实现粮食增产，确保粮食安全，对我国具有重要的战略意义。习近平总书记曾指出，“我们自己的饭碗主要装自己生产的粮食”。“渤海粮仓”科技示范工程是2013年4月科技部在山东、河北、天津、辽宁4省市正式启动实施的重大科技支撑项目。项目主要针对三省一市环渤海低平原地区淡水资源匮乏、土壤瘠薄盐碱等问题，通过综合实施土、肥、水、种等关键技术，大幅度提高中低产田粮食产量，以实现粮食增产的目的。工程目标是实现到2017年增粮60亿斤、到2020年增粮100亿斤，提升环渤海中低产区粮食增产能力和效益。

　　环渤海低平原区盐碱地土壤肥力、土壤盐分、pH值、地下水位及矿化度等影响作物生长的关键因子构成复杂，时空变幅大，传统数据采集分析技术难以准确把握其变化规律，已不能满足“渤海粮仓”科技示范工程的需要。大数据时代的来临使人类第一次有机会和条件，在非常多的领域和非常深入的层次获得和使用全面、完整和系统的数据。我们选择大数据不再是一种权衡，而是通往未来的必然选择。在山东省科技厅大力支持下，项目组攻坚克难，构建了“渤海粮仓农业大数据平台”。

　　平台架构

　　我们设计了“渤海粮仓农业大数据平台”的整体架构，并初步完成了粮食生产影响因素分析、数据采集及传输、数据存储和部分数据分析应用功能。

　　渤海粮仓农业大数据平台结构由下而上可分为数据获取层、数据存储层、数据应用层共3层，其架构如图1所示。

　　平台首先建立了土壤、气象、苗情等数据的自动采集、人工输入等获取机制，通过规范化等预处理后进入由HDFS支持下的Hive、HBase数据库进行原始数据持久化，在完成数据的抽取、清洗和转换后进入“渤海粮仓数据仓库”，开始为上层数据分析和应用提供数据查询服务。

　　在数据仓库接口的支持下，基于农业粮食生产技术的数据分析模型层对从接口获取到的数据进行深层次挖掘分析，并将分析结果发布到上层的环境信息查询、精准生产决策、生产预测等用户交互系统上，完成大数据信息服务的过程。

　　网点布设

　　通过分析小麦、玉米及水稻作物生长影响因素，结合渤海粮仓科技示范工程山东项目区地形地貌及气候特点，我们确定了大数据平台需要采集的影响因子，具体包括土壤、气象、地下水、品种及苗情等。其中，土壤包括土壤盐浓度、土壤pH值、有机质及氮磷钾含量；地下水包括水埋深和矿化度等。苗情包括品种、分蘖、籽粒水分、倒伏等；气候包括降雨量、最高温、最低温、光照等。

　　在监测点的选择上，本着全局性、实事求是、重点突出、价格合理、自动和人工相结合的基本原则，制定出了盐化度高的地方测量点布设多、pH值高的地方测量点布设多、三类苗情的地方测量点布设多、同等情况下测试面积大的地方测量点布设多、旱田布设密度高于水田，并适当考虑地区布设均衡的布设方案，初期试点性建立了202个监测点。

　　围绕上述关键因子和监测点选择，平台建立了“历史数据收集、网络信息抓取、现场人工采集、物联网实时采集、无人机数据采集、遥感数据采集”五种数据获取方式。其中，数据历史数据收集主要完成农业、气象、水利、土地等历史数据的收集；网络信息抓取主要实现渤海粮仓相关网络共享信息；现场人工采集及物联网实时采集是“渤海粮仓科技示范工程大数据平台”数据获取的主要方式；无人机和遥感数据实现信息的全覆盖。

　　图2为项目自主研发的“神农物联”系列物联网实时采集基站，其全天候24小时不间断采集、稳定性好、实时性好及连续性强等特征，决定了其在数据采集传输中的重要地位。实现了气象信息关键因子（风速风向、空气温湿度、光照强度、雨量、蒸发量）、土壤信息关键因子（盐分、土壤pH值、水位、水矿化度、土壤温湿度）和作物长势关键因子（叶面积指数、干物质积累、氮含量、氮积累量、叶绿素含量）的实时准确获取。

　　数据的分析应用

　　获取数据的目的是为了应用，数据的分析应用是平台价值体现的重要部分，是与农业人员交互的接口。挖掘分析模块通过集成大数据和农业科学分析技术，构建农业大数据分析技术系统，挖掘分析相关历史数据和实时数据，应用可视化技术，从土壤、苗情、气象、作物长势等方面动态呈现处理分析结果，具体包括物联网实时数据趋势分析、土壤pH值分析、土壤养分及水盐趋势分析、土壤有机质分析、苗情分析、作物长势综合分析等，为及时指导农业生产、监控预警和管理决策提供可靠依据。

　　监控预警模块，通过实时采集和数据挖掘分析，对气象、土壤、地下水、病虫害等影响农业生产的因子和作物生长指标，进行动态监测，根据作物适宜生长阈值实施预警，将预警信息实时发送给政府、企业及农户，为提前预防和科学处置农业生产中的病虫灾害提供警示信息。

　　决策服务模块，通过对历史和实时数据进行综合分析，提出盐碱地改良、作物栽培、土壤养分管理决策、土壤水分管理决策、病虫害防治等技术措施，提供实时短信发送服务，为政府、企业、农户生产管理和决策提供科学依据。

　　效益评估模块，对项目进行全面系统的回顾和总结，并将项目实施过程及项目完成后的最终成果和影响和项目决策时确定的各项计划和目标进行全面系统的对比，找出差异，分析原因，得出经验教训，提出改进建议，反馈决策者。为政府部门宏观决策、科研院所科学实验、一线生产单位管理提供效益评估。

　　综合服务系统面向渤海粮仓科技示范工程山东项目区政府、企业及农户，提供实时服务信息，包含信息咨询、经验交流、农机服务、特色产品及实时播报服务五大模块。通过友好的人机界面为企业、农户与农业专家、土壤改良专家提供了交互接口，通过系统专家知识库及专家实时解答，为农户解决农业生产过程中遇到的实际问题提供有效的解决途径，实现作物种植管理措施、盐碱地改良技术、病虫害防治技术、品种选择等农技信息咨询服务。

　　以两个实例说明平台服务于农业生产的具体过程。

　　小麦苗情分析决策

　　小麦苗情是小麦长势的直接反映，也是小麦产量预测的重要指标。以渤海粮仓科技示范工程山东项目区9区县小麦苗情进行的系统采集和分析为例。可以发现，河口区、垦利县及夏津县，三类苗比重较大，通过与有效氮相关关系分析，可以得出氮素偏低地区的三类苗比例较大；通过与播期的相关关系分析，可以得出晚播小麦的三类苗情比例较大。

　　通过对以上数据的分析，平台得出了“18%的地块有机质含量低，应加大有机肥的施用；东5功能区有效氮含量低，需要及时补施氮肥；42%的地块有效磷含量偏低，应及时补充；示范区地块有效钾含量普遍较高，能够满足生产需要；分析结果表明，滨州、东营两地市示范区地块呈现盐高碱高的特点，德州示范区地块呈现盐低碱高的特点，应根据具体情况采取调控措施”的分析结论。

　　干热风预警

　　干热风是小麦生长发育后期的一种高温低湿并伴有一定风力的农业气象灾害，是我国北方麦区小麦生产中主要的气象灾害之一。全国较为严重的干热风平均10年1-2次，而一般区域性干热风几乎年年都有发生。一般年份干热风可使小麦减产1-2成，严重年份减产3成以上。

　　平台对无棣核心示范区50年来5月15日-6月10日间形成干热风的主要气象因子历史数据进行了分析，得出了干热风预警值，并根据实时获取数据实现了干热风的趋势预警，预警信息通过平台实时传输到管理部门及生产管理人员。

　　存在问题及计划

　　“渤海粮仓农业大数据平台”经过初步建设和示范性应用，已经在农业信息获取、农业大数据分析方面获得了一定成果，并积极参与到了指导农业生产管理过程中，证明了农业大数据技术在渤海粮仓科技示范工程中的巨大作用和潜在价值。“渤海粮仓农业大数据平台”的研发实施，将利于找到限制作物增产的主要限制因子，为增产增收提供科学指导；有利于找到土壤综合性能变化规律，为科学改良土壤提供科学指导；有利于找到更科学的农作物管理方法，为科学栽培提供科学指导。

　　目前，渤海粮仓科技示范工程大数据平台建设已经取得了一定成绩和效益，但纵观长期发展，“渤海粮仓农业大数据平台”仍需要加强在以下几个问题上的关注及研究：

　　（1）提高采集数据质量和数量。加大培训力度，提高采集人员素质和技能，并执制定更加详尽的采样流程和规范；进一步完善系统结构，提高采集数据的准确可靠性及采集因子种类；制定科学的布点原则和依据；适当增加采集点数量。力求得到更全面、更完整和更系统的数据。

　　（2）盐碱地专用自动采集设备研发。拟从苗情株高、叶宽及穗长等性能自测检测入手，实现苗情信息检测的自动化；通过设备集成及模型优化，提高设备的综合性能；拟探索适于盐碱地养分自动测量的专用传感设备。

　　（3）降低物联网设备的成本，进一步提升设备功能性能。拟进一步提高系统的集成度，优化系统结构，降低系统成本；拟通过多传感器信息融合，进一步提高系统功能；拟通过改进和优化算法，提高系统故障自诊断及远程修复能力，提高设备的智能性。

　　作者单位：山东农业大学