数字乡村智慧农业信息服务体系设计及其应用价值

包明林

（安康学院，陕西 安康 725000）

2019年5月，国家提出了《数字乡村发展战略纲要》，要求大力发展农村数字经济，深化信息惠民服务，以信息化、数字化、智能化促进农村经济发展，成为繁荣农业的重要举措。2020年7月，国家互联网信息办公室等七部门联合发布《关于开展国家数字乡村试点工作的通知》，明确提出要完善“三农”信息服务体系，而面向农村经济发展的信息服务体系则成为数字乡村信息服务体系的重中之重。随着大数据、云计算、物联网、AI、5G等新一代信息与通信技术的驱动，已有研究成果很难适应现代智慧农业信息服务的新要求和数字乡村经济发展的新任务。因此，本文试图探索和研究面向数字乡村智慧农业发展的信息服务体系，分析信息服务体系的实践价值，充分发挥新型信息服务体系在区域或全国的推广及利用价值，为提升信息惠民服务水平、统筹城乡信息融合、促进数字乡村建设提供理论借鉴和现实指导。

1 农业信息服务的实践与研究进展

1986年，美国夏威夷州农业与环境管理规划部门提出并建设面向农业发展的自然资源信息体系。农业自然资源信息体系包括数据、资源以及多个不同的子系统，农业自然资源信息系统具有不同用户功能和作用［1］。此时，第三世界国家在利用信息服务支持粮食生产方面非常有限，如非洲国家肯尼亚的农业信息服务质量和水平非常低，需要引进工业化国家的新信息技术［2］。20世纪初，美国宇航局地球科学中心开发了一个农业信息系统（AIS），已经具备多传感器分布、在线处理、可视化和基础设施分析等功能，用户能够依据多传感器数据，为农业生产提供降水及其他卫星数据服务和产品［3］。在日本，农业信息服务平台（FieldTouch）集成了田间多维传感器数据，如条件、土壤、播种时间和农作物管理等数据，设计有农业技术转让决策支持系统（DSSAT），优化农业生产和探索气候影响［4］。土耳其开发了实时农业信息服务系统，实现农业信息管理及数据利用。该系统基于数据的农业信息管理系统，能够提供连续、实时的数据流，促进农业生产标准化，实现数据集成、数据挖掘、数据存储、数据转换和数据利用等功能［5］。后来为了提高信息系统集成水平，促进农业生产效率和激发发展潜力，土耳其设计了集成农业生产、记录、处理、监控等数据的综合性农业信息服务体系，该体系能够将所有农业活动的数据、信息和过程按照活动类型进行整合，对整个过程进行综合监控［6］。意大利形成了以政府部门为主体、其他部门为辅的农业信息服务体系，政府性部门主要有ISTAT（国家统计局）、ISMEA（农产品市场服务中心）等，其他主体主要有各类协会、农业保险公司等，共同协作和配合，形成信息服务合力［7］。

在广大发展中国家，农业市场信息服务（AMIS）被认为是促进农业经济发展的重要工具［8］，Chalemba［9］比较分析了加纳和坦桑尼亚两国农业信息服务体系中对信息与通信技术（ICT）的使用，提出要加强信息基础设施建设，并且可在非洲南部其他国家进行推广。孟加拉国依靠政府倡议，1995—2012年在不同地区建设了农业信息和通讯中心（AICCs），提出依靠农业信息服务实现农业发展创新，农民有效利用现代信息技术，满足了信息需求和提高了生产技能［10］。在印度，政府与IMRB国际合作，采集人口数据、农业数据、天气数据、产品价格以及种植数据等，采用提出移动农业信息服务方式提供智能信息服务，有效实现信息共享和利用，满足农业信息需求。在印度13个邦、15 000多个村庄，超过200万农民使用此服务，促进了农业发展和经济增长［11］。

1997年，有学者提出借鉴英国等外国经验，构建中国农业信息服务体系，依靠国家政策支持，注重农村与农业科研单位和农业院校之间的合作，提升信息服务水平和服务质量［12］。随着现代农业的发展，Minbo等［13］提出了一种基于分布式架构的农业物联网信息服务体系框架。基于物联网，能够获取、管理和查询农业生产的大量业务数据，有效实现数据识别和数据标准化，提供农产品追踪和农产品生产质量监控的公共信息服务。

刘纯阳等［14］研究软件和信息技术服务对农业经济增长的影响，发现软件和信息技术服务对农业经济增长具有促进作用。也有学者探讨农村经济发展的信息服务体系，如研究现代都市农业物流信息服务体系建设，探索信息技术在现代都市农业和农产品物流中的应用［15］。吴飞鸣等［16］构建了促进农村经济发展的农村信息化技术支撑体系，分析了技术支撑体系的服务功能、体系构成、基础条件、技术构成和平台建设。有少部分学者研究了农业发展信息服务体系，杨欣等［17］构建了沈阳市农业信息化服务体系；孙玉肖等［18］探讨了山西农业信息服务体系建设。

已有研究成果很难适应农村的新变化及智慧农业的发展要求，数字乡村建设和乡村振兴对农业发展信息服务提出了新要求，乡村数字经济发展对信息服务提出了新任务，尤其大数据、物联网、人工智能等新兴信息技术对农村经济发展提出了新方向。因此，亟需构建新型数字乡村智慧农业信息服务体系，从而促进农村经济发展。本研究试图从基础数据、信息设施、技术支撑、平台设计和应用服务5个方面构建数字乡村智慧农业信息服务体系框架，并探讨数字乡村智慧农业信息服务体系的应用价值。

2 面向数字乡村智慧农业信息服务体系的框架设计

构建的面向数字乡村智慧农业信息服务体系框架主要包括基础数据层、信息基础设施层、技术支撑层、平台架构层和应用服务层5个部分（图1）。

图1 数字乡村智慧农业信息服务体系框架

2.1 基础数据层

数字乡村建设中，面向数字乡村智慧农业发展的数据主要有资源性资产数据、经营性资产数据和非经营性资产数据。

1）资源性资产数据，主要包括农村耕地资源数据、草地资源数据、林地资源数据、山地资源数据、河流资源数据、鱼塘资源数据、荒地资源数据、矿产资源数据等。

2）经营性资产数据，主要包括货币、资金、收款、农副产品、厂房、机械设备、生产用地、车辆、宅基地、劳动力、技术等数据。

3）非经营性资产数据，主要包括公共基础设施、村集体办公设备、村医务室、幼儿园、小学、村图书室、村科技展览室、文体活动室、自来水厂、污水处理厂、垃圾转运站、村庄水泥道路、路灯等非经营性公共资产数据。

2.2 信息基础设施层

1）通信网络基础设施，主要指5G网络通信和量子通讯网络等。利用5G技术，形成一批“5G+种植、5G+农场、5G+水产、5G+乡村旅游、5G+乡村物流和5G+乡村教育”等乡村数字经济实践发展新模式。

2）新技术基础设施，指支持区块链、云计算和人工智能等新兴信息技术的新技术基础设施。

3）算力基础设施，主要指依靠机器学习、遗传算法、量子计算、模式识别、粒子群算法、神经网络算法等实现农村经济发展大数据智能计算的有关基础设施［19］。

2.3 技术支撑层

1）大数据：利用大数据理论、方法、模型和技术，采集和整合农村“三资”大数据、农业种植养殖大数据、农产品生产生命周期大数据以及农村制造业大数据，形成农村数字经济发展大数据中心。

2）云计算：利用资源虚拟化技术和分布式计算技术，充分发挥在农村电子商务、农产品流通、农产品质量管理和农村智慧物流方面的作用。

3）物联网：利用物联网技术，依靠各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、氧气浓度传感器等设备，对农作物生长环境进行全面监测与管理。智能高效管理农村固定资产以及相关移动设备，发挥其在物理感知、数据传输及服务应用方面的优势。

4）人工智能：利用人工智能技术实现种植业智能化、畜牧业智能化、渔业智能化、制造业数字化等。

5）区块链：将区块链技术应用到农村互联网金融中，实现农村金融高效监管、隐私保护和信用管理。

6）电子商务技术：利用计算机技术、通信技术和网络技术，实现农村商务交易过程的电子化、数字化和智能化。

7）社交网络与全媒体：利用社交网络发展农村电子商务，融合新一代移动互联网，依靠全媒体技术发挥在农产品销售、乡村旅游以及观光农业等方面的作用，形成“农业+社交网络+全媒体+资源”的农村社交网络发展新模式。

8）GIS：利用区域地理信息系统，管理农村各类资源，如耕地、林地、草地、池塘、河流和荒地等，对其地理空间分布数据进行采集、存储、运算、分析、管理和应用。

9）无人机：利用无人机搭载移动技术终端，在农业测绘、农村物流、环境监测、农林植物保护、播种、农药喷洒、施肥和收割等方面发挥无人机的作用。

10）其他相关信息技术应用在农村数字经济发展中，如VR、GPS、RFID、智能农机技术、遥感技术、农业机器人等。

2.4 平台架构层

1）智慧农业生产大数据中心。一是农作物生长全过程管理数据中心。农作物生长全过程管理数据中心主要包括农作物生长外部环境大数据和农作物生长过程大数据。农作物生长外部环境数据主要有气候、土壤、温度、湿度、光照、水等；农作物生长过程数据主要有发芽、展叶、开花、结果、施肥、除草、撒药等数据。

二是农副产品生产全流程管理数据中心。农副产品生产全流程数据主要包括农副产品的采摘、收割、加工、包装、物流、运输以及销售等数据。利用大数据、云计算、物联网和RFID等技术，依靠全媒体平台，消费者可以随时了解农副产品从生产到销售的全过程，从源头上对农副产品生长全过程的质量管理进行监测，保障食品安全。

2）智慧农业市场与管理大数据服务平台。智慧农业市场和管理大数据主要是农副产品的市场销售以及过程管理方面的数据。主要包括农产品数据、价格数据、需求数据、竞争数据、消费者数据、市场信息、政策等，利用大数据理论、方法和技术构建智慧农业市场和管理大数据平台。利用智慧农业市场与管理大数据平台，根据农村经济发展的宏观政策和市场环境变化，及时调整种植和养殖类型、品种、规模、技术、劳动力等生产因素指标。

3）农业资源与环境数据监测中心。农业资源与环境数据监测中心包括农业资源监测中心、农业环境监测中心和农村环境监测中心3个部分。农业资源监测中心对农业生产性资源以及非生产性资源进行整合、管理和利用。农业环境监测中心主要对农业生产的气候、水、空气、土壤等自然环境要素进行精准监测、管理和利用。农村环境监测主要对农村人居环境进行监测，包括天气、空气质量、住宅、给排水、文化、娱乐、治安以及其他乡村社区服务等。

4）农业经营性资产数据管理中心。农业经营性资产管理中心将农业经营性资产纳入村集体统一管理、运营和维护。农村经营性资产主要有集体资金、农村劳动力、技术、农副产品、农业机械设备和农业竞争情报等。

2.5 应用服务层

1）数字种植。2020年农业农村部等发布的《数字农业农村发展规划（2019—2025年）》，明确规定了数字农业的发展思路、目标和任务，将数字化技术和农村种植高度融合，实现农业种植数字化改造。

2）智慧养殖。利用物联网、GPS、VR、卫星遥感技术等新兴信息技术，发展智慧渔业、智慧农场、智慧牧场、智慧农业园，依靠信息技术提升数字乡村养殖智慧化水平和质量。

3）乡村智慧旅游。乡村智慧旅游以农村原有乡镇、村落和社区为基础，将自然景观、人文景观、风土民俗等进行整合，依靠大数据、物联网、社交网络以及全媒体等技术形成现代化、信息化、智能化的乡村旅游。

4）乡村智慧物流。依靠大数据、物联网、云计算、移动互联网等技术，利用移动终端嵌入App等方式，整合乡镇物流资源形成乡村物流集散中心，搭建村级智慧物流配送体系，解决村级物流配送到家到户难题。

5）农村电子商务。将电商网络平台引入农副产品销售中，依托乡镇电子商务服务中心，利用电子商务农业大数据，通过实体推销、网络直销、直播带货等方式促进农产品销售转型。

6）农副产品加工制造业数字化。以农村传统中小型农副产品加工制造业的数据生成、加工、存储、运算和利用为基础，利用大数据、云计算、物联网以及人工智能等新兴技术，依靠工艺数字化、流程数字化和监测数字化等实现加工制造业全流程数字化，优化制造系统管理，促进农村中小型农副产品加工制造业转型升级。

3 数字乡村智慧农业信息服务体系的应用价值

3.1 智慧农业发展大数据支持科学管理与决策

对智慧农业发展的资源性资产数据、经营性资产数据、非经营性资产数据进行统一管理，形成农业发展大数据管理中心，为农村多元信息利用主体提供信息服务。从图2可以看出，利用物联网技术，通过传感器采集和统计获取人口、环境、土地、河流、矿产、资金、设施、设备、畜牧、政策等海量数据，利用大数据、云计算以及数据挖掘技术对采集的数据进行传输、存储、运算、挖掘与分析，并进行数据可视化，将结果呈现给农民、村干部、农村企业、农民合作社、乡镇政府、信息技术公司等农村信息服务主体。发挥大数据生产要素的新价值，利用数字农业发展大数据进行科学化、智能化决策，从而调整农业生产结构和产业布局，创新农业经济发展模式，优化农业管理方式。依靠农村和农业大数据中心，对农村公共资源和集体资产进行智能化管理，提升村务和党务管理效能，深化惠民信息服务。

图2 智慧农业大数据管理与决策支持过程

3.2 全过程、全链路、全周期数据采集与信息监测

基于农业生产户：依靠物联网、云计算等技术，利用多类传感器，对农作物生长和农业养殖需要的土壤、温度、湿度、光照、空气、水分、养分含量等数据及时采集，农业生产种植户及时调整和控制农作物生长有关技术指标要求，保证农作物增产增收。

基于农副产品监管部门：借助农副产品溯源信息系统，农产品监管部门对农副产品的加工、包装、运输和销售的全过程和全流程进行监督与管理，杜绝农副产品的生产过程污染，保证农副产品的生产质量安全，防止假冒伪劣产品，从源头上解决食品安全问题（图3）。

图3 智慧农业生产大数据管理与信息监测全流程

基于消费者：依靠多元传感器、VR、5G和边缘计算等新一代信息技术，对农作物生成各阶段、各周期、农副产品加工各流程和农副产品销售各环节实现实时图像采集与视频监控，消费者通过扫描二维码，全景浏览农作物前期生长过程以及农产品的加工、包装、仓储、运输流程，对农产品生命周期全过程进行三维动画、视频全景管理和监控。

3.3 数据驱动、技术引领、平台支撑，实现农村多元产业融合

农业农村多源数据驱动下，依靠先进信息技术和通信技术，建设一批大数据管理平台和信息服务中心，促进农村多元化产业融合。依靠现代化信息服务推进智慧农业发展，对传统种植业和传统养殖业进行数字化、智能化和智慧化改造升级的同时，应积极发展跨界农业生产服务，如农村观光农业、休闲农业、农村智慧物流、农村智慧旅游（图4）。依托数字农业市场与管理大数据中心，利用移动互联网、社交媒体、电商平台、直播平台、移动App等平台和方式，加大农副产品宣传和营销力度。同时，将地方风土民情民俗、地方特色文化和种植业、养殖业以及加工业相融合，挖掘农副产品的潜在文化底蕴和价值，大力发展观光农业、休闲农业以及乡村智慧旅游，带动乡村智慧物流以及乡村现代服务业发展，实现文旅有效融合。

图4 现代农村多元化智慧产业集群

4 结语

《数字乡村发展战略纲要》和《关于开展国家数字乡村试点工作的通知》中明确提出促进数字乡村经济发展、完善“三农”信息服务体系和深化信息服务的基本要求。本研究通过调研分析，在国内外相关研究基础上，构建了面向数字乡村智慧农业的信息服务体系。从基础数据、信息与通信技术、信息基础设施、服务平台设计和实践应用服务5个方面提出了面向数字乡村智慧农业发展的信息服务体系总体框架。未来数字乡村经济发展应该采纳和利用新兴信息技术，如量子计算、5G等信息技术，不断完善数字乡村智慧农业信息服务体系，提升信息服务水平和质量，打造信息化、数字化、智慧化和精准化农业，向绿色、环保、低碳型高科技现代化农业迈进。