智能农业管理平台研究与应用

孙瑶

摘要 [目的]为了更好地实现耕地资源的高效合理利用和农业现代化精准管理。[方法]在系统分析农业智能化建设的基础上，深入分析了智能农业在国内外应用背景状况和发展现状，提出了智能农业建设的重要性。[结果]全球定位系统、地理信息系统、遥感监测系统、农业专家决策系统、农业环境监测系统、智能化农机具系统、农田信息采集系统、新型应用集成系统、智能农业网络管理系统和远程在线培训系统构成了智能农业管理平台的技术体系。[结论]我国农业物联网架构模型、信息感知、信息传输、信息处理等技术水平较低，要构建优质的智能农业系统，需要根据实际需求合理规划系统架构，并对其功能模块进行细化分析。

关键词 智能农业;3S技术;管理平台

中图分类号：F302.2 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）02-065-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.025

Application Research of the Intelligent Agricultural Management Platform

SUN Yao（Yantai Agricultural Technology Promotion Center，Yantai，Shandong 264001）

Abstract [Objective] In order to better realize the rational use of cultivated land and the precise management of agricultural modernization. [Method] On the basis of systematically summarizing the paper on intelligent agriculture，some suggestions strengthening the construction of agricultural intelligence were put forward. Meanwhile，the application background and current situation of intelligent agriculture at home and abroad were deeply studied. [Result] According to the research，global positioning systems（GPS），geographic information systems（GIS），remote sensing systems，agricultural expert decision systems，agricultural environmental information systems，intelligent agricultural machinery systems，field information collection systems，new application integration systems，intelligent agricultural network management systems，remote online training systems， constituted the technical system of intelligent agricultural management platform. [Conclusion] At present，architecture model of agricultural iot，information perception，information transmission，and information processing in China were at a lower technical level. To build a high-quality intelligent agricultural system，it was necessary rationally plan the system architecture according to actual demands，and conduct detailed analysis of functional modules.

Key words   Intelligent agriculture;3S technology;Management platform

智能農业（也称工业农业），是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现高效集约可持续发展的现代化先进农业生产方式，即农业先进设施与土地相配套、技术规格高度匹配和高效率的集约化生产经营模式，是继传统农业、机械化农业、自动化农业之后更高的农业发展阶段。智能农业的出现有利于减少农业要素投入，改变传统粗放的农业经营管理模式，实现有限农业资源的高效集约化规模经营生产模式，最大限度地减少农业面源污染，实现绿色可持续发展，提高农产品质量[1-4]。

目前，中国农业发展正处在从传统向现代农业过渡的过程中，土地资源短缺、产品结构不合理、农产品质量安全问题严重、自然灾害抵御能力低下、劳动力老龄化加剧、农业生态环境压力增大等问题突出，迫使农业生物技术、信息技术和装备技术的创新步伐不断加快，传统农业生产方式、经营方式和管理方式的转变，要充分抓住国家实施“互联网+农业”行动计划的机遇，才能稳步推进中国走向智能农业时代[5-6]。

1 智能农业应用背景

1.1 我国农业发展现状

作为一个农业大国，我国用世界10%的耕地、6%的淡水养活了世界20%的人口、提供了世界25%的粮食，然而这一成果是通过大量消耗资源和破坏生态环境而获得的。中国化肥的利用率仅为发达国家的1/2，单位面积的农药使用量却为世界平均水平的2.5倍，水资源的利用率仅为发达国家利用率的1/3[7]。农业现代化依然存在不足，主要体现为劳动生产率低、土地产出率低、资源利用率低，导致生产成本高、农业竞争力低、农民收入增长慢[8]。对于资源禀赋本就不富足的中国来说，农业发展不能依靠无休止的资源消耗，而是明显受到资源的刚性制约，特别是在城镇化、工业化的大力推进下，劳动力、耕地、水资源等传统生产要素正在向非农产业剥离，而且在有限资源的情况下，我国人口还在不断增长，对粮食和资源的需求量将更大[9-10]。

在资源环境和补贴政策严重制约、价格“天花板”与成本“地板”双重挤压的形势下，中国农业迫切需走一条以信息技术为核心的网络化、智能化、精细化、组织化的发展道路，可有效提升农业生产效率和增值空间。以智能农业为特色的新型农业发展模式可以促进农业的规模化、标准化和产业化发展，提升农业生产、经营、管理、服务的技术装备，挖掘并有效的提升潜在生产能力，这将是未来中国农业生产实现持续健康发展的有效途径[11-12]。

因此，当前要科学定位国内农业的发展阶段，理清我国从传统农业到智能农业的位置，提前谋划、系统规划，制定符合中国国情的农业发展路径，走出一条集约、高效、优质、生态、安全的现代农业道路，具有十分重要意义。

1.2 国际智能农业发展

目前智能农业的国际惯例是将物联网技术与农业相结合，发展的特点为：利用物联网技术，保障农业集约、高产、优质、高效、生态、安全的生产。确保农业发展和工业化信息化发展相协调，并用工业化和信息化促进农业智能化。

1.2.1 德国 德国作为一个高度发达的工业国家，其生产效率也很高。“数字农业”概念的引入与“工业4.0”并无不同。它一直致力于智能农业的政策与环境、农业物联网基础设施建设和数据库建设。通过大数据和云技术的应用，将农田天气、土壤、降水、温度、地理位置等上传云端并在平台上处理，然后将处理好数据发送到智能化的大型农业机械上进行精细作业。

1.2.2 法国 信息技术发展的必然结果是精确农业。尽管精确农业的发起国是美国，法国虽然在10年后对其进行了研究，但其应用水平和程度都不低[13]。在法国，物联网技术用于测报病虫害灾情，自动化施肥，打药和灌溉等田间管理;同时分析土壤环境。在生产、采收、加工和储藏等环节实现计算机的全程实时监控。

1.2.3 日本 实施农业IT战略促进智能农业发展，平均每个县有一个智能农业网络信息中心，大力建设气象、病虫害防治、农业栽培技术等数据库。建立了全国农业信息的收集、处理、储存和传输的（DRESS）管理信息系统。据调查，东芝公司在东京神奈川县建成了占地50 000 m2的智能农业生产基地，该基地采用电子遥感技术、新能源技术和自动化管理系统，为各种蔬菜批量生产提供所需土、肥、水、光。相关负责人介绍，利用现代电子信息技术不仅可以提高蔬菜产量，而且基本消除了对农药的需求，产品安全性更高[14]。

2 智能农业发展的趋势及前景

2.1 趋势分析

现代农业越来越依赖于新兴技术，如物联网、智能机器人、模式识别等。这些新技术的使用可以为集约、高产、优质、高效、生态、安全的农业发展提供支持。现代农业在生产的各个环节更加关注规模化、标准化、智能化。

智能农业主要经营对象包括：①农业资源。农用土地资源、水资源、大气和生产资料;②农业生态环境。土壤、大气、水质、气象和病虫害;③生产过程。精准耕作、设施农业、健康养殖和规模化生产;④农产品质量与食品安全。产地环境、生产、加工仓储和物流供应链可追溯系统;⑤农业装备与設施。工况监测、远程诊断和服务调度;⑥农民及社会。农民职业素质、农村整体面貌和农业创新意识。

2.2 行业发展前景

智慧农业是农业生产的高级阶段，是将新兴的云计算和物联网技术集为一体的新兴产业。依托部署的各种传感节点（环境温湿度、土壤湿度、二氧化碳、图像等）和无线通信网络，实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策等[15]。

3  智能农业管理平台的建设内容

智慧农业管理平台如图1所示。其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，进行“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”的科学定位[16]，调动土壤生产力，实现同等收入或更高的收入，改善环境、有效利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。在此基础上，实现了一整套基于信息技术空间变异的定位、定时、定量的现代化农事操作技术与管理系统[17]。

3.1 3S技术与智能农业的关系

3S技术包括全球定位系统（GPS/北斗）、遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）[18]。其中，GPS/北斗系统可用于田间作业信息收集和准确定位。RS遥感技术可通过农田反射光谱分析提供诸如农田作物生长环境、生长状况和收获情况等信息。GIS系统可以完成对地图的编辑和绘制工作，建立数据与图形拓朴之间的关系，同时基于空间信息的图形化界面提供农业信息的查询、监管和分析控制等数据。

3S技术在农业资源调查和管理中的应用、编制农业区划和农用地适宜性评价、农业生态环境研究、农作物病虫害预测与评估、农作物估产与监测等领域，为精准农业（田间规划、种植、产后分析加工及销售等）提供直观可靠的数据等方面能够发挥重要作用[19]。

3.2 农业专家决策系统

通过系统中的作物生产管理程序，对3S技术采集到的数据和数据库中的参数进行建模推演，模拟出作物生长过程和投入/产出分析模型，辅助指导作物种植工作。

3.3 农业环境监测系统

农业环境监测系统采用物理、化学、生物等多种监测方法，对污染农区和经济农区的土壤、作物、大气、农用水质和渔业水域等方面进行污染监测、环境影响监测、环境事故监测和生态因素监测。通过分析监测数据，建立有关数据档案或数据库，对环境现状或影响进行辅助评价，评价结果可以为污染防治和事故仲裁的执法提供依据。

3.4 智能化农机具系统

智能化农机具系统是指具有智能或部分智能的农业机械化设备，例如带产量传感器及可以生成收割区产量图的收割机械;自动控制精密播种、施肥、洒药机械;无人机飞行平台等。

3.5 智能农田信息采集系统

利用无线传感网络（WSN）采集空气温湿度、土壤温湿度、土壤中氮、磷、钾含量、pH值、太阳辐照度、风向、风速、降水量和CO2浓度等参数。采集系统包括便携式采集设备和基于CCD的图像采集系统。

3.6 新型应用集成系统

根据当地农业实际需要，系统模块化的组装和扩展，既能充分发挥当地农业资源优势，又能避免系统过多造成功能和资金浪费。

3.7 智能农业网络管理系统

智能农业网络管理系统是以应用软件为核心的软硬件分布式网络应用集成系统。该系统可进行性能管理，配置管理，安全管理，计费管理和故障管理等;全自动拓扑发现技术、故障智能预测与分析、多维度监控配置、变更告警及比对，并支持多操作平台。

3.8 远程在线培训系统

利用IT技术和网络传输共享技术构建网络化平台。进行远程培训的用户可以通过互联网获取所需的多媒体资讯内容，用户之间可以进行音频、视频、数据的多媒体互动。还可以通过远程系统实现与农业专家一对一的交流。

4  智能农业管理平台系统组织架构

智能农业管理平台的系统组织由感知与控制层、网络传输层和应用层三部分构成。平台的工作流程通过感知与控制层中的传感器采集系统所需的参数，再通过网络传输给计算机平台，并使用智能农业管理平台的应用软件与植物生长同时期最佳值对比分析得出所需的调整数据，然后通过网络传输层反馈传回至感知与控制层，完成温度、湿度、灌溉、施肥和喷药等方面的调整。由于整个系统是由传感器、网络、计算机、控制器构成的闭环智能控制系统，因此更易达到高效、优质、节能的要求。

5 小结及展望

智能农业的研究应用引起了世界各国的高度重视。中国同样也认识到了智能农业对我国农业现代化的重要性，在智能农业的研究和实践中投入了大量人力、物力[20-24]。当前我国的智能农业还处于起步阶段，其中农业物联网的体系架构模型、信息感知技术、信息传输技术、信息处理技术等方面还不是特别成熟，尤其是作为智能农业基础的农业物联网产业化程度较低，相关规范及政策尚不完善。

农业物联网的发展是建立在计算机、网络和微电子等技术快速发展的基础上。在此基础上，智能农业在信息感知方面将更加智能化，信息传输方面更加快捷，信息处理方面更加快速可靠，信息服务更加灵活。相信随着政府的高度重视，科研机构的潜心研究以及农业生产一线的大力支持与实践，中国的智能农业必将推动中国的农业现代化。

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责任编辑：刘赟