0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，將客觀世界中的現(xiàn)實事物連接成網(wǎng)，達到“物物相連”的互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài) [1]。隨著信息技術和 Internet 技術的飛速發(fā)展，客觀世界中的各種現(xiàn)實事物已經能夠利用各種感知技術轉化數(shù)字化信息，為物聯(lián)網(wǎng)的信息處理及拓展延伸提供新的技術手段。

隨著各種農業(yè)基礎設施的不斷建設與物聯(lián)網(wǎng)農業(yè)的廣泛應用，極大地改變了傳統(tǒng)農業(yè)的生產方式，促進了農業(yè)的信息化與智能化。近十幾年來，國內外已經建成了多種面向不同農業(yè)領域的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包括農業(yè)資源高效利用系統(tǒng)、農產品智能化物流系統(tǒng)、農業(yè)信息化生產管理系統(tǒng)、農產品安全溯源系統(tǒng)等 [2]。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經成為發(fā)展農業(yè)、引領農業(yè)的重要技術保障。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也引起了計算模式的變革，傳統(tǒng)基于主機的計算模式已經無法滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，基于情景感知的普適計算具有十分優(yōu)秀的信息獲取和信息處理能力，在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應用。情景感知計算是一種對場景的建模計算技術，可實現(xiàn)場景級的信息獲取、信息處理，能夠為信息檢索、智能服務等多種應用提供信息支撐 [3]。

1 農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對情景感知計算技術的需求分析

1.1 精準農業(yè)栽培管理

精準農業(yè)是以信息技術為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農事操作與管理的系統(tǒng)，是信息技術與農業(yè)生產全面結合的一種新型農業(yè)。為了提高農產品質量、降低生產成本、提高土地利用效率、減少生態(tài)環(huán)境污染，世界各主要農業(yè)國家均在大力發(fā)展精準農業(yè)，目前已經建立了多個專門用于大面積農作物種植的集成度較高的農業(yè)應用系統(tǒng)。目前，精準農業(yè)發(fā)展的關鍵技術在于協(xié)作感知測量和信息感知技術 [4]。由于技術體缺陷，現(xiàn)有的精準農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對農業(yè)環(huán)境的信息采集能力不足，無法滿足精準農業(yè)系統(tǒng)的需求。情景感知技術是一種高效的信息采集與信息處理技術，可以輔助精準農業(yè)實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的智能化分析。

1.2 農業(yè)科學研究輔助計算

隨著農業(yè)基礎設施的不斷完善和信息技術的不斷進步， 現(xiàn)代農業(yè)科學研究模式也發(fā)生了根本性變化，實現(xiàn)了從單純依賴經驗的研究模式向依賴海量數(shù)據(jù)計算科學分析的新模式轉變。目前，基于海量數(shù)據(jù)的農業(yè)科學研究面臨的主要難題是將農業(yè)專家經驗與農作物的實時生長狀態(tài)有機融合，建立一個可以輔助農業(yè)科學數(shù)據(jù)分析的模型。傳統(tǒng)主機計算技術很難滿足該需求，因此急需能夠融合農業(yè)專家知識和作物數(shù)據(jù)并提供高效計算的農業(yè)科學研究輔助計算技術的支持。

1.3 農產品質量安全溯源

現(xiàn)階段，人類社會的主要事物仍然直接來自農業(yè)生產。農產品質量安全不僅是維護生態(tài)環(huán)境的客觀需求，更是與國民生計息息相關的頭等大事，已成為世界各國發(fā)展過程中需要解決的重要問題 [5]。上世紀以來，為了滿足社會正常的糧食需求，設施農業(yè)得到了快速發(fā)展。設施農業(yè)中肥料和農藥的過量使用，使得在提高農作物產量的同時也污染了農作物和生態(tài)環(huán)境。隨著食品安全和生態(tài)環(huán)境逐漸被社會認同，綠色農業(yè)的概念被越來越多的國家所提及和承認。但由于農業(yè)生產經營的固有缺陷，如產銷分散、銷售鏈長、管理水平低等，給農產品的質量監(jiān)管帶來諸多不便。農產品在生產、運輸、銷售過程中的信息獲取與信息處理是落實農產品質量安全溯源的關鍵。情景感知技術為有效解決農產品質量安全的監(jiān)管和溯源提供了信息技術支持。

1.4 現(xiàn)代農業(yè)城鄉(xiāng)互動體驗

傳統(tǒng)農業(yè)的發(fā)展也在不斷接受城市化進程的沖擊，例如， 一些大型城市已經在發(fā)展能夠集農業(yè)生產、農產品銷售、農產品質量監(jiān)管以及生態(tài)環(huán)境保護功能于一體的農業(yè)生產新模式?，F(xiàn)代城市的發(fā)展改變了傳統(tǒng)農業(yè)生產結構，現(xiàn)代農業(yè)已經逐漸從生產型農業(yè)向服務型農業(yè)發(fā)展，生產功能不斷弱化， 服務功能不斷升級，綠色農業(yè)、休閑農業(yè)、種植體驗等項目得到了社會的高度認可。但是一體化體驗式農業(yè)的發(fā)展需要高效感知計算技術的支持，這對農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術提出了更高的要求。

2 情景感知計算技術在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的通用結構

情景感知計算技術在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應用包括場景數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解析和服務定制。本文以田間黃豆生長檢測的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務系統(tǒng)為例，介紹農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算的通用結構。

(1) 在場景信息數(shù)據(jù)獲取階段，需要在田間設置光照、濕度、溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器，并且需要安裝監(jiān)控黃豆長勢的視頻傳感器監(jiān)控系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務器。

(2) 農作物數(shù)據(jù)解析階段會對黃豆生長環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與長相長勢數(shù)據(jù)進行分析處理，包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計、特征提取以及模式識別等，實現(xiàn)黃豆生長與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的適應性分析。

(3) 農作物數(shù)據(jù)解析階段可以采用情景感知計算技術實現(xiàn)。服務定制任務基于黃豆長相長勢與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關系，建立綜合分析模型，以提高黃豆長相長勢為目標，為農業(yè)生產者提供黃豆環(huán)境參數(shù)以及管理栽培意見等多種輔助決策信息。

3 農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用情景感知計算面臨的主要問題

3.1 作物生長狀態(tài)與環(huán)境信息感知

當前，信息感知是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知要解決的主要問題。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知即高效獲取、處理與農作物生長狀態(tài)和生長環(huán)境相關的各種信息。隨著各型傳感器技術和計算網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，農作物相關信息采集已基本滿足農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求。但現(xiàn)有的信息采集還主要側重于農作物生長環(huán)境的檢測，對農作物自身生長狀態(tài)的檢查仍然十分粗獷，不能很好地滿足農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)采集的全方位需求。因此，研究農作物生長狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取與處理是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知面臨的主要問題。

3.2 大數(shù)據(jù)量遠距離無線網(wǎng)絡通信

成功完成有關農作物的各種數(shù)據(jù)采集之后，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的另一個任務就是數(shù)據(jù)傳輸，這也是任何農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須具備的功能。一般情況下，除了直接新建的現(xiàn)代農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試驗區(qū)以外，多數(shù)農作物的生長環(huán)境不具備鋪設有線網(wǎng)絡的條件，因此目前的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案均基于無線網(wǎng)實現(xiàn)。目前，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的農作物生長信息以及生長環(huán)境監(jiān)測信息已經基本實現(xiàn)正常傳輸，但距離農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊筮€具有很大的差距。因此，高速、高可靠性無線數(shù)據(jù)傳輸仍然是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算的瓶頸技術之一。

3.3 海量信息的管理和特征提取

伴隨著農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)已經呈現(xiàn)出幾何指數(shù)級的增長趨勢，給數(shù)據(jù)的管理和關鍵特征提取造成了很大困難，產生了數(shù)據(jù)災難。海量農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理涉及數(shù)據(jù)理論等多方面內容，包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)檢索與查詢。且農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)由多種不同類型的傳感器采集得到，是一種典型的海量、異構數(shù)據(jù)。如何將海量農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉化為有用信息是實現(xiàn)農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)解析的關鍵。因此，海量異構農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效管理與關鍵信息提取是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算所要解決的重點問題之一。

4 農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術體系與發(fā)展趨勢

4.1 高通量農作物性狀信息獲取

傳統(tǒng)農作物信息采集手段已經遠遠不能滿足現(xiàn)代農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算對數(shù)據(jù)的要求。且基于傳統(tǒng)傳感器的農作物生長性狀信息采集手段也不能保證對農作物性狀信息的全方位快速獲取。目前，構建基于三維模型的農作物生長性狀數(shù)據(jù)融合和基于三維數(shù)據(jù)場的作物生長目標模型在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術中得到了廣泛認可。通過三維模型數(shù)據(jù)融合和三維數(shù)據(jù)場模型的高通量信息獲取技術可以高效采集農作物的各種細微特征數(shù)據(jù)，包括作物株高、葉片方位、葉片面積、莖葉腳等涉及作物生長性狀的各種數(shù)據(jù)。高通量農作物性狀信息獲取是未來農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術的發(fā)展趨勢。

4.2 構建基于數(shù)字植物的綜合計算平臺

數(shù)字植物是一個集農學、植物學以及計算機和數(shù)學等學科為一體的新興交叉研究方法。廣義上說，數(shù)字植物是一個利用計算資源對植物的生長性狀和生存系統(tǒng)進行感知，并為農業(yè)科學研究、農業(yè)生產和栽培管理提供信息支撐的平臺。

對數(shù)字植物的研究可以分為以下兩方面 ：

(1) 利用農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集農作物的長相長勢和生長環(huán)境信息，構建典型農作物生長的三維形態(tài) ；

(2) 基于農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立農作物的外觀形態(tài)與生長環(huán)境之間的關系模型。

數(shù)字植物是推動現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的一種實用工具，也是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術的重要發(fā)展方向。

4.3 基于網(wǎng)絡三維交互的農業(yè)綜合服務

隨著現(xiàn)代農業(yè)的高速發(fā)展，尤其是近些年城市化進程不斷加快，傳統(tǒng)農業(yè)正在朝著電子商務、在線推廣、農業(yè)休閑以及農業(yè)生態(tài)旅游的新型農業(yè)園區(qū)方向發(fā)展。高速無線網(wǎng)絡速度的提升為實現(xiàn)三維交互的立體式綜合服務平臺提供了建設基礎?；诰W(wǎng)絡三維交互的農業(yè)服務平臺以三維高通量農作物信息獲取和新型數(shù)字植物為基礎，能夠提供農作物生長全過程的仿真服務，可以全方位展示農作物的生長狀態(tài)?；诰W(wǎng)絡三維交互的農業(yè)綜合服務也是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術發(fā)展的主要方向。

5 結語

隨著農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，對情景感知計算技術提出了新的要求，而情景感知技術的進步，也極大地促進了農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。本文以情景感知技術和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相互關系為切入點，分析和探討了情景感知技術在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的需求、通用模型結構、面臨的問題和未來發(fā)展趨勢。分析表明，情景感知計算技術必將繼續(xù)推動農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為實現(xiàn)農業(yè)產業(yè)升級、結構調整優(yōu)化提供強有力的技術支持。