农业大数据信息平台构建方法初探

李 强 高懋芳* 方莹

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.农业农村部农业遥感重点实验室，北京 100081；3.商丘师范学院信息技术学院，商丘 476000）

1 引言

自从全球迈入信息化时代，以大数据、物联网、人工智能和5G 技术（5th Generation Mobile Communi‐cation Technology,简称5G）等为代表的信息产业快速发展，构建“数字中国”的宏大愿景逐步付诸于实践[1-2]。我国党中央、国务院始终高度重视“数字中国”发展。党的"十九大"报告提出，加快推动我国互联网、大数据、人工智能和现代实体经济产业深度融合，加快建设科技强国、网络强国、数字中国、智慧社会等发展目标。2017年12月习近平总书记在中共中央政治局第二次集体学习时提出，大数据是信息化发展的新阶段，要尽快构建以数据为关键要素的数字经济，加快建设数字中国。农业是中国立国之本，是保证社会经济稳定发展的第一生产力，农业的数字化是“数字中国”的重要内容，数字农业的发展受到了党中央的特别关注[3-4]。2018 年6 月27 日，国务院总理李克强指出，充分利用大数据、物联网等技术提高农业生产管理效能。2018年9月，中华人民共和国国务院办公厅印发《乡村振兴战略规划（2018－2022 年）》，提出着力提高农业综合信息服务水平，鼓励对农业生产进行数字化改造，同时要加快物联网、地理信息、智慧农业等现代信息技术与农村生产生活的全面深入融合，全面提高农业农村信息化水平。农业生产信息化已成为我国现代农业发展的重大战略方向，是当今我国农业经济发展的重要主题[5]。随着5G 技术的发展与普及，为数字农业迅猛发展提供了契机。农业数据呈爆发式增长，农业基础应用数据资料已发展成为战略性的基础设施资源[6]。高效、规范、科学地进行农业信息采集，构建农业大数据信息采集平台，是加快实现我国农业生产信息化的重要前提，是推动农业经济转型发展升级的重要关键组成动能，是促进我国加快实现特色乡村农业振兴的重要支撑[7]。

第七次信息革命是智能互联网的革命，信息智能化建设是推进农业智慧化的制高点[8]。随着越来越多的政府部门、科研机构、高校、企业开始关注农业信息的采集工作，在物联网、5G 技术迅猛发展的引领下，农业信息的获取途径多样化、获取方法智能化[9]。除传统的地面站点观测、走访调查、统计数据等传统的农业信息获取方法，以“3S 技术”（Remote Sensing、Geography Information Systems、Global Positioning Systems）为核心的高新技术，结合时下迅速发展的物联网、5G 技术，融合遥感、地理信息系统、卫星定位系统、计算机信息技术、自动化技术等，创建创新性高、应用价值广的新型农业信息采集方法，为农业智能化发展奠定坚实的技术基础[10-12]。现阶段海量农业数据积累与聚集，标志着农业发展进入了大数据时代。为不断推进我国农业实体经济升级转型，实现可持续的农业多元发展，调动区域性产业结构优化，进一步推动我国数字农业快速发展，需建立一个数字农业大数据服务平台作为基础支撑[13]。本研究立足于农业大数据和农业信息采集平台的发展现状和面临的挑战以及当今大数据背景下发展现代农业亟待解决的问题，揭示农业大数据的科学内涵，阐述农业信息采集平台的核心功能，厘清农业信息采集平台的关键任务，加强农产品生产、消费、质量追溯，倡导发展绿色农业，实现中国数字农业跨越式发展[14]。

2 农业大数据的科学内涵

农业大数据技术是利用大数据的理念、技术和管理方法在农业现代化发展方向进行的创新实践，充分发挥农业数据的基础资源作用和创新引擎作用，是现代空间信息技术与现代农业深度融合形成的产物[15-16]。农业大数据具有数据量大、时效性强、类型多、价值大、精确性高的特点[17]。数据内容主要包括农业自然资源数据（气象、土壤、水文、植被数据等）、农田管理数据（又可分为种植业管理数据和养殖业管理数据）、农业经济数据（市场供求、价格、贸易信息等）以及数据的存储、管理和可视化。从地域来看，农业大数据不仅包括全国层面的数据，还应涵盖省市数据，也要包含县域级数据。农业大数据适合呈层递式的数据组织形式，先是总体勾勒出各个农业领域的业务资源，其次应逐步有序组织规划各个领域的子业务进行数据资源组织，例如先构建作物种植业的各类农业作物数据，再按照小麦、水稻、玉米、大豆、蔬菜等农作物不同种类分别进行专业数据组织。随着5G 技术、物联网等高速率、低时延和大连接的远距离传输技术发展，赋予了农业大数据新的科学内涵[18]。在高速信息传输技术的支持下，遥感利用高分辨率传感器，全面进行作物生长监测，极大程度丰富了农业数据库，通过地理信息技术强大空间信息分析功能，对农业空间位置信息进行空间分析和地理统计，通过图形转换与表达来分析农业数据空间分布差异性，生成调控提供处方决策方案建议[19-20]。GPS 集导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，结合物联网技术，远距离获取农业位置和参数信息，为精准农业和智慧农业提供有效技术手段，进行农业大数据科学化、智能化的采集和管理。

表1 农业大数据分类及来源Table1 The classification and sources of big data agricultural

3 农业大数据平台核心功能

农业大数据平台是现代农业和信息技术高度融合形成的新型农业系统，是利用5G传输技术、遥感技术、地理信息技术、地面物联网、人工智能等现代信息技术建立的农业信息采集、管理、分析系统，能够实时获取农业资源时间空间分布情况信息、农作物生产过程、市场管理数据。面向大数据技术，突出农业管理系统的数字化、网络化和智能化管理分析能力，打造新型的农业生产和服务体系，大力发展中国数字农业。农业大数据平台核心功能主要包括农业资源调查、作物生长状况监测、农业灾害监测、农产品追溯和市场服务调控等，服务于提高农业生产效率，提升国家农业治理现代化水平[21]。

图1 平台总体架构Fig.1 The overall structure of the platform

3.1 农业资源调查

农业资源是农业生产的基础，探清农业资源时空分布状况、特征和发展潜力，制定合理开发策略，提高农业资源综合利用率，是农业可持续发展战略的基本要求。解决总量不明，权属不清的问题，是我国农业资源发展与利用面临的重大问题。构建农业大数据平台强大的数据采集、处理、分析技术体系，升级农业资源与其时空变化的勘探能立，厘清农业资源权属关系，为不断优化农业资源配置结构提供重要基础理论依据。5G 是一种近年普及和发展的新型移动通信网络技术，为保证海量农业数据传输量和传输速度，提升农业资源调查效率，提供了技术保障。

3.2 作物生长状况监测

农作物生长状况智能监测系统包括数据采集模块、农作物生长状况监测中心和用户终端三部分组成。建立作物信息采集网络，在线、实时、定位对农作物生长状况进行高精度监测，是获取农业大数据基础信息必要条件。基于物联网技术，在监测区域内布施无线传感器网络，实时采集、传输、管理农作物的生育特征数据，获取农作物地理位置，通过无线网络连接至农作物生长状况监测中心，根据采集的生育特征数据和农作物地理位置，结合气象等自然环境因素，构建作物生长模型，智能化分析农作物的生长状况，提出作物优化管理方案，将分析结果传送至预设用户终端，用于宏观调控作物生长状态，指导农业生产。

3.3 农业灾害监测

农业干旱、洪涝、冻灾、作物病虫害是中国农业生产过程中常见的农业灾害。通过遥感技术的大面积监测能力，快速获取灾情动态信息。针对每种农业灾害发生的独有特点，分析灾害发生的主导因素、环境因素，建立灾害评价、分级体系标准，在全国范围内建设农业灾害监测和预警系统，制定农业灾害应急服务，设立重点监测区。进一步提升灾害信息的快速获取、灾情的动态监测、受灾损失的定量化评估的能力，将农业灾害带来的影响在最快的时间内降到最低，最大化保障农民经济利益。

3.4 农产品追溯

建立健全的农产品追溯网络，助于切实保障农产品质量安全，营造绿色、健康的良好农产品交易市场，规范农产品生产加工标准，增强广大社会公众农产品消费信心，提升政府信息化监管能力水平，为农产品质量安全监管、检测、执法机构和农产品经销商、农产品消费者提供农产品追溯服务。以物联网技术为核心，实现农产品“一物一码”，是构建农产品追溯平台的核心特征。设立追溯、监管、监测、执法四大系统，对农产品原料来源进行追溯，加工过程追踪，市场流向追踪，质量风险预警，产品紧急召回、问题产品问责，全面向公众开放，为公众提供便捷互联网查询入口，快捷、实时追溯农产品生产、加工、质量信息。

3.5 市场服务调控

建立一套符合国情的现代农产品行业市场经济服务体系，集生产、消费、价格、进出口、成本收益和库存数据一体的市场服务调控系统，强化我国农产品行业市场监管的制度规范性和政策科学性，提升应对农业市场需求变化的直接掌控主导权，增强市场管理者对农产品市场服务调控决策主动权，提高我国农业市场生产经营决策管理体系、服务体系的数字化管理水平和服务质量。以国家、省级、地级市为单位建立农产品市场监管平台，调控农产品空间分配数量，稳定市场价格，更好发挥政府市场调控作用。

4 构建农业大数据平台的关键任务

构建农业大数据平台是一项事关我国农业发展的重要任务，在智慧信息技术的支持下，亟需构建一套集农业数据采集、管理、组织、分析、决策为一体的大数据管理体系，覆盖种植业、养殖业中加工、经营、管理、服务等全产业链，推进农业智能化、标准化、数字化发展，全面提升农业服务管理水平。构建农业大数据平台主要面临四个关键任务：信息采集智能化、管理标准规范化、系统集成与平台开发以及深化农业大数据应用。

4.1 信息采集智能化

信息采集方法的智能化是数字农业发展的趋势，传感器和观测平台的多元化，高精度的立体化观测，是当前信息采集智能化发展的关键思路。传感器技术是智能化信息采集的关键技术之一，温度、湿度监测传感器已经广泛用于种植业和养殖业中，用于实时获取环境参数。遥感技术因为其具有快速、宏观、无损的优点，成为数字农业获取农业信息的重要来源。高空间分辨率、时间分辨率的遥感传感器，能够精确获取地物光谱信息，进行时空状态分析，应用于种植面积提取、农业地物类型识别、估产、灾害监测和生境监测。随着小型无人机的发展，在小范围示范区立体化监测展现出强大的实力。凭借其操作简单、灵活性好、作业周期短等特点，能够快速获取小范围农业信息，在农情观测和信息采集中具有重要作用。融合多种数据收集、管理技术，建设先进、高效、可配置、满足业务流程的智能信息采集平台。

4.2 信息传输高速化

物联网和5G 技术为代表的信息高速传输技术，是当前农业大数据采集高速化的技术基础。5G 采用短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术的发展为海量农业信息的高速传递提供了技术支持[23]。从2G到3G、4G，实现了语音业务到数据业务的转变，信息传输速率成百倍提升，使海量农业大数据远距离快速传输成为了可能，成为发展智慧农业的关键转折。以高速信息传输技术为媒介，通过多元传感器采集的气象数据、实时土壤数据、作物生长状况、田间管理数据、灾害数据、经济数据等农业基础信息，依托物联网技术，能够以最快的速度传送到农业大数据终端，集成于农业大数据管理系统。提高数据传输效率，降低数据传输、处理成本，深挖农业大数据应用价值，应用于监测作物长势、预估作物产量、农业灾害监测、农业制图等诸多场景，便于农业生产者和管理部门第一时间了解农业生产状况，最大化减缓农业灾害损失，为调控农业生产争分夺秒。

4.3 管理标准规范化

数据和管理系统的标准化建设是推进农业大数据生产管理和信息系统基础建设的基本前提。迫切需要结合我国目前数字农业发展现状，参考已有的数据标准制定经验，编制一批数字农业国家标准和行业标准。这些数字农业标准，应切合我国农业生产、经营、管理过程中的特性，解决农业大数据数据量大、数据多维性、仓储和管理混乱的难题。农业大数据管理标准规范化不仅要包括数据的采集、存储、分析、处理和服务标准，还要包含数据访问、处理、转换、共享标准，促进农业大数据开放、互联、共享。

4.4 系统集成与平台开发

高效存储、有序组织、快速访问与动态调度是农业大数据信息平台集成与开发的基本要求。加快农业大数据快速获取，提升系统的智能决策、精准作业能力，加快管理标准规范化的建设，完成异地农业数据共享和互操作。加快建设基于“3S”技术、物联网技术、传感器技术耦合的基础设施服务平台的建设，将农业资源管理系统、农田生产精细管理系统、农作物估产系统、农业灾害监测系统、公众服务系统集成研发。将农业大数据系统应用于大田作物管理、塑料大棚监测、精准化畜禽管理、水产养殖管理、农产品市场监督、物联网农产品追溯，建立高效的农业大数据公共服务平台。

4.5 深化农业大数据应用

发展线上农业教育，培养农业大数据专业化人才，从事于数字农业的学习和工作，深化农业大数据的应用。以“农业创新服务于众”为基本理念，抓好惠农平台、农产品市场价格服务平台、农业技术平台、农业科技服务转化平台、农业气象平台、农业教育平台的系统终端等建设。健全农业大数据服务体系建设，更好的服务于农业从业者和大众消费者，形成“合作、共享、多赢”的为农信息服务机制[22]。农业管理者在云端可查询，监测农产品生长发育状况，随时随地进行农业科学生产的远端管理和调控；农业经营主体在线享受农业资讯、市场价格服务等相关信息服务；大众消费者可追溯购买的农产品生产过程，发展健康农业、绿色农业，保障农产品质量安全。加强数字农业教育，培养一批懂技术、会操作的新型职业农民、农业技术管理人员、农业生产经营者，完善相关的人才引进优惠政策，鼓励引进智慧农业从业人才，为智慧农业发展提供人才支持。

5 总结与展望

构建农业大数据信息平台，推动现代化、智慧化农业与“数字中国”战略的深度融合。加快农业大数据信息平台的建设，发展我国农业大数据，提高农业智慧化水平，利于农业生产效率提升，完善农业市场监管机制，推进农业经济的发展。全面提升农业从业者科技水平，是保障大众消费者消费安全的重要举措，具有很强的必要性和紧迫性。农业大数据信息平台的建设，涉及多部门、多领域和多学科交叉，是一项庞大的、复杂的系统工程，需要实事求是的根据我国农业生产消费特点，围绕着农业生产的迫切需求和乡村振兴战略有规划的研发：

（1）系统设计和科学规划，明确构建农业大数据信息平台发展重点，将农业大数据采集、系统集成、时空分析、标准规范作为研发重点；

（2）大力发展多样化、高精度、智能化传感器，将“3S”技术、物联网、人工智能技术融入农业大数据信息平台的构建中去，力求变革，取得颠覆性突破。注重农业技术创新，将创新作为发展的第一驱动力，把农业大数据信息平台的技术创新摆在第一位置；

（3）紧跟信息革命潮流，将以5G为代表的高速信息传递技术融合到农业大数据平台中去，大幅提升农业信息传输速度，提升农业决策的及时性，进一步扩宽平台的应用价值和使用场景；

（4）制定农业大数据标准，建立共享开放的农业大数据信息平台，倡导共享开放理念，调动社会积极性，促进技术方法、数据资源、监测成果共享共用；

（5）深化农业大数据信息平台应用，扩展应用领域，最大程度拓宽服务范围和服务功能，深挖农业大数据潜在价值。