目前大部分國家 (地區) 全面開展農業信息化建設, “互聯網+”現代農業初步進入產業化發展階段。美國、德國、荷蘭和日本等發達國家無論是技術體系建設還是產業發展均處于領先地位, 印度和韓國等農業領域的互聯網應用創新雖然起步晚, 但發展速度快, 并結合自身農業發展需求開展了不同模式的農業互聯網實踐, 形成了具有較高參考價值的模式與特色。對于我國在互聯網環境下加快形成具有中國特色的“互聯網+”現代農業產業新形態有重要意義。
1 美國的全程全網化精準農業模式
美國是當今世界農業現代化程度最高的國家。以信息技術為支撐的精準農業20世紀90年代初在美國開始出現, 結合Daberkow等、Schieffer和Dillon、Schimmelpfennig對美國精準農業發展歷程、技術應用、技術影響等方面研究, 美國在發達的農業網絡體系基礎上, 精準農業在農業生產全過程、全環節得到快速發展, 并形成了一種互聯互通的系統, 這種模式可總結為全程全網化的精準農業模式。
目前, 美國20%耕地、80%的大農場均采用了物聯網設備和技術, 其中玉米小麥主產區的39%生產者使用了物聯網技術。根據Erickson和David對2015年美國精準農業技術應用的分析及預測,美國六大精準農業技術應用中, 土壤取樣、農田繪圖、變率處理播種技術的應用最為廣泛, 其中無人機應用增速最快 。
美國精準農業技術應用率
從美國“互聯網+”現代農業的實踐來看, 主要集中在變量施肥噴藥、雜草自動識別技術、大型噴灌機的精準控制技術的規模化、產業化應用。對于特大型農場, 更是形成了“計算機集成自適應生產”模式, 即將市場信息、生產參數信息 (氣候、土壤、種子、農機、化肥、農藥和能源等) 、資金、信息和勞力信息等集中在一起, 經優化運算, 選定最佳種植方案。
在知識模型應用方面, Setiyono等在已有光合作用和生物量累積模型的基礎上, 構建了近最佳生長條件下大豆生長和產量模擬模型Soy Sim, 為如何對作物選擇有利環境從而提升產量提供決策支持工具。在“互聯網+”農機應用方面, 2008年美國20%的農場用直升機進行耕作管理, 很多中等規模農場和幾乎所有大型農場都安裝了GPS定位系統。
此外, 美國農機智能裝備市場已基本成熟, 美國Ag Junction公司、Ag Leader Technology、Dickey-John公司、Teejet Technologies、Deere公司、天寶導航系統、Precision Planting公司、ACGO公司、Topcon精準農業公司和Raven公司成為全球精準農業市場的重要企業。
2 荷蘭的工廠化設施農業物聯網模式
荷蘭是典型的人多地少、資源匱乏、都市農業主導的國家。針對人口密度大、可耕地少 (人均耕地面積0.06 hm2) 和全年日照時間短的環境條件, 荷蘭以提高土地利用率和農業附加值為目標, 大力發展高標準的溫室農業, 使其成為世界農業出口大國。據不完全統計, 目前, 荷蘭設施農業已成為農業經濟的重要支柱產業, 其玻璃溫室建筑面積約有1.1億m2, 占全球玻璃溫室面積的1/4, 主要用于栽培高檔花卉和設施蔬菜, 年產值高達12億美元。
荷蘭的農業信息化起步于20世紀60年代中期的作物模擬技術的研發應用, 到70年代開始實施溫室革命, 通過借助歐洲先進的工業自動化技術, 其以提升自動化生產水平為核心, 大力發展溫室內部自動化生產裝備, 并有機地集成各作業環節生產裝備構成自動化生產線, 建立溫室農業高效生產體系, 成為世界農業生產機械化、自動化程度領先的國家。目前以工廠化的設施農業物聯網發展模式為代表的“互聯網+”現代農業已成為荷蘭設施農業生產的主要技術應用模式。
荷蘭設施農業物聯網的應用主要包括三大方面:
一是溫室環境的自動化控制。近年來, 基于機器人學習的溫室黃瓜自動采摘機器人, 基于物理的溫室知識模型和多幅圖像的水果自動識別與計數控制器等設施農業生產智能化技術產品得到發展應用。如Jansen等證實可以利用計算機系統對氣相色譜質譜儀獲取的溫室作物揮發數據進行自動處理, 以準確測定溫室中作物健康相關有機物的濃度。
二是設施農業智能化節水控水技術的廣泛應用。荷蘭高度重視節水控水, 每個農戶都有計算機控制的噴淋、滴管灌溉和人工氣候系統, 灌溉用水需要進行再收集、處理, 反復使用, 水的計量單位精確到了“滴”。
三是養殖場 (小區) 管理的自動化。荷蘭在養殖場 (小區) 采用計算機自動化管理信息系統, 以奶牛為例, 對奶牛編號、存檔、生長發育、奶產量、飼料消耗、疾病防治、貯藏、流通和銷售等各環節進行全程監控, 實現農業生產經營全過程自動化、機械化。
3 德國的技術創新驅動型“互聯網+”農機智造模式
德國的農業發展主要以50hm?以下的中小家庭農場為主, 其農業的戰略定位除了提供食物外, 更重要的是重視“綠色、生態、節約”, 即通過系列技術與產業創新, 實現高效節水、土壤保墑和生物多樣性等目標。目前, 在工業4.0戰略框架下, 德國通過突破重點農業信息化關鍵技術, 構建自身的技術優勢, 從而帶動整個農業領域信息化進程, 在“互聯網+”現代農業領域逐步形成了以農用智能裝備為主導的“互聯網+”農機智造模式, 農業信息化建設進入信息技術熟化、產業化和專業化發展階段。
德國“互聯網+”現代農業發展的應用主要集中在計算機模擬模型、作物病蟲害預測預報及診斷決策系統等多項技術的應用。特別是精確農業技術, 能夠控制同一地塊中不同位置所需施肥量和植保劑的施用量, 以避免由于多施用所造成的環境污染和經濟上的浪費。
另外,德國在智能農機具自主創新上取得較大成效, 其發明的基于“3S”信息技術的大型農業機械裝備, 可在室內計算機自動控制下進行各項農田作業, 完成諸如精準播種、施肥、除草、采收、畜禽精準投料飼喂、奶牛數字化擠奶臺等多項功能。如Gerhards和Oebel利用2年時間研究了甜菜、玉米、冬小麥、冬大麥、冬油菜和春大麥的田間除草系統, 該系統利用數字圖像分析、計算機決策和全球定位系統控制貼片噴霧進行雜草在線檢測。Philipp等用數碼相機拍攝甜菜田間圖像, 利用程序和參數處理不同的圖像來計算單、雙子葉植物和植物區, 實現了精確農作的自動雜草制圖。
4 日本的適度規模經營型精細化農業模式
日本屬典型的人多地少國家。為應對農業資源環境與人口的約束, 日本積極利用現代信息技術和互聯網的便利, 重點推進現代信息與通訊技術在家庭農場作業中的應用, 逐步形成了較為成熟的“日本型”適度規模經營型精細化農業生產模式, 并進入“互聯網+”現代農業技術應用產業化發展階段, 成為世界上先進精準農業的代表之一, 以輕便型智能農機具為特征的日式精準農業更成為世界典范。
日本在“互聯網+”現代農業的應用, 主要包括農用車輛作業引導系統、田間土壤簡易分析裝置、土壤采集裝置、作物生長發育信息測定裝置和糧食收獲信息測定裝置。如Nagasaka等基于實時動態全球定位系統、方向傳感器和制動器開發了自動六排水稻插秧機, 極大提高了水稻種植效率。因其土地規模較小, 如何利用精準農業情報來實現田間病蟲害的控制防治、施肥管理和收獲預測成為日本小規模精細化農業的發展重點。Noguchi利用遙感無人機和監測站點實時監測小麥生長狀況, 基于逐步回歸模型, 繪制小麥產量圖, 實現小麥產量監測。
為解決農戶精準農業技術應用成本高、農戶經營分散等問題, 日本在推進精準農業過程中形成了由農業經營主體與技術平臺共同作用的精準農業共同體,該主體擔負著與農戶組織化, 日本農協或者其他各自治主體合作的核心工作。技術平臺則是以開發導入精準農業技術的企業和從事農產品銷售的企業為主體的市場主體, 可為農戶提供先進的精準農業技術, 并促進精準農業技術的普及與利用。
2004年農業物聯網被列入日本E-Japan計劃, 截至2014年, 全日本已有一半以上農戶選擇使用農業物聯網技術。日本政府提出, 到2020年, 受益于生產效率和流通效率的提高, 其農作物出口額有望增長至1萬億日元, 同時農業物聯網將達到580億至600億日元規模, 農業云端計算技術的運用占農業市場的75%。此外日本政府還計劃在10年內以農業物聯網為信息主體源, 普及農用機器人, 預計2020年農用機器人的市場規模將達到50億日元。
5 韓國的服務引領型農技推廣互聯網模式
韓國“互聯網+”現代農業方面的應用主要表現在互聯網在農技推廣中的廣泛應用, 即通過利用遠程教育系統推廣農業技術以培養新型農業經營主體。如在植物保護領域, 病蟲資料收集和發布基本實現了網絡化、自動化, 推廣和科研專家可以通過計算機網絡召開病蟲害會商。其中,由韓國農村振興廳建立的“國家-省-農場 (農戶) ”三級網絡的農場管理遠程咨詢系統、農場咨詢系統和涉農技術中心網站等, 成為農民獲取信息服務的重要載體, 提高了技術水平和信息選擇能力。
據統計, 韓國政府利用Internet會議系統實施農村夜校教育計劃, 每年完成1萬名農民的教育培訓。此外, 農業技術信息數據庫、農業土壤環境信息系統和農場生產環境信息系統等均為農民提供了個性化的實用技術和農村生活等信息。在服務模式創新上, 韓國還注重為地方特色產品提供電子商務服務, 以農林水產信息中心為主體,建立了多個具有一定規模的農業電子商務交易平臺, 有效拓寬了特色優質農產品的流通渠道。
6 印度的軟件產業主導型信息服務模式
印度是一個農業大國, 其人口眾多, 勞動力極其豐富, 而土地資源相對不足。為了解決耕地過于分散的問題, 印度政府通過制定調整土地、發展合作組織和擴大土地經營規模等政策使農民的所有資源得以充分利用。印度農業信息化起步較晚, 目前, 印度人均信息基礎設施水平比世界人均水平還要低, 電話普及率為4%, 僅有5%的農民擁有電腦。但是印度軟件業呈高速發展態勢, 為農業信息化發展注入了活力。
當前, 印度“互聯網+”現代農業應用最為廣泛的領域是市場領域, 主要表現為農業行情信息系統和價格預測系統在農民群體中得到廣泛應用。其中由印度國家農產品行銷協會與卡納塔克邦農產品運銷部聯合研發的農產品價格監測預警應用系統,通過安裝數據庫和統計軟件, 結合經濟學模型將多種參數、多套數據植入價格預測中, 為農民提供實時和未來一個階段的農產品市場價格預測分析趨勢報告,提升了農產品供銷市場的透明度, 降低了廣大農民因價格變動帶來市場風險。
對于農業信息產業的下游產業, 如農業智能裝備產業, 印度十分重視外資的利用和國際交流合作, 并使之成為農業與農機裝備接受外援數量最多第三世界國家。總體來看, 印度農業信息化主要依賴農業信息軟件服務業來推進, 精準農業、農業物聯網等技術的應用處于探索起步階段, 政府是主要的推動主體。
1 美國的全程全網化精準農業模式
美國是當今世界農業現代化程度最高的國家。以信息技術為支撐的精準農業20世紀90年代初在美國開始出現, 結合Daberkow等、Schieffer和Dillon、Schimmelpfennig對美國精準農業發展歷程、技術應用、技術影響等方面研究, 美國在發達的農業網絡體系基礎上, 精準農業在農業生產全過程、全環節得到快速發展, 并形成了一種互聯互通的系統, 這種模式可總結為全程全網化的精準農業模式。
目前, 美國20%耕地、80%的大農場均采用了物聯網設備和技術, 其中玉米小麥主產區的39%生產者使用了物聯網技術。根據Erickson和David對2015年美國精準農業技術應用的分析及預測,美國六大精準農業技術應用中, 土壤取樣、農田繪圖、變率處理播種技術的應用最為廣泛, 其中無人機應用增速最快 。
從美國“互聯網+”現代農業的實踐來看, 主要集中在變量施肥噴藥、雜草自動識別技術、大型噴灌機的精準控制技術的規模化、產業化應用。對于特大型農場, 更是形成了“計算機集成自適應生產”模式, 即將市場信息、生產參數信息 (氣候、土壤、種子、農機、化肥、農藥和能源等) 、資金、信息和勞力信息等集中在一起, 經優化運算, 選定最佳種植方案。
在知識模型應用方面, Setiyono等在已有光合作用和生物量累積模型的基礎上, 構建了近最佳生長條件下大豆生長和產量模擬模型Soy Sim, 為如何對作物選擇有利環境從而提升產量提供決策支持工具。在“互聯網+”農機應用方面, 2008年美國20%的農場用直升機進行耕作管理, 很多中等規模農場和幾乎所有大型農場都安裝了GPS定位系統。
此外, 美國農機智能裝備市場已基本成熟, 美國Ag Junction公司、Ag Leader Technology、Dickey-John公司、Teejet Technologies、Deere公司、天寶導航系統、Precision Planting公司、ACGO公司、Topcon精準農業公司和Raven公司成為全球精準農業市場的重要企業。
2 荷蘭的工廠化設施農業物聯網模式
荷蘭是典型的人多地少、資源匱乏、都市農業主導的國家。針對人口密度大、可耕地少 (人均耕地面積0.06 hm2) 和全年日照時間短的環境條件, 荷蘭以提高土地利用率和農業附加值為目標, 大力發展高標準的溫室農業, 使其成為世界農業出口大國。據不完全統計, 目前, 荷蘭設施農業已成為農業經濟的重要支柱產業, 其玻璃溫室建筑面積約有1.1億m2, 占全球玻璃溫室面積的1/4, 主要用于栽培高檔花卉和設施蔬菜, 年產值高達12億美元。
荷蘭的農業信息化起步于20世紀60年代中期的作物模擬技術的研發應用, 到70年代開始實施溫室革命, 通過借助歐洲先進的工業自動化技術, 其以提升自動化生產水平為核心, 大力發展溫室內部自動化生產裝備, 并有機地集成各作業環節生產裝備構成自動化生產線, 建立溫室農業高效生產體系, 成為世界農業生產機械化、自動化程度領先的國家。目前以工廠化的設施農業物聯網發展模式為代表的“互聯網+”現代農業已成為荷蘭設施農業生產的主要技術應用模式。
荷蘭設施農業物聯網的應用主要包括三大方面:
一是溫室環境的自動化控制。近年來, 基于機器人學習的溫室黃瓜自動采摘機器人, 基于物理的溫室知識模型和多幅圖像的水果自動識別與計數控制器等設施農業生產智能化技術產品得到發展應用。如Jansen等證實可以利用計算機系統對氣相色譜質譜儀獲取的溫室作物揮發數據進行自動處理, 以準確測定溫室中作物健康相關有機物的濃度。
二是設施農業智能化節水控水技術的廣泛應用。荷蘭高度重視節水控水, 每個農戶都有計算機控制的噴淋、滴管灌溉和人工氣候系統, 灌溉用水需要進行再收集、處理, 反復使用, 水的計量單位精確到了“滴”。
三是養殖場 (小區) 管理的自動化。荷蘭在養殖場 (小區) 采用計算機自動化管理信息系統, 以奶牛為例, 對奶牛編號、存檔、生長發育、奶產量、飼料消耗、疾病防治、貯藏、流通和銷售等各環節進行全程監控, 實現農業生產經營全過程自動化、機械化。
3 德國的技術創新驅動型“互聯網+”農機智造模式
德國的農業發展主要以50hm?以下的中小家庭農場為主, 其農業的戰略定位除了提供食物外, 更重要的是重視“綠色、生態、節約”, 即通過系列技術與產業創新, 實現高效節水、土壤保墑和生物多樣性等目標。目前, 在工業4.0戰略框架下, 德國通過突破重點農業信息化關鍵技術, 構建自身的技術優勢, 從而帶動整個農業領域信息化進程, 在“互聯網+”現代農業領域逐步形成了以農用智能裝備為主導的“互聯網+”農機智造模式, 農業信息化建設進入信息技術熟化、產業化和專業化發展階段。
另外,德國在智能農機具自主創新上取得較大成效, 其發明的基于“3S”信息技術的大型農業機械裝備, 可在室內計算機自動控制下進行各項農田作業, 完成諸如精準播種、施肥、除草、采收、畜禽精準投料飼喂、奶牛數字化擠奶臺等多項功能。如Gerhards和Oebel利用2年時間研究了甜菜、玉米、冬小麥、冬大麥、冬油菜和春大麥的田間除草系統, 該系統利用數字圖像分析、計算機決策和全球定位系統控制貼片噴霧進行雜草在線檢測。Philipp等用數碼相機拍攝甜菜田間圖像, 利用程序和參數處理不同的圖像來計算單、雙子葉植物和植物區, 實現了精確農作的自動雜草制圖。
4 日本的適度規模經營型精細化農業模式
日本屬典型的人多地少國家。為應對農業資源環境與人口的約束, 日本積極利用現代信息技術和互聯網的便利, 重點推進現代信息與通訊技術在家庭農場作業中的應用, 逐步形成了較為成熟的“日本型”適度規模經營型精細化農業生產模式, 并進入“互聯網+”現代農業技術應用產業化發展階段, 成為世界上先進精準農業的代表之一, 以輕便型智能農機具為特征的日式精準農業更成為世界典范。
日本在“互聯網+”現代農業的應用, 主要包括農用車輛作業引導系統、田間土壤簡易分析裝置、土壤采集裝置、作物生長發育信息測定裝置和糧食收獲信息測定裝置。如Nagasaka等基于實時動態全球定位系統、方向傳感器和制動器開發了自動六排水稻插秧機, 極大提高了水稻種植效率。因其土地規模較小, 如何利用精準農業情報來實現田間病蟲害的控制防治、施肥管理和收獲預測成為日本小規模精細化農業的發展重點。Noguchi利用遙感無人機和監測站點實時監測小麥生長狀況, 基于逐步回歸模型, 繪制小麥產量圖, 實現小麥產量監測。
為解決農戶精準農業技術應用成本高、農戶經營分散等問題, 日本在推進精準農業過程中形成了由農業經營主體與技術平臺共同作用的精準農業共同體,該主體擔負著與農戶組織化, 日本農協或者其他各自治主體合作的核心工作。技術平臺則是以開發導入精準農業技術的企業和從事農產品銷售的企業為主體的市場主體, 可為農戶提供先進的精準農業技術, 并促進精準農業技術的普及與利用。
2004年農業物聯網被列入日本E-Japan計劃, 截至2014年, 全日本已有一半以上農戶選擇使用農業物聯網技術。日本政府提出, 到2020年, 受益于生產效率和流通效率的提高, 其農作物出口額有望增長至1萬億日元, 同時農業物聯網將達到580億至600億日元規模, 農業云端計算技術的運用占農業市場的75%。此外日本政府還計劃在10年內以農業物聯網為信息主體源, 普及農用機器人, 預計2020年農用機器人的市場規模將達到50億日元。
韓國“互聯網+”現代農業方面的應用主要表現在互聯網在農技推廣中的廣泛應用, 即通過利用遠程教育系統推廣農業技術以培養新型農業經營主體。如在植物保護領域, 病蟲資料收集和發布基本實現了網絡化、自動化, 推廣和科研專家可以通過計算機網絡召開病蟲害會商。其中,由韓國農村振興廳建立的“國家-省-農場 (農戶) ”三級網絡的農場管理遠程咨詢系統、農場咨詢系統和涉農技術中心網站等, 成為農民獲取信息服務的重要載體, 提高了技術水平和信息選擇能力。
據統計, 韓國政府利用Internet會議系統實施農村夜校教育計劃, 每年完成1萬名農民的教育培訓。此外, 農業技術信息數據庫、農業土壤環境信息系統和農場生產環境信息系統等均為農民提供了個性化的實用技術和農村生活等信息。在服務模式創新上, 韓國還注重為地方特色產品提供電子商務服務, 以農林水產信息中心為主體,建立了多個具有一定規模的農業電子商務交易平臺, 有效拓寬了特色優質農產品的流通渠道。
6 印度的軟件產業主導型信息服務模式
印度是一個農業大國, 其人口眾多, 勞動力極其豐富, 而土地資源相對不足。為了解決耕地過于分散的問題, 印度政府通過制定調整土地、發展合作組織和擴大土地經營規模等政策使農民的所有資源得以充分利用。印度農業信息化起步較晚, 目前, 印度人均信息基礎設施水平比世界人均水平還要低, 電話普及率為4%, 僅有5%的農民擁有電腦。但是印度軟件業呈高速發展態勢, 為農業信息化發展注入了活力。
當前, 印度“互聯網+”現代農業應用最為廣泛的領域是市場領域, 主要表現為農業行情信息系統和價格預測系統在農民群體中得到廣泛應用。其中由印度國家農產品行銷協會與卡納塔克邦農產品運銷部聯合研發的農產品價格監測預警應用系統,通過安裝數據庫和統計軟件, 結合經濟學模型將多種參數、多套數據植入價格預測中, 為農民提供實時和未來一個階段的農產品市場價格預測分析趨勢報告,提升了農產品供銷市場的透明度, 降低了廣大農民因價格變動帶來市場風險。
對于農業信息產業的下游產業, 如農業智能裝備產業, 印度十分重視外資的利用和國際交流合作, 并使之成為農業與農機裝備接受外援數量最多第三世界國家。總體來看, 印度農業信息化主要依賴農業信息軟件服務業來推進, 精準農業、農業物聯網等技術的應用處于探索起步階段, 政府是主要的推動主體。
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