数字农业现状与发展探析——以数字化温室为例.pdf

现代农业科技 2022年第15期农业工程学 数字农业现状与发展探析 以数字化温室为例 周赛杰 浙江虞盛农业发展有限责任公司 浙江绍兴 312000 摘要 本文以数字农业技术在数字化温室中的应用为例 通过调研数字农业设备 技术和人才方面的现状 分析了国内目前农业传感器技术 通信技术 农业模型技术 农业智能设备技术 采后管理技术 农业数字化人才 等方面存在的问题 提出了一些解决措施 以期为从事数字农业的职业新农民提供参考 关键词 数字农业 数字化温室 农业模型 智能装备 数字化人才 中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 1007 5739 2022 15 0152 04 DOI 10 3969 j issn 1007 5739 2022 15 036 开放科学 资源服务 标识码 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 中国特色社会主义进入了新时代 我国社 会生产力呈现飞速发展趋势 综合实力和国际地位 大幅度跨越和提高 同时 人们生活需求也发生了明 显变化 不再局限于衣食住行等物质方面的 硬需 求 而是更加关注民主化 法制化 公平 正义 安 全 环境等领域的 软需求 研究表明 为了更好地保障农产品总量供给充 裕 我国农业主要以增加农业化学产品投入 土地资 本要素投入 机械投入等常规动能为基础 完成 总 产平衡 丰年有余 的目标 甚至产生了结构性产能 过剩 农业的产出也不能立即消化 形成了资源的损 耗 1 与此同时 以常规动能为基础的现代农业发展 所产生的环境污染也令人担忧 在发展以增加高产 优良种子为核心并搭配改良灌溉施肥技术的模式 下 农业生产将会对环境产生很大影响 2 从农产品 安全和环境保护的角度考虑 利用数字化信息技术 赋能农业生产是农业高质量发展的重要路径 当前 全球农业科技项目的投资重点已转向生物技术 农 场管理 农业机器人装备等农业全产业链上游的技 术革新 数字农业技术是关键 如今 我国要充分发 挥数字信息技术在农业层面的应用 推动农业高质 量发展 还存在一定难度 因此 迫切需要充分释放 数字技术力量 全方位促进数字农业改革 加快传统 农业的更新改造 1 数字农业的概念 数字农业是指在地理空间与物联网信息技术支 持下系统化 集约化 信息化的综合性农业技术 数 字农业是以物联网为基础 借助云计算技术和数据收稿日期 2021 12 01 152 分析技术 基于多学科 跨行业的融合 在很大程度 上不受空间和环境的制约 高集约化生产优质农产 品的综合性农业生产经营模式 数字农业充分利用现 代化工业技术对农业 包含种植业 畜牧业 渔业等 生产 管理 流通等过程进行全面的数字化和可视化 表达 分析 控制与管理 其本质是对农业生产过程 中的关键性参数进行可视化 将工业生产中标准化 思想与计算机辅助设计的理念迁移到农业生产中 将数据分析 机械传动 电子技术等与农业生产全面 结合 按照人们的需求高效发展农业 2 数字农业在温室生产中的应用现状 2 1 传感器技术 在数字化温室的生产环境中 农业传感器的应 用成为数字农业发展不可或缺的组成部分 传感器 的性能直接影响农产品的产出 针对农业生产多样 化的特征 先进农业传感器技术的发展催生了种类 繁多的技术领域 按照检验对象的不同 可以将先进 农业传感器技术分为生命信息传感器技术与环境信 息传感器技术两大类 生命信息传感器技术是监测动植物整个生长过 程中生理信息 生长发育信息和病虫害信息的技术 例如作物生长发育过程中的氮元素含量 作物生理 信息指标 化肥和农药等成分的残留量等 3 4 传感器 技术改变了农业技术人员过去固有的单点检验识别 方法 引入了多种优良的传感方法 如光谱技术 机 器视觉技术 味觉技术 微量元素识别技术等 5 8 从 智能化 精细化管理的角度进一步推进农作物生命 信息监测方法的快速发展 环境信息传感器技术是对与动植物生长有关的 水 空气等环境指标进行传感检测的技术 现阶段 环境信息传感技术研究与应用的重点是对农作物生 长发育的土壤质量 气体进行检测以及对动物饲养 过程中环境气体进行检测 9 11 该方法对环境信息 进行全面 快速 持续的监测评价分析 同时将评价 结果即时应用于植物高效生长发育管理 12 15 目前 已经开发设计的植物 土壤以及气体信息 感知设备多以单点测量和静态数据测量为主 可以 执行动态 持续测定的设备较少 成本高且精度不确 定 此外 测量信息参数的无线可感知化与无线传输 水平较低 常常导致物理线路过于复杂或者无线传 输数据错误等 目前 十分缺乏适用于农业复杂环境 下的微小节能型 稳定型 环境适应型 低成本与信 息化的传感器产品 难以满足农业信息化高速发展 的需求 2 2 通信技术 农业生命和环境数据的收集以及农业设备的智 能化 自动化技术是区分数字农业与传统农业的关 键技术之一 网络通信是数字农业数据收集和监控 系统的中枢神经 把具有独立功能的单个设备或子 系统互相连接 同时根据标准化通信协议进行数据 通信 达到分布式架构的硬件配置 软件资源的共享 以及系统的全方位管控 通信网络按照需要采取互 不同的通信技术 根据传输介质进行分类 通信技术 可划分成有线通信技术与无线通信技术 高 峰等 16 研究表明 一般情况下 在小范围的 数字化温室生产场景内 如果仅实现温室内各种环 境因子 如温度 湿度和照度等 的监测与自动调整 有线通信技术是相对较好的选择 因为有线通信技 术机器设备之间互通性强 系统稳定性高 数据信号 抗干扰能力强 若温室内要求更高的测量精度 则需 要完善温室内各种自然环境因素 如温度 环境湿度 和光照强度 土壤环境因素 如土层水势和氮 磷 钾的含量 以及作物的一系列生理指标值 如水分胁 迫声发射信号 茎径缩小 的自动数据采集和数据分 析处理 在这种繁琐的状况下 有线通信技术通常不 能满足需求 如果采用无线通信方式 必须着重考虑 网络的可靠性和低延迟性 这也在很大程度上影响 着系统的控制精度 目前 数字农业环境智能测控系统正在逐渐向 信息化 智能化 自动化以及无线化发展 但是 无线 通信往往存在通信不稳定 高延迟 可靠性较低等缺 点 在农业实际生产过程中需要根据具体情况选择 合适的通信技术开展数字农业系统的搭建 2 3 农业模型技术 农业模型 农业人工智能及数据分析等技术贯 穿于数字农业的信息感知 信息传输 信息处理与控 周赛杰 数字农业现状与发展探析 以数字化温室为例 153 现代农业科技 2022年第15期农业工程学 制全过程 是数字农业的核心技术 因为感知生命和 环境两大类信息内容是从数据信号到农业参数的转 化过程 所以需要很多的农业模型来完成 信息传输 包括有线信息传输 无线信息传输 2 种方式都包含 从数据到信息再到数据的整个过程 也需要大量的 农业模型进行分析与处理 此外 信息的管理和操控 主要对获得的数据和资料进行研究和分析 然后制 定对应的管理方案 更加需要农业模型的应用 使用不同的分类方式能够将农业模型划分为不 同的类别 根据不同的研究对象 农业模型能够划分 为农业生物模型 包括农业植物模型 动物模型 微 生物模型 农业环境模型 包括农业气象模型 农业 土壤模型 农业技术模型 包括农业生物技术模型 生态技术模型 信息技术模型以及农业产后技术模 型等 以及农业经济模型 包括农村经济计量模型 市场模型 管理模型 等 根据建模方式和自身特点 的差异 农业模型可分为经验性模型 半机理性模 型 机理性模型 其中 经验性模型主要通过统计方 法构建 其参数估计常用的数据信息难以反映土壤 管理 气候以及其他状况的变化 因而其结论不能进 行外推 也不能反映未来可能出现的气候问题的影 响 机理性模型能够很好地描述系统状况变化的过 程 可以对气象与管理方式等外部变量作出反应 17 半机理性模型相应地处于经验性模型与机理性模型 之间 2 4 农业智能化装备技术 在数字农业的实际应用场景中 为提高农业生 产的效率 往往会采用大量的农业智能化机械设备 以减少对专业技术人员的依赖 并且提高资源的利 用率 回顾过去 50 年水肥一体化技术的发展趋势 18 水肥一体化技术具有诸多优势 如提高水肥利用效 率 有利于农业生产可持续发展等 不但可以大大减 少化肥的使用 而且可以减少养分元素等的淋失破 坏 增强土壤中磷 钾等元素的流动 进而提高其利 用效率 此外 其还可以改善土壤的理化性质 保持 土壤疏松 增加土壤孔隙度 不破坏土壤中的胶体结 构 保持稳定的通气特性 有利于作物根系的生长发 育 然而 水肥一体化技术发展仍面临诸多问题 尚 未基于土壤有机质 作物种类 生长发育时期等施用 化肥 水溶肥理化性质与作物栽培技术 水肥一体化 设备不匹配 水肥一体化技术宣传推广的深度以及 广度不足 国内农业智能机器人技术起步相对较晚 由于 农业生产环境的复杂性 当下存在机器人品类不全 不够智能 购置成本高 操作复杂等诸多问题 这也 影响了农业数字化进程 2 5 蔬菜采后管理技术 在众多农作物中 蔬菜采后管理技术的难度最 大 蔬菜生产具有明显的季节性与地域性 蔬菜自身 具有含水量高 采摘后仍有生命的特点 很容易被机 械设备损坏并发生腐烂 目前 蔬菜采后管理技术可 分为6 种 即简单贮藏 通气库贮藏 机械冷藏 气调 保鲜 减压贮藏和辐射保鲜 蔬菜的保鲜储存仍存在较多问题 如蔬菜采后 管理重视不够 冷藏和冷运能力低 冷链物流体系尚 未形成 蔬菜产品缺乏严格的包装管理体系 对蔬菜 采摘时信息化管理对策与采后储藏性的联系重视不 足 蔬菜保鲜管理能力低等 19 在具体的生产过程中 现有栽培管理方法很难 大幅提升蔬菜和水果的产量 而我国每年采摘后腐 烂造成的损耗高达15 20 西方发达国家在农产 品采摘以后 第一时间进行冷藏保鲜和生产加工 美 国农业总投入中 30 的资金用于采摘前 70 的资 金用于采摘后 意大利 荷兰的农产品保鲜率为 60 日本在70 以上 采后产值与采摘时自然产值 的比值 美国是 3 7 1 0 日本是 2 2 1 0 而我国仅为 0 38 1 00 我国大部分蔬菜在采摘后基本以初始状 态投入市场 损耗程度高 而美国的蔬菜采摘后损耗 仅为1 7 5 0 20 2 6 数字化人才现状 虽然我国大力发展数字化农业建设 且互联网 技术蓬勃发展 数字人才的数量也在大幅提升 但 由于农村建设落后 大量的本土人才流失 从事农业 生产活动的大都是老一辈农民 学历和知识储备普 遍较低 无法胜任专业的数字化农业建设和生产活 154 动 人才是农业数字化改革的核心 但数字化人才 现状不容乐观 这对数字农业的发展来说是非常大 的阻碍 3 结论与展望 目前 数字农业所需要的技术条件基本已经具 备 但同时存在着一些不足 主要不足有缺乏高精度 和高可靠性的设备和通信网络 农业模型的门槛较 高 水肥一体化技术不够精细化 蔬菜采后管理综合 性利用水平不高等 鉴于当前数字农业技术的发展 现状 机遇与挑战并存 可以从以下几个方面入手 加强新型农业传感器的研发 优化现有传感器的可 靠性 稳定性 并逐步降低其成本 提升在数字化温 室等复杂环境中通信技术的稳定性 加强数字化农 技人才的培养 包括农业模型 农机设计 生产贮藏 调度等方面的专业人才 随着科学技术的发展和国家的持续支持 硬件 设备的智能化水平越来越高 通信网络的可靠性逐 步提高 专业人才队伍不断壮大 数字农业的前景将 会一片光明 4 参考文献 1 钟钰 向高质量发展阶段迈进的农业发展导向 J 中州 学刊 2018 5 40 44 2 李谷成 中国农业的绿色生产率革命 1978 2008 年 J 经济学 2014 13 2 537 558 3 张艮龙 尹蓉 设施农业远程监控与智能决策支持系统 的研究 J 山西电子技术 2017 5 80 83 4 高峰 俞立 张文安 等 基于作物水分胁迫声发射技术 的无线传感器网络精量灌溉系统的初步研究 J 农业工 程学报 2008 24 1 60 63 5 余贶琭 基于吸收光谱法的光纤气体传感器及传感网 络 D 北京 北京交通大学 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 张艳诚 胡波 基于模糊C均值聚类的作物病害 叶片图像分割方法研究 J 农业工程学报 2008 24 9 136 140 9 胡建东 段铁城 何赛灵 基于自建模技术的电容土壤水 分传感器研究 J 传感技术学报 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 孙艳红 无线传感器网络在农田温湿度信息采集中的 构建与应用 D 郑州 河南农业大学 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 基于无线传感器网络的设施农业环境自动监控 系统研究 D 杭州 浙江工业大学 2009 15 韩华峰 杜克明 孙忠富 等 基于 ZigBee 网络的温室 环境远程监控系统设计与应用 J 农业工程学报 2009 25 7 158 163 16 高峰 俞立 张文安 等 现代通信技术在设施农业中的 应用综述 J 浙江林学院学报 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 马富裕 刘扬 崔静 等 水肥一体化研究进展 J 新疆 农业科学 2019 56 1 183 192 19 石桂春 蔬菜保鲜储藏的现状 趋势和对策 J 吉林农 业科学 2001 26 4 49 53 20 李里特 赵朝辉 21 世纪初我国果蔬保鲜与加工的发 展方向 J 中国食品工业 2000 7 4 5 周赛杰 数字农业现状与发展探析 以数字化温室为例 155