我国智慧农业关键技术与未来发展_杨瑛.doc

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1、 Technical Focus 编辑：胡欣 E-mail: 我国智慧农业关键技术与未来发展 The Key Technology and Development of Smart Agriculture in Our Country 中国电子技术标准化研究院 中国农业科学院农业信息研究所 杨 瑛 崔运鹏 摘 要 基于我国 农业发展的现状和基础，阐述智慧 农业的概念与特征，分析智慧农 业涉及的关键信息技术应用 ， 探讨 智慧农业的 发展趋势与 挑战，归纳我 国智慧农业 未来发展需 要面对农业规 模化生产程 度低、农业 信息化与 机械化水 平有待提高等问题。 关键词 智慧农业 信息技术应用 植

2、物工厂 Abstract: This paper elaborates the concept of smart agriculture, inc luding the main abstra cts according to the current situation in our country. It also analyzes the core ICT application, the trends and challenge of smart agriculture. At the end, the article gives the key problems of the smar

3、t agriculture development in the future, including the low level of agriculture large-scale products, agriculture mechanization, agriculture informatization, etc. Keywords: smart Agriculture; ICT application; plant factory 我国农业已有几千年的发展历史，生产结构包 括种植业、林业、畜牧业、渔业和副业，但仍然是 一个典型的传统弱质产业，存在地域性和季节性强、 产品标准化低和竞争

4、力弱、生产经营及生产者分散 且素质较低等特点，具有较高的自然风险和市场风 险。随着工业化、信息化的发展，我国农业在得到 普遍重视和较快发展的同时，也始终面临着小生产 和大市场的矛盾，我国的小农经济现象和信息服务 不畅的封闭状态正在逐年得到改善。 起源于信息化的智慧化，其核心是综合运用物 联网、云计算、大数据、空间 地理等新一代信息技术， 创新各行业领域的组织管理理念和业务应用模式， 解决当前城镇化快速发展的突出矛盾问题，降低成 本，实现绿色、可持续、高效发展。智慧农业以最 高效率地利用各种农业资源、最大限度地降低农业 成本和能耗、减少农业生态环境破坏以及实现农业 系统的整体最优为目标，以农业全

5、产业、全过程智 能化的泛在化为特征，以全面感知、可靠传输和智 能处理等物联网技术为支撑和手段，以自动化生产、 最优化控制、智能化管理、系统化物流和电子化交 易为主要生产方式的高产、高效、低耗、优质、生 态和安全的一种现代农业发 展模式。 1 智慧农业的内涵 我国农业信息化、现代化发展刚刚起步，此时 的智慧农业更多要从思维方式、规划布局和整体设 计等方面引入智慧化的思想和技术应用，以期在推 动农业快速发展的同时，以最少的投入和资源，实 现可持续的、协调的农业产业发展，推动突破我国 农业生产严重落后于经济和社会发展的困顿局面。 基于目前我国农业机械化和信息化的发展基础，智 慧农业首先要从思想认识的

6、智慧化、生产过程的精 细化、发展环境的审美化、生产运行的系统化、产 品质量的优质化、发展资源的持续化等方面进行理 解和诠释。 项目来源： 工信部和财政部 2013 年物联网发展专项资金 基于物联网技术的设施农业精细化管理系统。 34 信息技术与标准化 http:/ 技术热点 1 2 1 2 Technical Focus (1) 农业思想认识的智慧化，主要指对于农业发 展思考方式的转变。发展智慧农业要坚持自然规律 和人类价值诉求的有效结合，体现科学原则与人文 精神的统一，超越在现代农业发展阶段因过分追求 眼前物质利益而忽视人类伦理关怀的价值倾向。智 慧化的农业改变了过去机械、片面、静止的思维认

7、 识倾向，注重从全面的、发展的角度来分析和认识 农业、农民、农村等相关问题，最终体现农业生产 与社会发展的统一。 (2) 农业生产过程的精细化，主要指农业生产技 术的智能化。通过农业生产的高度 智能化、管理科 学化、控制自动化，实现对农业产品质量和生产过 程的精细化控制。 (3) 农业发展环境的审美化，主要指农业发展表 现形式的转变。农业是自然再生产与经济再生产的 统一，作为自然再生产，农业生产离不开周围的自 然环境，农业生产的过程必须考虑自然环境影响因 素，不能超过自然环境所能承受的限度。以优美愉 悦的自然环境和健康舒适的人文环境为目标，创新 农业产业新模式。一方面，遵循农业生产和自然环 境

8、本身发展规律，另一方面充分体现人与自然的和 谐共生。在农业发展的环境建设中，处理好人与自 然的关系，不是破 坏自然本身的内在平衡，而是使 自然环境更美，生产更绿色可持续。 (4) 农业生产运行的系统化，主要指农业发展对 象的转变。以系统化的思想看农业，它是由农业生物、 自然环境和人构成的相互联系、相互作用的生态系 统和经济系统。农业生产需要有一定的劳动者参与 其中，须依靠社会生活中人的智力和体力才能持续， 同时农业生产也须满足人类的基本生存需要，提供 优质的产品和舒适的环境，只有这样整个农业生产 活动才能得以持续。智慧农业就是要维持经济系统 与自然生态系统的平衡，把农作物生产、自然环境 与人作

9、为一个有机系统，深入 分析要素间的内在联 系，在保证土壤肥力的同时提高农业生产的总体效 益。 (5) 农业产品质量的优质化，主要指农业发展内 容的转变。优质化的农产品要求在农业生产源头上 保证产品的无污染，在农业生产领域加强对健康环 境、健康技术和健康食品的监督和管理，从而生产 出安全、优质、营养的食品，从根本上维护人类生 命安全。智慧农业一方面强调生产安全、生态化的 农业产品，另一方面还要保证土地的永续利用，充 分体现了农业生产过程与产品质量的统一。 (6) 农业发展资源的持续化，这是农业发展过程 的转变。智慧农业是一种持续 发展的农业，不仅满 足当前社会的需要，而且不能损害后代和满足后代

10、需要的能力，为此要在保证土地肥力的同时，还要 保护生态资源的总体平衡。智慧农业倡导多元化的 农耕方式和种植方式，充分应用信息技术，多方发 挥家畜和微生物等生物分解，沼泽和湿地净化等功 能，吸取土地有效轮作复种、间作套种等有机农耕 的耕作经验，促进可持续的农业发展模式，体现农 业生产发展与生态和谐的统一。 2 智慧农业涉及的关键技术应用 我国农业是在机械化、信息化发展极其薄弱的 基础上推动现代化发展的。智慧农业在此外部环境 下，被赋予了更多的 统筹协同思想和更高期望。智 慧农业需要充分利用信息技术，包括更透彻的感知 技术、更广泛的互联互通技术和更深入的智能化技 术，使得农业系统的运转更加有效、更

11、加智慧，以 期达到农产品竞争力强、农业可持续发展、农业资 源有效利用和环境保护的目标。对于目前推动智慧 农业发展涉及的关键技术主要包括如下内容： (1) 物联网技术应用 通过各种无线传感器实时采集农业生产现场的 温湿度、光照、 CO2 浓度等参数，利用视频监控设 备获取农作物的生长状况等信息，远程监控农业生 产环境，同时将采集的参数和获取的信息进行数字 化 转换和汇总后，经传输网络实时上传到智能管理 系统中 ; 系统按照农作物生长的各项指标要求，精确 地遥控农业设施自动开启或者关闭 ( 如远程控制节水 2015年第 6期 http:/ 35 技术热点 Technical Focus 浇灌、节能

12、增氧等 )，实现智能化的农业生产。 利用 RFID 、条码等识别技术，搭建农产品安全 溯源系统，实现农产品全流程安全溯源，促进农产 品的品牌建设，提升农产品的附加值。 组建无线传感器网络，开发智能农业应用系统， 对空气、土壤、作物生长状态等数据进行实时采集 和分析，系统规划农业产业园分布、合理选配农作 物品种、在线疾病识别和治理、科学指导生态轮作。 (2) 云计算技术应用 云计算作为传统计算技术和网络技术融合发展 的产物，具有资源配置动态化、需求服务自 助化、 资源池化与透明化等特点。云计算体现出来的集约 化建设、按需动态分配资源等优势在农业发展中， 更适合应用于集约化建设农业共性技术支撑平台

13、。 目前，南京、安徽等部分地区所建设的多级平 台系统中，农业企业级需要存储和处理农作物养殖 和种植数据、农作物生产加工数据、农作物仓储物 流流通数据、农作物销售管理数据，以及基于数据 的监管主题数据、报表中间数据、 报表结果数据、 应用细节数据等。系统对数据进行分类、加密等处理， 同时按照一定的规则实现对于云端和终端数据的动 态存储与管理。地县级农业管理部门需要存储 和处 理农业 “四情 ”监管数据， 以及对企业级各环节的 监管数据、报表数据等。系统对这些数据的处理和 企业级的数据处理一样，进行分类加密，部分存储 在云中心，部分存储在县级农业部门终端或者设备 中。县级平台可以从农业企业访问数据

14、， 可以提供 数据给省级云计算中心平台。省级农业部门作为云 数据中心，处理来源于企业级、地县级的数据，存 储和处理例如气象数据、 灾情预测诊断及应急反应、 农业资源的 评估与管理、 作物长势预 测与估产 等 数据。 (3) 大数据技术应用 大数据技术应用突破了传统对于结构化数据 管 理的限制，继承了统计学的优点，对于数量巨大的 数据做统计性的搜索、比较、聚类和分类归纳分析， 更多地关注数据与业务间地关联关系，关注多媒体、 海量、复杂数据的挖掘分析和历史相关数据的比较 分析。大数据技术在农业中将发挥较大作用，基于 当地多年的气象信息、 作物与土壤信息、 管理信息、 市场流通与消费等信息， 经过数

15、据统计、案例对比 和模式判别等，可以提供更加智慧的各类农业服务。 通过利用农业资源管理数据，如土地资源、水 资源、农业生物资源、生产资料等数据，解决我国 农业资源紧缺、生态环境与生物多样性 退化等问题。 在摸清家底的基础上，实现农业高产优质、节能高 效地可持续发展。通过利用农业生态环境管理数据， 如土壤、大气、水质、气象、污染、灾害等数据， 建立数据模型、业务模型对农业生态环境进行全面 监测、精准管理。通过利用农产品与食品安全管理 数据，如产地环境、产业链管理、产前产中产后、 储藏加工、市场流通领域、物流、供应链与溯源系 统等的数据，推动解决农产品和食品安全问题，保 障诚实守信农户的切身利益。

16、通过利用农业装备与 设施监控数据，如设备和实施工况监控、远程诊断、 服务调度等数据，解决农业基础设施的 智能化问题。 在上述应用中，关键是农业环境与资源、农业生产 过程、农业产品安全、农业市场和消费的监测和预 测等。 3 智慧农业发展的趋势与挑战 体现优质、高效、可持续发展等特征的智慧农 业除了在农业领域全周期、智能化支持和技术管理 外，核心在于业务模式的智慧化，及创造符合现代 化发展要求的业务模式和形态。包括合理利用信息 通信技术提升农业生产综合效率，同时还包括精准 农业、设施农业、植物工厂等新的产业形态。以植 物工厂为代表的未来农业发展趋势具备以下典型特 征： 一是综合运用多种技术。植物工

17、厂又被称为 “智 能型数字植物工厂 ”，其主要特征是工厂化作业、 绿色环保、高密度生产、环境设施精确可控。植物 工厂综合运用了现代装备工程、生物技术、营养液 36 信息技术与标准化 http:/ 技术热点 Technical Focus 栽培与信息技术等手段，技术高度密集。二是农业 核心技术的突破与应用。以 “矿质营养学说 ”为理 论的营养液栽培技术的创新，为植物工厂提供了重 要的技术支撑；以传感器与控制器为核心的环境控 制技术的突破，使人工环境调控成为可能。植物工 厂被国际公认为国家农业高技术水平的重要标志之 一。三是新型农业产品的市场化。韩国自 2009 年以 来开始植物工厂的示范推广，已

18、推出十多种植物工 厂的产品；美国一方面通过植物工厂为空间站和星 球探索提供食物保障，另一方面提出 “摩天大楼农业 ” 构想，希望利用植物工厂解决未来的食物供给难题； 欧洲各国从节能和降低成本的角度进行植物工厂研 发，利用信息系统实现植物工厂智能化监控，降低 运行成本。 我国智慧农业起点比较晚，缺少对智慧农业发 展理论和形态应有的研究分析，同时在实践层面又 面临着思想观念和现实制度等多方面的挑战，主要 表现在以下方面： (1) 农民整体信息素养不高 智慧农业发展需要一批高素质的科研人员和科 技推广人员。没有现代农业科技知识推广与应用， 没有现代农业科技人员的培养，就不可能真正实现 智慧农业的发展

19、。当前我国农民整体素质不高 ，受 到的信息化知识培训较少，在广大地区的农业生产 中过分依赖生产经验。农民受教育程度低是制约农 业现代化发展的瓶颈。 (2) 农业规模化生产程度太低 生产规模化是农业技术和设备应用与推广的重 要条件，也是智慧农业发展的基础。小规模生产在 农产品价格和成本方面处于劣势，被压在商品价值 链的低端，很难推动农业信息化与智慧农业地发展。 (3) 农业信息化与机械化水平有待提高 农业发展的信息化与机械化是智慧农业发展的 重要基础。到 2010 年我国主要农作物综合机械化水 平突破 50%，标志着我国农业从依赖人畜 力为主向 依赖机械化为主的历史转变。然而，由于地区间、 民族

20、间经济和自然条件等方面的差异，农业综合机 械化水平发展不平衡，面临自然资源紧缺和生态环 境破坏等问题。同时，农业信息技术应用等更是处 于非常初级的阶段，还没有真正在推动农业发展中 发挥实质性的作用。 (4) 创新性的农业商业模式匮乏 最早应用于农业生产中的物联网技术，在示范 试点中取得了一定的成绩。但是，绝大部分还处于 科研项目阶段，必须得到政府财政支持得以持续。 以物联网等为代表的 “智能化 ”技术在农业领域的 大面积应用，急需市场机制介入，需要创 新性地发 展适合我国国情的农业商业模式，使得农业信息化、 现代化得以可持续、良性循环发展。 我国是农业大国，国家一直高度重视农业产业 发展，但是

21、我们始终没有突破依赖自然资源和低廉 劳动成本的发展格局，个体化农业生产依然是我国 农业生产的主体。智慧农业的提出和发展，给信息 技术在农业领域的综合集成应用，对于农业特色产 业和模式的创新，对于农业领域核心技术的自主突 破，以及农业企业的发展、农业产业化进程以及农 业现代化人才的培养创造了难得的机遇，也需要在 国家的重视和扶持下相关利益方共同推进。 参考文献 1 中国互联网落发展中心 . 第 32 次中国 互 联 网 发 展 状 况 统 计 报 告 EB/OL. 2015-03-09. http:/www. /201307/P0- 2013071750534310085 2 孙忠 富 , 杜 克明 . 大数 据在智慧农 业中研究与 应用 展望 J. 中国农业科技导报 , 2013(06): 63-71. 3 李尤丰 , 王智钢 . 基于动态云的智慧农业架构研究 J. 计算机技术与发展 , 2014(03): 190-193. 4 施连敏 , 陈志峰 . 物联网在智慧农业中的应用 J. 农 机化研究 , 2013(06) :250-252. 5 高 菊 玲 . 植 物 工 厂 发 展 趋 势 探 讨 J. 轻 工 科 技 2012(09):129-130. （收稿日期： 2015-05-11） 2015年第 6期 http:/ 37 技术热点