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

周賽杰

（浙江虞盛農業(yè)發(fā)展有限責任公司，浙江紹興 312000）

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(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(xiàn)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(shù)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(shù)字農業(yè)技術是關鍵。如今，我國要充分發(fā)揮數(shù)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(shù)字技術力量，全方位促進數(shù)字農業(yè)改革，加快傳統(tǒng)農業(yè)的更新改造。

1 數(shù)字農業(yè)的概念

數(shù)字農業(yè)是指在地理空間與物聯(lián)網(wǎng)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(shù)字農業(yè)是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，借助云計算技術和數(shù)據(jù)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(jīng)營模式。數(shù)字農業(yè)充分利用現(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)字農業(yè)在溫室生產中的應用現(xiàn)狀

2.1 傳感器技術

在數(shù)字化溫室的生產環(huán)境中，農業(yè)傳感器的應用成為數(shù)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?，F(xiàn)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(jīng)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(shù)據(jù)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(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雜或者無線傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的收集以及農業(yè)設備的智能化、自動化技術是區(qū)分數(shù)字農業(yè)與傳統(tǒng)農業(yè)的關鍵技術之一。網(wǎng)絡通信是數(shù)字農業(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)絡按照需要采取互不同的通信技術。根據(jù)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(shù)字化溫室生產場景內，如果僅實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(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(jù)具體情況選擇合適的通信技術開展數(shù)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(shù)據(jù)分析等技術貫穿于數(shù)字農業(yè)的信息感知、信息傳輸、信息處理與控制全過程，是數(shù)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(shù)據(jù)信號到農業(yè)參數(shù)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(shù)據(jù)到信息再到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(jīng)濟模型（包括農村經(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[17]；半機理性模型相應地處于經(jīng)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(shù)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(shù)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(lián)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(xiàn)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(shù)字化人才現(xiàn)狀

雖然我國大力發(fā)展數(shù)字化農業(yè)建設，且互聯(lián)網(wǎng)技術蓬勃發(fā)展，數(shù)字人才的數(shù)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(shù)字化農業(yè)建設和生產活動。人才是農業(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)字農業(yè)的發(fā)展來說是非常大的阻礙。

3 結論與展望

目前，數(shù)字農業(yè)所需要的技術條件基本已經(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備和通信網(wǎng)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(shù)字農業(yè)技術的發(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)字化溫室等復雜環(huán)境中通信技術的穩(wěn)定性；加強數(shù)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(wǎng)絡的可靠性逐步提高，專業(yè)人才隊伍不斷壯大，數(shù)字農業(yè)的前景將會一片光明。