體化技術發(fā)展仍面臨諸多問題 尚 未基于土壤有機質 作物種類 生長發(fā)育時期等施用 化肥 水溶肥理化性質與作物栽培技術 水肥一體化 設備不匹配 水肥一體化技術宣傳推廣的深度以及 廣度不足 國內農業(yè)智能機器人技術起步相對較晚 由于 農業(yè)生產環(huán)境的復雜性 當下存在機器人品類不全 不夠智能 購置成本高 操作復雜等諸多問題 這也 影響了農業(yè)數字化進程 2 5 蔬菜采后管理技術 在眾多農作物中 蔬菜采后管理技術的難度最 大 蔬菜生產具有明顯的季節(jié)性與地域性 蔬菜自身 具有含水量高 采摘后仍有生命的特點 很容易被機 械設備損壞并發(fā)生腐爛 目前 蔬菜采后管理技術可 分為6 種 即簡單貯藏 通氣庫貯藏 機械冷藏 氣調 保鮮 減壓貯藏和輻射保鮮 蔬菜的保鮮儲存仍存在較多問題 如蔬菜采后 管理重視不夠 冷藏和冷運能力低 冷鏈物流體系尚 未形成 蔬菜產品缺乏嚴格的包裝管理體系 對蔬菜 采摘時信息化管理對策與采后儲藏性的聯系重視不 足 蔬菜保鮮管理能力低等 19 在具體的生產過程中 現有栽培管理方法很難 大幅提升蔬菜和水果的產量 而我國每年采摘后腐 爛造成的損耗高達15 20 西方發(fā)達國家在農產 品采摘以后 第一時間進行冷藏保鮮和生產加工 美 國農業(yè)總投入中 30 的資金用于采摘前 70 的資 金用于采摘后 意大利 荷蘭的農產品保鮮率為 60 日本在70 以上 采后產值與采摘時自然產值 的比值 美國是 3 7 1 0 日本是 2 2 1 0 而我國僅為 0 38 1 00 我國大部分蔬菜在采摘后基本以初始狀 態(tài)投入市場 損耗程度高 而美國的蔬菜采摘后損耗 僅為1 7 5 0 20 2 6 數字化人才現狀 雖然我國大力發(fā)展數字化農業(yè)建設 且互聯網 技術蓬勃發(fā)展 數字人才的數量也在大幅提升 但 由于農村建設落后 大量的本土人才流失 從事農業(yè) 生產活動的大都是老一輩農民 學歷和知識儲備普 遍較低 無法勝任專業(yè)的數字化農業(yè)建設和生產活 154 動 人才是農業(yè)數字化改革的核心 但數字化人才 現狀不容樂觀 這對數字農業(yè)的發(fā)展來說是非常大 的阻礙 3 結論與展望 目前 數字農業(yè)所需要的技術條件基本已經具 備 但同時存在著一些不足 主要不足有缺乏高精度 和高可靠性的設備和通信網絡 農業(yè)模型的門檻較 高 水肥一體化技術不夠精細化 蔬菜采后管理綜合 性利用水平不高等 鑒于當前數字農業(yè)技術的發(fā)展 現狀 機遇與挑戰(zhàn)并存 可以從以下幾個方面入手 加強新型農業(yè)傳感器的研發(fā) 優(yōu)化現有傳感器的可 靠性 穩(wěn)定性 并逐步降低其成本 提升在數字化溫 室等復雜環(huán)境中通信技術的穩(wěn)定性 加強數字化農 技人才的培養(yǎng) 包括農業(yè)模型 農機設計 生產貯藏 調度等方面的專業(yè)人才 隨著科學技術的發(fā)展和國家的持續(xù)支持 硬件 設備的智能化水平越來越高 通信網絡的可靠性逐 步提高 專業(yè)人才隊伍不斷壯大 數字農業(yè)的前景將 會一片光明 4 參考文獻 1 鐘鈺 向高質量發(fā)展階段邁進的農業(yè)發(fā)展導向 J 中州 學刊 2018 5 40 44 2 李谷成 中國農業(yè)的綠色生產率革命 1978 2008 年 J 經濟學 2014 13 2 537 558 3 張艮龍 尹蓉 設施農業(yè)遠程監(jiān)控與智能決策支持系統(tǒng) 的研究 J 山西電子技術 2017 5 80 83 4 高峰 俞立 張文安 等 基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術 的無線傳感器網絡精量灌溉系統(tǒng)的初步研究 J 農業(yè)工 程學報 2008 24 1 60 63 5 余貺琭 基于吸收光譜法的光纖氣體傳感器及傳感網 絡 D 北京 北京交通大學 2011 6 LIAO K PAULSEN M R REID J F Real time detection of colour and surface defects of maize kernels using machine vision J Journal of Agricultural Engineering Research 1994 59 4 263 271 7 SUO X M JIANG Y T YANG M et al Artificial neural network to predict leaf population chlorophyll content from cotton plant images J Agricultural Sciences in China 2010 9 1 38 45 8 毛罕平 張艷誠 胡波 基于模糊C均值聚類的作物病害 葉片圖像分割方法研究 J 農業(yè)工程學報 2008 24 9 136 140 9 胡建東 段鐵城 何賽靈 基于自建模技術的電容土壤水 分傳感器研究 J 傳感技術學報 2004 17 1 106 109 10 SEYFRIED M S MURDOCK M D Measurement of soil water content with a 50 MHz soil dielectric sensor J Soil Science Society of America Journal 2004 68 2 394 403 11 孫艷紅 無線傳感器網絡在農田溫濕度信息采集中的 構建與應用 D 鄭州 河南農業(yè)大學 2010 12 MANCUSO M BUSTAFFA F A wireless sensors network for monitoring environmental variables in a tomato greenhouse C 2006 IEEE International Workshop on Factory Communication Systems 2006 Turin Italy IEEE 2006 107 110 13 ROBLIN P BARROW D A Microsystems technology for remote monitoring and control in sustainable agricultural practices J Journal of Environmental Monitoring JEM 2000 2 5 385 392 14 高峰 基于無線傳感器網絡的設施農業(yè)環(huán)境自動監(jiān)控 系統(tǒng)研究 D 杭州 浙江工業(yè)大學 2009 15 韓華峰 杜克明 孫忠富 等 基于 ZigBee 網絡的溫室 環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用 J 農業(yè)工程學報 2009 25 7 158 163 16 高峰 俞立 張文安 等 現代通信技術在設施農業(yè)中的 應用綜述 J 浙江林學院學報 2009 26 5 742 749 17 JONES J W ANTLE J M BASSO B et al Brief history of agricultural systems modeling J Agricultural Systems 2017 155 240 254 18 馬富裕 劉揚 崔靜 等 水肥一體化研究進展 J 新疆 農業(yè)科學 2019 56 1 183 192 19 石桂春 蔬菜保鮮儲藏的現狀 趨勢和對策 J 吉林農 業(yè)科學 2001 26 4 49 53 20 李里特 趙朝輝 21 世紀初我國果蔬保鮮與加工的發(fā) 展方向 J 中國食品工業(yè) 2000 7 4 5 周賽杰 數字農業(yè)現狀與發(fā)展探析 以數字化溫室為例 155