基于大數(shù)據(jù)的智慧農(nóng)業(yè)水利數(shù)據(jù)價值提升探析

王燁峰 戴潤華 宋希賢

摘要 ? ?針對農(nóng)業(yè)水利數(shù)據(jù)來源于多個部門、信息孤島現(xiàn)象嚴重、數(shù)據(jù)價值無法系統(tǒng)性實現(xiàn)其價值等問題，本文分析了國內(nèi)外智慧水利的研究現(xiàn)狀，探討了基于大數(shù)據(jù)思維的農(nóng)業(yè)水利數(shù)據(jù)應(yīng)用的平臺設(shè)計思路，并就如何更好地提升數(shù)據(jù)價值進行了要點分析。

關(guān)鍵詞 ? ?智慧水利;大數(shù)據(jù);農(nóng)業(yè)水利;數(shù)據(jù)價值

中圖分類號 ? ?F416.9 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）22-0139-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能以及5G技術(shù)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域均大力推進傳統(tǒng)模式與新一代信息技術(shù)的深度融合，細化其在各傳統(tǒng)行業(yè)的創(chuàng)新。這也成為水利行業(yè)未來發(fā)展的方向，“智慧水利”是云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)的綜合應(yīng)用，是水利信息化發(fā)展的更高級階段[1-2]，可以實現(xiàn)物聯(lián)感知[3]、互聯(lián)互通、科學決策、智慧管理的多維度跨越。

社會服務(wù)既是智慧水利建設(shè)的主要功能之一，也是水利數(shù)據(jù)價值實現(xiàn)的主要途徑，但是目前大多數(shù)水利信息平臺建設(shè)關(guān)注信息整合、資源共享，側(cè)重于對重點工程汛情、旱情的實時監(jiān)測和省、市、縣三級的聯(lián)動協(xié)調(diào)和調(diào)度[4-6]，面向社會服務(wù)的功能受信息技術(shù)公眾普及性差、關(guān)注率低等因素影響，多處于規(guī)劃層面。目前，以精準節(jié)水灌溉、精準施肥及遠程監(jiān)控為特征的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)在很多灌區(qū)得到了大力發(fā)展，同時移動互聯(lián)技術(shù)的普及也加速了現(xiàn)代農(nóng)民對水利信息的需求，并向個性化、定制化服務(wù)的方向發(fā)展。因此，開發(fā)面向灌區(qū)社會服務(wù)的智慧水利信息平臺，提升水利信息滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的功效，最大限度地發(fā)揮水利數(shù)據(jù)價值，助力農(nóng)民增收，具有較強的社會價值和經(jīng)濟價值。

1 ? ?國內(nèi)外相關(guān)研究

“智慧水利”是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動、實時地感知水資源、水環(huán)境、用水過程及各種水利工程的關(guān)鍵數(shù)據(jù);通過通信網(wǎng)絡(luò)將感知數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫和云存儲中，利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理、建模和推演，能自主或輔助做出科學優(yōu)化的判斷和決策，并反饋給人或設(shè)備。灌區(qū)水利社會服務(wù)是農(nóng)村水利管理的主要功能之一，該功能目前主要應(yīng)用于對“水”的管理，日趨朝著信息化、智能化、高效化方向發(fā)展，以實現(xiàn)水資源的合理配置和灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度[7-8]。

1.1 ? ?國外研究與發(fā)展

國外發(fā)達國家，尤其是水資源和土地資源匱乏的國家均比較重視水利信息化建設(shè)，以期最大限度地提高灌溉水利用率，實現(xiàn)單位土地經(jīng)濟效益的最大化[9-10]，經(jīng)過長期發(fā)展，節(jié)水、環(huán)保、高效、科學的種植與管理理念已經(jīng)與信息系統(tǒng)實現(xiàn)了有機融合。以色列是一個水資源嚴重緊缺的國家，農(nóng)業(yè)用水量占總供水量的62%。為了提高灌溉水效率，農(nóng)田均采用了噴灌、滴灌技術(shù)和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了水量計量、水價政策、灌溉過程的計算機管理和遙控、水肥同步，使灌溉水平均利用率達到90%。在智慧化方面，以色列農(nóng)業(yè)有較高的信息化和數(shù)字化基礎(chǔ)，農(nóng)場可以利用大數(shù)據(jù)制定符合自身實際的耕種方案。以色列農(nóng)業(yè)技術(shù)企業(yè)Taranis利用衛(wèi)星圖像、作物實地生長報告以及當?shù)夭∠x害分布等大數(shù)據(jù)資源建立植物生長模型，隨時采取可視化數(shù)據(jù)并且預(yù)測植物病蟲害風險和氣候變化，農(nóng)民據(jù)此可精確霧化灌溉設(shè)備的閾值及方向、肥料及殺蟲劑使用數(shù)量等;AKOL公司建立了包含不同區(qū)域農(nóng)民工作習慣和方式在內(nèi)的龐大農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫，綜合分析區(qū)域內(nèi)土壤狀況、溫度和濕度數(shù)據(jù)、害蟲指數(shù)等，結(jié)合當?shù)剞r(nóng)民的工作習慣，幫助農(nóng)民制定更加精細的種植方案。

美國佛羅里達大學開發(fā)的AFSIRS系統(tǒng)，可以根據(jù)作物類型、土壤情況、灌溉系統(tǒng)、生長季節(jié)、氣候條件和管理方式等變量，估計出對象區(qū)域的灌溉需水量。該系統(tǒng)收集了佛羅里達州9個氣象觀測站的長期觀測資料，對當?shù)貧庀髼l件了解較為全面，且應(yīng)用廣泛。

1.2 ? ?國內(nèi)研究與發(fā)展

國內(nèi)較為先進和典型的水利信息建設(shè)主要集中在政府監(jiān)控層面。水利部水利信息中心成功搭建了水利部“基礎(chǔ)設(shè)施云”，實現(xiàn)了計算、存儲資源的池化管理和按需彈性服務(wù)，有力支撐了國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、水利財務(wù)管理信息系統(tǒng)等13個項目的快速部署和應(yīng)用交付。無錫利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對太湖水質(zhì)、藍藻、湖泛等進行智能感知，實現(xiàn)了藍藻打撈、運輸車船智能調(diào)度，顯著提升了太湖的治理水平。舟山應(yīng)用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+，通過公共通信部門提供的手機實時位置信息，及時掌握臺風防御區(qū)的人員動態(tài)情況，結(jié)合水利部門的臺風路徑、影響范圍等有效信息，可以自動通過短信等諸多方式及時發(fā)布預(yù)警和提醒信息。在灌區(qū)信息化管理方面的典型應(yīng)用有：山西夾馬口灌區(qū)建立了水費管理系統(tǒng)，有效減少了農(nóng)民用水量;黑龍江省水利廳建立了覆蓋全省322處大中型灌區(qū)的黑龍江省灌區(qū)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)管理，大幅提高了行業(yè)管理水平和效率;新疆建設(shè)兵團第二師塔里木灌區(qū)針對水資源、水環(huán)境、水安全、水功能、水庫大壩安全管理等區(qū)域水問題的綜合治理進行了信息化建設(shè)。以上信息系統(tǒng)均以政府為主導(dǎo)，服務(wù)于政府水務(wù)部門，需要充分利用水利大數(shù)據(jù)進一步研究政府治理與社會化服務(wù)有機結(jié)合的基層水利服務(wù)的模式創(chuàng)新，建立政府牽頭、農(nóng)民參與、社會資本適當補充的多元投入與多維服務(wù)機制。

2019年8月，水利部適時印發(fā)了《智慧水利總體方案》，方案指出要深度融合遙感、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，確定了天空地面一體化水利感知網(wǎng)、高速互聯(lián)的水利信息網(wǎng)、智慧水利大腦、創(chuàng)新協(xié)同的智能應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系、保障體系等6項重要任務(wù)，明確了應(yīng)用、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)與安全、感知等4類10項重點工程，是智慧水利推進的頂層設(shè)計。江蘇省作為水利部水利信息資源整合共享省級試點（2015年），處于長江、淮河下游，是水利大省，在水利信息化建設(shè)方面始終走在各省前列，已經(jīng)完成了對各地域、專業(yè)、部門信息應(yīng)用系統(tǒng)的資源整合和信息共享[11]，在一定程度上解決了信息孤島問題。實現(xiàn)了基于元數(shù)據(jù)和信息資源目錄的水利數(shù)據(jù)資源共享管理，完善并建成了全省統(tǒng)一的水文信息采集、地理信息服務(wù)、省級視頻監(jiān)控和動態(tài)可配置交換等平臺，為水利管理和社會服務(wù)提供了必要的基礎(chǔ)信息和決策支持。目前，江蘇省水利信息建設(shè)正處于由“信息化”向“智慧化”過渡的關(guān)鍵時期，智慧化帶來新機遇也帶來新挑戰(zhàn)[12-13]，尤其是如何加強對水利大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)的服務(wù)化和價值化。

2 ? ?智慧型水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺設(shè)計

基于現(xiàn)狀分析，本文平臺設(shè)計整體思路如圖1所示。平臺立足于實際水利信息需求，以實現(xiàn)個性化、定制化、智慧化、多平臺為主線進行功能劃分和具體實現(xiàn)。如圖2所示，整個平臺采用四層體系結(jié)構(gòu)，分別為表示層、Web服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)管理層。表示層只負責對數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)進行分析之后呈現(xiàn)給用戶，用戶可以根據(jù)實際需求，按照規(guī)定的接口格式，開發(fā)符合自己需要的界面表現(xiàn)形式;Web服務(wù)層是Apache服務(wù)器，用PHP、XML、CSS實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和業(yè)務(wù)邏輯處理;應(yīng)用服務(wù)層主要是實現(xiàn)標準數(shù)據(jù)與XML文件轉(zhuǎn)化，能夠提供數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)預(yù)測等功能，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值提升的主要模塊;數(shù)據(jù)管理層主要實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)功能，可以接受來自應(yīng)用服務(wù)層的數(shù)據(jù)，將其規(guī)范化存儲，同時能夠接受應(yīng)用服務(wù)層的獲取數(shù)據(jù)請求，向其傳輸數(shù)據(jù)。

3 ? ?智慧型水利大數(shù)據(jù)價值挖掘要點分析

3.1 ? ?重視灌區(qū)社會服務(wù)的水利信息需求

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，以國內(nèi)外比較研究和實地調(diào)研為主要需求分析途徑，以助力灌區(qū)農(nóng)民實現(xiàn)精準灌溉、精準施肥、科學種植、墑情監(jiān)測及遠程監(jiān)控等，為水利數(shù)據(jù)價值提升的突破口，深度融合新一代信息技術(shù)，進行水利信息需求分析，為信息平臺的功能設(shè)計做好初步規(guī)劃。

3.2 ? ?整合好政府主導(dǎo)和農(nóng)民主動參與協(xié)同作用下的水利信息資源

一方面，將水利各級部門已經(jīng)整合的水利數(shù)據(jù)資源根據(jù)灌區(qū)農(nóng)民的需求進行梳理，研究信息共享的途徑和技術(shù)實現(xiàn);另一方面，需要深入研究如何根據(jù)農(nóng)民的個性化需求，對主要信息來源如4G/5G模式下的各信息感知終端進行信息接入方式研究。另外，對于區(qū)域內(nèi)的小型水利工程（例如水庫、水閘、泵站、氣象站），可以借助平臺實現(xiàn)信息化管理，例如通過二維碼電子名片方式實現(xiàn)信息錄入、修改、查詢等諸多功能。

3.3 ? ?合理規(guī)劃灌區(qū)水利信息平臺

智慧水利在微觀層面上服務(wù)于個體。一方面，個體的需求存在不同程度的差異，如耕作區(qū)域不同、種植作物不同、需水規(guī)律不同、灌溉設(shè)施不同;另一方面，在數(shù)據(jù)表現(xiàn)方面又存在趨同性，如各土壤溫濕度傳感器、環(huán)境檢測傳感器等，同時農(nóng)民的田間耕作具有較強的時變性。因此，通過政府對個性化的需求進行信息推送服務(wù)具有準確性差、實時性差等問題，必須轉(zhuǎn)變服務(wù)模式，以農(nóng)民通過PC端、移動端自行構(gòu)建定制化信息服務(wù)為主要途徑，實現(xiàn)基于信息平臺的數(shù)據(jù)定制化服務(wù)。

3.4 ? ?以系統(tǒng)思維探索多維服務(wù)模式下水利數(shù)據(jù)的價值提升途徑及方法

水利數(shù)據(jù)涉及防汛、抗旱等多個部門，需要以系統(tǒng)的觀點從多維角度進行價值提升的路徑探索。一方面，需要利用水利部門的數(shù)據(jù)進行信息接入（在數(shù)據(jù)開放的前提下），實現(xiàn)旱情、汛情、墑情的區(qū)域可定制;另一方面，農(nóng)民自行構(gòu)建的種植感知信息可以實現(xiàn)信息上傳，充分借助平臺的數(shù)據(jù)分析功能，在PC、移動端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時及歷史趨勢曲線顯示、部分數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能，輔助農(nóng)民做出科學決策，同時這一部分數(shù)據(jù)可以根據(jù)農(nóng)民授權(quán)情況作為政府指導(dǎo)決策的參考。

3.5 ? ?創(chuàng)新智慧水利在灌區(qū)社會服務(wù)中的模式

技術(shù)進步為各領(lǐng)域帶來應(yīng)用模型的創(chuàng)新機會。一方面，要積極研究水利數(shù)據(jù)價值提升與智慧化有機結(jié)合的突破點，個性化的種植過程數(shù)據(jù)為科學種植提供了差異化的、豐富的數(shù)據(jù)來源，這部分數(shù)據(jù)在服務(wù)于個體的同時，也為“智慧化”的實現(xiàn)提供了可能，是以人為本，將種植理論與實踐有機結(jié)合的最佳結(jié)合途徑，理論指導(dǎo)實踐，實踐修正理論，通過對這一部分數(shù)據(jù)的知識挖掘，“智慧”指導(dǎo)農(nóng)民制定更加精細的種植方案，實現(xiàn)農(nóng)民利益的最大化。另一方面，需要積極探索人工智能在農(nóng)業(yè)水利應(yīng)用的落腳點，人工智能技術(shù)日新月異，產(chǎn)生的社會價值與日俱增，尤其是新冠病毒疫情期間更是為疫情防控效率和效果作出了巨大的貢獻，相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用都可以為農(nóng)業(yè)水利提供借鑒，進行創(chuàng)新性技術(shù)轉(zhuǎn)移，甚至進一步創(chuàng)新，實現(xiàn)良性循環(huán)。

4 ? ?結(jié)語

大數(shù)據(jù)的普遍應(yīng)用已經(jīng)為農(nóng)業(yè)水利的價值提升帶來了新的途徑。然而，在實現(xiàn)過程中，從系統(tǒng)思維如何實現(xiàn)各信息孤島的整合成為關(guān)鍵，這種整合不僅是數(shù)據(jù)的引入和流出，同時也要挖掘數(shù)據(jù)背后的真正價值所在，如分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性、因果關(guān)系，應(yīng)用人工智能做好數(shù)據(jù)預(yù)測，精準指導(dǎo)農(nóng)業(yè)實現(xiàn)科學種植，為政府防汛抗旱、節(jié)能減排提供決策依據(jù)。隨著5G時代的到來，數(shù)據(jù)傳輸速度、傳輸方式已經(jīng)不再是制約信息技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，可以預(yù)見的是未來以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為載體的人工智能技術(shù)將深入到農(nóng)業(yè)水利的各個角落。

5 ? ?參考文獻

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