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智慧农业技术及其推广应用的窘境与出路

  • 日期:2019-11-11 19:08
  • 作者:逸农
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   年来,智慧农业技术的有了长足的发展,被美称为农业中的智慧经济,或智慧经济形态在农业中的具体表现,大批涉足智慧农业的科技企业如雨后春笋般冒出,不少科研院所、大专院校也参与其中。也有一批智慧农业科研成果、实用技术、传感器、应用管理软件平台系统面世进入市场。但由于智慧农业技术装备和软件系统价格太贵,一套系统动辄十几万、甚至几十万,一家一户农民用不起,中小型农场、农业园也难以配套使用,使其市场推广应用进入窘境。不少企业不得不把服务市场瞄准政府项目,上样板工程,从政府财政获得收益。但政府毕竟无法替代市场,不可能长期为市场买单。智慧农业要走出窘境,必须寻找自己的出路。


 


一、智慧农业的概念

智慧农业(Smart Agriculture)的概念院子IBM公司首席执行官彭明盛2008年提出的“智慧地球”概念。他认为,智能技术正应用到生活的各个方面,如智慧的医疗、智慧的交通、智慧的电力、智慧的食品、智慧的货币、智慧的零售业、智慧的基础设施甚至智慧的城市,这使地球变得越来越智能化。数字化、网络化和智能化,被公认为是未来社会发展的大趋势,与“智慧地球”密切相关的物联网、云计算等,更成为科技发达国家制定本国发展战略的重点。

所谓智慧农业,自然是基于“智慧地球”的基本概念,是互联网、物联网、云计算的数字化、网络化、智能化农业。但从生产应用角度讲,还应该包含有经济的、高效率、高效益、生态友好和可持续发展的含义,是聪明的、智慧的、最优化的现代农业技术系统。智慧农业包含有精准农业、自动化农业、智能农业、知识农业的成分,但并不简单等同于精准农业、智能农业、知识农业和自动化农业。

智能的农业,具有自动检测、自动决策、自动控制、自动服务的功能,就是将现代通讯技术特别是物联网技术运用到传统农业中,运用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业生产进行控制,使传统农业更具有智慧智慧农业涉及到的技术包罗万象,是充分应用现代信息技术成果,计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、遥感技术、地理信息系统全球定位系统空间技术、传感器技术、导航技术通讯技术、人工智能技术的集成多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、决策、表达、传播和应用的现代信息技术实现农业可视化远程诊断、可视化呈现、远程控制、灾变预警等智能管理。智慧农业系统不仅是农业生产的自动化、智能化,更重要的是精细化、最优化、高效率和高的经济效益,在减少人力投入、生产资料投入,降低生产成本,提高经济效益,同时提高产量,保证农产品的优良品质。所以,智慧农业是精准的、数字的、智能的、最优的,是节能的、环保的、高效的、可持续的、人文友好的,简单说就是最聪明的农业生产方式。智慧农业综合技术是现代农业的标志性技术,是现代农业发展的方向。

二、智慧农业的基本原理

智慧农业必须借助于发达的现代农业生产理念、技术、装备、方法和手段来实现。但其基本的工作原理并不复杂,与工业自动化原理及生物条件反射原理是相同的。完整的智慧农业处理工作单元由传感器、信息传入通路、数据处理决策中心、信息传出通路和效应器五部分组成。

传感器,也称感受器,是能够感受土壤水分、土壤养分、温度、空气湿度、光照等因子变化的感受器。传感器进行作业面各因子的信息采集,并转化为数字信号,通过传入通路到达数据处理中心,进行分析、计算、比对、判断、决策,制定最优化的执行方案,并转化为数字化为指令;由传出通路将数字化执行指令发送到效应器,即执行装备,由效应器执行指令,进行作业面的操作,完成一个作业周期。

比如,田间传感器检测到土壤水分不足信号,通过电子线路将信号发送到数据处理器进行分析和决策处理,判断是否需要浇水、灌溉,灌多少,什么时间灌,做出决定后,再将指令发送给效应器灌溉设备,执行灌溉作业。

这是水分单一因子智慧管理的基本模式。实际应用中,经常是多因子、多功能、多模块的集成。客观上,影响农作物生产的因素很多,比如品种、气温、湿度、墒情、肥力、光照、病虫害、通风、二氧化碳等。每一个因素都需要传感器,每一个因素都需要相应的效应器,所以需要一系列的传感器和效应器装备。有时需要多因子同时处理,提高工作效率,降低生产成本。比如,检测墒情的时候,同时检测肥力,灌溉时,可以把追肥与加入灌溉水中,一次性操作完毕。

在实际应用中,由于技术的不成熟,体系不完整,或设备的不可靠性,经常需要人为干预,或只进行部分因子、部分环节的自动化操作,很多其他方面需要人为干涉。在传感器端,传来的信息需要人工验证;系统做出的分析和决策,也需要人工判断;作业面作业时,还经常需要人工查看,排除故障,等等。一个真正自动化的智慧农业系统,目前还很少有,也不敢完全依靠。但可以预见,随着现代科学技术和软件智能化水平的提高,智慧农业技术也将日渐完善,自动化水平越来越高,人工干预越来越少,方案越来越优化,工作效率和经济效益越来越高。简单说就是聪明程度越来越高。

三、智慧农业的应用领域

1. 精准农业、数字农业、智能农业自动化农业

精准农业的概念源于美国,始于上世纪七八十年代,其实质上是数字农业,也叫精细农作一个典型例子是用卫星定位系统与拖拉机自动作业相结合,在田间精准定位,进行耕地、播种、收割、喷药的自动化操作。由于美国农场规模大,几千亩甚至几万亩的农场,一望无际,身处其间,难以定位、定向。采用卫星定位系统可以自动定位、定向、定量,精准作业,结合相应的自动化农机具,即可将实现精准耕、耙、浇水、采收等农业操作。数字农业是指各生产要素的数字化定量、数字化传输、数字化存储和指令的数字化执行,并可以数字化统计、分析、判断、比对和决策。农业生产的数字化,也是智能化和自动化的技术基础。从本质上讲,农业的精准化、数字化、智能化和自动化没有本质的区别,是同一个问题的不同侧面和视角。

2. 土壤水分、墒情检测与灌溉

使用传感器可以进行土壤水分、墒情检测并传回数据处理中心,经数据分析处理,能准确了解不同作物对水分的需求,决定是否需要进行灌溉、灌溉时间和用水量,并发出灌溉指令。灌溉过程中,还可以及时了解灌溉进程和灌溉强度,由控制中心进行流速和水量控制。当最后一个传感器发回水分条件满足时,即可终止灌溉。根据不同作物,需要预先设定不同作在物植株生长、开花、结实、籽实成熟等不同时期对水分的需求,制定最优化的灌溉方案,保农产品的最高产量和最优品质。在节省资源、节省能源、节省劳动力、降低成本的同时,最大限度地提高可持续产能和经济效益。

3. 肥力检测与精准施肥

不同地块、不同作物和不同生长期,对肥料养分的需求都不同。需要有代表性地对不同地块的土壤养分和肥料养分进行测定,根据不同作物个生长期的养分需要,制定最优化施肥方案。其中涉及的因素包括不同作物、不同生长期、肥料品种,由针对性地制定最优化施肥方案,包括时间、施肥量,包括底肥、追肥、叶面肥、施肥次数和总量,也就是测土配方施肥。智慧施肥技术,就是要准确了解各要素的基础上,精确制定最优化施肥方案,充分满足作物生产营养需要,降低肥料消耗,优化土壤结构,减少土壤板结,达到可持续高产、优质和高效农产品生产。

4. 病虫害预测预报

病虫害的发生与温度、湿度、光照等气候因子及种植方式密切相关,也与特定病虫害的自然发生规律有关。传统的病虫害防治需要人工田间探查,但大面积作业的农田,病虫害探查检测工作量大且准确性低,不能及时准确地了解病虫害发生情况,也难以及时实施防治措施。智慧农业的病虫害防治,就是通过田间传感器对自然环境因子的检测数据,设定作物品种、种植方式,结合病虫害自然发生规律和历史发生资料,通过遥感、航拍及人工核查验证,进行预测、预报,并监控病虫害实际发生情况,制定出综合防治方案,包括用药品种、用药量和用药时间等。制定防治方案后,可以通过田间机械喷施、飞机喷施等手段进行定时、定量、定速的精确操作,保证防治效果。

5. 遥感和航拍

卫星遥感和航拍可以通过对农田作物的颜色色谱分析,获取大面积范围内作物生长情况、病虫害危害情况信息,提出施肥、灌溉、病虫防治的宏观策略,制定作业方案。也通过成熟季节作物的颜色,了解作物成熟度,并进行作物估产,帮助制定粮食销售策略和价格策略。

6. 温室大棚自动化

智慧农业技术在保护地栽培领域的应用较为成熟和广泛。在现代化的温室大棚里的蔬菜、水果、食用菌、药用植物育种植、工厂化育苗以及畜禽水产养殖中,都有普遍的应用。在现代化的温室大棚作业中,从育苗、移栽、施肥(包括气体肥料施用)、灌溉、通风、温度控制、光照控制、采收、分级处理、初加工,已经可以完全很高的自动化作业。可以大幅度降低用工,提高作业效率和经济效益。温室大棚的投入高,但产出也高,可达到亩产数万元产能,经济效益也很可观,所以在公司化经营和农户式生产中,智慧农业的认可程度较高,应用广泛。




7. 质量控制与追溯系统

农产品质量保证和食品安全是近年来普遍关注的问题,农产产品质量追溯成为热词。质量追溯的基本思路源于危害分析与关键控制点(hazard analysis critical control point)思想,简称HACCP是一种食品安全与卫生的预防性管理体系,也是保证体系。HACCP是对食品加工、运输以至销售整个过程中的各种危害进行记录、存储、分析和控制,从而保证食品达到安全水平,并可以进行危害的溯源管理。它是一个系统的、连续性的食品卫生预防和控制方法。HACCP不是“0”风险,而是建立在识别风险的基础上,减少或者降低食品安全中的风险。质量追溯系统的基本原理是:在农产品生产从种子种苗、田间管理、化肥农药施用、采收加工、仓储物流、产品销售每一个关键环节设置监控点,通过化学、物理、仪器和人工的综合抽样检测、检查、记录,并通过数据、图片、视频等手段进行自我存储和展示给消费者,可以通过编码的标识条形码、二维码等手段进行查验。每一批甚至每一个产品都标明品名、产地、生产商、生产条件和出场时间,当出现问题时有据可查,可以追溯到问题发生的具体环节和具体位置,可以追究责任者的责任,从而保证食品消费安全。

8. 仓储、物流和销售管理

农产品保鲜仓储、冷链运输和销售是在提出智慧农业概念之前发展领域,所以并不是智慧农业的重要关注点,但很显然也属于智慧农业的范畴。近年来生鲜食品的冷链监测传感器、监测信息的无线移动传输、存储记录等技术手段越来越先进,应用也越来越广泛,大型仓储的自动化程度越来越高,物流系统的监控手段、记录手段、跟踪定位手段和服务手段越来越透明化和人性化,软件管理系统可处理的信息量越来越大购物体验越来越好,几近完美

9. 市场供求监测和行业大数据

农产品市场供求平衡和产能安排是农业生产的重要环节,但没有人能说的清楚,某种农产品的市场现实需求量,也没有人能说的清楚产能安排和区域分布情况。理想的智慧农业系统,应该能够不同农产品的市场需求,并根据需求安排生产,实现市场经济背景下的有计划生产。这需要对消费者饮食文化、饮食结构、历史销售数据、农产品产能分布及其历史数据进行准确的调查、统计、汇总与分析,建立农产品市场大数据,根据大数据进行产能安排和及时调整。在这方面还有很多工作要做,有很长的路要走。

10. 植保无人机及农机服务共享经济

植保无人机是一种小农机具,也是一个典型的智慧农业作业手段。近年来,植保无人机应用得到迅速普及,据统计2019年一年的植保无人机销售量超过了历史销售量总和,而且有价格逐步降低的趋势,为普及应用创造了条件,具有良好的发展前景。植保无人机目前的最大用途是农药喷施。传统的农药喷施人工操作,劳动强度高,费时费力费工,作业效率低、风险高等问题,每年农药中毒人数以十万计,危害极大。而且由于人工施药作业速度慢,短时间内无法进行大面积作业,常常错过了病虫害最佳防治时机,造成农业减产。采用植保无人机喷施农药,定量、定高、定速、定路线,自动化程度高,速度快,作业效率高,可以规划路线精确定位,避免重复喷施。熟练的无人机驾驶员,一天作业面积可以达到500亩,费用可以低至每亩4~5元,已经逐渐被农民朋友所接受。此外植保无人机还可以进行草籽播种、叶面肥喷施、除草剂喷施、作物长势航拍检测、病虫害监控等田间作业。虽然购买无人机成本也比较高,也不适合一家一户农民购买,但通过由地方供销社组织飞防服务队、无人机服务联盟、农机服务银行等共享经济服务模式,比较好地解决了无人机的生产应用。类似的服务模式还有农田翻耕、整机、耙地、作物收割等农用拖拉机和大中型农业机械的共享应用。




综上所述,尽管现代农业技术的开发与应用已经有不短的历史,但智慧农业却是一个比较新的概念。智慧农业所包含的领域和内容比较广泛,而且在随现代科学技术的进步不断拓展和完善。从品种选择、田间管理,到采收加工、储运销售全产业链的的每个环节;从生产装备、监测监控,到品质管理、信息处理和市场供求信息服务;从技术手段和装备,到应用领域。智慧农业技术可以大大提高作业效率,降低单位作业成本,提高经济效益,降低劳动强度,节省劳动力,具有广阔的应用前景,成为农业现代化的发展方向。但当前,智慧农业自身也有其局限性,存在不少问题,成为阻碍发展的障碍。

四、智慧农业存在问题与窘境

1. 技术不够成熟,需要不断完善。智慧农业发展涉及材料科学、检测手段、信息技术、软件技术、控制技术、自动化、人工智能等很多学科和领域,是多学科技术的集成,因而也受到个学科发展水平的制约,同时也受到农业生产自身的经营观念、理念、文化、生产方式和认识水平的影响。所以,智慧农业必然处在不断进步、完善和发展的动态过程中。

2. 系统装备成本高,农民用不起。农业各生产环节需要有不同的智慧农业检测装备、决策系统和效应装备,多环节的系统集成,体系庞大,费用高昂,动辄十几万、几十万元,小农经济和一家一户的农民无力承担高昂的资金投入。所以,智慧农业技术好是好,就是用不起,难以迅速普及。

3. 小农经济的小规模作业不适合。从经营规模上讲,几亩地的经营规模无法承担智慧农业的高投入。尽管智慧农业技术可以提高生产效率,降低单位成本,提高经济效益,但小规模经营背景下,高效率所带来的收益,不足以抵消高投入,严重影响到智慧农业的推广应用。

4. 技术要求高,需要进行技术培训。智慧农业技术系统的操作,需要比较高的文化和技术素质,普通农民的知识和技术技能水平达不到要求,难以操作复杂的智慧农业系统。智慧农业系统需要进行专业技术培训,甚至需要获得专业技术职业技能鉴定证书。同时,智慧农业需要多系统的技术和装备配套使用,比如,农产品质量保证系统的建立需要有优良品种选择、化肥农药的科学施用、规范的田间作业管理、配套的采收加工技术、产品质量认证和质量追溯系统等多环节的相配套,这进一步增加了对农民的知识和技术素质要求。

5. 农场、农户、农民缺乏对智慧农业了解和需要,还没有完全被市场用户接受。智慧农业还缺乏宣传与普及,农户农民、农场及行业管理人员,并不真正理解智慧农业的含义,更不知道如何应用智慧农业技术。目前真正应用智慧农业系统的是较大规模的农场、农业园、示范园、种植基地、样板工程。智慧农业技术开发和生产企业,甚至把重点瞄向为政府机构,依靠政府上项目来购买和应用智慧农业系统。但政府必定不能代替市场现实需要,只有市场需求,才是推动智慧农业可持续发展的真正动力。

五、智慧农业发展对策与出路

1. 加强基础研究、应用研究、装备研发开发,加快平台软件系统开发和升级换代,提高系统实用性、可操作性、分析决策能力和技术成熟度,改善用户体验、友好程度和亲和力,提高生产效率,并降低生产成本。使智慧农业技术系统好用,农民会用、用得起。

2. 改变农业生产的组织形式,扩大农业生产作业规模,提高对智慧农业技术的应用能力。通过专业合作社、土地托管经营、合伙经营、企业加农户、企业加合作社加农户等模式,扩大土地经营规模,提高合作经济体的综合实力、投资能力和抗风险能力;成立专业服务公司、服务合作社,开展设备租赁业务,采用共享经济模式和农机银行模式,实现装备资源共享,让一家一户农民也能够分享到智慧农业带来的好处。在这方面,联合收割机、植保无人机的应用,已经有比较成熟的经营,值得借鉴。

3. 设立智慧农业技术技能职业标准和工种,或在农技员等现有农业技术职业技能中增加智慧农业的内容,提高从业人员队伍的知识水平和职业技术技能水平,提高农业科技服务水平,做好为“三农”服务工作。

4. 加强智慧农业技术技能培训,提高农民整体技术技能素质,加强新型职业农民的队伍建设,让普通农民也能明了智慧农业概念,懂得智慧农业应用技术,能够操作智慧农业系统装备。

5. 加强宣传力度,提高行业行业管理人员对智慧农业的认识水平,认识到农业技术的发展方向和发展前景,加强政策、资金、技术、培训支持力度,提高服务意识和服务水平。

六、发展智慧农业应该注意的问题

1. 农业技术革新和智慧农业的推广应用要适应当下技术发展阶段性要求,不可超越。农业技术的发展有其自身的规律性,要考虑农业产业的承载能力,在考虑长远发展的同时,也要考虑具体实际需要。

2. 要根据不同地区的不同的经济发展水平、劳动力资源充足程度和劳动力价格因素,因地制宜发展和推广应用智慧农业技术,在逐步提高农业现代化水平的同时,让农民享受到科技进步所带来的实惠。

3. 现代工业技术的应用不能片面追求“高、大、上”,要切合当时、当地的实际需要,保证农民实际收入的同时,逐步实现农业现代化。走的太快,步子迈的太大,过高的要求,会事倍功半,适得其反。(2019年11月11日)


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