農(nóng)業(yè)數(shù)字化是把數(shù)字化技術應用于農(nóng)業(yè)的改造和提升，為此，本文簡要介紹了農(nóng)業(yè)數(shù)字化的特點，數(shù)據(jù)的獲取、通信及處理，并介紹了農(nóng)業(yè)數(shù)字化的幾個應用場景。

農(nóng)業(yè)數(shù)字化是信息技術在農(nóng)業(yè)應用中的高級階段，主要指在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中進行農(nóng)業(yè)要素、過程、管理的數(shù)字化。同時，農(nóng)業(yè)具有自身特點，在利用數(shù)字化技術對農(nóng)業(yè)的改造過程中要充分尊重農(nóng)業(yè)自身規(guī)律對數(shù)字化技術擇優(yōu)而用，如此方能充分利用現(xiàn)代信息技術提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

01農(nóng)業(yè)數(shù)字化特點

1.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)數(shù)字化的基礎，數(shù)據(jù)范圍包括農(nóng)業(yè)中的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、生物信息（營養(yǎng)、水分、葉片、根系等）及農(nóng)業(yè)社會信息數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的獲取主要指通過傳感器技術、RFID技術、3S（GPS、RS、GIS）技術以及人工標注及網(wǎng)絡抓取等方式獲取數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)主要利用溫度、濕度、光照等傳感器進行監(jiān)測。生物信息數(shù)據(jù)主要利用人工監(jiān)測結合設備檢測，隨著計算機視覺技術的發(fā)展，進行作物形狀、顏色、紋理等特征的非接觸式監(jiān)測將成為生物信息數(shù)據(jù)監(jiān)測的方向。融合3S（GPS、RS、GIS）技術、航空監(jiān)測技術及物聯(lián)網(wǎng)技術的天空地監(jiān)測系統(tǒng)在不遠的未來將為獲取更全面的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)提供牢固的技術支撐。

2.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)通信

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集設備具有分散性特點，且往往因地形環(huán)境復雜性，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡傳輸在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)通信中難以普及，因此農(nóng)業(yè)信息通信技術主要是基于無線模式。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）和移動通信網(wǎng)絡是兩種重要的信息傳輸形式，分別適用于近距離無線通信和遠距離無線通信，相對比數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸技術更為成熟。無線傳感網(wǎng)絡的近距離通信具體應用有藍牙、WiFi、ZigBee等技術，具有低成本、高可靠、自組織的特點。尤其是ZigBee技術在農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)絡中扮演越來越重要的角色，與藍牙和WiFi相比，具有低速率（20-250kbps）、低功耗的特點，適合農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)近距離（10-100m）通信。遠距離通信，GPRS（2.5G）是比較成熟的通信技術，具有永遠在線、套餐價位低廉的特點，在當前依然可視為農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸首選。以5G（第五代移動通信技術）、Ipv6（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版，比現(xiàn)行Ipv4地址資源遠遠豐富，且更安全，響應更快）為代表的新一代通信和互聯(lián)網(wǎng)技術為數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了更加可靠、安全、高效的網(wǎng)絡技術支撐。

3.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有地域性、周期性、時效性、綜合性等特點，非線性問題、不確定性問題在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理中顯得尤為突出。利用數(shù)字化技術對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的處理主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)挖掘、算法技術、視覺圖像處理技術等方面。

在獲取農(nóng)業(yè)目標數(shù)據(jù)的基礎上，利用大數(shù)據(jù)及算法選取適當?shù)臄?shù)學模型和信息學模型，對研究對象未來發(fā)展的可能性進行推測和估計，或采用智能控制手段和方法對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進行干預，其中視覺圖像處理技術、智能算法、智能控制技術是重點。

云計算能夠實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)所需的計算、存儲等資源的按需獲取，大數(shù)據(jù)為海量信息處理和利用提供支持。利用大數(shù)據(jù)、云計算等技術，由局部到整體、由經(jīng)驗型到機理型、由功能化到可視化地構建農(nóng)作物決策與管理系統(tǒng)，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及管理的數(shù)字化。

02農(nóng)業(yè)數(shù)字化現(xiàn)狀

1.國外情況

國外發(fā)達國家的數(shù)字農(nóng)業(yè)研究在上世紀5、60年代開始起步，歷經(jīng)了農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)定量化、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的計算機處理、知識工程及專家系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡綜合應用等階段，現(xiàn)今在研究上已經(jīng)達到比較高的水平，并已經(jīng)進入實用階段。體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)中應用計算機處理農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，開發(fā)農(nóng)業(yè)知識工程及專家系統(tǒng)，應用標準化網(wǎng)絡技術，開展農(nóng)業(yè)信息服務網(wǎng)絡的研究與開發(fā)。

比較典型的有：作物的生長發(fā)育模型與模擬，美國模擬玉米、小麥、水稻等作物生產(chǎn)的CERES模型系統(tǒng)，荷蘭的SWAN5系統(tǒng)，在作物生長模擬模型和土壤水分、養(yǎng)分轉移過程模型研究的基礎上，完成了兩類模型的初步整合；施肥機械和植保機械等利用GPS和GIS系統(tǒng)進行作業(yè)；在計算機視覺方面，美國研制了高速高頻計算機視覺水果分級系統(tǒng)，應用于蘋果、橘子、桃等的產(chǎn)品分級。

植物本體傳感器圖

2.國內情況

我國農(nóng)業(yè)存在耕地高度分散、生產(chǎn)規(guī)模小、時空差異大、量化和規(guī)?；潭炔?、穩(wěn)定性和可控程度低等問題。為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，我國在上世紀90年代即出現(xiàn)了經(jīng)驗推理型專家系統(tǒng)，溫室控制方面研制了使用工控機進行管理的植物工廠系統(tǒng)，可以視為農(nóng)業(yè)數(shù)字化的發(fā)端。我國于2003年在國家863計劃中啟動實施了“數(shù)字農(nóng)業(yè)技術研究與示范”的重大項目，時至今日已經(jīng)初步形成了我國數(shù)字農(nóng)業(yè)的技術框架。

《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》指出，加快發(fā)展數(shù)字農(nóng)情，利用衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面物聯(lián)網(wǎng)等手段，動態(tài)監(jiān)測重要農(nóng)作物的種植類型、種植面積、土壤墑情、作物長勢、災情蟲情，及時發(fā)布預警信息，提升種植業(yè)生產(chǎn)管理信息化水平，對我國農(nóng)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展具有提綱挈領的指導作用。

總的來說我國數(shù)字農(nóng)業(yè)尚在起步階段，使用得更少。缺少基礎研究及精確農(nóng)業(yè)發(fā)展支撐，關鍵技術仍依賴從國外引進，成本高、針對性較差。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測手段落后、速度慢、精度低，不適宜推廣和使用。開發(fā)的應用系統(tǒng)軟件在計算機運用平臺、信息接口、軟硬件等的兼容性較差，不利于進行數(shù)據(jù)的交換、傳播和使用。

03 農(nóng)業(yè)數(shù)字化具體應用

1.基于物聯(lián)網(wǎng)的小氣候環(huán)控與水肥一體化技術

在相對封閉的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境中，溫、光、水、氣、肥等作物生長的環(huán)境因子具有了有效調控的可能性。尤其在設備集成化程度較高的大型溫室，通過對設施環(huán)境的監(jiān)測及中控管理，操控相應環(huán)境調控設備調節(jié)溫室的溫度、濕度、光照等環(huán)境，維持植物或動物適宜的生長環(huán)境。通過在設施生產(chǎn)區(qū)設置環(huán)境測量設備，進行溫度、光照等環(huán)境參數(shù)的測量，并進行必要的物理量、模擬量、數(shù)字量的轉化，然后通過有線或無線的方式發(fā)送測量信息到控制中心，控制中心對接收到的數(shù)據(jù)進行運算后發(fā)送指令到執(zhí)行設備，執(zhí)行設備啟動，即可進行環(huán)境調控。

水肥一體化方面，在大田農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)設施農(nóng)業(yè)以及現(xiàn)代化智能溫室中均有不同程度的應用，其中以傳統(tǒng)設施農(nóng)業(yè)如日光溫室中應用最廣，以現(xiàn)代化智能溫室中應用智能化程度最高。通過在生產(chǎn)區(qū)域布置傳感器，測量與水分蒸發(fā)蒸騰相關的溫度、光照、空氣相對濕度、基質含水率等環(huán)境參數(shù)，并進行數(shù)據(jù)轉換與發(fā)送、傳輸，到達控制設備，控制設備經(jīng)過單因素或進行多因素耦合運算后發(fā)送指令執(zhí)行設備，進行水肥供應。

2.基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品質量溯源系統(tǒng)

區(qū)塊鏈主要是利用計算機程序，實現(xiàn)記錄整個網(wǎng)內所有交易信息的功能，是一種公開性賬本，是一種中心化的數(shù)據(jù)框架，具有信息高度透明，不容易被篡改的特點。

農(nóng)產(chǎn)品質量溯源方面，基于分布式賬本體現(xiàn)出的去中心化農(nóng)產(chǎn)品質量溯源系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈技術，可以有效的保障溯源節(jié)點信息的真實性。系統(tǒng)分為前端和后端，前端進行掃碼訪問或訪問溯源系統(tǒng)操作，后端由智能合約和區(qū)塊鏈基礎服務組成。在業(yè)務層面采用去中心化設計，在技術層面去數(shù)據(jù)庫化設計，采用共識機制保證賬本一致性和真實性，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質量溯源。

3.基于計算機視覺的智能農(nóng)機技術

利用計算機視覺技術自動采集農(nóng)田環(huán)境或植株圖像，通過圖像處理確定相關參數(shù)以及位置，輔助農(nóng)業(yè)機器人或農(nóng)機進行相關操作。其中大田環(huán)境采集上，重點在于通過圖像分析處理確定導航路徑上，提取導航基準線，進行三維操作。

大田“四情”監(jiān)測系統(tǒng)

采用計算機視覺的采摘機器人、田間作業(yè)機器人等，可以進行作物生長管理過程中的育苗嫁接、生長形態(tài)觀測、整枝打叉、果實采收、產(chǎn)品分級。

4.虛擬現(xiàn)實農(nóng)業(yè)技術

虛擬農(nóng)業(yè)技術方面，可以進行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)試驗無法完成的研究，使研究成果在更大地理范圍和更長時間范圍內推廣使用。虛擬現(xiàn)實技術重點在建模和可視化研究，并對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)群體或個體進行模擬和分析。虛擬現(xiàn)實技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中的應用主要體現(xiàn)在虛擬植物和虛擬儀器上。應用到的技術有生長機模擬、可視化模擬以及三維重建技術等，其中三維重建需要大量的測定數(shù)據(jù)。

5.農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)軟件

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)軟件方面，可以實現(xiàn)遠程診斷軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)平臺、農(nóng)業(yè)管理ERP系統(tǒng)、便攜式農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)開發(fā)平臺等，目前常見的有作物病蟲害專家系統(tǒng)，作物栽培栽培系統(tǒng)，依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或管理業(yè)務流程，進行數(shù)字化構建和表達，開發(fā)相應的系統(tǒng)軟件，可以基于瀏覽器/服務器模式或客戶端/服務器模式進行開發(fā)。