現(xiàn)代農莊數字化建設的總體思路

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

　　(一)各種因素的數字化

　　任何農業(yè)系統(tǒng)都由四大要素組成，即：農業(yè)生物要素，農業(yè)環(huán)境要素，農業(yè)技術要素和農業(yè)社會經濟要素。每個要素中，都包含有許多因素。如農業(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“數字農業(yè)”的要求，都需要用數字來定性或定量的進行反映。

　　(二)各種過程的數字化

　　農業(yè)因素的數字化本身并不能說明農業(yè)的過程。將各種農業(yè)過程的內在規(guī)律與外在關系用數學模型表達出來，這就是農業(yè)數學模型(簡稱農業(yè)模型)的任務。農業(yè)模型是國際上20世紀農業(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)達國家的農業(yè)科學界，農業(yè)模型已經被公認為農業(yè)科學研究的一個重要新方法。當前，農業(yè)的所有領域，幾乎沒有例外，全都在應用農業(yè)模型這個新方法，以提高它們的研究質量與效率。

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

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

　　實現(xiàn)以上兩個步驟的數字化，就要求各種農業(yè)信息技術在農業(yè)上的全面應用。經過30多年的發(fā)展，已經形成了許多種農業(yè)信息技術，他們全都構成數字農業(yè)的技術支撐。各種農業(yè)信息技術大致可以歸納分類如下：

　　(一)農業(yè)控制系統(tǒng)

　　當代信息技術使農事操作實現(xiàn)了自動化，信息化與精確化。

　　1.農業(yè)自動化

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

　　農業(yè)自動化的監(jiān)控系統(tǒng)，是將環(huán)境監(jiān)測、數據采集、數據分析、數據傳送與環(huán)境控制的軟件和設施相結合的整套系統(tǒng)。

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

　　在田間作物的灌溉方面，根據天氣，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)，國內外都已經有成功經驗。

　　在糧食、果品、蔬菜、花卉、畜禽產品的保鮮、儲藏的設施中，自動化的技術也都很成功。

　　至于微生物的發(fā)酵工程，農業(yè)菌藻生物的培育工程與農產品加工工程等方面，完全可以應用信息技術，實現(xiàn)全面的自動化。

　　2.精確農業(yè)

　　精確農業(yè)發(fā)展至今只有10多年的歷史，已經受到國際農業(yè)科學界的重視與關注。

　　農事操作，如施肥、灌溉、噴灑農藥、收割等，在同一塊農田內，以往都是平均分配地進行，不考慮田塊內部的差異，這里存在著很大的浪費。根據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。

　　精確農業(yè)應用全球定位系統(tǒng)(GPS)，確定田塊內的各小區(qū)的精確農業(yè)位置，形成田塊內的網格分布，以此作為田間測定與農業(yè)作業(yè)基礎。

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

　　精確農業(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、優(yōu)質與高效，并且將對環(huán)境的污染減到最低的程度。

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

　　(二)農業(yè)信息系統(tǒng)

　　它指的是專門應用于農業(yè)的計算機數據庫與軟件系統(tǒng)。

　　1.農業(yè)數據庫系統(tǒng)(DBS)。計算機農業(yè)數據庫有：農業(yè)生物數據庫，農業(yè)環(huán)境資源數據庫和農業(yè)經濟數據庫等。

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

　　農業(yè)環(huán)境資源數據庫方面，各地都需要建立盡可能完備的氣候、氣象數據庫、詳盡的土壤資源數據庫、水資源數據庫和農業(yè)環(huán)境數據庫。

　　農業(yè)經濟數據庫方面，各地都需要建立完備的人口、土地、耕地、各種作物面積和產量、各種畜禽生物的數量、農民收入、農民消費、農民就業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)財政等數據庫。

　　計算機農業(yè)數據庫的廣泛建立，是數字農業(yè)最基礎的工作。

　　2.農業(yè)多媒體技術。許多數據庫都可以應用多媒體技術。例如農業(yè)生物數據庫都可以有各種生物與品種的照片的配合。

　　3.農業(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。它的基本任務是兩個：

　　A.研制與應用分子生物學范圍的數據庫：包括DNA系列、RNA系列、基因組、蛋白質系列、蛋白質結構與分類、基因表達和代謝途徑與細胞調控的數據庫。

　　B.研制與應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、蛋白質結構與功能預測程序和基因算法程序等。

　　生物信息學將生物技術與信息技術兩門當代最活躍的高新技術密切結合起來。由于DNA與基因數量都十分巨大，當前及今后，可以講，沒有信息技術的支持，分子生物學的研究與生物技術的運行都是不可能的。

　　農業(yè)生物信息學就是研制和應用與農林業(yè)有關的分子生物學數據庫與軟件。在西方國家，農業(yè)生物信息學已經有相當的發(fā)展。

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

　　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。它的主要任務是研究生物的基因組整體結構，以及與各種生命功能的相互關系。由于基因組的結構與生命功能都十分復雜，必須依靠計算機與信息技術的幫助。因此，基因組學也是一門分子生物學與計算機科學相結合的科學。

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

　　(三)農業(yè)決策系統(tǒng)

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

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

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

　　3.農業(yè)模擬決策系統(tǒng)(SDS)：將農業(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驗的局限，在應用于新品種，新技術或新地區(qū)時，有一些困難。

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

　　SODS方法是在20世紀80年代由我國首創(chuàng)。經過近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用，在各地的糧棉生產上，發(fā)揮了積極作用。

　　(四)農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)

　　地理信息系統(tǒng)(GIS)與遙感技術(RS)是信息技術應用于農業(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。它將系統(tǒng)科學、信息科學、計算機的數據采集、處理和分析模型，數據庫技術與計算機圖像技術密切結合起來，成為一種綜合性技術。

　　遙感技術是將空間技術、傳感器技術、通訊技術與計算機技術相結合的綜合性技術。20多年來，農業(yè)遙感已經有很大的發(fā)展。

　　地理信息系統(tǒng)與遙感技術的結合應用，使農業(yè)資源環(huán)境的研究與監(jiān)測方法得到根本性的改觀。其應用領域十分廣泛，主要有：

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

　　2.各種農業(yè)災害(洪澇、干旱、風暴、病蟲害等)的實時預測與監(jiān)測。

　　3.各種農業(yè)作物面積與產量的預測與監(jiān)測。

　　4.農業(yè)環(huán)境(大氣、土壤等)污染的預測與監(jiān)測。

　　5.各種農業(yè)與園藝作物、畜禽水產生物、經濟林木的地區(qū)適應性分布的研究，可為農業(yè)產業(yè)結構調整提供依據。

　　完成以上任務，往往需要與各種相應的農業(yè)模型相結合。

　　(五)農業(yè)網絡系統(tǒng)

　　1.局域網的農業(yè)應用：

　　局域網是將一個單位內的以至于農民家庭計算機聯(lián)成一個整體。局域網的應用使農業(yè)從一種分散性的產業(yè)轉變?yōu)榧薪洜I的產業(yè)，可以顯著地提高農業(yè)經營與管理的工作效率與工作質量。

　　2.互聯(lián)網的農業(yè)應用

　　互聯(lián)網(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，農業(yè)也不例外。互聯(lián)網在農業(yè)上的應用己經深入到農業(yè)生產、農業(yè)科研、農業(yè)教育、農業(yè)推廣和農業(yè)行政管理各個領域。隨著移動通信技術的發(fā)展，現(xiàn)在移動互聯(lián)網應用更是方興未艾，這更為現(xiàn)代農業(yè)的數字化進程助上有力一臂。

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