精细农业理念在棉花产业链中的应用

■王亮 刘进军

〔河南农业大学，河南 郑州 450002〕

农业是一个古老而又恒久的行业，它记录着人类文明的历史，是关系到国民经济能否长期稳定、协调发展的关键产业。当今时代，农业发展既要保证高产高效，又要实现优质低耗，这就要求农业必须由经验型的传统农业向知识型的精细农业转变。棉花作为一种多用途的经济作物，在全世界范围内都得到了广泛种植，是农业生产中十分重要的组成部分。棉花产业也直接影响到纺织、服装等工商业的发展，是关系国计民生的重要产业之一。目前，我国的棉花产业需要按照精细农业的理念，充分利用现代化信息技术、物联网技术等作为其跨越式发展的驱动力，使其实现种植规模化、加工自动化、技术智能化以及提升产品市场竞争力、降低生产成本等多元化目标。

一、精细农业

精细农业是相对于较为保守的传统农业而言的，它是一种知识密集型的现代化农业生产理念，而传统农业的生产管理模式是粗放型的。以种植棉花为例，传统农业中的播种、施肥、除虫、灌溉等作业都是由经验型、均一化的管理模式来指导完成的，其在施肥时间、施肥量、施药量、灌溉量上多采用统一的标准。这种管理方式一方面造成了部分相对肥沃的土地资源的浪费以及环境污染；另一方面造成棉花系列产品的农药、化肥残留过高，籽棉、皮棉品质下降，市场竞争力不高。而精细农业可以根据棉花种植的田间变异来确定最合适的生产管理决策，从而改善这一问题，其目标是在降低消耗、保护环境的前提下，获得最佳的收成。

精细农业主要是利用3S技术（遥感技术RS、地理信息系统GIS、全球卫星定位系统GPS），对农作物生产过程中的气候、土壤等因素进行实时监测，获取农作物的生长状态、发育情况、病虫害情况、水分需求、肥料需求等信息，根据数据分析确定农作物生产中的田间变异情况，从而制定生产决策计划，最终通过定量可控的农业化机械实施田间作业，完成农业生产。随着现代化农业的深入发展，精细农业的理念也由农田种植业逐步拓展到养殖业、林果种植业、设施园艺、农产品流通加工等，并越来越多的延伸到农业产业系统的各个领域。为此，精细农业的核心理念可以归结为：利用信息技术精确获知农产品生态环境、动植物生命、最终品质等特征信息并进行智能化的决策处理，以实现农业生产及其流通过程的有效监控和科学管理，从而达到合理利用农业资源、降低生产成本、保护自然环境、提高农产品品质的目的。

农业的生产实践表明，3S技术的应用为精细农业理念的应用提供了强有力技术支持。以棉花种植为例，利用RS遥感技术可以估算棉花的种植面积。通过获取具有较高分辨率的遥感影像以及判读技术，可以获取不同区域种植棉花的品种信息及同一区域棉花生长的差异情况，在棉花的生长过程中，还可以通过实时的遥感图像分析它的长势征兆及种植区域的天气情况。利用GPS可以在精细农业中用于准确定位。棉花种植的面积较为广泛，在种植面积较大的区域内怎样根据不同范围内的棉花生长需求来科学合理地进行施肥、浇水、除虫等田间作业尤为重要。GPS技术可以为这些作业内容进行精确的位置导航，真正实现田间的差异化管理，节约资源、降低污染。在籽棉、皮棉等棉花产品的流通阶段，GPS技术可以准确地提供位置信息，确保运输过程的安全。GIS技术是采集、存储、分析、查询、输出地理数据的分析系统，是精细农业的技术核心。它可以根据遥感技术和GPS技术获取的棉花生长、土壤、产品检测、仓储流通等信息来进行数据分析，制定具有精确位置信息的产业计划，为棉花生产的各个环节提供决策帮助。

精细农业理念和3S技术的应用为农业的发展带来了不小的变革，也大力促进了现代化农业的进一步成熟与发展，但3S技术的应用还存在一定程度的缺陷。RS、GPS、GIS技术都普遍存在使用成本高、大量数据信息采集难度大、广大农民使用困难、难以与自动化农业机械配合等问题。

二、农业领域的物联网技术

在精细农业的实施过程中，如何有效地获取农业空间信息，快速地对大量的农业信息进行分析处理，最后形成科学合理的生产决策是最为关键的几项工作。随着信息技术的不断进步与发展，物联网成为人们在追求低成本、高效益的发展之路上发明的一项有力武器，它被称为信息产业的第三次浪潮。经过研究，人们普遍认为物联网存在经典的三层结构，其分别是感知层、网络层和应用层。这三个层次所发挥的功能正好解决了精细农业理念中的几项关键问题。感知层可以有效地获取大量的农业空间信息，网络层负责这些信息的传输工作，而应用层通过对信息数据的清洗、融合、识别等形成技术数据用于最后的生产决策。农业生产中，通过物联网技术的全面感知，可以获取农作物生长、土壤状态、环境现状、产品质量、流通加工状态以及消费市场信息等大量的农业空间信息，为精细农业的实施提供数字化的科学依据。通过物联网技术的传输与分析应用，使大量的农业空间信息能够物尽其用，提高了精细农业的科学决策和作业实施水平。

物联网技术的发展和提出有赖于人们不断地追求信息技术集约化、小型化的期望，这使得体积小、效用好、成本低的各类传感器成为发展精细农业可以使用的工具。由于人们把这些与传感器类似的各种感知元件应用到整个农业生产的过程中，使得大量农业空间数据的获取变为可能，再通过各类网络进行的数据传输和各类系统的分析决策，人们第一次真正意义上掌握了农业生产的全过程，因此，精细农业需要与信息技术、物联网技术紧密地结合起来，使其进入快速发展的新阶段。

三、棉花产业链中的应用

棉花产业是一个涉及范围较大的行业，从棉花的种植、加工、流通再到终端消费，其产业链涵盖了农业、工业、商业等多个产业范畴。为便于研究，现笔者将棉花产业链分为产前期、产中期和产后期3个阶段讨论。

1.产前期。

产前期就是指从棉花种植到采摘的作物生长期。在这一阶段，棉花种植可以利用分布的各类传感器来获取所需要的生长信息，例如土壤水分、土壤PH值、土壤养分、空气温度、空气湿度、空气成分、各类气象数据等。利用RS技术可以设置图像采集器，用于实时观测棉花生长的状态、病虫害等情况。这一系列的监测数据将会被传输至生态环境监控系统、生长监控系统、病虫害观测系统，经分析处理后向具有施肥、灌溉、喷药精准控制能力的农机设备下达处理指令，使其按计划完成各项生产作业。通过精细农业的控制方案，可以有效地减少棉花生产过程中过度使用化肥、农药等生产资料的浪费现象，降低生产成本，保护生态环境。

2.产中期。

产中期主要是指棉花采摘以后的分类加工、检测、运输、仓储到进入纺织企业制成消费品的阶段。这一时期棉花生产重点关注的参数指标来自多个方面，需要各类检测设备、传感器、RFID技术、视频监控等完成大量信息的采集和分类工作。在籽棉进行分类加工以前，应用计算机视频成像技术要观测棉花的品种、等级、回潮率以及含杂率等技术参数，利用RFID射频技术对其信息进行记录并分垛堆放。根据最新修订的棉花国家标准，检测将重点关注颜色级、轧工质量、马克隆值、断裂比强度、长度整齐度指数等指标，这些参数同样可以利用视频成像及RFID技术进行采集和处理。在运输和仓储过程中，重点监测湿度、温度、防火防盗、视频监控等信息，利用RFID技术自动进行分拣、入库、装卸作业。通过信息技术、物联网技术的应用，对产中期棉花产品的流通加工过程进行全方位的检测和监控，增加自动化控制能力、降低物流成本、保证产品质量。

3.产后期。

产后期主要是指棉花经纺织企业制成成品进入消费市场领域的阶段。在此阶段，利用物联网技术可以对棉纺织制品的来源、生产过程、品质以及运输等多个环节进行控制。成品一旦出现质量问题，可以根据实时记录追根溯源，保证终端消费者的合法权益。它对于打击违规操作、假冒伪劣产品都有重要的积极意义。

为了更为直观地表明物联网技术在棉花产业链中的应用，将产前、产中、产后3个时期进行分类对比，详见表1。

表1.联网技术在棉花产业中的应用对照表

四、结束语

随着精细农业理念的逐步深入，棉花产业对应用相关信息技术的认识也越来越深刻，传统的单一化种植、加工、物流作业已经成为制约产业发展的瓶颈，难以解决棉花产业面临由粗放型加工向自动化、精细化加工转变的问题。将物联网技术引入到棉花产业的精细加工作业里来，使产业链从种植到终端市场的各个环节均能够实现智能高效、科学合理的管理决策，这不仅开拓了精细农业生产的新阶段，也为棉花产业提高生产率和经济效益，增加行业智能化、自动化水平及抗风险能力提供了强有力的技术保障。