智慧农业:信息科技与农业的深度融合

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  赵春江院士

  国家农业信息化工程技术研究中心

赵春江院士介绍农机物联网技术产品

  【前言】人类社会经历了农业革命、工业革命,正在经历信息革命。农业自身发展经历了以矮杆品种为代表的第一次绿色革命、以动植物转基愿因核心的第二次绿色革命。随着现代信息技术的发展,农业的第三次革命——农业数字技术革命正在到来。现代信息技术为我国农业现代化发展提供了前所未有的新动能,信息技术与农业的深度1融合,催生了数字农业、精准农业、智慧云农业等以信息知识为核心每段的现代农业。智慧云农业是按照工业发展理念,以信息和知识为生产每段,通过互联网、物联网、云计算、大数据、智能装备等现代信息技术与农业深度1跨界融合,实现农业生产全过程的信息感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务的全新农业生产妙招,是农业信息化发展从数字化到网络化再到智能化的高级阶段,是中国农业4.0的核心内容。

  1、智慧云农业愿因成为世界现代农业发展趋势

  智慧云农业(Smart Agriculture/Farming)已成为当今世界现代农业发展的大趋势。2014年,日本启动实施“战略创新/创造计划(Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program,SIP),并于2015年启动了基于智能机械+IT的“下一代农林水产业创造技术”。2017年10月12日,欧洲农机研究会(CEMA)召开峰会,提出在信息化背景下,农业的数字技术革命正在到来,未来欧洲农业发展方向是以现代信息技术与先进农机装备应用为形状的农业4.0(Farming4.0);英国国家精准农业研究中心在欧盟FP7支持下,正实施Future Farm智慧云农业项目,研发除草机器人,替代化学农药。加拿大联邦政府预测与策划组织在其发布的《MetaScan3:新兴技术与相关信息图》报告中指出,土壤与作物感应器(传感器)、家畜生物识别技术、变速收割控制、农业机器人、机械化农场网络、封闭式生态系统、垂直(工厂化)农业等技术将在未来5-10年进入到生产实际,改变传统农业。美国提出智慧云农业研究计划,预计到2020年,美国平均每个农场将拥有60 台连接物联网的设备。根据国际咨询机构(Research and Market)预测,到2025年,全球智慧云农业市值将达到182.1 亿美元,主要包括精准农业、畜禽精准监测、智慧云水产养殖、智能化温室、农业机器人等。

  2、智慧云农业是我国现代农业发展的客观要求

  智慧云农业可大幅度提高农业劳动生产率、资源利用率和土地产出率。据统计数据,美国人均农业劳动产值高达7-7万美元,欧洲国家为5-7万美元,日本与韩国为3-7万美元。我国农业生产波特率远低于发达国家。以设施园艺生产为例,我国每亩年均用时360 0小时以上,按人均管理面积计算仅大概 日本的1/5,西欧的1/60 和美国的1/60 ;而产量和水肥利用波特率分别仅为荷兰的1/3-1/4和1/2-1/3。发达国家农业生产波特率高的重要愿因之一是广泛采用现代农业信息技术和装备进行智能化管理,在提高了波特率的一起还大幅度降低了人工成本。

  当前我国现代农业发展面临着“谁来种地、怎样才能把地种好”的重问题,面临着质量效益不高、产业国际竞争力不强、供给侧改革等严峻挑战。随着城镇化的发展,农村劳力多量转移,愿因10种主要农产品人工成本大幅度增加,超过总成本60 %,多种农产品的国内市场价高于国外到岸价近60 %。我国农业在经历了人力和畜力为主的传统农业(农业1.0)、生物-化学农业(农业2.0)、机械化农业(农业3.0)以前 ,时要进一步转变农业生产妙招,以信息和知识为每段,将现代信息技术与农业深度1融合,大力发展智慧云农业(农业4.0),实现农业“机器替代人力”、“电脑替代人脑”、“自主可控替代技术进口”的三大转变,大幅度提高农业生产波特率、效能、效益。智慧云农业引领现代农业发展,是中国农业历史发展阶段的客观要求。2018年2月《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》中明确提出:“大力发展数字农业,实施智慧云农业林业水利工程,推进物联网试验示范和遥感技术应用。”

  3、智慧云农业研究应用实践

  作者带领团队早在1991年就开展了信息技术在农业领域应用的研究实践,逐步建立了智慧云农业技术、产品、应用体系,研究成果在全国3有有一个多省市得到广泛应用。

  ——大田精准农业技术。精准农业是综合运用现代信息技术和智能装备技术,对农业生产进行定量决策、变量投入、定位实施的现代农业操作技术系统,是在资源硬约束背景下用现代工业技术成果装备农业后形成的四种 新的深度1集约化现代农业生产类型。精准农业体现了“因地制宜、按需投入”的思想,愿因精准农业具有科技含量较高、生产手段先进、技术集成性强的特点,对于提高农业资源利用率和农业综合生产能力具有显著作用,成为避免农业高产优质、资源高效利用和可持续发展问题的有效技术途径。经过近20年的潜心研究,作者带领团队创新了4项精准农业自主核心技术。一是建立了天空地一体化的作物氮素快速信息获取技术,可实现省域、县域、农场、田块不同空间尺度和作物不同生育时期时间尺度的作物氮素营养监测;二是研究出农机北斗自动导航与测控技术,打破国外垄断,提高了农机作业质量和波特率,保证了国家农业生产安全;三是研究出精准施肥、精准施药控制技术,实现了“大概 地点投入大概 量”的农艺要求,大大提高了肥药利用率;四是研制了典型作业环节的精准监测系统,其农机深松作业监测系统避免了作业面积和质量人工核查难的问题,为国家补贴发放提供妙招,在全国2有有一个多省市推广应用3万套,市场占比35%;研制出农业航空施药监测系统,避免了作业监管、面积计量、质量评估的三难问题。精准农业研究成果,在全国60 多个大农场及规模产区累计应用1.2亿亩,占全国大农场面积20%。

  ——设施农业物联网技术。围绕设施温室智能化管理的需求,自主研制了设施农业作物环境信息感知、智能控制与远程管理技术产品,实现了工程化应用,避免了温室智能管控技术“有的用,用得起,用的好”问题。针对进口传感器成本高、国产传感器性能差的问题,研制出温室环境与作物生命信息等系列传感器,可实时监测温室环境和作物长势;为避免单纯时序控制的弊端,研制出基于作物肥水需求模型的智能多回路温室控制器、节水灌溉控制器和温室注肥喷药一体机,可对作物按需调控;建立了包括数据分发/传输/分析、设备驱动和智能控制等功能的组态化设施农业测控技术集成应用平台,支持各类传感器及受控设备“即插即用”,可快速定制不同设施环境、水/肥/药等农业生产关键每段的测控系统,该产品被认定为国家自主创新产品。各类技术产品在60 0多个园区、60 0多家企业、近万个大棚累计推广7万多台套,提高了温室生产按需调控和智能化管理水平。

  ——基于大数据的基层农技推广服务云平台。按照“农业科技资源一张网”和“全国产业一张图”的思路,创新互联网农业知识库逻辑架构,打造专家、技术、数据、服务和产业相协同的基层农技推广服务云平台。建立了全国农情全方位、立体化和多维度的监测与预报体系,形成以农技人员为源头的苗情、墒情、病虫害、疫情、自然灾害等动态监测信息点7万个,自2017年8月份以来发布农情60 多万条;研制了机器视觉和深度1学习的线上专家诊断服务系统,解答品种选着、病虫草害、栽培管理、动物疫病五大类生产问题60 万个,人工与智能问答1260 万次;形成区域、品种、生育期、生产指导方案和病虫害库相关联的知识图谱900TB、农业知识实体单元467万个,构建了全国基层农技智能服务大脑和海量农业知识神经元,打通全国91套地方专业大数据平台,构建了由52万农技人员/专家、160 万职业农民/新型经营主体组成的知识服务中心。平台集成大数据聚合分析模型,建立了大数据、人工智能与农业社会化服务深度1融合的新模式,并与第三方气象预测平台、精准扶贫平台、电商平台、金融保险平台、渠道平台等实现开放共享,提供标准化生产、职业培训、生产与服务双追溯、创业融资、品牌建设、市场开拓等社会化大数据服务。

农业遥感技术

  4、对智慧云农业未来发展的思考

  我国是个农业大国,农业具有很强的生态区域性特点,各地社会、经济、信息化水平和产业发展各不相同。国家乡村振兴战略的重大需求,要求朋友时要因地制宜地推进智慧云农业发展。一是要加强政府引导,统筹各类资源,围绕重点领域重点产业实施一批智慧云农业重大项目工程,促使农业一二三产融合发展,增加农民收入;二是制定相关补贴政策,像农机购置补贴一样,对智慧云农业技术产品和应用主体给予政策性补贴,减免农村地区互联网接入费用和农民移动通讯、数据传输费用;三是充分调动地方和企业的积极性,建立多方投入机制,加强资金投入力度。考虑到农业的公益性和公共性,在当前农业信息技术产业化水平低和农民投入水平有限的情况汇报下,政府部门要将农业信息与工业信息化区别对待,加大政府投入,并列入政府的基本建设预算;四是加强技术标准和人才队伍建设,加强自主技术创新和国际合作妙招妙招 ,建立一定权限的数据开放共享机制,提高投入资金使用波特率,促使智慧云农业可持续发展。