智慧農業:信息科技與農業的深度融合
發表時間 2018-06-05 14:19 來源 本站原創

  趙春江院士

  國家農業信息化工程技術研究中心



趙春江院士介紹農機物聯網技術產品

  【前言】人類社會經歷了農業革命、工業革命,正在經歷信息革命。農業自身發展經歷了以矮桿品種為代表的第一次綠色革命、以動植物轉基因為核心的第二次綠色革命。隨著現代信息技術的發展,農業的第三次革命——農業數字技術革命正在到來。現代信息技術為我國農業現代化發展提供了前所未有的新動能,信息技術與農業的深度融合,催生了數字農業、精準農業、智慧農業等以信息知識為核心要素的現代農業。智慧農業是按照工業發展理念,以信息和知識為生產要素,通過互聯網、物聯網、云計算、大數據、智能裝備等現代信息技術與農業深度跨界融合,實現農業生產全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入和個性化服務的全新農業生產方式,是農業信息化發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段,是中國農業4.0的核心內容。

  1、智慧農業已經成為世界現代農業發展趨勢

  智慧農業(Smart Agriculture/Farming)已成為當今世界現代農業發展的大趨勢。2014年,日本啟動實施“戰略創新/創造計劃(Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program,SIP),并于2015年啟動了基于智能機械+IT的“下一代農林水產業創造技術”。2017年10月12日,歐洲農機協會(CEMA)召開峰會,提出在信息化背景下,農業的數字技術革命正在到來,未來歐洲農業發展方向是以現代信息技術與先進農機裝備應用為特征的農業4.0(Farming4.0);英國國家精準農業研究中心在歐盟FP7支持下,正實施Future Farm智慧農業項目,研發除草機器人,替代化學農藥。加拿大聯邦政府預測與策劃組織在其發布的《MetaScan3:新興技術與相關信息圖》報告中指出,土壤與作物感應器(傳感器)、家畜生物識別技術、變速收割控制、農業機器人、機械化農場網絡、封閉式生態系統、垂直(工廠化)農業等技術將在未來5-10年進入到生產實際,改變傳統農業。美國提出智慧農業研究計劃,預計到2020年,美國平均每個農場將擁有50臺連接物聯網的設備。根據國際咨詢機構(Research and Market)預測,到2025年,全球智慧農業市值將達到182.1 億美元,主要包括精準農業、畜禽精準監測、智慧水產養殖、智能化溫室、農業機器人等。

  2、智慧農業是我國現代農業發展的客觀要求

  智慧農業可大幅度提高農業勞動生產率、資源利用率和土地產出率。據統計數據,美國人均農業勞動產值高達7-8萬美元,歐洲國家為5-6萬美元,日本與韓國為3-5萬美元。我國農業生產效率遠低于發達國家。以設施園藝生產為例,我國每畝年均用時3600小時以上,按人均管理面積計算僅相當于日本的1/5,西歐的1/50和美國的1/300;而產量和水肥利用效率分別僅為荷蘭的1/3-1/4和1/2-1/3。發達國家農業生產效率高的重要原因之一是廣泛采用現代農業信息技術和裝備進行智能化管理,在提高了效率的同時還大幅度降低了人工成本。

  當前我國現代農業發展面臨著“誰來種地、怎樣把地種好”的重大問題,面臨著質量效益不高、產業國際競爭力不強、供給側改革等嚴峻挑戰。隨著城鎮化的發展,農村勞力大量轉移,導致10種主要農產品人工成本大幅度增加,超過總成本50%,多種農產品的國內市場價高于國外到岸價近30%。我國農業在經歷了人力和畜力為主的傳統農業(農業1.0)、生物-化學農業(農業2.0)、機械化農業(農業3.0)之后,必須進一步轉變農業生產方式,以信息和知識為要素,將現代信息技術與農業深度融合,大力發展智慧農業(農業4.0),實現農業“機器替代人力”、“電腦替代人腦”、“自主可控替代技術進口”的三大轉變,大幅度提高農業生產效率、效能、效益。智慧農業引領現代農業發展,是中國農業歷史發展階段的客觀要求。2018年2月《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》中明確提出:“大力發展數字農業,實施智慧農業林業水利工程,推進物聯網試驗示范和遙感技術應用。”

  3、智慧農業研究應用實踐

  作者帶領團隊早在1991年就開展了信息技術在農業領域應用的研究實踐,逐步建立了智慧農業技術、產品、應用體系,研究成果在全國31個省市得到廣泛應用。

  ——大田精準農業技術。精準農業是綜合運用現代信息技術和智能裝備技術,對農業生產進行定量決策、變量投入、定位實施的現代農業操作技術系統,是在資源硬約束背景下用現代工業技術成果裝備農業后形成的一種新的高度集約化現代農業生產類型。精準農業體現了“因地制宜、按需投入”的思想,由于精準農業具有科技含量較高、生產手段先進、技術集成性強的特點,對于提高農業資源利用率和農業綜合生產能力具有顯著作用,成為解決農業高產優質、資源高效利用和可持續發展問題的有效技術途徑。經過近20年的潛心研究,作者帶領團隊創新了4項精準農業自主核心技術。一是建立了天空地一體化的作物氮素快速信息獲取技術,可實現省域、縣域、農場、田塊不同空間尺度和作物不同生育時期時間尺度的作物氮素營養監測;二是研究出農機北斗自動導航與測控技術,打破國外壟斷,提高了農機作業質量和效率,保證了國家農業生產安全;三是研究出精準施肥、精準施藥控制技術,實現了“合適地點投入合適量”的農藝要求,大大提高了肥藥利用率;四是研制了典型作業環節的精準監測系統,其農機深松作業監測系統解決了作業面積和質量人工核查難的問題,為國家補貼發放提供依據,在全國21個省市推廣應用3萬套,市場占比35%;研制出農業航空施藥監測系統,解決了作業監管、面積計量、質量評估的三難問題。精準農業研究成果,在全國100多個大農場及規模產區累計應用1.2億畝,占全國大農場面積20%。

  ——設施農業物聯網技術。圍繞設施溫室智能化管理的需求,自主研制了設施農業作物環境信息感知、智能控制與遠程管理技術產品,實現了工程化應用,解決了溫室智能管控技術“有的用,用得起,用的好”問題。針對進口傳感器成本高、國產傳感器性能差的問題,研制出溫室環境與作物生命信息等系列傳感器,可實時監測溫室環境和作物長勢;為解決單純時序控制的弊端,研制出基于作物肥水需求模型的智能多回路溫室控制器、節水灌溉控制器和溫室注肥噴藥一體機,可對作物按需調控;建立了包括數據采集/傳輸/分析、設備驅動和智能控制等功能的組態化設施農業測控技術集成應用平臺,支持各類傳感器及受控設備“即插即用”,可快速定制不同設施環境、水/肥/藥等農業生產關鍵要素的測控系統,該產品被認定為國家自主創新產品。各類技術產品在500多個園區、1000多家企業、近萬個大棚累計推廣10萬多臺套,提高了溫室生產按需調控和智能化管理水平。

  ——基于大數據的基層農技推廣服務云平臺。按照“農業科技資源一張網”和“全國產業一張圖”的思路,創新互聯網農業知識庫邏輯架構,打造專家、技術、數據、服務和產業相協同的基層農技推廣服務云平臺。建立了全國農情全方位、立體化和多維度的監測與預報體系,形成以農技人員為源頭的苗情、墑情、病蟲害、疫情、自然災害等動態監測信息點20萬個,自2017年8月份以來發布農情100多萬條;研制了機器視覺和深度學習的線上專家診斷服務系統,解答品種選擇、病蟲草害、栽培管理、動物疫病五大類生產問題150萬個,人工與智能問答1230萬次;形成區域、品種、生育期、生產指導方案和病蟲害庫相關聯的知識圖譜900TB、農業知識實體單元466萬個,構建了全國基層農技智能服務大腦和海量農業知識神經元,打通全國91套地方專業大數據平臺,構建了由52萬農技人員/專家、130萬職業農民/新型經營主體組成的知識服務中心。平臺集成大數據聚合分析模型,建立了大數據、人工智能與農業社會化服務深度融合的新模式,并與第三方氣象預測平臺、精準扶貧平臺、電商平臺、金融保險平臺、渠道平臺等實現開放共享,提供標準化生產、職業培訓、生產與服務雙追溯、創業融資、品牌建設、市場開拓等社會化大數據服務。



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  4、對智慧農業未來發展的思考

  我國是個農業大國,農業具有很強的生態區域性特點,各地社會、經濟、信息化水平和產業發展各不相同。國家鄉村振興戰略的重大需求,要求我們必須因地制宜地推進智慧農業發展。一是要加強政府引導,統籌各類資源,圍繞重點領域重點產業實施一批智慧農業重大項目工程,促進農業一二三產融合發展,增加農民收入;二是制定相關補貼政策,像農機購置補貼一樣,對智慧農業技術產品和應用主體給予政策性補貼,減免農村地區互聯網接入費用和農民移動通訊、數據傳輸費用;三是充分調動地方和企業的積極性,建立多方投入機制,加強資金投入力度。考慮到農業的公益性和公共性,在當前農業信息技術產業化水平低和農民投入水平有限的情況下,政府部門要將農業信息與工業信息化區別對待,加大政府投入,并列入政府的基本建設預算;四是加強技術標準和人才隊伍建設,加強自主技術創新和國際合作,建立一定權限的數據開放共享機制,提高投入資金使用效率,促進智慧農業可持續發展。

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