淺析大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測的相關(guān)應(yīng)用

張 蒙，劉 倩

（1.江蘇香河農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，江蘇 連云港 222000；2.江蘇原創(chuàng)藥物研發(fā)有限公司，江蘇 連云港 222000）

近日，國家發(fā)布了《2022 年數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展工作要點》（以下簡稱《工作要點》）。

《工作要點》明確了工作目標(biāo)：到2022 年底，數(shù)字技術(shù)有力支撐農(nóng)業(yè)基本盤，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化水平穩(wěn)步提升。同時也部署了30 項重點任務(wù)。智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)被列入其中，主要包括以下方面內(nèi)容：大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的信息化基礎(chǔ)；加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景窄帶物聯(lián)網(wǎng)部署；加快推動農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)建設(shè)應(yīng)用，重點建設(shè)國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)平臺，建立健全數(shù)據(jù)資源體系；加快推動農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建設(shè)數(shù)字育種服務(wù)平臺；加快推進(jìn)信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效率；強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新供給；加強(qiáng)高端智能農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)制造，推進(jìn)北斗智能終端在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用；同時，還要提高農(nóng)田建設(shè)管理數(shù)字化水平，構(gòu)建綜合監(jiān)測監(jiān)管平臺。

智慧農(nóng)業(yè)簡單來說就是利用信息化應(yīng)用技術(shù)諸如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 技術(shù)等，運(yùn)用傳感器、采集器等前端設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，再通過軟件或者移動平臺實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控，提高農(nóng)業(yè)的智慧化水平。另外從廣義上來說，智慧農(nóng)業(yè)還能拓展至農(nóng)業(yè)休閑、農(nóng)業(yè)旅游、農(nóng)業(yè)電子商務(wù)等業(yè)務(wù)方向。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)階段，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中運(yùn)用，是一種高級的農(nóng)業(yè)發(fā)展階段，依托農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感器（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等），完成對農(nóng)業(yè)場景中基礎(chǔ)信息的采集，通過有線/無線的通信方式，完成數(shù)據(jù)傳輸，并在后臺的大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行分析，以及通過定制化應(yīng)用軟件的開發(fā)，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的數(shù)字化的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理。

本文通過對新一代信息技術(shù)的調(diào)研，研究一種適配多種農(nóng)業(yè)場景的通用性智慧型解決方案，盡可能實現(xiàn)現(xiàn)代生物技術(shù)、種植技術(shù)等與信息技術(shù)的融合，促進(jìn)現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1-2]。

1 現(xiàn)狀分析

中國是農(nóng)業(yè)大國，古往今來，一直依托農(nóng)業(yè)在發(fā)展，農(nóng)業(yè)在中國的歷史進(jìn)程中占據(jù)著重要的地位，中國“民以食為天”的俗語也體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的重要性。但是近年來，隨著人口出生率的減少，農(nóng)村人員進(jìn)入城市進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)，人口紅利的優(yōu)勢正在漸漸變?nèi)酢，F(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展也面臨著較為嚴(yán)重的勞動力不足問題。但農(nóng)業(yè)關(guān)乎人民生計，國家對農(nóng)業(yè)的重視程度很高，基于此，要結(jié)合新興技術(shù)的發(fā)展，依托科學(xué)手段，更有效地促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，降低農(nóng)業(yè)對人力的需求。

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開信息化應(yīng)用技術(shù)的推廣應(yīng)用，農(nóng)業(yè)信息化則是智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)，其是一種數(shù)字化產(chǎn)業(yè)，與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)智能裝備、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等構(gòu)成了重要的業(yè)務(wù)模塊。

智慧農(nóng)業(yè)與相關(guān)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著密切的關(guān)系，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、AI 等技術(shù)的快速發(fā)展，這些技術(shù)在大棚的溫控改造、大面積種植的信息化建設(shè)等方面得到了諸多的應(yīng)用。在信息化配套生產(chǎn)的應(yīng)用中產(chǎn)生了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)等，大數(shù)據(jù)分析將有助于育種、病蟲防治，并且通過AI 的算法分析有助于實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)預(yù)警，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)方面取得了一定的成效。部分農(nóng)業(yè)應(yīng)用還建立了APP，便于實現(xiàn)與農(nóng)業(yè)專家的遠(yuǎn)程交流，通過數(shù)據(jù)對比，做到精準(zhǔn)預(yù)防。而通過5G、衛(wèi)星等通信手段也促進(jìn)了農(nóng)用裝備的快速發(fā)展，提高了作業(yè)效率。

智慧農(nóng)業(yè)于20 世紀(jì)80 年代首先在國外開始起步，隨后在美國以及歐美發(fā)達(dá)國家得到了快速的發(fā)展，并出臺了多項支持的政策，強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營要與大數(shù)據(jù)做結(jié)合，農(nóng)產(chǎn)品流通要在互聯(lián)網(wǎng)端實現(xiàn)，農(nóng)業(yè)裝備要進(jìn)行信息化升級改造。

中國從2014 年開始進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)的推廣，相比于國外起步較晚。同時由于中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異，東部地區(qū)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展優(yōu)于西部地區(qū)。在上海，已建設(shè)了浦東農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心，在新疆也建設(shè)了智慧棉花基地。中國智慧農(nóng)業(yè)目前在技術(shù)論證和共性研發(fā)方面取得了一定的成績，但是在具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用方面發(fā)展還較為緩慢。

在目前國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展方面，中國正積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)自動化水平升級，目前對農(nóng)作物生長指標(biāo)和環(huán)境參數(shù)關(guān)注度較高。隨著國內(nèi)信息技術(shù)的廣泛使用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時代，不過由于智慧農(nóng)業(yè)涉及的環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備參數(shù)等采集種類多、數(shù)量大，需要研究合適的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，本文將針對這一需求，進(jìn)行智能安全大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺設(shè)計，基于Hadoop 平臺，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行云存儲，實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程控制，并在農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測中進(jìn)行試用驗證?？梢詫r(nóng)業(yè)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，根據(jù)環(huán)境情況進(jìn)行輔助決策，幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員盡早發(fā)現(xiàn)問題，提升農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。

2 面臨挑戰(zhàn)

當(dāng)然智慧農(nóng)業(yè)在發(fā)展過程中也存在一些共性問題，本文將重點分析技術(shù)方面存在的問題，主要包括以下2 個方面。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信

智慧農(nóng)業(yè)體系需要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在目前的情況下，國內(nèi)很多地區(qū)的農(nóng)業(yè)區(qū)域無法普及網(wǎng)絡(luò)通信，在東部較為發(fā)達(dá)地區(qū)或者試點示范地區(qū)，有相對完善的通信網(wǎng)絡(luò)，能夠適配農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺?？傮w來說，目前中國智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)通信設(shè)施尚待完善，通信資源嚴(yán)重缺乏，需要進(jìn)行基礎(chǔ)信息化的改造升級。

2.2 大數(shù)據(jù)安全

智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)分析，需要構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析平臺。隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全需要得到更多的關(guān)注，需要構(gòu)建自主的大數(shù)據(jù)安全管控平臺來保障數(shù)據(jù)采集、存儲、調(diào)用的數(shù)據(jù)安全，這將有助于智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量的發(fā)展。

針對一些共性問題，本文在構(gòu)建大數(shù)據(jù)智能管控平臺時，也做了相應(yīng)的安全考慮，在細(xì)化需求的基礎(chǔ)上，更大程度地保障數(shù)據(jù)安全[5]。

3 基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測平臺研究

在農(nóng)業(yè)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域，對環(huán)境、病蟲的監(jiān)測很重要，因為會持續(xù)危害農(nóng)作物的生長。而一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害事件，如果在早期能夠有效發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的防治手段，這將會達(dá)到一個很好的效果。本文將圍繞這個研究熱點開展技術(shù)研究和論證，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測平臺，來實現(xiàn)監(jiān)測的預(yù)警防治。通過平臺的構(gòu)建完成對環(huán)境、關(guān)鍵因素等數(shù)據(jù)信息的采集，實現(xiàn)對農(nóng)作物生產(chǎn)因素數(shù)據(jù)的及時獲取。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法大多以人力采集為主，需人員現(xiàn)場采集標(biāo)本信息，并對照相應(yīng)的評判手冊來進(jìn)行相應(yīng)問題的匯總。此種模式存在信息滯后、統(tǒng)計量大、統(tǒng)計誤差大等問題。本文構(gòu)建的基于大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測平臺，由移動終端和能夠聚合存儲空間及屬性數(shù)據(jù)的服務(wù)端構(gòu)成，具備數(shù)據(jù)采集、處理及瀏覽、數(shù)據(jù)分析、輔助決策等功能，為確保數(shù)據(jù)能夠集成在統(tǒng)一的平臺，采用基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

在農(nóng)作物生產(chǎn)現(xiàn)場，部署常規(guī)的溫濕度監(jiān)測傳感器、視頻監(jiān)控、病蟲監(jiān)測設(shè)備、土壤監(jiān)測傳感器等，并利用北斗定位等完成前端數(shù)據(jù)的采集，完成數(shù)據(jù)采集后，利用5G/4G 將數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)平臺。

基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測平臺主要用于農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)存儲等，其系統(tǒng)架構(gòu)主要分為4 層，如圖1 所示。

圖1 總體架構(gòu)

第一層為感知層。傳感數(shù)據(jù)通過感知層連接，通過網(wǎng)絡(luò)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸給平臺層智能監(jiān)測平臺，主要包括生長燈、排風(fēng)扇、水泵、溫濕度、土壤酸堿度、視頻監(jiān)控、環(huán)境因子等。第二層為平臺層，給大數(shù)據(jù)分析提供處理計算環(huán)境，主要有應(yīng)用集成框架、大數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理架構(gòu)、態(tài)勢顯示框架、數(shù)據(jù)總線服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)部署服務(wù)、系統(tǒng)時統(tǒng)服務(wù)等。第三層為服務(wù)層，主要提供必要的運(yùn)行環(huán)境，主要有協(xié)議適配服務(wù)、格式轉(zhuǎn)換服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、基礎(chǔ)測控服務(wù)等。第四層為應(yīng)用層，將實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測平臺主要功能，主要包括環(huán)境監(jiān)測、情報處理、態(tài)勢感知、態(tài)勢顯示、輔助決策、病蟲監(jiān)測、雨水監(jiān)測、土壤監(jiān)測、記錄回放、光照監(jiān)測、配置管理等。該架構(gòu)保障了系統(tǒng)服務(wù)的高可用性及高可靠性。

本文的大數(shù)據(jù)分析平臺基于Hadoop 平臺，采用多服務(wù)器集群方式，并且在每個服務(wù)器單獨(dú)安裝Hadoop平臺，在每個服務(wù)器上都能達(dá)到獨(dú)立數(shù)據(jù)分析功能。數(shù)據(jù)存儲基于HDFS（分布式文件系統(tǒng)），在具體的農(nóng)業(yè)場景應(yīng)用中，對該數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行了部分定制化的開發(fā)。主要實現(xiàn)功能如圖2 所示。

圖2 大數(shù)據(jù)平臺功能架構(gòu)

本文的應(yīng)用場景選取農(nóng)作物溫室生產(chǎn)環(huán)境。通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的成果。

在該應(yīng)用場景下，設(shè)置了智能網(wǎng)關(guān)模塊，用于對環(huán)境及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。在農(nóng)業(yè)設(shè)備的智能監(jiān)控模塊部分則完成了作業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。并對涉及到的系統(tǒng)中硬件進(jìn)行了集中化的管理，可進(jìn)行定制化設(shè)置。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為核心應(yīng)用系統(tǒng)，在農(nóng)作物溫室環(huán)境中，構(gòu)建了知識圖譜、生產(chǎn)管理分析、智能多維分析等應(yīng)用，并且能夠基于專家系統(tǒng)、云計算、深度學(xué)習(xí)算法等新興技術(shù)手段更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)該場景的輔助決策，定期調(diào)整施肥量、翻地次數(shù)等，更好地指導(dǎo)作業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。之后部署用戶管理模塊，便于對用戶信息的管理以及訪問權(quán)限的控制，保障信息安全等。最后對監(jiān)測平臺進(jìn)行了實地測試，試驗中的點數(shù)據(jù)采集數(shù)量150 個，大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)過程用時0.7 s，定位精度可達(dá)到1 m 以內(nèi)，實現(xiàn)了環(huán)境、病蟲害等的可視化顯示。分析產(chǎn)生影響的原因以及田地、大棚、氣象條件等所產(chǎn)生的影響，給出了專家建議。并且對相關(guān)作業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行了狀態(tài)監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)對作業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維。

本平臺基于大數(shù)據(jù)，結(jié)合5G/4G、先進(jìn)傳感器等應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計了一套基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測平臺，并完成了異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成處理，之后在綜合管控平臺，以可視化的形式進(jìn)行了展示，知識圖譜以及專家系統(tǒng)能夠提供輔助決策。同時，對Hadoop 平臺框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)對海量農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的分析。并在具體的應(yīng)用場景中進(jìn)行了試用，根據(jù)實驗情況可知，該平臺架構(gòu)設(shè)計合理，功能使用達(dá)到預(yù)期要求，能夠有效促進(jìn)農(nóng)作物的生長，同時能夠高效監(jiān)測作業(yè)設(shè)備。

4 結(jié)論

本文對智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了淺析，并對國內(nèi)外發(fā)展情況做了調(diào)研，提出了一種適合國內(nèi)的基于大數(shù)據(jù)農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測平臺設(shè)計方法，并在相關(guān)場景中進(jìn)行了應(yīng)用。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及信息應(yīng)用技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域的快速發(fā)展，未來智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展將更加多元化和更加智能化，同時也要認(rèn)識到智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)發(fā)展固然重要，但是信息智慧農(nóng)業(yè)復(fù)合型人才的培養(yǎng)也很重要，另外，也要更多地關(guān)注新興技術(shù)的適配性，例如區(qū)塊鏈、元宇宙新興技術(shù)演變，在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域究竟能夠?qū)崿F(xiàn)什么方式的結(jié)合，這也是未來可以探討的一個研究點。當(dāng)然，最為重要的是國家對智慧農(nóng)業(yè)的支撐以及服務(wù)保障。智慧農(nóng)業(yè)是智慧鄉(xiāng)村的一個組成部分，未來國家會在該領(lǐng)域投入更多的資源，來加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，相信在國家的宏觀布局和政策指引下、農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的重視下，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展也會越來越好。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展對新興技術(shù)的發(fā)展也會產(chǎn)生反向作用，雙發(fā)達(dá)到一個良性的互動以及促進(jìn)作用。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用不僅局限于在農(nóng)作物生長過程中，也可應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品銷售模式方面，更大程度地推廣新農(nóng)產(chǎn)品，促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量的發(fā)展。