隨著高新技術(shù)的應(yīng)用，基礎(chǔ)硬件的發(fā)展，新的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品不斷推出，以節(jié)水灌溉為基礎(chǔ)的高效灌溉開(kāi)始步入數(shù)字化時(shí)代。數(shù)字化灌溉將是中國(guó)灌溉事業(yè)未來(lái)十年的發(fā)展重點(diǎn)，作者對(duì)此進(jìn)行深入分析。帶著對(duì)這些問(wèn)題的探討，我們一起來(lái)看看數(shù)字化灌溉技術(shù)應(yīng)用未來(lái)十年的發(fā)展前景。

灌溉網(wǎng)曾經(jīng)有專文介紹了數(shù)字化農(nóng)業(yè)和信息化農(nóng)業(yè)的異同，假如你還理不清，那么請(qǐng)閱讀

《農(nóng)業(yè)數(shù)字化與信息化的區(qū)別》

把數(shù)字農(nóng)業(yè)和信息農(nóng)業(yè)問(wèn)題再?gòu)?fù)習(xí)一遍。

現(xiàn)在數(shù)字化這個(gè)概念已經(jīng)越來(lái)越被農(nóng)業(yè)企業(yè)人士認(rèn)可。數(shù)字灌溉=數(shù)字化平臺(tái)+智能化決策系統(tǒng)（智慧灌溉）。是灌溉系統(tǒng)發(fā)展的高級(jí)階段。數(shù)字化灌溉如何發(fā)展，關(guān)鍵的是看它的決策系統(tǒng)，如果沒(méi)有智能化的決策，那么這個(gè)數(shù)字灌溉系統(tǒng)，基本上說(shuō)只是一個(gè)花架子。

數(shù)字灌溉的水肥決策

灌溉要數(shù)字化，未來(lái)十年，首先需要有一定的硬件設(shè)施，包括物聯(lián)網(wǎng)的傳感器和云端的服務(wù)器計(jì)算系統(tǒng)，云端需要或者同時(shí)是在邊緣端（田間地頭）需要有水肥決策，要求其必須實(shí)現(xiàn)水肥協(xié)同。這就要求系統(tǒng)感知農(nóng)田現(xiàn)有水分狀況和養(yǎng)分狀態(tài)，通過(guò)作物生長(zhǎng)模型模擬水分和養(yǎng)分在土壤、作物中的變化，使水肥營(yíng)養(yǎng)兩者相互配合、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)。

未來(lái)十年，智能水肥決策需要根據(jù)水肥平衡進(jìn)行決策。系統(tǒng)需要根據(jù)作物需水、需肥規(guī)律、土壤保水、保肥能力、土壤供肥、保肥特性以及肥料效應(yīng)，在灌溉的基礎(chǔ)上，合理調(diào)配灌溉水中施用氮、磷、鉀和中、微量元素的用量和比例。

采用現(xiàn)代灌溉施肥方式時(shí)，特別是高效灌溉的滴灌系統(tǒng)時(shí)，需要實(shí)行少量多次灌溉的原則。未來(lái)的決策引擎按照肥隨水走、少量多次、分階段施用的原則制定灌溉施肥計(jì)劃或工作制度。采用天氣、土壤和作物長(zhǎng)勢(shì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，把作物灌溉用肥按灌水時(shí)間和次數(shù)進(jìn)行分配，充分利用灌溉系統(tǒng)進(jìn)行施肥，適當(dāng)增加施肥數(shù)量和次數(shù)，實(shí)現(xiàn)少量多次，精準(zhǔn)用肥，提高養(yǎng)分利用率。

實(shí)現(xiàn)智能水肥決策的關(guān)鍵是能夠準(zhǔn)確的判斷出作物的需求，要判斷出作物的需求必須有一套數(shù)字化的模擬手段，仿真模擬出整個(gè)生育期生長(zhǎng)的狀況，根據(jù)作物生長(zhǎng)的階段給予合適的營(yíng)養(yǎng)和水分。

人工智能實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的數(shù)學(xué)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行分析，自動(dòng)修正給出合適的模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的數(shù)字孿生和精準(zhǔn)模擬是未來(lái)數(shù)字化灌溉的挑戰(zhàn) 。

作物生長(zhǎng)孿生數(shù)字模型

作物生長(zhǎng)模型，過(guò)去常說(shuō)數(shù)學(xué)模型，就會(huì)想到它是由固定公式和數(shù)據(jù)表示的計(jì)算程序。

未來(lái)十年，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們所稱的數(shù)學(xué)模型不再是固定數(shù)據(jù)和公式的計(jì)算機(jī)程序。重要的是計(jì)算機(jī)程序及其輸入數(shù)據(jù)也許是隨機(jī)的。大量的變量數(shù)據(jù)和程序模擬表明，作物生長(zhǎng)模型的輸入數(shù)據(jù)不是一些固定參數(shù)，但還是有一定的規(guī)律可循。也就是說(shuō)，大數(shù)據(jù)的基本功能和基本算法在灌溉決策中的應(yīng)用是數(shù)字化灌溉應(yīng)用的升級(jí)版。

可以進(jìn)一步說(shuō)，作物數(shù)學(xué)模型是將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于作物生長(zhǎng)模型的具體體現(xiàn)。事實(shí)上，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們不再研究用固定公式和程序表達(dá)的對(duì)象數(shù)字特征。

十年后要討論的作物生長(zhǎng)模型，無(wú)法想象在大數(shù)據(jù)時(shí)代，作物模型仍然是一個(gè)固定公式，有固定參數(shù)，用它還可以得到一個(gè)能夠反映真實(shí)作物生長(zhǎng)的模型。我們應(yīng)該想象得到，作物生長(zhǎng)在現(xiàn)實(shí)世界中不可能有固定的增長(zhǎng)模式。因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，而且這些影響因素也是隨機(jī)變化的，所以影響因素的程度和數(shù)據(jù)，也是一個(gè)隨機(jī)變量。

在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代，農(nóng)作物的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該是一個(gè)不斷迭代和升級(jí)的模型，但它有規(guī)律可循。

未來(lái)十年后，引入人工智能分析，通過(guò)學(xué)習(xí)足夠數(shù)量的樣本，機(jī)器可以從數(shù)據(jù)中訓(xùn)練出自己構(gòu)建的模型。人工智能應(yīng)用到作物生育期判斷中來(lái)，通過(guò)特定作物生育期的圖像數(shù)據(jù)，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)學(xué)習(xí)，最終訓(xùn)練出自動(dòng)識(shí)別作物生育期的能力，從而確定各生育期如何施用肥料。

決策引擎采用人工智能包括機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別和專家系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)手段，人工智能技術(shù)進(jìn)行作物缺水、耗水量和大元素營(yíng)養(yǎng)成分缺失圖像分析，判斷作物缺素或缺水的程度是智能決策平臺(tái)技術(shù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。

未來(lái)技術(shù)的應(yīng)用

未來(lái)十年，數(shù)字技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用才是智慧農(nóng)業(yè)或者說(shuō)數(shù)字農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，其余只能算是IT行業(yè)技術(shù)之農(nóng)業(yè)行業(yè)的應(yīng)用而已。用遙感技術(shù)進(jìn)行作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法將非常流行，同時(shí)采用水肥一體化技術(shù)提高作物產(chǎn)量的技術(shù)發(fā)展也很快。

遙感技術(shù)在灌溉技術(shù)的應(yīng)用提高作物生長(zhǎng)模型的優(yōu)化精度，很明顯，數(shù)字灌溉技術(shù)中的作物模型生長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)讀取，讓模型更加精準(zhǔn)，智能化的決策更加能夠提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

遙感技術(shù)應(yīng)用的作物種植面積比較大，能夠保證在大面積時(shí)估算的相對(duì)誤差比較少。

精準(zhǔn)灌溉技術(shù)應(yīng)用于作物種植的面積相對(duì)比較小，需要保證在小面積時(shí)候也能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量或品質(zhì)。

灌溉技術(shù)利用作物模型進(jìn)行調(diào)參作為基礎(chǔ)模型，是采用小面積的，精度更高的無(wú)人機(jī)或者攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖片，通過(guò)作物生長(zhǎng)圖片進(jìn)行模型輸入?yún)?shù)預(yù)測(cè)和調(diào)整。

數(shù)字灌溉技術(shù)作物模型應(yīng)用的技術(shù)手段：

通過(guò)傳感器和攝像頭收集溫濕度、土壤水分、CO2和輻射數(shù)據(jù)，葉、莖、根系和果實(shí)生長(zhǎng)形態(tài)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行作物模型參數(shù)校準(zhǔn)。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)圖像實(shí)現(xiàn)生育期的識(shí)別。通過(guò)土壤水分得到各生長(zhǎng)期需水量，得到生長(zhǎng)期的需水量規(guī)律。找出作物需肥規(guī)律，實(shí)現(xiàn)按作物產(chǎn)量和品質(zhì)需要施用的主要元素肥料的決策。

通過(guò)水分含量的變化分析得到作物需水量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析找出作物對(duì)常規(guī)肥料的需肥規(guī)律。

氣象數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方面

為了預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量時(shí)，采用的是在預(yù)測(cè)前的，收集到的，所有的數(shù)據(jù)都可以用現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)存在的，實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，即已經(jīng)發(fā)生的數(shù)據(jù)。采用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行作物產(chǎn)量的預(yù)報(bào)比較可靠。

智慧灌溉技術(shù)所采用的氣象數(shù)據(jù)，多數(shù)是預(yù)報(bào)將會(huì)發(fā)生的數(shù)據(jù)，而不是已經(jīng)存在的，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)影響到作物模型對(duì)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度和精度。采用這些數(shù)據(jù)對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)估，會(huì)存在隨機(jī)的誤差，這個(gè)隨機(jī)的誤差需要通過(guò)技術(shù)分析手段消除誤差。

數(shù)字灌溉技術(shù)必須要關(guān)注作物的生長(zhǎng)細(xì)節(jié)同時(shí)，應(yīng)用必須能夠及時(shí)補(bǔ)充作物營(yíng)養(yǎng)給它。按需補(bǔ)充水分和營(yíng)養(yǎng)成分，從而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)是我們的目的。

水肥決策的目的是要實(shí)現(xiàn)作物灌溉施肥精準(zhǔn)施用的原則。需要根據(jù)土壤水分平衡和作物需水規(guī)律和水源供水能力，考慮施肥與水分的偶合關(guān)系，運(yùn)用灌溉工程設(shè)施、農(nóng)藝技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、生物技術(shù)和農(nóng)場(chǎng)管理等措施，精準(zhǔn)、合理調(diào)控灌溉用水和用肥，調(diào)控土壤水分和養(yǎng)分以滿足作物水分和養(yǎng)分需求。數(shù)字化灌溉解決農(nóng)民的對(duì)作物灌水的憂愁。

未來(lái)十年后，數(shù)字化灌溉發(fā)展提高，進(jìn)一步擴(kuò)大為數(shù)字農(nóng)業(yè)或智慧農(nóng)業(yè)的一部分，數(shù)字農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)融合，它們彼此難舍難分。這些技術(shù)具體包括高階信息化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、管理現(xiàn)代化、流程標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)多樣化、用戶定制化、渠道扁平化、技術(shù)智能化。

未來(lái)十年支撐灌溉系統(tǒng)和灌溉決策的智慧化，設(shè)備操作自動(dòng)化的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)出來(lái)，大數(shù)據(jù)和AI發(fā)展，結(jié)合高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)云平臺(tái)技術(shù)的智能應(yīng)用將成為可能。