1 美国的全程全网化精准农业模式
美国是当今世界农业现代化程度最高的国家。以信息技术为支撑的精准农业20世纪90年代初在美国开始出现, 结合Daberkow等、Schieffer和Dillon、Schimmelpfennig对美国精准农业发展历程、技术应用、技术影响等方面研究, 美国在发达的农业网络体系基础上, 精准农业在农业生产全过程、全环节得到快速发展, 并形成了一种互联互通的系统, 这种模式可总结为全程全网化的精准农业模式。
目前, 美国20%耕地、80%的大农场均采用了物联网设备和技术, 其中玉米小麦主产区的39%生产者使用了物联网技术。根据Erickson和David对2015年美国精准农业技术应用的分析及预测,美国六大精准农业技术应用中, 土壤取样、农田绘图、变率处理播种技术的应用最为广泛, 其中无人机应用增速最快 。
从美国“互联网+”现代农业的实践来看, 主要集中在变量施肥喷药、杂草自动识别技术、大型喷灌机的精准控制技术的规模化、产业化应用。对于特大型农场, 更是形成了“计算机集成自适应生产”模式, 即将市场信息、生产参数信息 (气候、土壤、种子、农机、化肥、农药和能源等) 、资金、信息和劳力信息等集中在一起, 经优化运算, 选定最佳种植方案。
在知识模型应用方面, Setiyono等在已有光合作用和生物量累积模型的基础上, 构建了近最佳生长条件下大豆生长和产量模拟模型Soy Sim, 为如何对作物选择有利环境从而提升产量提供决策支持工具。在“互联网+”农机应用方面, 2008年美国20%的农场用直升机进行耕作管理, 很多中等规模农场和几乎所有大型农场都安装了GPS定位系统。
此外, 美国农机智能装备市场已基本成熟, 美国Ag Junction公司、Ag Leader Technology、Dickey-John公司、Teejet Technologies、Deere公司、天宝导航系统、Precision Planting公司、ACGO公司、Topcon精准农业公司和Raven公司成为全球精准农业市场的重要企业。
2 荷兰的工厂化设施农业物联网模式
荷兰是典型的人多地少、资源匮乏、都市农业主导的国家。针对人口密度大、可耕地少 (人均耕地面积0.06 hm2) 和全年日照时间短的环境条件, 荷兰以提高土地利用率和农业附加值为目标, 大力发展高标准的温室农业, 使其成为世界农业出口大国。据不完全统计, 目前, 荷兰设施农业已成为农业经济的重要支柱产业, 其玻璃温室建筑面积约有1.1亿m2, 占全球玻璃温室面积的1/4, 主要用于栽培高档花卉和设施蔬菜, 年产值高达12亿美元。
荷兰的农业信息化起步于20世纪60年代中期的作物模拟技术的研发应用, 到70年代开始实施温室革命, 通过借助欧洲先进的工业自动化技术, 其以提升自动化生产水平为核心, 大力发展温室内部自动化生产装备, 并有机地集成各作业环节生产装备构成自动化生产线, 建立温室农业高效生产体系, 成为世界农业生产机械化、自动化程度领先的国家。目前以工厂化的设施农业物联网发展模式为代表的“互联网+”现代农业已成为荷兰设施农业生产的主要技术应用模式。
荷兰设施农业物联网的应用主要包括三大方面:
一是温室环境的自动化控制。近年来, 基于机器人学习的温室黄瓜自动采摘机器人, 基于物理的温室知识模型和多幅图像的水果自动识别与计数控制器等设施农业生产智能化技术产品得到发展应用。如Jansen等证实可以利用计算机系统对气相色谱质谱仪获取的温室作物挥发数据进行自动处理, 以准确测定温室中作物健康相关有机物的浓度。
二是设施农业智能化节水控水技术的广泛应用。荷兰高度重视节水控水, 每个农户都有计算机控制的喷淋、滴管灌溉和人工气候系统, 灌溉用水需要进行再收集、处理, 反复使用, 水的计量单位精确到了“滴”。
三是养殖场 (小区) 管理的自动化。荷兰在养殖场 (小区) 采用计算机自动化管理信息系统, 以奶牛为例, 对奶牛编号、存档、生长发育、奶产量、饲料消耗、疾病防治、贮藏、流通和销售等各环节进行全程监控, 实现农业生产经营全过程自动化、机械化。
3 德国的技术创新驱动型“互联网+”农机智造模式
德国的农业发展主要以50hm?以下的中小家庭农场为主, 其农业的战略定位除了提供食物外, 更重要的是重视“绿色、生态、节约”, 即通过系列技术与产业创新, 实现高效节水、土壤保墒和生物多样性等目标。目前, 在工业4.0战略框架下, 德国通过突破重点农业信息化关键技术, 构建自身的技术优势, 从而带动整个农业领域信息化进程, 在“互联网+”现代农业领域逐步形成了以农用智能装备为主导的“互联网+”农机智造模式, 农业信息化建设进入信息技术熟化、产业化和专业化发展阶段。
另外,德国在智能农机具自主创新上取得较大成效, 其发明的基于“3S”信息技术的大型农业机械装备, 可在室内计算机自动控制下进行各项农田作业, 完成诸如精准播种、施肥、除草、采收、畜禽精准投料饲喂、奶牛数字化挤奶台等多项功能。如Gerhards和Oebel利用2年时间研究了甜菜、玉米、冬小麦、冬大麦、冬油菜和春大麦的田间除草系统, 该系统利用数字图像分析、计算机决策和全球定位系统控制贴片喷雾进行杂草在线检测。Philipp等用数码相机拍摄甜菜田间图像, 利用程序和参数处理不同的图像来计算单、双子叶植物和植物区, 实现了精确农作的自动杂草制图。
4 日本的适度规模经营型精细化农业模式
日本属典型的人多地少国家。为应对农业资源环境与人口的约束, 日本积极利用现代信息技术和互联网的便利, 重点推进现代信息与通讯技术在家庭农场作业中的应用, 逐步形成了较为成熟的“日本型”适度规模经营型精细化农业生产模式, 并进入“互联网+”现代农业技术应用产业化发展阶段, 成为世界上先进精准农业的代表之一, 以轻便型智能农机具为特征的日式精准农业更成为世界典范。
日本在“互联网+”现代农业的应用, 主要包括农用车辆作业引导系统、田间土壤简易分析装置、土壤采集装置、作物生长发育信息测定装置和粮食收获信息测定装置。如Nagasaka等基于实时动态全球定位系统、方向传感器和制动器开发了自动六排水稻插秧机, 极大提高了水稻种植效率。因其土地规模较小, 如何利用精准农业情报来实现田间病虫害的控制防治、施肥管理和收获预测成为日本小规模精细化农业的发展重点。Noguchi利用遥感无人机和监测站点实时监测小麦生长状况, 基于逐步回归模型, 绘制小麦产量图, 实现小麦产量监测。
为解决农户精准农业技术应用成本高、农户经营分散等问题, 日本在推进精准农业过程中形成了由农业经营主体与技术平台共同作用的精准农业共同体,该主体担负着与农户组织化, 日本农协或者其他各自治主体合作的核心工作。技术平台则是以开发导入精准农业技术的企业和从事农产品销售的企业为主体的市场主体, 可为农户提供先进的精准农业技术, 并促进精准农业技术的普及与利用。
2004年农业物联网被列入日本E-Japan计划, 截至2014年, 全日本已有一半以上农户选择使用农业物联网技术。日本政府提出, 到2020年, 受益于生产效率和流通效率的提高, 其农作物出口额有望增长至1万亿日元, 同时农业物联网将达到580亿至600亿日元规模, 农业云端计算技术的运用占农业市场的75%。此外日本政府还计划在10年内以农业物联网为信息主体源, 普及农用机器人, 预计2020年农用机器人的市场规模将达到50亿日元。
韩国“互联网+”现代农业方面的应用主要表现在互联网在农技推广中的广泛应用, 即通过利用远程教育系统推广农业技术以培养新型农业经营主体。如在植物保护领域, 病虫资料收集和发布基本实现了网络化、自动化, 推广和科研专家可以通过计算机网络召开病虫害会商。其中,由韩国农村振兴厅建立的“国家-省-农场 (农户) ”三级网络的农场管理远程咨询系统、农场咨询系统和涉农技术中心网站等, 成为农民获取信息服务的重要载体, 提高了技术水平和信息选择能力。
据统计, 韩国政府利用Internet会议系统实施农村夜校教育计划, 每年完成1万名农民的教育培训。此外, 农业技术信息数据库、农业土壤环境信息系统和农场生产环境信息系统等均为农民提供了个性化的实用技术和农村生活等信息。在服务模式创新上, 韩国还注重为地方特色产品提供电子商务服务, 以农林水产信息中心为主体,建立了多个具有一定规模的农业电子商务交易平台, 有效拓宽了特色优质农产品的流通渠道。
6 印度的软件产业主导型信息服务模式
印度是一个农业大国, 其人口众多, 劳动力极其丰富, 而土地资源相对不足。为了解决耕地过于分散的问题, 印度政府通过制定调整土地、发展合作组织和扩大土地经营规模等政策使农民的所有资源得以充分利用。印度农业信息化起步较晚, 目前, 印度人均信息基础设施水平比世界人均水平还要低, 电话普及率为4%, 仅有5%的农民拥有电脑。但是印度软件业呈高速发展态势, 为农业信息化发展注入了活力。
当前, 印度“互联网+”现代农业应用最为广泛的领域是市场领域, 主要表现为农业行情信息系统和价格预测系统在农民群体中得到广泛应用。其中由印度国家农产品行销协会与卡纳塔克邦农产品运销部联合研发的农产品价格监测预警应用系统,通过安装数据库和统计软件, 结合经济学模型将多种参数、多套数据植入价格预测中, 为农民提供实时和未来一个阶段的农产品市场价格预测分析趋势报告,提升了农产品供销市场的透明度, 降低了广大农民因价格变动带来市场风险。
对于农业信息产业的下游产业, 如农业智能装备产业, 印度十分重视外资的利用和国际交流合作, 并使之成为农业与农机装备接受外援数量最多第三世界国家。总体来看, 印度农业信息化主要依赖农业信息软件服务业来推进, 精准农业、农业物联网等技术的应用处于探索起步阶段, 政府是主要的推动主体。
