數(shù)字農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展探析——以數(shù)字化溫室為例.pdf

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2022年第15期農(nóng)業(yè)工程學 數(shù)字農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展探析 以數(shù)字化溫室為例 周賽杰 浙江虞盛農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責任公司 浙江紹興 312000 摘要 本文以數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)在數(shù)字化溫室中的應(yīng)用為例 通過調(diào)研數(shù)字農(nóng)業(yè)設(shè)備 技術(shù)和人才方面的現(xiàn)狀 分析了國內(nèi)目前農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù) 通信技術(shù) 農(nóng)業(yè)模型技術(shù) 農(nóng)業(yè)智能設(shè)備技術(shù) 采后管理技術(shù) 農(nóng)業(yè)數(shù)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(shù)字農(nóng)業(yè)的職業(yè)新農(nóng)民提供參考 關(guān)鍵詞 數(shù)字農(nóng)業(yè) 數(shù)字化溫室 農(nóng)業(yè)模型 智能裝備 數(shù)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(wù) 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(chǎn)力呈現(xiàn)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(zhì)方面的 硬需 求 而是更加關(guān)注民主化 法制化 公平 正義 安 全 環(huán)境等領(lǐng)域的 軟需求 研究表明 為了更好地保障農(nóng)產(chǎn)品總量供給充 裕 我國農(nóng)業(yè)主要以增加農(nóng)業(yè)化學產(chǎn)品投入 土地資 本要素投入 機械投入等常規(guī)動能為基礎(chǔ) 完成 總 產(chǎn)平衡 豐年有余 的目標 甚至產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能 過剩 農(nóng)業(yè)的產(chǎn)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(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展 所產(chǎn)生的環(huán)境污染也令人擔憂 在發(fā)展以增加高產(chǎn) 優(yōu)良種子為核心并搭配改良灌溉施肥技術(shù)的模式 下 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會對環(huán)境產(chǎn)生很大影響 2 從農(nóng)產(chǎn)品 安全和環(huán)境保護的角度考慮 利用數(shù)字化信息技術(shù) 賦能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑 當前 全球農(nóng)業(yè)科技項目的投資重點已轉(zhuǎn)向生物技術(shù) 農(nóng) 場管理 農(nóng)業(yè)機器人裝備等農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈上游的技 術(shù)革新 數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)是關(guān)鍵 如今 我國要充分發(fā) 揮數(shù)字信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)層面的應(yīng)用 推動農(nóng)業(yè)高質(zhì) 量發(fā)展 還存在一定難度 因此 迫切需要充分釋放 數(shù)字技術(shù)力量 全方位促進數(shù)字農(nóng)業(yè)改革 加快傳統(tǒng) 農(nóng)業(yè)的更新改造 1 數(shù)字農(nóng)業(yè)的概念 數(shù)字農(nóng)業(yè)是指在地理空間與物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)支 持下系統(tǒng)化 集約化 信息化的綜合性農(nóng)業(yè)技術(shù) 數(shù) 字農(nóng)業(yè)是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ) 借助云計算技術(shù)和數(shù)據(jù)收稿日期 2021 12 01 152 分析技術(shù) 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(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn) 品的綜合性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式 數(shù)字農(nóng)業(yè)充分利用現(xiàn) 代化工業(yè)技術(shù)對農(nóng)業(yè) 包含種植業(yè) 畜牧業(yè) 漁業(yè)等 生產(chǎn) 管理 流通等過程進行全面的數(shù)字化和可視化 表達 分析 控制與管理 其本質(zhì)是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程 中的關(guān)鍵性參數(shù)進行可視化 將工業(yè)生產(chǎn)中標準化 思想與計算機輔助設(shè)計的理念遷移到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 將數(shù)據(jù)分析 機械傳動 電子技術(shù)等與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面 結(jié)合 按照人們的需求高效發(fā)展農(nóng)業(yè) 2 數(shù)字農(nóng)業(yè)在溫室生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀 2 1 傳感器技術(shù) 在數(shù)字化溫室的生產(chǎn)環(huán)境中 農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng) 用成為數(shù)字農(nóng)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(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出 針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣 化的特征 先進農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)的發(fā)展催生了種類 繁多的技術(shù)領(lǐng)域 按照檢驗對象的不同 可以將先進 農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)分為生命信息傳感器技術(shù)與環(huán)境信 息傳感器技術(shù)兩大類 生命信息傳感器技術(shù)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(shù) 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(nóng)藥等成分的殘留量等 3 4 傳感器 技術(shù)改變了農(nóng)業(yè)技術(shù)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(shù) 機 器視覺技術(shù) 味覺技術(shù) 微量元素識別技術(shù)等 5 8 從 智能化 精細化管理的角度進一步推進農(nóng)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(shù)是對與動植物生長有關(guān)的 水 空氣等環(huán)境指標進行傳感檢測的技術(shù) 現(xiàn)階段 環(huán)境信息傳感技術(shù)研究與應(yīng)用的重點是對農(nóng)作物生 長發(fā)育的土壤質(zhì)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(jié)果即時應(yīng)用于植物高效生長發(fā)育管理 12 15 目前 已經(jīng)開發(fā)設(shè)計的植物 土壤以及氣體信息 感知設(shè)備多以單點測量和靜態(tài)數(shù)據(jù)測量為主 可以 執(zhí)行動態(tài) 持續(xù)測定的設(shè)備較少 成本高且精度不確 定 此外 測量信息參數(shù)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(fù)雜或者無線傳 輸數(shù)據(jù)錯誤等 目前 十分缺乏適用于農(nóng)業(yè)復(fù)雜環(huán)境 下的微小節(jié)能型 穩(wěn)定型 環(huán)境適應(yīng)型 低成本與信 息化的傳感器產(chǎn)品 難以滿足農(nóng)業(yè)信息化高速發(fā)展 的需求 2 2 通信技術(shù) 農(nóng)業(yè)生命和環(huán)境數(shù)據(jù)的收集以及農(nóng)業(yè)設(shè)備的智 能化 自動化技術(shù)是區(qū)分數(shù)字農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的關(guān) 鍵技術(shù)之一 網(wǎng)絡(luò)通信是數(shù)字農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控 系統(tǒng)的中樞神經(jīng) 把具有獨立功能的單個設(shè)備或子 系統(tǒng)互相連接 同時根據(jù)標準化通信協(xié)議進行數(shù)據(jù) 通信 達到分布式架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)按照需要采取互 不同的通信技術(shù) 根據(jù)傳輸介質(zhì)進行分類 通信技術(shù) 可劃分成有線通信技術(shù)與無線通信技術(shù) 高 峰等 16 研究表明 一般情況下 在小范圍的 數(shù)字化溫室生產(chǎn)場景內(nèi) 如果僅實現(xiàn)溫室內(nèi)各種環(huán) 境因子 如溫度 濕度和照度等 的監(jiān)測與自動調(diào)整 有線通信技術(shù)是相對較好的選擇 因為有線通信技 術(shù)機器設(shè)備之間互通性強 系統(tǒng)穩(wěn)定性高 數(shù)據(jù)信號 抗干擾能力強 若溫室內(nèi)要求更高的測量精度 則需 要完善溫室內(nèi)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(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分 析處理 在這種繁瑣的狀況下 有線通信技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(shù)字農(nóng)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(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)過程中需要根據(jù)具體情況選擇 合適的通信技術(shù)開展數(shù)字農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的搭建 2 3 農(nóng)業(yè)模型技術(shù) 農(nóng)業(yè)模型 農(nóng)業(yè)人工智能及數(shù)據(jù)分析等技術(shù)貫 穿于數(shù)字農(nóng)業(yè)的信息感知 信息傳輸 信息處理與控 周賽杰 數(shù)字農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展探析 以數(shù)字化溫室為例 153 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2022年第15期農(nóng)業(yè)工程學 制全過程 是數(shù)字農(nóng)業(yè)的核心技術(shù) 因為感知生命和 環(huán)境兩大類信息內(nèi)容是從數(shù)據(jù)信號到農(nóng)業(yè)參數(shù)的轉(zhuǎn) 化過程 所以需要很多的農(nóng)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(shù)據(jù)到信息再到數(shù)據(jù)的整個過程 也需要大量的 農(nóng)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(shù)據(jù)和資料進行研究和分析 然后制 定對應(yīng)的管理方案 更加需要農(nóng)業(yè)模型的應(yīng)用 使用不同的分類方式能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)模型劃分為不 同的類別 根據(jù)不同的研究對象 農(nóng)業(yè)模型能夠劃分 為農(nóng)業(yè)生物模型 包括農(nóng)業(yè)植物模型 動物模型 微 生物模型 農(nóng)業(yè)環(huán)境模型 包括農(nóng)業(yè)氣象模型 農(nóng)業(yè) 土壤模型 農(nóng)業(yè)技術(shù)模型 包括農(nóng)業(yè)生物技術(shù)模型 生態(tài)技術(shù)模型 信息技術(shù)模型以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)后技術(shù)模 型等 以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟模型 包括農(nóng)村經(jīng)濟計量模型 市場模型 管理模型 等 根據(jù)建模方式和自身特點 的差異 農(nóng)業(yè)模型可分為經(jīng)驗性模型 半機理性模 型 機理性模型 其中 經(jīng)驗性模型主要通過統(tǒng)計方 法構(gòu)建 其參數(shù)估計常用的數(shù)據(jù)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(jié)論不能進 行外推 也不能反映未來可能出現(xiàn)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(yīng) 17 半機理性模型相應(yīng)地處于經(jīng)驗性模型與機理性模型 之間 2 4 農(nóng)業(yè)智能化裝備技術(shù) 在數(shù)字農(nóng)業(yè)的實際應(yīng)用場景中 為提高農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)的效率 往往會采用大量的農(nóng)業(yè)智能化機械設(shè)備 以減少對專業(yè)技術(shù)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(shù)的發(fā)展趨勢 18 水肥一體化技術(shù)具有諸多優(yōu)勢 如提高水肥利用效 率 有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhì) 保持 土壤疏松 增加土壤孔隙度 不破壞土壤中的膠體結(jié) 構(gòu) 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(shù)發(fā)展仍面臨諸多問題 尚 未基于土壤有機質(zhì) 作物種類 生長發(fā)育時期等施用 化肥 水溶肥理化性質(zhì)與作物栽培技術(shù) 水肥一體化 設(shè)備不匹配 水肥一體化技術(shù)宣傳推廣的深度以及 廣度不足 國內(nèi)農(nóng)業(yè)智能機器人技術(shù)起步相對較晚 由于 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)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(fù)雜等諸多問題 這也 影響了農(nóng)業(yè)數(shù)字化進程 2 5 蔬菜采后管理技術(shù) 在眾多農(nóng)作物中 蔬菜采后管理技術(shù)的難度最 大 蔬菜生產(chǎn)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(shè)備損壞并發(fā)生腐爛 目前 蔬菜采后管理技術(shù)可 分為6 種 即簡單貯藏 通氣庫貯藏 機械冷藏 氣調(diào) 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(chǎn)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(lián)系重視不 足 蔬菜保鮮管理能力低等 19 在具體的生產(chǎn)過程中 現(xiàn)有栽培管理方法很難 大幅提升蔬菜和水果的產(chǎn)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(nóng)產(chǎn) 品采摘以后 第一時間進行冷藏保鮮和生產(chǎn)加工 美 國農(nóng)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(nóng)產(chǎn)品保鮮率為 60 日本在70 以上 采后產(chǎn)值與采摘時自然產(chǎn)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(shù)字化人才現(xiàn)狀 雖然我國大力發(fā)展數(shù)字化農(nóng)業(yè)建設(shè) 且互聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)蓬勃發(fā)展 數(shù)字人才的數(shù)量也在大幅提升 但 由于農(nóng)村建設(shè)落后 大量的本土人才流失 從事農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)活動的大都是老一輩農(nóng)民 學歷和知識儲備普 遍較低 無法勝任專業(yè)的數(shù)字化農(nóng)業(yè)建設(shè)和生產(chǎn)活 154 動 人才是農(nóng)業(yè)數(shù)字化改革的核心 但數(shù)字化人才 現(xiàn)狀不容樂觀 這對數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展來說是非常大 的阻礙 3 結(jié)論與展望 目前 數(shù)字農(nóng)業(yè)所需要的技術(shù)條件基本已經(jīng)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(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò) 農(nóng)業(yè)模型的門檻較 高 水肥一體化技術(shù)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(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)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(nóng)業(yè)傳感器的研發(fā) 優(yōu)化現(xiàn)有傳感器的可 靠性 穩(wěn)定性 并逐步降低其成本 提升在數(shù)字化溫 室等復(fù)雜環(huán)境中通信技術(shù)的穩(wěn)定性 加強數(shù)字化農(nóng) 技人才的培養(yǎng) 包括農(nóng)業(yè)模型 農(nóng)機設(shè)計 生產(chǎn)貯藏 調(diào)度等方面的專業(yè)人才 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和國家的持續(xù)支持 硬件 設(shè)備的智能化水平越來越高 通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性逐 步提高 專業(yè)人才隊伍不斷壯大 數(shù)字農(nóng)業(yè)的前景將 會一片光明 4 參考文獻 1 鐘鈺 向高質(zhì)量發(fā)展階段邁進的農(nóng)業(yè)發(fā)展導向 J 中州 學刊 2018 5 40 44 2 李谷成 中國農(nóng)業(yè)的綠色生產(chǎn)率革命 1978 2008 年 J 經(jīng)濟學 2014 13 2 537 558 3 張艮龍 尹蓉 設(shè)施農(nóng)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(shù) 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(shù) 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量灌溉系統(tǒng)的初步研究 J 農(nóng)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(wǎng) 絡(luò) 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(nóng)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(shù)的電容土壤水 分傳感器研究 J 傳感技術(shù)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(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田溫濕度信息采集中的 構(gòu)建與應(yīng)用 D 鄭州 河南農(nóng)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)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(wǎng)絡(luò)的溫室 環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2009 25 7 158 163 16 高峰 俞立 張文安 等 現(xiàn)代通信技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的 應(yīng)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(nóng)業(yè)科學 2019 56 1 183 192 19 石桂春 蔬菜保鮮儲藏的現(xiàn)狀 趨勢和對策 J 吉林農(nóng) 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(shù)字農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展探析 以數(shù)字化溫室為例 155