“数字农业”与农业可持续发展

[摘要]“数字农业”是集农业科学、地球科学、环境科学、信息技术、自动化技术、计算机技术、数字通讯和网络技术等众多科学技术于一体的高新技术系统,也是一种现代农业发展模式,它通过对农业产前、产中、产后过程进行数字化设计、可视化表达和智能化控制,形成精准选
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  [摘要]“数字农业”是集农业科学、地球科学、环境科学、信息技术、自动化技术、计算机技术、数字通讯和网络技术等众多科学技术于一体的高新技术系统,也是一种现代农业发展模式,它通过对农业产前、产中、产后过程进行数字化设计、可视化表达和智能化控制,形成精准选种、精准播种、精准施肥、精准灌溉、分级收储、动态监控、适时调节的“链条,”以获取最佳的投入产出比,对于实现农业的可持续发展有着十分重要的意义。应从我国实际出发,适时推进我国“数字农业”的发展。


  [关键词]“数字农业”;信息化;可持续发展


  [中图分类号]F32[文献标识码]A[文章编号]1003-8353(2010)02-0070-04


  “数字农业”作为“数字地球”技术体系在农业领域的具体体现,是农业信息化的核心,也是21世纪农业的重要标志。发展“数字农业”及相关技术,是发展现代农业必然选择的支撑技术,主导着农业现代化的方向。我国是一个人口大国,保障食物安全事关国家安全大计。我国是世界上人均资源非常短缺的国家,耕地、水等农业资源的人均占有量远低于世界平均水平,农业的可持续发展面临诸多严峻挑战。根本出路在于依靠科技进步,大力发展“数字农业”,以最少的资源占用和资源消耗获取最大的优质产出,突破瓶颈制约,实现农业可持续发展。


  一、“数字农业”的含义


  1997年,美国正式提出了“数字农业”的概念,它是指在地学空间和信息技术支撑下的集约化和信息化的农业技术。1998年,美国副总统阿尔?戈尔再次把“数字农业”定义为:数字地球与智能农机技术相结合产生的农业生产和管理技术。


  我国比较统一的认识为,“数字农业”(DigitalAgricul-ture)是“数字化农业”简称,是指运用数字地球技术,包括各种分辨率的遥感、遥测技术、地理信息技术、全球定位技术、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等技术与现代农业技术相结合的农业生产管理高新技术系统。具有以下特点:


  1、“数字农业”要求对农业各个方面(包括种植业、畜牧业、水产业、林业)的各种过程(生物的、环境的、经济的)全面实现数字化,即各种农业过程都要应用二进制的数字以及数字模型加以表达。


  2、“数字农业”数据库中存储的数字具有多源、多维、时态性和海量的特点。


  3、对于涉农的多维、海量数据的组织和管理,特别是对时态数据的组织与管理,需要研究新一代时态数据库管理系统,并进而形成时态空间信息系统。不仅可以有效地存储空间数据,同时能够形象地显示多维数据和时空分析后的结果。


  4、“数字农业”要在大量的时空数据基础上,对农业某一自然现象或生产、经济过程进行模拟仿真和虚拟现实。如农作物生长、农业自然灾害的虚拟现实。


  二、“数字农业”的主要内容


  1、农业要素的数字信息化任何农业系统都会有四大要素,即生物、环境、技术和社会经济要素。每个要素中又包含多个因素,如生物要素中,在作物方面有小麦、水稻、玉米、棉花等要素;而同一种作物的生长发育,又含有光合、呼吸、蒸腾、营养等因素。所有这些因素,按照“数字农业”的数字信息化的要求,都需用二进制数字表达。


  2、农业过程的数字信息化各种农业过程的内在规律及外部联系,可以利用农业数学模型予以揭示、表达。农业模型将农业过程数字化,使农业科学从经验的认知提高到理论的概括,是20世纪农业科学发展的一项重要成就,也是“数字农业”中一项十分关键的技术。


  3、农业管理的数字信息化农业管理大致包括农业行政管理、农业生产管理、农业科技管理及农业企业管理。按照数字信息化的要求,目前已经形成由农业信息技术支撑的各类农业管理系统。如农业数据库系统,对各级各类农业数据进行科学、集中的管理,包括农业生物数据库、农业环境数据库及农业经济数据库;农业规划系统,应用各种数学规划方法对农业问题进行辅助决策;农业专家系统,充分利用专家经验对某些农业决策提供支持;农业模拟优化决策系统,将农业过程的模拟与农业的优化原理相结合,提供农业决策的支持。


  4、农业生产的数字化现代农业已经由过去的手工操作走向现代的机械化和现代化操作,数字农业要求农业的生产和管理实现自动化,即从播种、育苗、灌溉、施肥、撒药、收割等过程全部实现精准化、自动化和智能化。


  三、“数字农业”的技术体系


  1、农田信息快速采集技术


  (1)遥感技术(RemoteSensing)


  遥感是由卫星上的传感器、传输系统和地面上的接收系统组成的一种不通过直接接触目标物而获取其信息的一种技术。RS是未来“数字农业”技术体系中获得田间数据的重要来源。RS技术是“数字农业”技术体系中获得农业动态信息的重要来源。农业的生产和管理是一个动态的过程,要求及时摸清农业资源的现状,了解农作物田间生产状况,监测其变化并预测其发展。遥感技术具有速度快、信息真、现势性强、多时相、更新快、效益高等特点,是农业生产管理和决策的重要手段。农业资源分布在广阔的地理空间,农业生产也在广阔的地域上展开,遥感技术在解决我国资源与环境问题,促进农业和农村的可持续发展中起着相当重要的作用。如农业资源调查及动态监测,大面积农作物长势监测与估产,农业灾害遥感监测和损失评估等方面。


  (2)全球定位系统(GlobalPositionSystem)技术


  GPS作为新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。GPS的空间部分使用24颗卫星组成卫星星座,每天24小时为全球陆、海、空用户全天候提供三维位置、速度和时站。它由空中卫星,地面跟踪检测站,地面卫星数据注入站,地面数据处理中心和数据通讯网络等部分组成。


  GPS在“数字农业”中的关键作用即是提供相关要素的准确的空间位置信息,一方面使农业的管理具有更强的空间针对性、实用性,发挥更大效益;另一方面,通过GPS实时地对土壤水分、肥力、杂草和病虫害、作物苗情及产量等进行描述,对各要素进行跟踪,从而实现田间的精准化操作。因此,GPS技术的精确定位功能为“数字农业”的实施提供了切实可行的技术手段。


  2、农业信息贮存、管理技术


  (1)数据库系统(Databasesystem)


  农业数据库是一种有组织地动态地存储、管理、重复利用、分析预测一系列有密切联系的农业方面的数据集合(数据库)的计算机系统,它是信息存储、管理、传递的最有效手段,也是“数字农业”最基础的工作。农业数据库包括农业资源数据库、农业生产资源数据库、农业技术数据库、农产品市场数据库、农业政策法规数据库、农业机构数据库等。


  (2)数字化图书馆(DigitalLibrary)


  数字化图书馆是一个系统工程,主要包括馆藏数字化、信息传输数字化与网络化、资源共享化、信息服务终端化等,其优势在于不受时空、地理位置的限制。


  (3)地理信息系统(GeographicInformationSystem)


  GIS技术是以地理空间数据为核心,是存储和处理分析空间数据的最佳工具。农业及其各相关要素空间位置数据是农业生产管理的重要信息,也是“数字农业”中各类空间数据库建立的重要基础之一。GIS是一种采集、处理、传输、存储、管理、查询检索、分析、表达和应用地理信息的计算机系统,是分析、处理和挖掘海量地量数据的通用技术。主要包括空间数据输入子系统、空间数据存储与管理子系统、数据处理和分析子系统、输出子系统。


  (4)农业管理信息系统(MIS)


  管理信息系统是收集和加工系统管理过程中有关信息,为管理决策过程提供帮助的一种信息处理系统。


  3、农业信息应用技术


  (1)农业自动控制技术(AutoControl)


  农业自动控制技术的发展是农业信息化的基本特征,是信息农业的核心技术。利用传感器通过计算机和自动控制系统实现农业生产和管理的自动化,对农业的增产增质产生了巨大的经济效益和社会效应。


  (2)农业专家系统(ExpertSystem)


  ES是以知识为基础,在一定领域内模拟人类专家解决复杂实际问题的计算机系统。是一种智能的农业信息技术,不仅可以保存、传播各类农业信息和农业知识,而且能把分散的局部的单项农业技术综合集成起来,经过智能化信息处理,针对不同的条件,给出系统性和应变性强的各类农业问题的解决方案,为农业生产全过程提供高水平服务。农业生产管理专家系统涉及农作物生产管理、畜禽养殖、市场管理、农业经济分析等多种领域。


  (3)决策支持系统(DecisionSupportSystem)


  DSS是利用系统知识和数学模型,通过计算机分析或模拟,协助解决多样化和不确定性的问题以进行辅助决策的软件系统,是一种人机对话式的计算机系统。一般包括以下四个部分:对话生成及其管理系统,模型库及其管理系统,数据库及其管理系统,知识库及其管理系统。农业生产中采用决策支持系统后可以感受到更高的决策质量、沟通的改进、成本削减、生产率的提高及节约时间等方面的改善。


  4、农业信息传播技术


  (1)计算机网络和通讯技术


  “数字农业”的建立是以海量的数字化的农业信息为基础,因此信息的交换和传播将是“数字农业”的重要环节。计算机网络和通讯技术为“数字农业”信息的顺畅交流提供了重要的技术支撑,从而实现信息的交换和共享,发挥信息的最大作用。主要包括农业信息互联网络、卫星数据传输系统等技术。


  (2)多媒体技术(Multimedia)


  多媒体是20世纪90年代以来应用计算机把图、文、声、像综合集成技术,是新时期农业知识、技术推广应用的重要手段。


  (3)虚拟现实(VirtualReality)技术


  VR技术是指创建一个能让参与者具有身临其境感,具有完善的交互作用能力的虚拟现实系统。虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术,它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支,从而大大推进了计算机技术的发展。由此延伸而得到现在的虚拟农业的概念。


  四、“数字农业”对农业可持续发展的作用


  可持续发展是指既满足当前需要又不削弱子孙后代满足其需要之能力的发展,可持续发展作为一种新的社会发展模式,为越来越多的国家所理解和接受,并且正在逐步深入地影响到人类社会生产和生活的各个领域。农业可持续发展是整个社会可持续发展的基础。改革开放以来我国农业取得了举世瞩目的成就,但是,影响农业可持续发展的诸多矛盾并没有得到根本性的缓解。在经济全球化的环境中,农业发展越来越受到资源和市场的双重约束,传统农业面临巨大的竞争压力,农民在生产经营中承受着自然的风险和市场的风险,而且市场风险给农民的影响又远远大于自然的风险:在工业化、城镇化加速发展阶段,耕地资源呈逐年下降趋势,持续增长的人口对农业的压力不断增大,水资源短缺与农业用水浪费并存,过量施用化肥农药及养殖业的废弃物排放,导致严重的农业面源污染;农业科技转化为实际生产力的比重低,农业科学技术创新能力尤其是原始创新能力不足。这一切都制约着农业的可持续发展。数字农业是突破制约农业可持续发展瓶颈的有效途径。


  1、数字农业促进传统农业向现代农业跨越


  我国广大农村地区相对落后,交通不便,信息闭塞,导致农业生产经营的重复性、盲目性,农业生产技术落后且更新速度慢。而数字农业可以通过电子商务、电子政务等促进农业经济活动的信息化。实行信息服务手段多样化,重点加强农业信息网络建设,建立以农业信息网络为依托,互联网与电信、电视等其他现代媒体相结合的应用模式,把计算机网络信息量大与电视、电话、手机普及率高的优势结合起来,拓宽信息覆盖范围。农业领域的市场信息、生产信息、管理信息的广泛交换和共享,可以大大增加农业的开放度,降低农业活动的交易成本,加强农业生产者与农产品加工、市场流通、农业生产资料供应等部门的联系,进一步促进农业科研和技术推广,使农业生产经营突破地域限制,日益走向国际化、全球化,使传统农业向现代农业转变。


  2、数字农业有助于农业产业结构调整


  改革开放以来,我国一直在调整农业产业结构,经过30余年的努力,农业产业结构已经大为改善,其合理化程度有了明显的提高,对发展农业生产、增加农民收入、保证市场供给发挥了重要的作用。但从目前来看,我国农业产业结构仍然存在不少问题和矛盾。随着城乡居民生活的逐步提高,市场需求结构发生了很大变化,农业产业结构的缺陷也日趋暴露出来,主要表现在农业结构趋同现象严重,农业产业结构层次低,农业产业链不完整,农业比较效益差等。而过去的调整多在数量上做适应性的调整,不能适应当前日益国际化、市场化的国民经济对农业发展提出的新要求。加入WTO为战略性经济结构调整和技术进步乃至现代农业发展提供了难得的机遇,迫切需要“数字农业”来缩小与发达国家的差距。


  “数字农业”具有指导农业发展、加强市场监管和促进农民增收、更好的服务“三农”功能,实现农业产前、产中、产后的整个产业链条的一体化决策服务,更好地指导农业生产;建立的农产品网上推介展示系统,实现全国各级现有的龙头企业、名优特新农产品全部上网,集中展示,实现网上交易。“数字农业”将现代信息技术与农业的融合,能够实现在数字水平上应用前沿技术对农业的生产、农产品管理、储运、流通、市场配送、乡镇加工业、信息服务以及农业资源环境等整个农业产业链、产业群进行改造和重构,通过信息链改造产业链,更加合理地配置农业资源,加快现代农业产业结构调整的进程。


  3、数字农业提高农业产品竞争力农产品要取得竞争优势,必然要在农业信息技术研究和应用上取得重大突破,促使先进的信息技术及时充分地应用到农业生产中去,加速数字农业全面向农业渗透,大幅度提高农业信息化整体水平,实现农业生产力水平、农产品质量的飞跃。发展数字农业,可以优化农村资源配置,降低生产成本,减少环境污染,增加农民收入,使农业向精确化、环保型和可持续方面发展,不仅可以加速实现农业现代化,而且可以提高农业的市场竞争力。只有不断提高农业技术水平,在关键领域达到并保持世界先进水平,才能迅速提高农业的国际竞争力。


  4、数字农业保护农业生态环境


  数字农业的根本目的就是强调最大限度地节省资源,以最少的投入,获得最高的经济收益和最佳的环境效益,重视环境保护和生态均衡,实现精准农业生产,以保持农业的可持续发展。数字农业不仅为大规模有效监测农业、资源、生态环境和灾害提供了基本的技术框架,可对农业生产的资源环境、生产状况、气象和生物性灾害等进行有效测报,有利于实现农业的减灾、防灾、农作物病虫害和畜禽疫病测报与防治,而且能够实现农业生产的自动化精确控制,根据各种变异情况实时实地采取相应的农事操作,可实现智能化的科学管理,提高农业的可控程度,从根本上减少了对非再生资源的利用和对化肥、农药的依赖,有利于节约各种农业物质资源,同时也能够减少消耗和农业对环境的污染,促进生态农业的发展,提高资源的利用效率,最大限度的提高经济收益和环境效益。


  五、基于农业可持续发展的数字农业优先行动领域


  在发展“数字农业”方面,要本着“有所为,有所不为”的原则,首先集中力量解决数字农业实现过程中的关键技术难点,在现阶段主要是完成必要的技术储备和相关软硬件的开发,保证“数字农业”持续稳步发展。


  1、进行精准农业技术集成与示范


  发展精准农业是数字农业的核心部分。精准农业作为一种数字、信息和知识管理农业生产系统的新理念,它的实践运用将对于推动应用现代数字技术、信息技术改造和提升我国传统农业科学技术与农业装备技术水平,倡导科学管理与经营农业生产过程的新思路,实现农业的跨越和可持续发展,都具有革命性的意义。精准农业主要是运用现代数字技术、信息技术、农业高新技术,并将其三者科学地相结合,致力于实现农业资源的高效利用,提高产出,节约投入,降本增效,采用高新技术,提高生产率,减少环境污染,实施可持续发展,适应当今建立农产品品质保障与食物链安全生产跟踪与产品安全认证技术体系的新要求,实现粮食的安全生产。主要进行地理空间信息技术的农业应用、农田空间分布信息快速采集先进传感技术与高效实时信息处理技术、农田土壤与作物生产精细化管理决策支撑技术、智能化变量作业与农业装备技术和系统集成与分析技术等科学技术的集成创新。精准农业不仅包括应用地理信息系统(GIS)技术绘制出田块内要素(如土壤养分、土壤水分、病虫草的数量及严重度等)的分布状况,农业机械根据图中要素值的大小调整操作;而且农业机械在田间操作时,应用传感器直接测定要素值,同时自动地通过农业模型确定施肥量和用药量等,再由农业机械自动化地调整操作。这样施肥、灌溉、用药等操作用量更为准确,可同时达到高产、优质、高效,并将对环境的污染减到最低程度。精准农业需要一系列现代高新技术的集成,我国尚处于探索“精准农业”实践的起步阶段,因此,必须建立试验基地,搞好精准农业生产技术的集成和示范。


  2、制定统一的规范标准,重点解决元数据规范化


  数字共享是“数字农业”科学工程的关键,也是当前“数字农业”中面临的主要问题,信息共享要首先解决数据标准化,同时要有一个适合中国国情的数据共享政策,在保护知识产权的前提下,应优先实现数据共享。而要实现数据共享就必须首先解决元数据管理和共享机制,进行总体统一设计。


  元数据是关于数据集的数据,是数据集的说明或描述。元数据是一种数据共享机制,通过它可以起到提高系统的查询检索速度、提高系统分析效率的作用。在“数字农业”科学工程的实施过程中,通过元数据可以清晰有序地组织异地数据,元数据的建设、管理成功与否关系着“数字农业”科学工程建设的效率问题,甚至决定着“数字农业”科学工程成败。


  3、建设农业数据仓库


  农业数据仓库是实施数字农业科学工程的核心和基础。计算机农业数据库的广泛建立,是数字农业最基础的工作。农业数据仓库中包括基础数据库、数字农业专业数据库和其它数据库。基础数据库中包括基础地形数据库、专题图件数据库、DEM数据库以及遥感影像数据库等,多可以在数字地球框架下,以共享方式从国家公用数据库中获取。数字农业专业数据库包括标准法规数据库、农业生物数据库、农业环境资源数据库、农业经济数据库和收费数据库等。其它数据库包括代码数据库、社会经济统计数据库、多媒体数据库以及模型数据库、元数据库等。


  4、加强“数字农业”基础设施建设,鼓励发展网络项目


  在国家信息基础设施的基础上,以各级农业部门为依托,建设中央-省-市-县信息骨干高速宽带网络系统。即以省级农业信息中心为核心,上可与全国农业信息网对接,以各地(市)为枢纽,县(市)为网点,具有统一的数据规范和共享标准,无缝连接,可任意漫游和放大,通过因特网、局域网等信息网络技术,建立一个功能完善、性能优异、可拓展的农业综合信息网络系统并与其它网络互联,形成全方位的农业资源和经济信息网络系统,开辟数字化农业市场为全国农业服务的大平台。


  支持、引导、鼓励企业或协会,以产品为基础,以市场为目标,进行销售网络建设,在开发过程中要坚持“以产养网”的道路,使数字农业能走向良性发展的轨道。


  5、建立示范辐射区


  从“数字农业”发展的角度,提出示范辐射战略,通过试验和示范双重作用,带动一个地区或者一个方面建立“数字农业”。要围绕经济建设的需求选取目标,优先选择重点应用领域,在区域典型性和代表性的前提下,在现有技术条件比较好的地方,建立数字农业示范基地,进行农业数据库、“3S”技术和决策支持系统(DSS)的结合研究,培创数字农业样板,不断扩大辐射推动作用,使数字化技术在农业和农村经济发展中得到广泛应用,实现农业生产、科研、教育、推广、市场经营和农村社区信息服务的数字化,提高当地农业信息化水平,促进农村经济的发展。本文来自《世界农业》杂志

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