現(xiàn)代農(nóng)莊數(shù)字化建設(shè)的總體思路

　“現(xiàn)代農(nóng)莊數(shù)字化”首先要求農(nóng)莊各種過程的全面數(shù)字化。這里包含兩個步驟：

　　(一)各種因素的數(shù)字化

　　任何農(nóng)業(yè)系統(tǒng)都由四大要素組成，即：農(nóng)業(yè)生物要素，農(nóng)業(yè)環(huán)境要素，農(nóng)業(yè)技術(shù)要素和農(nóng)業(yè)社會經(jīng)濟要素。每個要素中，都包含有許多因素。如農(nóng)業(yè)環(huán)境要素中的氣象方面就有：氣溫、日照、降水、濕度、風等因素。農(nóng)業(yè)生物要素中的作物方面，有水稻、小麥、玉米、蕃茄、麥冬等品種不同的因素，而同一種作物的生長發(fā)育，又包含許多因素，如光合、呼吸、蒸騰、營養(yǎng)等因素，所有這些因素，根據(jù)“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的要求，都需要用數(shù)字來定性或定量的進行反映。

　　(二)各種過程的數(shù)字化

　　農(nóng)業(yè)因素的數(shù)字化本身并不能說明農(nóng)業(yè)的過程。將各種農(nóng)業(yè)過程的內(nèi)在規(guī)律與外在關(guān)系用數(shù)學模型表達出來，這就是農(nóng)業(yè)數(shù)學模型(簡稱農(nóng)業(yè)模型)的任務(wù)。農(nóng)業(yè)模型是國際上20世紀農(nóng)業(yè)科學發(fā)展的一項十分重要的成就。它起始于20世紀60年代，當時，有一些農(nóng)業(yè)科學家還將信將疑。但到今天，至少在西方發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)科學界，農(nóng)業(yè)模型已經(jīng)被公認為農(nóng)業(yè)科學研究的一個重要新方法。當前，農(nóng)業(yè)的所有領(lǐng)域，幾乎沒有例外，全都在應(yīng)用農(nóng)業(yè)模型這個新方法，以提高它們的研究質(zhì)量與效率。

　　農(nóng)業(yè)模型由于將農(nóng)業(yè)過程數(shù)字化，它使農(nóng)業(yè)科學從經(jīng)驗的水平提高到理論的水平。它可以進行許多傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)試驗無法進行的研究;它可以大大節(jié)省農(nóng)業(yè)研究的經(jīng)費與時間;它可以使農(nóng)業(yè)研究的成果在更大的地理范圍、更長的時間范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。如果說19世紀與20世紀之交，生物統(tǒng)計是農(nóng)業(yè)科學在方法論上一個突破。那么，20世紀與21世紀之交，農(nóng)業(yè)模型則是農(nóng)業(yè)科學在方法論上又一個突破。

　　要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化，如果不以農(nóng)業(yè)模型為基礎(chǔ)，就只能停留在農(nóng)業(yè)問題的表面，而不能深入各種農(nóng)業(yè)的過程，就不可能對農(nóng)業(yè)做出各種優(yōu)化決策。因此，農(nóng)業(yè)模型可以認為是“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的科學基礎(chǔ)與核心技術(shù)。

　　實現(xiàn)以上兩個步驟的數(shù)字化，就要求各種農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的全面應(yīng)用。經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了許多種農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，他們?nèi)紭?gòu)成數(shù)字農(nóng)業(yè)的技術(shù)支撐。各種農(nóng)業(yè)信息技術(shù)大致可以歸納分類如下：

　　(一)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)

　　當代信息技術(shù)使農(nóng)事操作實現(xiàn)了自動化，信息化與精確化。

　　1.農(nóng)業(yè)自動化

　　對于可以在一定程度上進行控制的農(nóng)業(yè)環(huán)境條件，應(yīng)用電子信息技術(shù)，完全有可能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化或半自動化。

　　農(nóng)業(yè)自動化的監(jiān)控系統(tǒng)，是將環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳送與環(huán)境控制的軟件和設(shè)施相結(jié)合的整套系統(tǒng)。

　　目前在溫室與大棚的自動化控制方面已經(jīng)相當成功。根據(jù)天氣與環(huán)境的變化，根據(jù)作物的需要的變化而進行調(diào)控。因此，不管天氣與環(huán)境怎么變化，都可以培育出高質(zhì)量的、無污染的、規(guī)格化的農(nóng)產(chǎn)品。

　　在田間作物的灌溉方面，根據(jù)天氣，土壤水分與作物需求的變化，控制灌溉量、灌溉時間的自動灌溉系統(tǒng)，有限水域(如池塘)的水產(chǎn)環(huán)境的自動監(jiān)控系統(tǒng)，畜禽飼養(yǎng)的自動監(jiān)控系統(tǒng)，國內(nèi)外都已經(jīng)有成功經(jīng)驗。

　　在糧食、果品、蔬菜、花卉、畜禽產(chǎn)品的保鮮、儲藏的設(shè)施中，自動化的技術(shù)也都很成功。

　　至于微生物的發(fā)酵工程，農(nóng)業(yè)菌藻生物的培育工程與農(nóng)產(chǎn)品加工工程等方面，完全可以應(yīng)用信息技術(shù)，實現(xiàn)全面的自動化。

　　2.精確農(nóng)業(yè)

　　精確農(nóng)業(yè)發(fā)展至今只有10多年的歷史，已經(jīng)受到國際農(nóng)業(yè)科學界的重視與關(guān)注。

　　農(nóng)事操作，如施肥、灌溉、噴灑農(nóng)藥、收割等，在同一塊農(nóng)田內(nèi)，以往都是平均分配地進行，不考慮田塊內(nèi)部的差異，這里存在著很大的浪費。根據(jù)美國伊利諾州立大學的研究，在化學除草的作業(yè)中，真正有草的面積往往只占整個田塊的30～50%。如果全面地使用除草劑，就有50～70%的除草劑是浪費的，并且對環(huán)境會造成嚴重的污染。

　　精確農(nóng)業(yè)應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)，確定田塊內(nèi)的各小區(qū)的精確農(nóng)業(yè)位置，形成田塊內(nèi)的網(wǎng)格分布，以此作為田間測定與農(nóng)業(yè)作業(yè)基礎(chǔ)。

　　目前精確農(nóng)業(yè)有二種方法。一是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)繪制出田塊內(nèi)要素(如土壤養(yǎng)分、土壤水分、病蟲草的數(shù)量、嚴重度等)的分布圖，農(nóng)業(yè)機械根據(jù)圖中要素值的大小而調(diào)整操作。二是農(nóng)業(yè)機械在田間操作時，應(yīng)用傳感器直接測定要素值，同時自動地通過農(nóng)業(yè)模型確定施肥量、用藥量等，再由農(nóng)業(yè)機械調(diào)整操作，后者的自動化程度更高，但難度也更大些。

　　精確農(nóng)業(yè)由于施肥、灌溉、用藥等操作在用量上更為正確，因此可以同時達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與高效，并且將對環(huán)境的污染減到最低的程度。

　　精確農(nóng)業(yè)的原理與技術(shù)都很先進，是大型農(nóng)場的發(fā)展方向，但費用較高。在我國農(nóng)民占地很少的條件下，怎樣應(yīng)用精確農(nóng)業(yè)，是一個值得深入研究的問題。

　　(二)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)

　　它指的是專門應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的計算機數(shù)據(jù)庫與軟件系統(tǒng)。

　　1.農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)。計算機農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫有：農(nóng)業(yè)生物數(shù)據(jù)庫，農(nóng)業(yè)環(huán)境資源數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫等。

　　農(nóng)業(yè)生物數(shù)據(jù)庫方面，農(nóng)業(yè)科研單位與院校對各種農(nóng)作物、園藝作物、畜禽水產(chǎn)生物、食用苗藻生物都需要建立其品種、品系和近緣生物的數(shù)據(jù)庫。各種農(nóng)業(yè)病菌、農(nóng)業(yè)昆蟲、農(nóng)業(yè)微生物都需要建立其分類體系，特性特征、生態(tài)類型、生理小種的數(shù)據(jù)庫。

　　農(nóng)業(yè)環(huán)境資源數(shù)據(jù)庫方面，各地都需要建立盡可能完備的氣候、氣象數(shù)據(jù)庫、詳盡的土壤資源數(shù)據(jù)庫、水資源數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫。

　　農(nóng)業(yè)經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫方面，各地都需要建立完備的人口、土地、耕地、各種作物面積和產(chǎn)量、各種畜禽生物的數(shù)量、農(nóng)民收入、農(nóng)民消費、農(nóng)民就業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)財政等數(shù)據(jù)庫。

　　計算機農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫的廣泛建立，是數(shù)字農(nóng)業(yè)最基礎(chǔ)的工作。

　　2.農(nóng)業(yè)多媒體技術(shù)。許多數(shù)據(jù)庫都可以應(yīng)用多媒體技術(shù)。例如農(nóng)業(yè)生物數(shù)據(jù)庫都可以有各種生物與品種的照片的配合。

　　3.農(nóng)業(yè)生物信息學(Agro-Bioinformatics)與基因組學(Genomics)生物信息學(Bioinformatics)是近10年來國際上發(fā)展極為迅速的熱門學科。它的基本任務(wù)是兩個：

　　A.研制與應(yīng)用分子生物學范圍的數(shù)據(jù)庫：包括DNA系列、RNA系列、基因組、蛋白質(zhì)系列、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與分類、基因表達和代謝途徑與細胞調(diào)控的數(shù)據(jù)庫。

　　B.研制與應(yīng)用分子生物學所需的各種軟件：DNA測序程序、DNA系列分析程序、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能預(yù)測程序和基因算法程序等。

　　生物信息學將生物技術(shù)與信息技術(shù)兩門當代最活躍的高新技術(shù)密切結(jié)合起來。由于DNA與基因數(shù)量都十分巨大，當前及今后，可以講，沒有信息技術(shù)的支持，分子生物學的研究與生物技術(shù)的運行都是不可能的。

　　農(nóng)業(yè)生物信息學就是研制和應(yīng)用與農(nóng)林業(yè)有關(guān)的分子生物學數(shù)據(jù)庫與軟件。在西方國家，農(nóng)業(yè)生物信息學已經(jīng)有相當?shù)陌l(fā)展。

　　AgDB是美國建立的與農(nóng)業(yè)有關(guān)的數(shù)據(jù)庫與信息資源的總清單。美國康乃爾大學，有多種農(nóng)業(yè)植物 基因工程組的數(shù)據(jù)庫(ARS—Genome)。法國國家農(nóng)業(yè)研究所有多種畜禽動物的基因圖譜數(shù)據(jù)庫(INRA)。日本已經(jīng)建立了水稻基因組數(shù)據(jù)庫(INE)與小麥及其相近屬(燕麥草屬，山羊草屬)的基因圖譜數(shù)據(jù)庫(KOMUGI)。美國還建立了大豆、玉米、棉花的基因組數(shù)據(jù)庫。

　　基因組學(Genomics)是國際上近10年來發(fā)展起的一門很有前途的新學科。它的主要任務(wù)是研究生物的基因組整體結(jié)構(gòu)，以及與各種生命功能的相互關(guān)系。由于基因組的結(jié)構(gòu)與生命功能都十分復(fù)雜，必須依靠計算機與信息技術(shù)的幫助。因此，基因組學也是一門分子生物學與計算機科學相結(jié)合的科學。

　　21世紀，基因組學將對農(nóng)業(yè)動植物品種的改良產(chǎn)生極深的影響。農(nóng)業(yè)模型的研究必將與遺傳工程、育種學密切地結(jié)合起來，使農(nóng)業(yè)動植物的育種工作有更強的針對性與預(yù)見性，有更高的效率。

　　(三)農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)

　　農(nóng)業(yè)計算機決策系統(tǒng)是指應(yīng)用各種專門的軟件，幫助對農(nóng)業(yè)中的各種問題進行決策。

　　1.農(nóng)業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)(PS)：應(yīng)用運籌學中的各種數(shù)學規(guī)劃方法(如：線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃，動態(tài)規(guī)劃，整數(shù)規(guī)劃，決策論等)對農(nóng)業(yè)問題進行決策。

　　2.農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)(ES)：是一種直接應(yīng)用專家經(jīng)驗的計算機軟件，對一些主要依靠專家經(jīng)驗進行決策的農(nóng)業(yè)問題。

　　3.農(nóng)業(yè)模擬決策系統(tǒng)(SDS)：將農(nóng)業(yè)模擬與決策相聯(lián)系，一般采用二種方法：一是通過計算機的模擬性試驗，二是將模擬與專家系統(tǒng)相結(jié)合，這種方法與單純的專家系統(tǒng)相比，其機理性較強，但在決策中還是要受到專家經(jīng)驗的局限，在應(yīng)用于新品種，新技術(shù)或新地區(qū)時，有一些困難。

　　4.農(nóng)業(yè)模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)(SODS)：是將農(nóng)業(yè)過程的模擬與農(nóng)業(yè)的優(yōu)化原理相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上，做出各種農(nóng)業(yè)決策的完整軟件系統(tǒng)。實踐證明，SODS在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)上有很強的應(yīng)用性，特別是它們具有通用性，可以在很大的地區(qū)范圍內(nèi)，針對任何品種應(yīng)用。同時，它還有預(yù)測的功能，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的預(yù)見性。

　　SODS方法是在20世紀80年代由我國首創(chuàng)。經(jīng)過近20年的努力，我國已建立起水稻、小麥、玉米、棉花四種主要農(nóng)作物的SODS系統(tǒng)，初步形成我國的作物模型系列。這幾個系統(tǒng)在全國許多省份推廣應(yīng)用，在各地的糧棉生產(chǎn)上，發(fā)揮了積極作用。

　　(四)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)

　　地理信息系統(tǒng)(GIS)與遙感技術(shù)(RS)是信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境資源監(jiān)測的主要手段。

　　地理信息系統(tǒng)是近20年來國際地理科學的一項突破性的技術(shù)。它將系統(tǒng)科學、信息科學、計算機的數(shù)據(jù)采集、處理和分析模型，數(shù)據(jù)庫技術(shù)與計算機圖像技術(shù)密切結(jié)合起來，成為一種綜合性技術(shù)。

　　遙感技術(shù)是將空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的綜合性技術(shù)。20多年來，農(nóng)業(yè)遙感已經(jīng)有很大的發(fā)展。

　　地理信息系統(tǒng)與遙感技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)資源環(huán)境的研究與監(jiān)測方法得到根本性的改觀。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要有：

　　1.農(nóng)業(yè)土地、耕地、土壤、森林、草原、水面等各種農(nóng)業(yè)資源的探測、評價與動態(tài)監(jiān)測。

　　2.各種農(nóng)業(yè)災(zāi)害(洪澇、干旱、風暴、病蟲害等)的實時預(yù)測與監(jiān)測。

　　3.各種農(nóng)業(yè)作物面積與產(chǎn)量的預(yù)測與監(jiān)測。

　　4.農(nóng)業(yè)環(huán)境(大氣、土壤等)污染的預(yù)測與監(jiān)測。

　　5.各種農(nóng)業(yè)與園藝作物、畜禽水產(chǎn)生物、經(jīng)濟林木的地區(qū)適應(yīng)性分布的研究，可為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。

　　完成以上任務(wù)，往往需要與各種相應(yīng)的農(nóng)業(yè)模型相結(jié)合。

　　(五)農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

　　1.局域網(wǎng)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用：

　　局域網(wǎng)是將一個單位內(nèi)的以至于農(nóng)民家庭計算機聯(lián)成一個整體。局域網(wǎng)的應(yīng)用使農(nóng)業(yè)從一種分散性的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榧薪?jīng)營的產(chǎn)業(yè)，可以顯著地提高農(nóng)業(yè)經(jīng)營與管理的工作效率與工作質(zhì)量。

　　2.互聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用

　　互聯(lián)網(wǎng)(INTERNE)的發(fā)明是20世紀人類科技進步的最大成就之一，幾乎涉及人類生活的各個方面，農(nóng)業(yè)也不例外?；ヂ?lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用己經(jīng)深入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科研、農(nóng)業(yè)教育、農(nóng)業(yè)推廣和農(nóng)業(yè)行政管理各個領(lǐng)域。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更是方興未艾，這更為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的數(shù)字化進程助上有力一臂。

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