ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - TRUYỀN THÔNG
VÀO TRONG NÔNG NGHIỆP
Thoại Nam et al.
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - TRUYỀN THÔNG
VÀO TRONG NÔNG NGHIỆP
Thoại Nam, Dương Ngọc Hiếu, Trần Văn Hoài, Nguyễn Cao Trí, Lê Quốc Tuấn,
và Phan Đình Thế Duy
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính
Trường Đại Học Bách Khoa – ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự bùng nổ nhanh chóng của dân số thế giới dẫn đến áp lực to lớn về nhu cầu lương thực
và mang lại thách thức không nhỏ cho sản xuất nông nghiệp trên thế giới. Tính đến tháng 12 năm
2015, dân số thế giới ước tính là 7,390,865,000 người 1. Theo Tổ chức Lương thực và Nông
nghiệp của Liên hợp quốc (Food and Agriculture Organization Of United Nations - FAO) dự
đoán dân số thế giới sẽ đạt ngưỡng hơn 10 tỷ người vào năm 2050 [1]. Để nuôi sống được hơn
10 tỷ người thì không chỉ cần phải tăng năng suất sản lượng lương thực mà còn phải tăng diện
tích đất sử dụng trong nông nghiệp. Các nhà khoa học dự báo để đáp ứng nhu cầu lương thực
thực phẩm cho hơn 10 tỷ người trong năm 2050 thì năng suất lương thực, thực phẩm cần phải
tăng 60% [2]. Để đạt được nhu cầu lương thực toàn cầu trong những năm tới thì cần phải áp
dụng công nghệ thông tin-truyền thông (ICT) trong công tác quản lý và sản xuất nông nghiệp.
Trên thế giới, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào trong nông nghiệp đã xuất hiện từ
nhiều thập niên trước, có thể phân loại một số ứng dụng công nghệ thông tin vào trong nông
nghiệp gồm sáu nhóm chính.
Ứng dụng Internet trong việc cung cấp thông tin liên quan nông nghiệp.
Ứng dụng thiết bị di động trong xúc tiến thương mại và cảnh báo rủi ro.
Ứng dụng công nghệ RFID trong quản lý nguồn gốc nông sản.
Tự động hóa nhằm tăng năng suất nông nghiệp.
Canh tác chính xác.
Ứng dụng ảnh viễn thám (Remote Sensing) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong
việc tăng cường kiểm soát nông nghiệp.
1
http://www.worldometers.info/world-population/
1
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
Việt Nam là nước xuất khẩu gạo thuộc nhóm năm trên thế giới về số lượng, nhưng việc
ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông trong công tác hỗ trợ thâm canh, giao thương vẫn
còn rất hạn chế. Chính vì vậy sản lượng và giá thành xuất khẩu gạo vẫn chưa ổn định trong
những năm qua; sản lượng gạo sản xuất và xuất khẩu năm sau cao hơn năm trước nhưng thu
nhập của người nông dân sản xuất lúa không tăng cùng tỷ lệ [3]. Giống như nông nghiệp lúa, các
lãnh vực nông nghiệp trồng trọt và chăn nuôi khác cũng gặp những khó khăn tương tự.
Nhận thấy tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào nông
nghiệp, ngày 20/08/2008, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ra Chỉ thị số 87/2008/CTBNN về việc tăng cường ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý điều hành của Bộ Nông
nghiệp và Phát triển nông thôn. Bên cạnh đó các Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn căn cứ
các nội dung, nhiệm vụ trong Kế hoạch ứng dụng CNTT trong cơ quan nhà nước.
Tuy nhiên, để ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông một cách hiệu quả trong nông
nghiệp thực sự là một bài toán khó cho các nhà quản lý và lãnh đạo cấp Phòng, Sở và Bộ. Cần
phải có một giải pháp cụ thể và một kế hoạch đầu tư chi tiết hiệu quả thì mới có thể ứng dụng
công nghệ thông tin-truyền thông thành công vào trong nông nghiệp.
Trong bài tham luận này, chúng tôi sẽ trình bày về một số giải pháp ứng dụng ICT vào
trong nông nghiệp nhằm nâng cao công tác quản lý của cấp lãnh đạo tỉnh cũng như nâng cao
năng suất sản xuất của nông dân trong quá trình chăn nuôi và trồng trọt.
2. GIẢI PHÁP
2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu nông nghiệp
Nhiều năm qua, các cơ quan của Bộ Nông nghiệp và PTNT đã cố gắng thu thập nhiều loại
dữ liệu, thông tin để phục vụ công tác quản lý, điều hành ngành. Các sản phẩm thông tin ngành
đã được biên tập và phát hành dưới nhiều dạng như: niên giám thống kê ngành, các báo cáo
thông tin tổng hợp, các thông tin chuyên đề, v.v... Các sản phẩm thông tin đó phần nào đã phục
vụ tích cực cho việc quản lý ngành tại Bộ và đáp ứng cho nhiều đối tượng sử dụng khác như cán
bộ nghiên cứu, người lập chính sách và các doanh nghiệp ở Trung ương và các địa phương. Tuy
nhiên, do việc tập hợp, lưu trữ dữ liệu thông tin chưa được tổ chức hợp lý nên việc tìm kiếm, xử
lý, trích rút thông tin còn hạn chế. Phương thức cung cấp, chia sẻ thông tin theo hình thức truyền
thống là hạn chế lớn cho các đối tượng có nhu cầu tiếp cận, sử dụng thông tin. Để cải tiến quá
trình tập hợp, quản lý số liệu, thông tin ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn, nhằm làm
2
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
tăng khả năng tìm kiếm, xử lý, trích rút thông tin thông qua việc áp dụng công nghệ thông tin.
Vụ Kế hoạch - Bộ Nông nghiệp và PTNT với sự trợ giúp của dự án MESMARD đã triển khai
xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý số liệu cơ bản nông nghiệp và nông thôn các tỉnh/thành phố của
cả nước. Với mục đích tạo ra một cơ sở dữ liệu trên nền tảng web đơn giản, thuận lợi cho việc
2
truy cập thông tin, thiết thực với nhiều nhóm người dùng . Tuy nhiên, cơ sở dữ liệu trên nền tảng
web này chủ yếu phục vụ cho việc tra cứu và nhiều dữ liệu đa số vẫn là dạng tóm tắt, chưa đáp
ứng được các yêu cầu đa dạng của người dùng.
Tích hợp các hệ cơ sở dữ liệu trên nền bản đồ (GIS)
Cơ sở dữ liệu
nông nghiệp
- Tài nguyên đất trồng nông nghiệp
- Giống cây trồng và phương pháp thâm canh
- Chăn nuôi
- Dịch vụ
- ...
Cơ sở dữ liệu
lâm nghiệp
- Tài nguyên rừng
- Trồng rừng
- Khai thác gỗ
- Xây dựng rừng
- Bảo vệ rừng
- ...
Cơ sở dữ
liệu thuỷ sản
- Tài nguyên thuỷ hải sản
- Nuôi trồng và đánh bắt thuỷ hải sản
- ...
HỆ THỐNG CƠ SỞ DỮ LIỆU TÍCH HỢP NGÀNH NÔNG NGHIỆP TRÊN NỀN BẢN ĐỒ
Hình 1. Cơ sở dữ liệu ngành nông nghiệp trên nền bản đồ.
Do đó việc xây dựng cơ sở dữ liệu riêng cho Kiên Giang quản lý đầy đủ thông tin về nông
nghiệp trên nền tảng thừa kế những cơ sở dữ liệu đã có là cần thiết. Cần lưu ý rằng để phục vụ
cho những công tác ra quyết định ở mức chiến lược như đánh giá tác động của biến đổi khí hậu
lên nông nghiệp, cần có một cơ sở dữ liệu toàn ngành nông nghiệp như nông nghiệp thuần, thuỷ
sản, lâm nghiệp và liên ngành như môi trường, tài nguyên, v.v… Một số hệ cơ sở dữ liệu cần ưu
tiên xây dựng trước được trình bày trong Hình 1. Như trong Hình 1, cần tập trung xây dựng đầy
đủ và hoàn chỉnh 3 hệ cơ sở dữ liệu chính là cơ sở dữ liệu nông nghiệp, thuỷ sản, và lâm nghiệp.
Đây là các hệ cơ sở không gian và thời gian, và vì vậy cần phải tích hợp cơ sở dữ liệu trên nền
bản đồ cũng như phải đảm bảo tính liên tục của dữ liệu theo thời gian.
2
http://dlnn.csdldd.com/
3
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
2.2 Mô hình mô phỏng và dự báo
Khi đã có cơ sở dữ liệu ngành nông nghiệp được xây dựng đầy đủ, việc áp dụng các mô
hình tính toán để phác thảo nên nhưng viễn cảnh có khả năng xảy ra trong tương lai là điều rất
cần thiết cho cấp quản lý và người dân. Năm 2015-2016, do ảnh hưởng của biến đổi khi hậu, hạn
hán kéo dài, diện tích nông nghiệp lưu vực đồng bằng sông Cửu Long bị ảnh hưởng nghiêm
trọng. Riêng tại Kiên Giang, năm 2015 đã thiệt hại gần 34.000 ha ruông lúa 3. Do đó cần có
những mô hình mô phỏng và dự báo
như mô phỏng lan truyền mặn, mô
hình dự báo sự biến đổi dòng chảy
sông, lũ lụt, v.v... để hỗ trợ cho cấp
quản lý trong việc ra quyết định.
Ngoài ra, trong những năm gần đây,
biến đổi khí hậu là một vấn nạn, gây
thiệt hại rất lớn đến sản xuất và đời
sống của người dân. Tuy nhiên để
xây dựng những mô hình đánh giá
tác động của biến đổi khí hậu và
những biện pháp giảm thiểu là một
thách thức rất lớn đối với các nhà
Hình 2. Mô phỏng mực nước dâng lưu vực sông MeKong.
khoa học. Việc xây dựng hoàn chỉnh cơ sở dữ liệu nông nghiệp và các mô hình mô phỏng, dự
báo là tiền đề cho việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu với nhiều kịch bản khác nhau. Đó
cũng là cơ sở để các nhà khoa học, nhà quản lý đề xuất những biện pháp ứng phó phù hợp.
2.3 Ứng dụng công nghệ cao trong thâm canh
Việc ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao trong thâm canh tại những nước phát triển luôn
được quan tâm và ưu tiên đầu tư. Có rất nhiều kỹ thuật giúp người dân có thể thâm canh, nâng
cao năng suất và chất lượng sản phẩm đầu ra. Một số ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao có thể áp
dụng cho Kiên Giang như sau.
2.3.1
3
Xây dựng hệ hỗ trợ ra quyết định cho nông dân trong việc chọn giống cây trồng
(vật nuôi) và phương pháp chăm sóc phù hợp để nâng cao năng suất.
http://www.tongcucthuyloi.gov.vn/
4
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
Hệ hỗ trợ ra quyết định này là một cách hiểu khác của canh tác chính xác (precision
farming). Canh tác chính xác cho phép người nông dân xác định được lúc nào nên làm gì, làm
với mức độ nào là hợp lý và tối ưu nhất để tiết kiệm công sức và chi phí. Canh tác chính xác
được hỗ trợ bằng việc lập trình các chương trình điều hành thích hợp để sau khi tiếp nhận thông
tin thì xử lý, chọn lựa và chuyển thành lệnh thực hiện các công việc đồng áng như: chọn giống
phù hợp thổ nhưỡng, lúc nào phải cày, lúc nào phải tưới và tưới bao nhiêu nước, loại phân bón
nào phải bón và bón bao nhiêu vào lúc nào, v.v... Các hệ thống thử nghiệm cho thấy mức chi phí
công nghệ thông tin cho 1 hecta vào khoảng 2.000-3.000 USD nhưng đã tiết kiệm hàng năm
được trên dưới 15.000 USD lượng thừa phân bón và nước, cùng với sản lượng tăng cao và giảm
bớt chi phí vận chuyển, xây dựng mương máng thủy lợi 4. Ngoài ra vấn đề giảm thiểu tác động
xấu của dư lượng thuốc trừ sâu vào môi trường cũng là vấn đề cần phải quan tâm.
2.3.2
Ứng dụng kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong tăng cường kiểm
soát nông nghiệp.
Remote sensing (không ảnh) sử dụng các thiết bị bay có gắn camera quan sát, hoặc sử
dụng vệ tinh để chụp ảnh trên những cánh đồng rộng lớn, sau đó gửi về cho chương trình phân
tích. Chương trình sẽ xử lý phân tích các bức ảnh để biết được tình hình của mùa vụ, tăng cường
sự kiểm soát để có thể biết được những vấn đề đang diễn ra từ đó có thể đưa ra những quyết
định công việc đúng đắn [4]. Hệ thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và
các hệ thống thông minh, tự động hoá trên nền công nghệ Internet of Things (IoT) cũng mang lại
cho nông nghiệp nhiều lợi ích. Trong khi IoT giúp giảm bớt chi phí vận hành, gia tăng hiệu quả
và công sức quản lý trang trại, thì GIS giúp nhà nông tận dụng hiệu quả hơn đất trồng.
Ngoài ra việc sử dụng công nghệ GIS để tạo ra một bản đồ kỹ thuật số về đất, phân tích các
chỉ số đất, qua đó tư vấn cho nông dân cách cải thiện độ phì của đất và cách tăng nă ng suất cây
trồng cũng được ứng dụng khá phổ biến. Các ứng dụng này tập trung vào việc thiết lập hệ thống
cảm biến đặt giữa các ruộng để theo dõi độ dinh dưỡng của đất, lượng vi khuẩn trong đất, nước
ngầm dưới mặt ruộng, tình trạng tăng trưởng của cây trồng, mật độ và chủng loại sâu bệnh… Tất
cả tín hiệu được xử lý thành thông tin rồi chuyển trực tiếp vào chương trình điều hành. Từ những
thông tin này, các chương trình phần mềm sẽ xử lý để gửi đến người nông dân những cảnh báo
tức thời một cách hữu hiệu.
4
http://sac.edu.vn/ tinchitiet.php?id1=131&id2=183&id=225
5
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
Ứng dụng không ảnh trong nông nghiệp được Mỹ sử dụng từ năm 1970 để ước lượng diện
tích cây trồng. Hiện nay đang được sử dụng để ước lượng năng suất cây trồng, giám sát, đánh giá
thảm họa, và xây dựng bản đồ độ ẩm đất. Ngoài ra ứng dụng không ảnh còn được sử dụng trong
nông nghiệp để hướng dẫn áp dụng phân bón, thuốc trừ sâu và nguyên liệu đầu vào cho các nông
trại rộng lớn. Không ảnh được đánh giá có tiềm năng để cải thiện lợi nhuận trang trại trung bình
khoảng 31,74 $/ha . Ngoài ra không ảnh, đặc biệt là không ảnh tầm thấp và cực thấp (có được
chủ động từ các hệ thống thiết bị bay khôn gngười lái UAV) cung cấp thông tin hữu ích cho
nhiều quyết định quản lý cây trồng, bao gồm cả việc phát hiện/xử lý thiếu dinh dưỡng, dư thừa
hoặc thiếu hụt nước trong đất, thiệt hại gây ra bởi côn trùng, cỏ dại, hoặc các phát hiện kịp thời
các bệnh trên cây trồng. Trong [5] nhóm nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ UAV và học sâu
(Deep Learning) nhằm đánh giá hiệu quả của việc gieo sạ lúa cho các cánh đồng lúa thuộc tỉnh
Tây Ninh.
Với cách làm truyền thống, người nông dân sẽ tự mình đi đến cánh đồng và quan sát để
nhận định tình hình sâu bệnh, tốc độ, giai đoạn sinh trưởng của cây trồng cũng như độ ẩm của
đất, độ thiếu hụt phân bón, v.v... để từ đó đưa ra quyết định công việc cần làm. Cách làm này
thường chậm chạp, mất nhiều công sức và tốn kém, đặc biệt khi phải thực hiện trên những cánh
đồng rộng lớn. Điều này làm giảm tần suất giám sát đồng ruộng và ảnh hưởng trực tiếp đến năng
suất và chất lượng nông sản. Ảnh viễn thám cung cấp giải pháp hữu ích cho vấn đề trên [4].
2.3.3
Ứng dụng công nghệ không dây và quan trắc tự động trong nâng cao năng suất
nuôi trồng thuỷ hải sản.
Hình 3 Hệ thống quan trắc môi trường nuôi tôm
6
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
Với xu thế phát triển của công nghệ thu thập, tập trung dữ liệu bằng công nghệ IoT và các
hệ thống cảm biến ngày càng đa dạng, việc giám sát thường xuyên, tức thời các thông số về môi
trường, lý hoá tính của đất, v.v... cho phép có nguồn thông tin dồi dào, chính xác để từ đó có thể
đưa ra những cảnh báo tức thời cho các điều chỉnh hiệu quả và tiết kiệm hơn trong nông nghiệp.
Đồng thời với quá trình phân tích dữ liệu quan trắc liên tục, có thể đưa ra những hướng dẫn
mang tính định hướng, quy trình cả cho bài toán quy hoạch và cải tiến kỹ thuật trong mùa vụ,
giúp nâng cao năng suất, giảm rủi ro do tác động của môi trường hay côn trùng, sâu bệnh. Hình 3
trình bày một nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin trong công tác quan trắc tự động môi
trường nuôi tôm, giúp giảm thiệt hại và tăng năng suất nuôi tôm. Mô hình đã được Khoa Khoa
Học & Kỹ Thuật Máy Tính xây dựng và triển khai thử nghiệm tại nhiều địa phương.
2.4 Xây dựng cổng thông tin nông nghiệp cho Kiên Giang
Cần có một cổng thông tin nông nghiệp đúng nghĩa cho Kiên Giang. Cổng thông tin
này không chỉ đơn thuần cung cấp thông tin, tin tức mà là một kho tri thức, một kim tự
điển cho người nông dân. Người nông dân có thể tìm thấy những giống lúa, vật nuôi,
v.v… phù hợp với thổ nhưỡng và điều kiện kinh tế của họ sao cho tối ưu năng suất nuôi
trồng. Ngoài ra họ có thể quảng cáo sản phẩm của mình thông qua cổng thông tin, có thể
giao dịch trực tuyến, và có thể chia sẽ những kinh nghiệm bản thân tại đây. Nông dân
Việt Nam trong những năm qua thường xuyên gặp khó khăn trong vấn đề tìm đầu ra và
lựa cho giống cây trồng cho phù hợp với mùa vụ, thổ nhưỡng. Vì vậy nếu có một cổng
thông tin nông nghiệp đúng nghĩa sẽ giúp ích rất nhiều cho nông dân cho trong việc tăng
năng suất và giá thành sản phẩm.
3. KẾT LUẬN
Bài tham luận tóm tắt lại một số kỹ thuật công nghệ cao đã được áp dụng rộng rãi
trên thế giới. Tại Việt Nam nói chung và Kiên Giang nói riêng cần từng bước qui hoạch
việc áp dụng Công nghệ thông tin – truyền thông mạnh mẽ hơn để hỗ trợ cho việc quản
lý của cấp lãnh đạo cũng như hỗ trợ nông dân trong việc tăng năng suất và giá trị nuôi
trồng. Tựu trung lại, Hình 4 là sự tóm tắt lại toàn cảnh của việc áp dụng Công nghệ thông
tin - truyền thông vào nông nghiệp Kiên Giang. Tuy nhiên, cần lưu ý các giải pháp hạ
7
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
tầng mạng và máy chủ phải được xem xét để đồng bộ với các hệ thống phần mềm khi
NGƯỜI DÙNG
được xây dựng và triển khai.
Internet
PHẦN MỀM
CỔNG THÔNG TIN NÔNG NGHIỆP TỈNH KIÊN GIANG
Hệ hỗ trợ ra quyết định cho
nông dân trong công tác thâm
canh
Cơ sở dữ liệu
nông nghiệp
Cơ sở dữ liệu
lâm nghiệp
PHẦN CỨNG
HỆ THỐNG THÔNG TIN NÔNG NGHIỆP
THEO KHÔNG, THỜI GIAN
Mô phỏng và dự báo tình hình
xâm nhập mặn, lũ, lụt, v.v...
Ứng dụng công nghệ không dây và
quan trắc tự động trong nuôi trồng
thuỷ hải sản
Mô phỏng và dự báo dòng
chảy sông, lượng mưa, giờ
nắng, v.v...
Cơ sở dữ
liệu thuỷ sản
Ứng dụng viễn thám và hệ thống
thông tin địa lý trong công tác tăng
cường kiểm soát nông nghiệp
Hệ hỗ trợ đánh giá tác động của
biến đổi khí hậu lên nông nghiệp
CÁC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAO
Công nghệ ảo hoá, bảo mật, an ninh mạng
Hạ tầng mạng nội bộ
Hạ tầng máy chủ
Hình 4. Mô hình tổng thể của giải pháp ứng dụng ICT vào nông nghiệp.
Tài liệu tham khảo
[1] N. Alexandratos, J. Bruinsma, “World agriculture towards 2030/2050”, ESA Working, Vol.
12(03), June 2012.
[2] D. K. Ray, N. D. Mueller, P. C. West, J. A. Foley, “Yield Trends Are Insufficient to Double
Global Crop Production by 2050”, PLoS ONE, Vol. 8(6), June-19 2013.
8
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
Thoại Nam et al.
[3] Nguyễn Đình Luận, “Xuất khẩu gạo Việt Nam: thực trạng và giải pháp”, Kinh tế & Phát
triển, số 193, trang 9-15, 2012.
[4] F. Tenkorang, J. Lowenberg-DoBoer, “On-Farm Profitability of Remote Sensing in
Agriculture”, The Journal of Terrestrial Observation, Vol. 1 (1), 2008.
[5] Nguyen Cao Tri, Hieu N. Duong, Tran Van Hoai, “A Novel Framework Based on Deep
Learning and Unmanned Aerial Vehicles to Assess the Quality of Rice Fields”, Proceedings
of the International Conference, ICTA 2016, pages 84-93, 2016.
9
Ứng dụng công nghệ thông tin - truyền thông vào trong nông nghiệp
- Xem thêm -