鄧思合

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095）

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總量連續(xù)十年位居世界第一，但我國(guó)農(nóng)業(yè)在發(fā)展進(jìn)程中，存在農(nóng)田零散、人均耕地少、耕地人工成本過高、勞動(dòng)力流失等問題，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)已經(jīng)不能滿足社會(huì)的需要，在我國(guó)由農(nóng)業(yè)大國(guó)向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的征程中，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化、信息化是必由之路，因此，更適合個(gè)體和小型農(nóng)場(chǎng)的智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)，將是未來農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向。

智慧農(nóng)業(yè)，又稱智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、低碳、生態(tài)化、集約化的“三農(nóng)”產(chǎn)業(yè)，它從空間、組織和管理上整合現(xiàn)有農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、通信設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)“高效、智能、智能化、精細(xì)化”的和諧發(fā)展。是信息化與工業(yè)化相結(jié)合在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的實(shí)踐與應(yīng)用，智慧農(nóng)業(yè)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、農(nóng)業(yè)云計(jì)算和遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)為支撐和手段的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)形態(tài)，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)主要依靠豐富的自然資源和低廉的勞動(dòng)力成本。隨著互聯(lián)網(wǎng)等高科技的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加速向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡，智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。在當(dāng)前建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)的工作中，要大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，研究農(nóng)業(yè)科技成果的多功能、智能化特點(diǎn)，將科技成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程。

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的支持，本文將通過介紹三大關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化提供一些技術(shù)思路。

1.智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀

我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展前景可期。我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。尤其是各種新型技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用，整體的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和數(shù)字化水平也在不斷提高，例如， 我國(guó)已經(jīng)設(shè)立了眾多智慧農(nóng)業(yè)試點(diǎn)，不斷提高農(nóng)業(yè)的數(shù)字化水平和智慧化水平，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等一系列先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)家于2015年發(fā)布了《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)”的指導(dǎo)意見》，為互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)農(nóng)業(yè)精細(xì)化提供了政策指引；在各地政府的鼓勵(lì)下，許多大型集團(tuán)紛紛進(jìn)入農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域并取得了較好的發(fā)展，如阿里巴巴推出的“淘寶村”“淘寶鎮(zhèn)”，為農(nóng)民提供了全新的銷售致富模式；京東鄉(xiāng)村則專注于物流和電商的融合，加快了農(nóng)產(chǎn)品的流通速度。我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)總體上還處于試點(diǎn)示范和產(chǎn)業(yè)化起步階段，在河北、浙江、內(nèi)蒙古等地率先開展了智慧農(nóng)業(yè)示范區(qū)，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展“打頭陣”。

與此同時(shí)，我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展也存在著農(nóng)業(yè)信息化專業(yè)人才不足、農(nóng)田規(guī)?；图s性不足、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源要素制約、智慧監(jiān)控設(shè)備成本高昂等問題，相比美國(guó)、日本、澳大利亞等農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展先進(jìn)的國(guó)家，我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展還有很長(zhǎng)一段路需要走。因此，研究智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展所需的關(guān)鍵技術(shù)，能為我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一定的思路。

2.智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)三者緊密圍繞，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基礎(chǔ)，云計(jì)算技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)框架中網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的關(guān)鍵，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)框架中應(yīng)用層的關(guān)鍵。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of thing，IOT）是指通過RFID等傳感器設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上的所有實(shí)物，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的智能識(shí)別和管理。獲取信息的途徑是在網(wǎng)絡(luò)傳輸中感知、報(bào)告和交換信息，通過計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理，幫助人們感知和監(jiān)控物理世界的信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是基于嵌入式系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)和決策終端設(shè)備將對(duì)象進(jìn)行連接、感知，然后反饋人們可以識(shí)別的信息，以實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)，提高資源利用和生產(chǎn)力水平。2009年8月，溫家寶總理考察中國(guó)科學(xué)院無錫高新微納傳感器網(wǎng)絡(luò)考察工程技術(shù)研究中心時(shí)提到“中國(guó)傳感信息中心”，自此，物聯(lián)網(wǎng)正式被列為我國(guó)五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。

如圖1，一般來說，物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以分為3層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層相當(dāng)于人體皮膚和面部特征，主要用于識(shí)別物體，收集的信息包括QR碼、RFID、攝像頭、傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層類似于人體和大腦的神經(jīng)中樞，主要負(fù)責(zé)信息的傳輸和處理，包括通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理、互聯(lián)網(wǎng)信息和智能處理中心。應(yīng)用層像人的社會(huì)分工，結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、智能管理、預(yù)警等農(nóng)業(yè)可視化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)特定技術(shù)的深度融合的關(guān)鍵。

農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，作為智慧農(nóng)業(yè)的神經(jīng)末梢，是智慧農(nóng)業(yè)鏈條最大的總需求和最基本的環(huán)節(jié)。主要涉及農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、GPS技術(shù)和RS技術(shù)。

農(nóng)業(yè)信息傳播技術(shù)是信息智慧農(nóng)業(yè)傳播的必然路徑。在智慧農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最廣泛的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)基于IEEE802協(xié)議，15.4標(biāo)準(zhǔn)為無線網(wǎng)絡(luò)、安全及應(yīng)用方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

信息處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的必要手段，也是智慧農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)，主要涉及云計(jì)算、GIS、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等信息技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將農(nóng)業(yè)信息領(lǐng)域的眾多傳感器節(jié)點(diǎn)連接到傳感器網(wǎng)絡(luò)上，與通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等融合在一起，形成一個(gè)龐大的現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)。先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)施與農(nóng)業(yè)管理相匹配，通過各種傳感器、GPS、智能相機(jī)、手機(jī)、4G智能終端和工具收集和收集信息，通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)字圖書館等農(nóng)業(yè)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，利用云計(jì)算技術(shù)，信息處理系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行處理和決策，利用網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的傳播和遠(yuǎn)程控制，是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心。

2.2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方法，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)。通過云計(jì)算，可以向計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備提供軟硬件資源和信息的共享。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力是云計(jì)算實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

因此，云計(jì)算可分為“存儲(chǔ)云”和“計(jì)算云”，即“存儲(chǔ)云+計(jì)算云=云計(jì)算”。云計(jì)算技術(shù)本質(zhì)上是分布式計(jì)算和分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要處理各種復(fù)雜的問題。與云計(jì)算相關(guān)的技術(shù)包括:虛擬化技術(shù)、資源管理技術(shù)（資源自動(dòng)化分布式部署、調(diào)度、分配、監(jiān)控等）、海量數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和管理、計(jì)費(fèi)和運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、節(jié)能技術(shù)。虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的核心。

云計(jì)算已被公認(rèn)為未來信息技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。在云計(jì)算環(huán)境下，農(nóng)業(yè)信息資源建設(shè)將逐步實(shí)現(xiàn)共建共享。機(jī)構(gòu)可以使用公共信息存儲(chǔ)，并共享由云服務(wù)供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施。無需購(gòu)買存儲(chǔ)設(shè)備。農(nóng)業(yè)信息資源存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，相同的信息環(huán)境為農(nóng)業(yè)信息資源的構(gòu)建和共享提供了基礎(chǔ)設(shè)施。在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和物理存儲(chǔ)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息資源的共建與共享，變得非常容易。同時(shí)為開展農(nóng)業(yè)信息服務(wù)提供保障。

云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的分散、封閉和落后，加速農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的信息技術(shù)向云計(jì)算發(fā)展。使用云計(jì)算不僅可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境分散和生產(chǎn)者知識(shí)限制的問題，還可以節(jié)省大量的硬件、軟件、維護(hù)成本。用戶只需要支付一小部分租金就可以通過互聯(lián)網(wǎng)享受相應(yīng)的硬件、軟件和維護(hù)服務(wù)。彌補(bǔ)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高度分散、生產(chǎn)規(guī)模小、時(shí)空變異性大、量子化和規(guī)模差異程度、穩(wěn)定性和可控性等缺點(diǎn)。

構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)云模型需要考慮農(nóng)村、農(nóng)業(yè)、農(nóng)民的信息服務(wù)需求，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村發(fā)展的實(shí)際情況出發(fā)，在發(fā)展和完善云計(jì)算的基礎(chǔ)上，還需要符合中國(guó)新農(nóng)村建設(shè)的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)與農(nóng)民互動(dòng)、及時(shí)和專家咨詢、信息資源的共享、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、以農(nóng)民為中心。

2.3 農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)

農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)作為智慧農(nóng)業(yè)的神經(jīng)末梢，是物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)。在機(jī)械農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程中，對(duì)作物信息監(jiān)測(cè)的要求不斷提高、對(duì)整體農(nóng)田、土壤、水分和信息的感知不斷更新，需要對(duì)農(nóng)業(yè)有更為精確的控制，因此，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision agriculture，PA）應(yīng)運(yùn)而生。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的基礎(chǔ)上，通過整合全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS），徹底改變了農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式。與傳統(tǒng)耕作方式不同，在PA模式下，農(nóng)田會(huì)根據(jù)土壤類型、景觀位置和管理歷史獲得不同的投入率，幫助農(nóng)民識(shí)別作物和土壤條件的田間變異性，并實(shí)施特定地點(diǎn)的耕作措施。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，離不開農(nóng)業(yè)遙感大數(shù)據(jù)的支持。

農(nóng)業(yè)遙感是利用全球定位數(shù)據(jù)，利用GIS產(chǎn)生空間變化的農(nóng)業(yè)規(guī)劃和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)處方數(shù)據(jù)和信息的關(guān)鍵技術(shù)。農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)以不同的形式出現(xiàn)，從不同的傳感器、不同的間隔和尺度獲取。農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)都具有大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)遙感大數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、分析和可視化是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成功的關(guān)鍵。在信息電子技術(shù)和遙感大數(shù)據(jù)的最新和即將到來的進(jìn)展支持下，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)將向智能、智能農(nóng)業(yè)發(fā)展。

農(nóng)業(yè)遙感是一個(gè)高度專業(yè)化的領(lǐng)域，其生成的圖像和光譜數(shù)據(jù)量巨大，極其復(fù)雜，農(nóng)業(yè)發(fā)展的決策需要分析處理龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)。在農(nóng)業(yè)區(qū)域，通過遙感監(jiān)測(cè)土壤性質(zhì)和作物脅迫，為作物生產(chǎn)施肥、灌溉和病蟲害防治提供決策支持。典型的農(nóng)業(yè)遙感系統(tǒng)包括用于植物植被研究的visible-NIR（可見-近紅外）（0.4-1.5mm）傳感器，用于植物水分研究的SWIR（短波紅外）（1.5-3mm）傳感器，用于作物田間表面或作物冠層溫度研究的TI（熱紅外）（3-15 mm）傳感器，以及用于土壤水分研究的微波傳感器等。激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）和合成孔徑雷達(dá)已經(jīng)能夠測(cè)量農(nóng)田上的植被結(jié)構(gòu)。遙感是現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)作物定點(diǎn)田間管理的基礎(chǔ)，可以反映田間土壤變異、植物脅迫和處理效果。

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所開發(fā)了一種創(chuàng)新的五層十五級(jí)（five-layer-fifteen-level，F(xiàn)LFL）遙感數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，這種數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)很好的適應(yīng)了以常用地圖比例尺匹配的經(jīng)緯度格網(wǎng)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)組織的需要，為不同分辨率的衛(wèi)星圖像制定了不同的管理結(jié)構(gòu)，為快速存儲(chǔ)、生產(chǎn)、檢索和服務(wù)遙感大數(shù)據(jù)提供了強(qiáng)有力的支持。此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了熱遙感在農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域也具有重要的作用。熱遙感是在不與物體直接接觸的情況下，測(cè)量物體表面發(fā)出的輻射并將其轉(zhuǎn)化為溫度的過程。所有溫度高于-273℃或-459℉的物體都會(huì)發(fā)生輻射，熱遙感可用于農(nóng)業(yè)部門作物和土壤監(jiān)測(cè)的許多方面，包括估算灌溉土壤所需水量和作物水分脅迫、確定病害和病原體感染的作物、繪制土壤質(zhì)地、估計(jì)殘茬覆蓋、定位田間網(wǎng)、監(jiān)測(cè)作物成熟度和繪制作物產(chǎn)量。

農(nóng)業(yè)遙感是智慧農(nóng)業(yè)的寶貴資源，可以對(duì)農(nóng)業(yè)變量（如作物的產(chǎn)量和其他生物和非生物指標(biāo)）進(jìn)行穩(wěn)健的分析，以解決來自不同地點(diǎn)和農(nóng)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)分析的不確定性。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在深度學(xué)習(xí)方面的發(fā)展，農(nóng)業(yè)遙感將利用深度學(xué)習(xí)在遙感數(shù)據(jù)處理和分析方面的研究成果，并為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供獨(dú)特的角度。

3.結(jié)語

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，離不開物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、農(nóng)業(yè)遙感三大技術(shù)的支持，目前我國(guó)正處于農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，需不斷學(xué)習(xí)技術(shù)，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)人才儲(chǔ)備力量，形成發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的“中國(guó)方案”。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)是推動(dòng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是提高農(nóng)民生活水平、提高我國(guó)農(nóng)業(yè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力、增強(qiáng)我國(guó)國(guó)力的迫切需要。