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互联网 现代农业应用领域(互联网+现代化农业)

科学探索 2023-05-01 12:38www.bnfh.cn科学探索

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　　文

　　许世伟、王东杰、李、高立伟(中国农业科学院农业信息研究所)

　　据测算，2015年，我国农业信息化率达到37%，比“十一五”末提高17个百分点，超过“十二五”35%的预期目标。随着信息技术的快速发展，“互联网+”将互联网的创新与农业发展深度融合，推动了物联网在生产中的应用，促进了线上线下农业和管理的融合，提升了大数据在农业管理中的作用。“互联网”现代农业正在成为当前解决三农问题的重要手段，是实现农业大国向农业强国转变的重要途径。

　　 1.农业物联网和农业生产物联网是基于互联网、传统电信网络和传感器网络的信息载体，可以通过信息传感器设备将所有物理对象与互联网相连，进行计算、处理和知识挖掘，实现智能识别、控制、管理和决策。物联网本质上是通信网络、互联网、传感器技术、移动互联网等新一代信息技术的交叉融合和综合应用。物联网技术的创新推动了农业物联网的快速发展。农业物联网是物联网技术在农业领域的应用。它通过应用各种传感器设备和传感技术，采集农业生产、农产品流通和作物本体的相关信息，通过无线传感器网络、移动通信无线网络和互联网传输信息，对采集到的海量农业信息进行清洗、加工、融合和处理，最终通过智能操作终端实现农业产前、产中、产后的过程监控、科学决策和实时服务。国内外农业物联网技术的应用实践证明，农业物联网是改变农业、农民和农村的新生力量，将对我国农业现代化产生重大而深远的影响。近年来，我国高度重视农业物联网的建设和应用，其实际应用已初见成效，特别是在大田种植、设施园艺、畜牧水产养殖等方面。

　　 1.1物联网在现场的应用

　　目前，我国已经开发了多种田间种植农业的物联网应用模式，包括水稻、小麦、玉米、棉花、果树、真菌等作物。开发的一系列应用技术包括农田信息快速获取技术、田间变量施肥技术、精准灌溉技术、精准管理远程诊断技术、作物长势监测与产量预测技术、智能装备技术等。形成的应用模式包括智能灌溉、土壤墒情监测、病虫害防治等单领域物联网系统。通过应用这些物联网模式，我们可以实现对天气、水、土壤、作物生长等的自动感知、监测、预警和分析。实现智能育苗、精准播种、精准施肥、精准灌溉、精准喷洒、精准作业、精准病虫害防治，有效降低成本，大幅增加利润。新疆生产建设兵团基于物联网技术构建了万亩棉花精准灌溉自动控制和智能管理系统。结合水头控制器、阀门控制器、田间气象站等相关设备，实现了示范区土壤墒情信息感知、土壤墒情预报、灌溉决策、气象信息发布和信息服务等功能。该系统包括智能感知层、无线传输层和平台应用层。软件包括通信后台、管理后台和信息显示前台。基于B/S结构，可实现农田墒情信息感知、墒情预报、灌溉决策、灌溉监控和农田生产管理等功能。该系统基于农业物联网技术，实时监测农田土壤墒情信息，展示土壤墒情的动态变化特征；结合可测量的气象信息，根据土壤水分预测模型，可以预测棉花栽培层土壤水分的消长规律。根据土壤水分预报和作物蒸腾信息，进行灌溉自动决策。，该系统可以提供基于农田生产管理信息的作物耗水量统计分析，为农业节水、水资源优化配置和合理灌溉提供科学指导和服务。根据以上测算，通过物联网技术对棉花精准生产的应用示范，万亩核心区、10万亩示范区、50万亩辐射示范区的棉花增产节约和增收分别可达292.4万元、2924万元、1.462亿元。

　　 1.2物联网在设施园艺中的应用设施园艺是一种集约化程度很高的现代农业，由环境设施和技术设施相匹配。它具有高投入、高科技含量、优质、高产、高效的特点，是最具活力的新型农业产业。随着设施园艺中温室环境监测、作物生理监测、水肥一体化管理、病虫害精准控制、自动加热、自动卷帘、自动通风、工厂化生产等物联网技术水平的不断提高，物联网在设施园艺农业中的应用和推广效益显而易见。

　　某企业利用物联网技术种植草莓。技术人员不需要去现场。只要打开控制室的电脑，登录平台，他们就可以在田间查看土壤水分、pH值等参数。据统计，蓝莓物联网生产管控系统可以将灌溉水的利用率从之前的0.50提高到0.95以上。与地面灌溉相比，可节约灌溉用水30%以上，耕地5% ~ 7%，能源20% ~ 30%，灌溉管理人工30% ~ 40%，年新增经济效益25.19万元，综合节水率45%。

　　 1.3物联网在畜牧业中的应用畜禽养殖物联网主要用于解决畜禽养殖中的标准化环境监控、自动饲养、粪便自动处理、养殖孵化、犊牛精确饲养等问题

　　某企业应用物联网养殖技术，在一个800多头奶牛的养殖场，先后采用了奶牛发情监测系统、奶牛生产性能测定、现代牧场管理信息系统(软件)，取得了良好的效果。奶牛发情监测系统主要由项圈、奶牛阅读器和控制终端组成。包括项圈加速度传感器、微处理器和存储器，可以记录奶牛活动的各种指标(如行走、奔跑、躺卧、站立、反刍等。).通过大量的奶牛行为数据，可以监测奶牛发情和患病的情况，为确定最佳授精时间提供参数。通过物联网技术的优化管理，农场降低了生产成本，提高了产奶量和鲜奶质量。

　　 1.4物联网在水产养殖中的应用水产养殖中的物联网主要用于水质的智能监控和管理、鱼苗培育、远程自动投喂、疾病和疫情的预警和健康管理等。它对水产养殖业的健康、有效和可持续发展起着重要的作用。目前，天津、宜兴、江苏等地区都建立了水产联网示范区。通过物联网技术在水产养殖中的应用，实现了水产品养殖的全程监控和智能管理，具有明显的社会效益和经济效益。

　　上海农业物联网工程技术研究中心应用对虾养殖智能管理系统，结合奉贤区12316区级服务站的服务设备和服务能力，实现了物联网技术与传统农业信息服务渠道的对接。结合农民生产电子档案和物联网感知数据，实现了农技服务部门对农民生产的主动关怀和生产指导。据介绍，在应用物联网技术之前，白天平均每3小时进行一次水质采样，晚上安排专人轮流值班。物联网技术应用后，只需要一个人对设备进行日常维护，平均每亩成虾死亡率降低2.15%。

　　 2.线上线下融合与农业管理现代农业是“线上农业”和“线下农业”的集合。网络农业是指移动互联网等新一代信息技术与农业生产、流通、市场、消费深度融合的农业发展新形态。线下农业是指利用自然生产要素进行农业生产经营活动的传统产业形态。现代信息技术的发展催生了网上农业，网上农业又引出了线下农业，融合了线上线下农业。它不断推动农业管理创新，引领农业生产变革，助推现代农业发展。

　　 2.1信息化的深化发展催生了线上线下农业互联网的诞生和应用，这是人类历史上最伟大的技术革命，改变了人类的生产生活方式。20世纪以来，以信息科学理论突破和通信技术创新为标志的科技进步突飞猛进。20世纪40年代，信息论之父香农发表了著名的《交流的数学理论》，提出了可测信息的最小单位，并给出了信息熵的定义。20世纪40年代中期，世界上第一台电子计算机在美国费城诞生。20世纪50年代初，第一个计算机网络出现在美国国防部实验室。此后，连接计算机终端的各种计算机技术和网络技术突飞猛进。移动终端、智能设施、海量存储、高性能计算、特殊系统层出不穷，形成了一个无论世界、高低、前世，都能瞬间连接人们日常生活和生产活动的“互联网”，极大地改变了人类的生存和活动方式。

　　线上线下农业的分化发展，已经成为互联网时代的必然趋势。现代信息技术正式应用于农业，始于20世纪50年代。美国农业部的Fred Waught博士于1952年将计算机技术应用于饲料混合配方的研究。虽然中国将计算机技术应用于农业比美国晚了近30年，但起步晚，跑得快。从80年代近千台计算机用于资源管理、农业规划、分析和决策，到90年代信息管理系统、农业数据库、农业遥感用于决策支持、农业专家系统，再到21世纪信息技术应用于整个农业。互联网思维深刻影响了农业革命，“互联网”实际上改变了农业生产、经营、消费、贸易的各个方面和环节。“互联网”将带动农业生产方式的变革和农产品消费方式的创新，它将全面感知农业全生命周期中的生产、经营、管理、物流、服务等各个环节。它将改变传统农业的信息匮乏，形成独特的线下农业资源应用和生产组织模式。它将引导新兴农业的方向，规避实体风险，形成以实体农业为导向、与之相匹配的新型网上农业活动形式，呈现出新阶段“线上农业”与“线下农业”相结合的现代农业发展模式。

　　 2.2线上线下农业融合的新实践近年来，在“互联网”的引领下，线上线下农业和农业生产经营的融合不断加快。

　　一是开始实施信息进村入户，“三农”信息高速公路初步建成。2014年，农业部启动信息进村入户试点工作。到2016年，试点范围扩大到26个省116个县，建成运营24000家益农信息社，为农民和新型农业经营主体提供公益服务630万次，提供便民服务1.1亿次，涉及金额39亿元，实现电子商务交易21亿元。信息进村入户的领导体制和工作机制基本建立，市场化运行机制初步形成。信息进村入户工程的实施，为互联网现代农业发展提供了新的基层人流、物流、信息流、资金流集散地。

　　二是电子商务快速发展，线上线下产业融合加快。在共享经济的推动下，农业生产资料、休闲农业、民宿旅游等电子商务平台和模式不断涌现。到2015年，农产品网络零售交易额突破1500亿元。2016年，北京、河北、吉林等10个省(区、市)进一步开展农业电子商务试点，督促12家电商企业与10个省份签订试点工作协议，共同推进农业电子商务。在这些措施的推动下，我国电子商务正在形成跨区域电子商务平台和地方电子商务平台共同发展，东中西部竞相生成，农产品进城，工业品下乡的发展格局。电子商务的发展为解决“三农”问题提供了新的途径。

　　第三，线上线下实践互动正在加速推进农业品牌经营。我国农产品不缺供给，缺的是有效的、高端的、优质的供给。线上线下的实践互动，恰恰为农业品牌推广提供了一个巨大的舞台。2016年中国“互联网”现代农业大会3000人参加，数百家企事业单位展示新技术、新产品、新模式。在第十四届中国国际农产品交易会上，20位省部长上台推介农产品品牌，通过线上线下互动，连接创新者与用户、生产者与消费者、实体店与虚拟网络，并

　　 2.3线上线下融合促进农业经营的有效性。线上线下农业融合催生了大量新业态。线上线下的融合，拓宽了农产品、民俗产品、乡村旅游等市场。催生了农产品深加工、电子商务、创意休闲农业、互联网小镇等新业态，加快一二三产业融合发展；线上线下融合培养了一批新型人才。通过农业部农民手机应用技能培训，到2016年共培训农民6.9万人。农民信息应用能力的提高，必将有助于缩小城乡数字鸿沟；归国企业家正在成为农业领域的一支生力军。在过去的五年里，返乡创业的人数一直保持在两位数。目前，累计返乡农民工已超过450万人。“十二五”末，大学毕业生在农村创业的比例已经达到1%。2016年，农业部评选出107个现代农业“互联网”百强实践案例和103个新型农民创业创新百强成果。“双百”成就的出现，是因为这一批新农民的出现，他们有互联网思维，受过产业化训练，懂得现代信息技术，会触网营销，未来将对线上线下农业的发展发挥重要作用；线上线下融合，形成了一批新模式。线下融合推动了电子商务很多商业模式的创新。目前，电子商务已经从最初以网络营销为主的商业模式发展到目前以合作社、商业组织、政府平台为基础的多种农业电子商务模式并行的局面。也催生了生态农业、乡村旅游、民俗民宿、绿色体验等多种线下新商业模式。2015年，全国休闲农业和乡村旅游接待游客超过22亿人次，营业收入超过4400亿元，从业人员790万人，其中农民630万人，带动550万农民受益。信息进村入户也遍地开花。辽宁秉承“羊毛出在牛身上”的理念，充分利用市场力量，通过“培育一个运营主体，打造百万惠农信息机构”的运营模式创新，完善农业信息服务体系，促进农产品与互联网融合发展。

　　 3.大数据与农业管理大数据是一种容量大、类型多、访问速度快、应用价值高的数据集合，正在迅速发展成为收集、存储和分析海量、来源分散、格式多样的数据，发现新知识、创造新价值、提升新能力的新一代信息技术和服务业态(温福江，2013；许世伟等，2015)。大数据是继矿产资源、能源之后的又一重要国家基础战略资源，正日益对全球生产、流通、分配和消费活动以及经济运行机制、社会生活方式和国家治理能力产生重要影响。

　　农业大数据是大数据理念、技术和方法在农业中的实践。农业大数据是结合了农业的地域性、季节性、多样性、周期性等特点的数据集合。它来源广泛，种类繁多，结构复杂，具有潜在价值，很难用通常的方法进行处理和分析。它保留了大数据本身的基本特征，延伸和深化了农业内部的信息流。大数据技术体系包括大数据采集与预处理技术、大数据存储与管理技术、大数据计算模式与体系、大数据分析与挖掘技术、大数据可视化分析技术和大数据安全技术。目前，农业大数据技术主要集中在农业环境与资源、农业生产、农业市场、农业管理等领域。建立“用数据说话，用数据决策，用数据管理”的管理机制，

　　 3.1大数据提升农业监测预警能力。农业信息监测预警是基于信息流特征，对农产品生产、市场流通、进出口贸易等环节进行全产业链的数据采集、信息分析、预测预警和信息发布的全过程；它还集成了农业信息获取技术、信息处理技术和信息服务技术，对未来农业运行的安全形势做出判断，发出预警，为决策部门和生产经营管理者提供决策参考，有效管理农业生产和市场流通，从而实现产销对接，引导农业有序生产，稳定农产品市场。开展农业信息监测预警是欧美等发达国家的一贯做法。

　　 2002年以来，我国农业信息监测预警系统建设逐步步入专业化发展轨道。经过三年的探索和发展，农业部建立的农产品市场监测预警系统基本实现了对主要农产品市场供求、价格走势等重要信息的动态实时监测。随着我国农业信息化的深入发展，在农业大数据的驱动下，数据驱动决策的工作机制正在悄然形成。我国有关部门也建立了一些大型的农业信息监测预警系统，为我国农业信息监测预警系统的建设和完善不断积蓄力量。如国家粮食局的粮食宏观调控监测预警系统、商务部的生猪、重要生产资料和重要商品预测预警系统、新华社的全国农副产品价格行情系统等，都在实际工作中得到了很好的运用。在科研院所农业信息监测预警系统建设中，中国农业科学院农业信息研究所开发的中国农业监测预警系统(CAMES)覆盖了11大类953种农产品。通过应用经济学、农学、气象学、计算机等多学科知识，实现了生物机制与经济机制的融合，成为我国农业信息监测预警系统建设的重要进展。

　　农业信息发布是引导市场预期和生产的专业化活动。需要通过专业化建设提高素质、强化特色、树立权威、增强话语权。农业部作为我国农业信息发布的重要部门之一，正在成为引导我国农产品市场预期的重要风向标。开展农业展望，加强农业信息监测预警，是我国农业适应国际化、信息化、市场化发展的现实需要，也是我国现代农业经营体系的创新。2014年，首届中国农业展望大会在国内召开，《中国农业展望报告（2014-2023）》发布，开启了提前释放市场信号，有效引导市场，积极应对国际变化的新篇章。截至2016年底，我国已成功举办三届农业展望大会，在国内外引起良好反响。会议的前景及其发表的成果得到了粮农组织、经合组织等组织相关专家的高度评价，提升了中国的国际话语权和影响力。

　　 3.2大数据提高农业管理效率。大数据的作用不仅在于更好地发现自身价值，还在于帮助其他要素更好地认识自身，发挥耦合因素的作用，提升其他事物的价值，促进“价值倍增”。大数据正在成为新时期我国高效管理农业、提高农业管理效率、破解资源环境瓶颈的重要抓手

　　在政府层面，吉林农委依托信息服务手段，提升测土配方施肥技术服务水平。基于10年的测土配方施肥大数据，开发了测土配方施肥手机服务系统。通过拨打12582，种植户说明自己的种植意向和产量水平，测土配方施肥的建议会以短信的形式发送到农民手机上，实现对农民的施肥指导，提高农民的肥料利用效率。2013年3月初，该系统正式上线运行，开始为伊通县农民提供技术咨询服务。仅在4月份，就有13，000多名农民打电话接受服务，高峰时每天有600-700名农民应用这项技术。目前，伊通县已有2万多户农民应用了这项服务，极大地方便了农民选肥、混肥、购肥。

　　在科研层面，为了探索植物基因组大数据背后的生命信息，中国农业科学院蔬菜研究所团队将基因组等大数据应用于植物次生代谢的研究。通过分析蔬菜上万个基因的变异和表达特征，最终揭示了葫芦科作物苦味形态的进化特征和黄瓜苦味的形成机理，成为我国科研领域利用大数据改良蔬菜品质的成功实践之一。

　　在企业层面，一些电商利用大数据来保证食品的可追溯性。根据不同类型农产品的生长特点，用二维码携带产品名称、产品特性、产地、种植者、生长周期、生长期肥料用量、农药用量、采摘上市日期等不同的溯源信息。一些农业产业化龙头企业利用养殖业大数据，完善养殖业生态圈，通过生猪管理系统、生猪金融、生猪数据、生猪交易等模块，帮助养殖户构建代管理体系，积累大量全国范围内的生猪数据，可以为养殖户提供数据资产，提高养殖效率。而且通过积累农户数据，建立征信系统，为农户提供融资服务。

　　 3.3利用大数据做好电子政务管理电子政务利用计算机、网络、通信等现代信息技术手段和专业信息平台，实现政府组织架构和工作流程的优化重组，建立精简、高效、廉洁、公正的政府运行模式，全方位向社会提供优质、规范、透明、高水平的管理和服务。电子政务促进了政府与公众的互动沟通，提高了行政效率，加强了网络信息安全管理和数据资源开发利用，提升了综合管理、决策服务、应急管理和公共服务能力。

　　农业应急管理信息化建设是国家应急管理体系建设的重要组成部分，是农业信息化建设的重要内容，是适应我国现代农业发展需要，有效提升农业应急管理能力，积极推进农业治理体系和治理能力现代化的重要举措。农业部先后发布了《国家突发重大动物疫情应急预案》 《农业重大自然灾害突发事件应急预案》 《全国草原火灾应急预案渔业船舶水上安全突发事件应急预案》等16个应急预案，加强了与国务院办公厅、水利部、卫生部、国家林业局、国家气象局、国家地震局相关应急预案的衔接，为及时有效应对农业突发公共事件提供了科学依据。

　　 “金农工程”是国家12个电子政务重点工程之一，是农业电子政务建设和农业信息化的重要基础工程。2014年6月19日通过竣工验收。该项目建立了互联互通的国家和省级农业数据中心、国家农业科技数据分中心、国家和省级粮食购销数据中心以及国家农业信息中心

　　，大数据在我国食品安全监管中的运用不断加强。2015年6月，国务院新发布《关于运用大数据加强对市场主体服务和监管的若干意见》，明确提出建立产品信息追溯体系，加强对食品、农产品等关系人民群众生命财产安全的重要产品的监督管理。利用物联网、射频识别等信息技术建立产品质量追溯体系，形成来源可追溯、去向可追溯、责任可追究的信息链，方便监管部门。

　　 4.观点

　　 4.1农业生产将发生智能化变革。农业物联网的广泛和深层次应用，可以推动农业生产方式向高产、高效、低耗、优质、生态、安全方向转变。现代农业的需求和当代社会的发展决定了中国农业物联网的发展将呈现以下趋势

　　 (1)低成本、小型化和移动传感设备成为农业物联网应用的关键。目前，大多数用于农业的传感器设备成本高，耐用性差，使用频率短。未来，随着传感器技术的发展，低成本、通用的微型传感器将决定农业物联网产品的推广应用。

　　 (2)智能数据处理成为农业物联网的前沿。物联网的核心是数据的处理和分析，最终用于辅助人类决策。数据的分析和处理涉及人工智能、概率论、统计学、机器学习、数据挖掘和各种相关学科的综合应用，以及计算机建模和实现。它是当代信息技术的核心和前沿，是“智”的源泉和动力。农业物联网只有实现智能化的数据处理，才能真正显示出它的巨大优势；

　　 (3)与时空要素的结合成为农业物联网拓展应用的重点。时空特征是农业系统的固有属性。没有时间和空间要素，农业数据和信息的处理将会有偏差和错误。未来，农业物联网应用系统将实现与时空信息的集成和融合，实现时空信息环境下的柔性数据分析和处理，提高农业决策的准确性；

　　 (4)统一的应用标准体系将成为农业物联网的基础。缺乏相关的工作标准、管理标准和技术标准，已成为影响农业物联网发展的首要问题，也是制约其在现代农业中发展的重要因素。

　　 4.2农业经营将进入“双线”牵引的新时代。在“互联网”现代农业的驱动下，中国农业线上线下、产业内外的融合将加速，将进入线上线下“双线”牵引的新时代。线下农业是线上农业繁荣发展的源泉，是现代农业的“根”。线上农业是线下农业的探照灯和听诊器。未来，在“互联网”现代农业背景下，要始终坚持线上线下互动、虚拟与实体融合、传统与现代结合、结构与功能匹配、产品与产业对接、属性与形式统一，“两手抓，两手都要硬”，妥善处理网络农业。

　　要加快线上线下农业信息化基础设施项目建设。进一步加快“宽带中国”战略在农村的深入实施，特别是加快老少边穷地区信息基础设施建设步伐，实现村村通网络。深化信息进村入户工程，加快益农信息社建设进度，建立全国信息进村入户平台，努力建设农业信息化平台

　　 4.2农业大数据治理将进一步推动农业大数据工作，它将继续向深度和广度延伸。随着信息化和农业现代化的不断深入，农业农村大数据与农业产业全面深度融合，逐渐成为农业生产的定位器、农业市场的航标灯和农业管理的指挥棒，日益成为智慧农业的神经系统和推进农业现代化的核心关键要素。农业大数据的发展正在挑战传统的数据处理技术体系，要求我们在数据采集、数据标准、数据处理、数据分析、数据呈现等方面进行全新的技术升级。国家农业数据中心建设将不断加强，农业大数据共享开放将逐步推进，数据标准建设有待完善，数据安全管理也将面临巨大挑战。

　　农业大数据正在推动农业监测预警的思维方式和工作范式的变革。随着未来我国农业信息化的深入发展，农业大数据将推动农业信息监测预警的分析对象和研究内容更加细化，数据获取技术更加便捷，信息处理技术更加智能，信息表达和服务技术更加精准。随着大数据技术在农业监测预警领域的广泛应用，构建农业基准数据库、研究农产品信息实时采集技术、构建复杂智能模型分析系统、建立可视化预警服务平台将成为未来农产品监测预警的重要趋势。

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