農業數字化是把數字化技術應用于農業的改造和提升，為此，本文簡要介紹了農業數字化的特點，數據的獲取、通信及處理，并介紹了農業數字化的幾個應用場景。

農業數字化是信息技術在農業應用中的高級階段，主要指在農業發展過程中進行農業要素、過程、管理的數字化。同時，農業具有自身特點，在利用數字化技術對農業的改造過程中要充分尊重農業自身規律對數字化技術擇優而用，如此方能充分利用現代信息技術提升農業生產力。

農業數字化特點

1.農業數據獲取

農業數據是農業數字化的基礎，數據范圍包括農業中的氣候環境數據、生物信息（營養、水分、葉片、根系等）及農業社會信息數據。農業數據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絡抓取等方式獲取數據，環境數據主要利用溫度、濕度、光照等傳感器進行監測。生物信息數據主要利用人工監測結合設備檢測，隨著計算機視覺技術的發展，進行作物形狀、顏色、紋理等特征的非接觸式監測將成為生物信息數據監測的方向[1]。融合3S（GPS、RS、GIS）技術、航空監測技術及物聯網技術的天空地監測系統在不遠的未來將為獲取更全面的農業數據提供牢固的技術支撐。

2.農業數據通信

農業數據采集設備具有分散性特點，且往往因地形環境復雜性，傳統的有線網絡傳輸在農業數據通信中難以普及，因此農業信息通信技術主要是基于無線模式。無線傳感器網絡（WSN）和移動通信網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[2]，相對比數據采集和數據處理，數據傳輸技術更為成熟。無線傳感網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技術在農業無線傳感網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，適合農業傳感網近距離（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業數據傳輸首選。以5G（第五代移動通信技術）、Ipv6（互聯網協議第6版，比現行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網技術為數字農業的發展提供了更加可靠、安全、高效的網絡技術支撐。

3.農業數據處理

農業數據具有地域性、周期性、時效性、綜合性等特點，非線性問題、不確定性問題在農業數據處理中顯得尤為突出。利用數字化技術對農業數據的處理主要體現在數據挖掘、算法技術、視覺圖像處理技術等方面。

在獲取農業目標數據的基礎上，利用大數據及算法選取適當的數學模型和信息學模型，對研究對象未來發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業生產過程進行干預，其中視覺圖像處理技術、智能算法、智能控制技術是重點。

云計算能夠實現數字農業所需的計算、存儲等資源的按需獲取，大數據為海量信息處理和利用提供支持。利用大數據、云計算等技術，由局部到整體、由經驗型到機理型、由功能化到可視化地構建農作物決策與管理系統，輔助農業生產及管理的數字化。

農業數字化現狀

1.國外情況

國外發達國家的數字農業研究在上世紀5、60年代開始起步，歷經了農業數據定量化、農業數據的計算機處理、知識工程及專家系統、信息網絡綜合應用等階段，現今在研究上已經達到比較高的水平，并已經進入實用階段。體現在農業中應用計算機處理農業數據，建立數據庫，開發農業知識工程及專家系統，應用標準化網絡技術，開展農業信息服務網絡的研究與開發。

比較典型的有：作物的生長發育模型與模擬，美國模擬玉米、小麥、水稻等作物生產的CERES模型系統，荷蘭的SWAN5系統，在作物生長模擬模型和土壤水分、養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系統進行作業；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，應用于蘋果、橘子、桃等的產品分級[3]。

2.國內情況

我國農業存在耕地高度分散、生產規模小、時空差異大、量化和規模化程度差、穩定性和可控程度低等問題。為改善農業生產狀況，我國在上世紀90年代即出現了經驗推理型專家系統，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，可以視為農業數字化的發端。我國于2003年在國家863計劃中啟動實施了“數字農業技術研究與示范”的重大項目，時至今日已經初步形成了我國數字農業的技術框架。

《數字農業農村發展規劃（2019-2025年）》指出，加快發展數字農情，利用衛星遙感、航空遙感、地面物聯網等手段，動態監測重要農作物的種植類型、種植面積、土壤墑情、作物長勢、災情蟲情，及時發布預警信息，提升種植業生產管理信息化水平，對我國農業數字化的發展具有提綱挈領的指導作用。

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

農業數字化具體應用

1.基于物聯網的小氣候環控與水肥一體化技術

在相對封閉的設施農業環境中，溫、光、水、氣、肥等作物生長的環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，通過對設施環境的監測及中控管理，操控相應環境調控設備調節溫室的溫度、濕度、光照等環境，維持植物或動物適宜的生長環境。通過在設施生產區設置環境測量設備，進行溫度、光照等環境參數的測量，并進行必要的物理量、模擬量、數字量的轉化，然后通過有線或無線的方式發送測量信息到控制中心，控制中心對接收到的數據進行運算后發送指令到執行設備，執行設備啟動，即可進行環境調控。

水肥一體化方面，在大田農業、傳統設施農業以及現代化智能溫室中均有不同程度的應用，其中以傳統設施農業如日光溫室中應用最廣，以現代化智能溫室中應用智能化程度最高。通過在生產區域布置傳感器，測量與水分蒸發蒸騰相關的溫度、光照、空氣相對濕度、基質含水率等環境參數，并進行數據轉換與發送、傳輸，到達控制設備，控制設備經過單因素或進行多因素耦合運算后發送指令執行設備，進行水肥供應。

2.基于區塊鏈的農產品質量溯源系統

區塊鏈主要是利用計算機程序，實現記錄整個網內所有交易信息的功能，是一種公開性賬本，是一種中心化的數據框架，具有信息高度透明，不容易被篡改的特點。

農產品質量溯源方面，基于分布式賬本體現出的去中心化農產品質量溯源系統采用區塊鏈技術，可以有效的保障溯源節點信息的真實性。系統分為前端和后端，前端進行掃碼訪問或訪問溯源系統操作，后端由智能合約和區塊鏈基礎服務組成。在業務層面采用去中心化設計，在技術層面去數據庫化設計，采用共識機制保證賬本一致性和真實性，實現農產品質量溯源。

3.基于計算機視覺的智能農機技術

利用計算機視覺技術自動采集農田環境或植株圖像，通過圖像處理確定相關參數以及位置，輔助農業機器人或農機進行相關操作。其中大田環境采集上，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。

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

4.虛擬現實農業技術

虛擬農業技術方面，可以進行傳統農業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。虛擬現實技術重點在建模和可視化研究，并對農業系統群體或個體進行模擬和分析。虛擬現實技術在農業生產和管理中的應用主要體現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據。

5.農業管理系統軟件

農業系統軟件方面，可以實現遠程診斷軟件系統開發平臺、農業專家系統開發平臺、農業管理ERP系統、便攜式農業信息系統開發平臺等，目前常見的有作物病蟲害專家系統，作物栽培栽培系統，依據農業生產或管理業務流程，進行數字化構建和表達，開發相應的系統軟件，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。

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