智慧农业的发展现状与未来展望_赵春江.pdf

nullnull 专 家 视 点 中国农业文摘 农业工程 2021年第6期 随着第四次工业革命的快速发展 信息科学技 术和多领域科学技术深度融合 诱发新的产业技术革 命 新一代信息科技与农业的深度融合发展 孕育了 第三次农业绿色革命 农业的数字革命 使农业进 入了网络化 数字化 智能化发展的新时代 在农业 数字革命的推动下 世界农业产生了两大变革 一是 产生了以智慧农业为代表的新型农业生产方式 让农 业生产更加 智慧 更加 聪明 二是促进了农 业数字经济发展 激活了 数据要素 的价值潜能 赋能数字农业农村新发展 已有研究表明 智慧农业 是以信息 知识与装备为核心要素的现代农业生产方 式 是现代农业科技竞争的制高点 也是现代农业发 展的重要方向 针对现有研究关于智慧农业科学内涵 阐释不深刻 国内外智慧农业前沿科技动态把握不全 面 未来我国智慧农业发展政策针对性不强等问题 本文拟从系统工程角度对智慧农业内涵进行理论阐 释 进一步结合文献进展深度剖析国内外智慧农业核 心关键技术前沿进展 提出未来智慧农业发展的总体 布局 为今后一段时期内我国智慧农业发展提供方向 性指导 1 智慧农业的内涵与特征 1 1 智慧农业的内涵 1 1 1 智慧农业的概念 至今为止 学术界尚未对智 慧农业作出一个确切的定义 一般根据智慧农业的实 质内容或应用场景 将其描述为以信息和知识为核心 要素 通过现代信息技术和智能装备等与农业深度跨 界融合 实现农业生产全过程的信息感知 定量决 策 智能控制 精准投入 个性化服务的全新农业生 产方式 并且认为智慧农业是农业信息化发展从数字 化到网络化再到智能化的高级阶段 1 1 2 智慧农业相关名词 目前 学术界的理论探讨 中 出现了许多与智慧农业类似或关联的名词术语 如精准农业 数字农业 智能农业等 这些不同的名 词概念强调或侧重点有所不同 学者普遍认为 智慧 农业强调的是通过综合运用智能技术 提高人类对农 业系统综合管控能力水平 智能农业强调的是通过在 机器上运用各类电子技术和控制技术 提高机器装备 对农业各环节的智能化操控能力水平 数字农业是通 过将农业全要素 全系统 全过程数字化 进而实现 农业科学决策和数字化管理 精准农业强调的是基于 农业动植物和空间环境等信息的变化而采取的精细投 入管理 笔者认为 虽然这些名词的含义和侧重点不 同 但信息和知识要素的本质没有改变 只是智能化 的程度有所差异 随着技术水平的不断发展 终将走 向智慧农业的目标 1 1 3 从系统工程的角度理解智慧农业 早在 1958 年 毛泽东同志曾提出 农业八字宪法 土 肥 水 种 密 保 管 工 这一论断深刻阐释了农 业生产的系统性 复杂性 智慧农业作为农业生产的 重要体现 也兼具系统工程的特点 一是智慧农业由 数据 知识 模型 软件 硬件等要素相互作用 相 互依赖的若干部分结合而成 二是智慧农业具有明显 的结构功能特性 无论是智慧种植 智慧养殖 还是 智慧加工物流 智慧农业均由 信息获取 智能决策 精准作业 个性服务 四大部分组成 且最终目标均 在于追求高质量 高效率 高效能 方便快捷和人性 化 三是智慧农业具有 1 1 2 的特点 即农业生 产全产业链的智慧化管理效果大于产业链单环节的智 慧管理效果 因此 智慧农业要全链条实施 四是智 慧农业是一个复杂的系统工程 智慧农业在应用与发 展上充分体现了学科交叉融合的特点 而不是信息科 学技术的简单应用和堆砌 在学理性问题上 不仅要 融合农业科学 信息科学和工程科学等相关学科的基 本原理 理论和方法 还必须处理好技术 经济 社 会 管理 环境和政策等多要素的集成优化 这也是 决定智慧农业实施效果的重要方面 1 2 智慧农业的特征 1 2 1 智慧农业具备先进的生产力特征 从系统工程 的角度可以将智慧农业理解为先进生产力要素组合 后导致农业生产方式的变革 结合智慧农业技术特 点与应用场景 智慧农业作为先进的生产力融合了 三大生产力要素 BT IT IE 一是农业生物技术 Biotechnology BT 这是智慧农业的技术基础 二是信息技术 Information technology IT 即主要 智慧农业的发展现状与未来展望 赵春江 DOI 10 19518 11 2531 s 2021 0136 nullnull专 家 视 点中国农业文摘 农业工程 2021年第6期 依赖先进的信息科技增加人的智慧 提升农业装备 的智能化水平 为农业赋能 三是农业智能化装备 Intelligent equipment IE 主要是辅助或替代人 操作 减少生产经营者的劳动强度 智慧农业技术是 直接的生产力 通过与农业各生产力要素 农业生产 者 农业生产工具 农业生产对象 渗透融合 起到 生产力 倍增器 的作用 大幅度提高农业劳动生产 率 智慧农业也是未来最活跃的农业生产力 互联 网 农业人工智能 农业大数据 区块链等技术 将 提升农业生产者决策和管理行为的智能化 农业传感 器 农业机器人 农业智能装备等技术将实现传统农 业生产工具的转型升级 数字化技术将使我们更加清 晰地认识和把握农业生产对象及其与各生产要素 环 境要素 技术措施等的相互作用关系 1 2 2 智慧农业的经济特征 数字经济已经成为当今 世界经济发展的主要驱动力 2020年我国数字经济规 模达到 39 2万亿元 占 GDP比重的 38 6 据中国信 息通信研究院数据 预计 2035年中国数字经济规模 150万亿元 占 GDP比重 55 达到发达国家平均水 平 智慧农业可以创造数字经济 澳大利亚 The Yield 公司利用大数据和人工智能技术为养殖场提供精准信 息服务 年产值近 5亿美元 2020年我国农产品网络 零售额达到 6 107亿元 农业数字经济总量达到 6 920 亿元 预计 2025年我国农业数字经济规模将达到 1 26 万亿元 新发展格局下 利用信息技术大力发展智慧 农业 通过构建农业新业态 发展农村新兴产业 不 仅有利于缩小城乡数字和经济鸿沟 同时更孕育着巨 大规模的农业数字经济发展潜力 2 国外智慧农业布局 发展现状与趋势 近 10来 美国 英国 德国 加拿大 日本 韩国等农业发达国家高度关注智慧农业的发展 从国 家层面进行战略部署 积极推进农业物联网 农业传 感器 农业大数据 农业机器人 农业区块链等智慧 农业关键技术的创新发展 2015年 加拿大联邦政府 预测与策划组织发布了 MetaScan3 新兴技术与相 关信息图 指出土壤与作物感应器 传感器 家 畜生物识别技术 农业机器人在未来 5 10年将颠覆 传统农业生产方式 日本 2015年启动了 基于智能机 械 智能 IT的下一代农林水产业创造技术 项目 核 心内容是 信息化技术 智能化装备 2017年 欧 洲农机工业学会提出了 农业 4 0 Farming4 0 计 划 强调智慧农业是未来欧洲农业发展的方向 2018 年 美国科学院 美国工程院和美国医学科学院联合 发布 面向 2030年的食品和农业科学突破 报告 重 点突出了传感器 数据科学 人工智能 区块链等 技术发展方向 积极推进农业与食品信息化 美国 NSTC 国家人工智能研发战略计划 中 将农业作 为人工智能优先应用发展的第10 个领域 资助农业人 工智能科技的中长期研发 美国农业部 2018 2022 年战略规划 中 突出了农业人工智能 自动化与 遥感技术的应用 根据国际咨询机构 Research and market 分析 2019年全球智慧农业市值 167亿美 元 2027年将达到 292亿美元 2021 2027年全球智 慧农业市值年复合增长率 Compound annual growth rate CAGR 将达到 9 7 目前 国际上以美国为 代表的大田智慧农业 以德国为代表的智慧养殖业 以荷兰为代表的智能温室生产以及以日本为代表的小 型智能装备业 均取得巨大进步 形成了相对成熟的 技术与产品 而且还形成了商业化的发展模式 为我 国发展智慧农业提供了可借鉴的经验 2 1 农业传感器 传感器作为智慧农业的信息之源 在推动智慧 农业发展中具有举足轻重的作用 目前 农业传感器 主要包括农业环境信息传感器 动植物生命信息传感 器 农产品品质与安全信息传感器 农机工况与作业 传感器等 近年来 农业传感器新原理 新技术 新 材料和新工艺不断突破 已由简单的物理量传感走向 化学 生物信息的快速感知 纳米等新材料技术的发 展使得传感器向着微型化 智能化 多样化的趋势发 展 如美国正在发展利用激光诱导光谱技术测量土壤 养分和重金属含量 利用微纳米技术研制可进入动植 物生命体新陈代谢循环系统中的传感器等 总体判 断 美国 德国 日本等国家在农业传感器领域处于 领先地位 垄断了感知元器件 高端农业环境传感 器 动植物生命信息传感器 农产品品质在线检测设 备等相关技术产品 未来 5 10年 研发准确 精密 便携的传感器和生物传感器将是各国农业传感器创新 发展的重点领域 这类传感器不仅可以实现一次连续 监测多个环境和动植物生命信息的特征参数 也可以 对环境 生物及非生物胁迫等进行持续监测 具备在 植物和动物发病之前检测疾病的能力 有助于实现各 种食品和农业学科相关指标的快速检测和监测 比 如 柔性纳米传感器能够简单便捷的贴附安装于动植 物组织不规则表面进行信息的精准监测 微纳米尺度 nullnull 专 家 视 点 中国农业文摘 农业工程 2021年第6期 的传感器可植入动植物等生物体内 并进入生命体新 陈代谢的循环系统中 实时监测动植物生命体的生物 信息 纳米传感器阵列具有多功能探测与分析能力 匹配强大的数据处理 存储与分析能力以及传感网 络 具备复杂数据远程分析处理能力 能够让监测结 果更加精准 2 2 农业大数据智能 国际上通过图像识别 机器学习等技术 将农 业领域大量结构化和非结构化数据 天气 土壤 动 植物生长发育 市场数据 社交媒体等 转化为知 识 并提供智能决策 实现部分或全部替代人工决 策 在节省时间 增加安全性的同时减少潜在的人为 错误 大幅度提高决策的科学性和准确性 得益于强 有力的基础研究水平和能力 美国 荷兰 以色列 日本等国家在农业数字模型与模拟 农业认知计算与 农业知识发现 农业可视交互服务引擎等技术 算 法 模型等方向处于国际领先地位 如美国位于新泽 西州的纽瓦克垂直农场 利用大数据技术分析温度 湿度 二氧化碳及作物长势信息 与传统农场相比 每 0 093m 2 用水减少 95 肥料减少 50 农药零投 入 年产量高出 390倍 意大利 Tuscia大学利用大数据 技术和人工智能技术 加快气候适应性植物的育种研 究 或将重塑未来农场 综合判断 未来大数据驱动 的知识决策替代人工经验决策 知识决策主导的智能 控制替代简单的时序控制 将从育种到产品销售的整 个农业产业链得以广泛应用 2 3 农业智能装备 美国 德国 英国 日本等国家的农业智能装 备研究与应用发展迅速 主要农业生产作业环节 包 括果蔬嫁接 移栽 施药 采摘 畜禽饲喂 清粪 奶牛挤奶 农产品在线分级 标识 包装等 已经 或正在实现 机器换人 或 无人作业 大幅度 提高了劳动生产效率和农业资源利用效率 如美国 Abundant Robotics公司开发的苹果采摘机器人 可准 确识别成熟的苹果并且可以以平均 1个 s的采摘速度 连续工作 24h 瑞士 EcoRobotix公司开发的田间除草 机器人 可以准确识别杂草并通过机械手臂对杂草进 行除草剂喷洒 农药使用量可降低 20倍 农业相关成 本节约 30 爱尔兰 MagGrow开发的农药喷洒机器人 使用永久性稀土磁体产生电磁荷 可解决农药漂移问 题 农药的使用量减少了 65 75 3 我国智慧农业发展现状与问题 3 1 我国智慧农业发展现状 3 1 1 高度重视智慧农业的发展 近 10年的 中央一 号文件 中 每年均强调了信息科技助力农业农村现 代化的内容 其中 2020年 中央一号文件 提出 要加快物联网 大数据 区块链 人工智能 第五 代移动通信网络 5G 智慧气象等在农业领域应 用 同时明确实施数字乡村试点工程 2021年 中央 一号文件 指出 推动农村千兆光网 第五代移动 通信 5G 移动物联网与城市同步规划建设 发 展智慧农业 建立农业农村大数据体系 推动新一代 信息技术与农业生产经营深度融合 此外 中华 人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035年远景目标纲要 中提出 加强大中型 智能 化 复合型农业机械研发应用 完善农业科技创新 体系 创新农技推广服务方式 建设智慧农业 3 1 2 农村信息化促进了智慧农业的发展 目前 我 国互联网和 4G村级覆盖率达 98 以上 根据中国互 联网络信息中心 CNNIC 第 48次 中国互联网络发 展状况统计报告 截至 2021年 6月 我国网民规模 达 10 11亿 农村网民规模达 2 97亿 农村地区互联网 普及率为 59 2 较 2020年 12月提升 3 3个百分点 城 乡互联网普及率差距进一步缩小至 19 1个百分点 根 据农业农村部信息中心的报告 2019年全国县域数 字农业农村发展总体水平达 36 0 其中 东部地区 为 41 3 中部地区为 36 8 西部地区为 31 0 我 国 2019年农业生产数字化水平总体上达到 23 8 其 中 作物种植信息化水平为 17 48 设施栽培信息化 水平为 41 0 畜禽养殖信息化水平为 32 8 水产 养殖信息化水平为 16 4 3 1 3 农业规模化经营为智慧农业发展创造了条件 根据第三次全国农业普查 2016年耕地规模化比重为 28 6 而生猪 家禽养殖规模化比重分别为 62 9 和 73 9 目前 我国土地流转占比 40 以上 农民 专业合作社 家庭农场 龙头企业的数量达 300万家 以上 为智慧农业发展提供了载体和需求的驱动力 3 1 4 智慧农业技术创新取得明显进步 通过对中国 知网数据库和 Web of Sciences 数据库 2008 2018 年发 表的文献检索表明 智慧农业技术研究活跃程度 相 关学术论文数量 排名前 5的国家依次为 美国 中 国 巴西 西班牙 德国 研究的热点聚焦在农业传 感器 农业大数据和人工智能 农业智能控制与农业 机器人等方向 近年来 我国智慧农业技术取得长 nullnull专 家 视 点中国农业文摘 农业工程 2021年第6期 足进步 主要表现在 1 一般性环境类农业传感器 光 温 水 气 基本实现国内生产 2 农业遥 感技术广泛应用于农情监测 估产 以及灾害定量化 评损定级 3 农业无人机应用技术达到国际领先 广泛用于农业信息获取 病虫害精准防控 4 肥水 一体化技术 侧深精准施肥技术 智能灌溉技术 精 准施药技术广泛应用于规模化生产 5 农机北斗导 航在农业耕种管收全程得到广泛应用 自主产权技术 产品成为市场主导 对国外产品实现了全替代 6 设施园艺超大型智能温室技术 植物工厂技术等也取 得了很大进步 基本上可以实现自主技术自主生产 此外 我国在农业大数据技术和农业人工智能应用方 面 在大数据挖掘 智能算法 知识图谱 知识模型 决策等也进行了广泛的研究 3 1 5 智慧农业技术在全国范围内均得到初步应用 在东北 西北 黄淮海平原等大田生产领域 通过广 泛应用遥感监测 专家决策系统和农机北斗导航作业 等技术 实现大田精准作业 在设施养殖领域 主要 应用包括动物禽舍环境监测 动物个体形态与行为识 别 精细饲喂 疫病防控等 特别是近年来 大范围 非洲猪瘟发生后 高度智能化的楼房养猪发展迅速 此外 我国南方的智慧水产养殖发展也很快 在设施 园艺领域 目前所有的现代玻璃温室和 40 的日光温 室普遍采用了环境监测 水肥一体化技术 设施食用 菌产业也广泛应用了信息技术进行产量和品质的控 制 在农业农村信息服务领域 通过机器学习 时空 大数据挖掘 知识图谱构建 语音智能识别等技术的 应用 实现个性化精准服务 3 2 我国智慧农业发展的特点与问题 3 2 1 我国农田地块规模小 耕地细碎化问题突出 美国的农场规模平均 200hm 2 以上 平均每个农民经营 面积超过 113hm 2 欧盟国家农场面积大于 20hm 2 的占 82 农场面积为 100hm 2 的占 52 而我国农田小地 块 碎片化程度高 经营面积 3 4hm 2 以下的小农户占 比 95 以上 而耕地面积却占我国总耕地面积的 80 以上 小农 小地块的农业生产经营方式导致我国智 慧农业技术投入的边际效益低 经营主体应用积极性 不高 3 2 2 我国农业机械化水平比较低 实施智慧农业离 不开农机装备支撑 近年来我国加大力度支持与推 广全程 全面机械化 2020年底我国主要粮食作物 耕种收综合机械化率达到了 71 丘陵山区农作物耕 种收综合机械化率为 49 设施园艺综合机械化率为 32 畜牧养殖机械化率为 35 水产养殖机械化率 为 30 然而 受农机产品需求多样化 机具作业环 境复杂等因素影响 与发达国家相比 我国目前的农 机化和农机装备的智能化水平仍有 10 20个百分点的 差距 尤其是部分农机装备农机农艺结合不够紧密等 制约了我国智慧农业的大规模发展 3 2 3 农村基础设施薄弱 农村宽带网络虽然到村 但到农户的比例低 到农业园区的少 4G网络覆盖 信号不稳定 5G基站少 通讯费用高等问题限制了 农业生产基地信息化产品的应用 农村信息采集终端 应用少 物联网基础设施薄弱 以及农田气象 耕地 质量 土壤墒情 水文等监测点偏少 缺乏专业的信 息化设备运维队伍 使得农业生产经营主体获取信息 难且成本高 3 2 4 智慧农业技术有效供给不足 智慧农业技术有 很多 但由于缺乏基础研究和技术创新 核心的农业 传感器和智能决策的算法模型 以及高端农业智能装 备缺乏 不能满足实施智慧农业的需求 其中 农业 智能控制与农业机器人关键技术及核心零部件 如国 际标准总线 负载动力换挡 无级变速 视觉系统及 识别算法 精密伺服电机 多自由度关节 柔性执行 器件等 远落后于美国 德国 日本等发达国家 是 目前我国智慧农业最薄弱的环节 在传感器方面 尽 管我国农业环境信息传感器和仪器仪表的国内市场占 有量超过进口产品 但在精度 稳定性 可靠性等方 面与国外产品差距巨大 核心感知元器件主要依赖进 口 高端产品几乎全部依赖进口 缺乏针对我国农户 和小地块的技术 难以满足我国广大小农户的需求 此外 农业的生态多样性 对技术与应用模式也是多 样的 但对于研发主体 投入大量资金研发后 却不 能像工业技术产品一样大规模复制推广 效益低 导 致企业研发主体不愿意 不敢投入 3 2 5 政策与机制问题 政府投入力度不够 无论是 对于技术研发主体还是生产经营应用主体 缺乏广泛 的优惠支持政策 企业税收高 人力成本高 应用 运维成本高 对于高新技术申请政府补贴程序复杂 通道不畅 以上这些均从某种程度上影响了我国智慧 农业快速发展 4 对我国智慧农业的展望 当前 我国正处于向第 二 个一百年奋斗目标迈 进的历史关口 大力发展智慧农业 对变革传统农业 nullnull 专 家 视 点 中国农业文摘 农业工程 2021年第6期 生产方式 大幅度提高农业资源利用率和生产效率 实现农业高质量发展具有重要作用 对 全面推进 乡村振兴 加快农业农村现代化 具有重大意义 2018年 9月 25日 习近平总书记在黑龙江农垦建三江 国家农业科技园区考察时指出 大力推进农业机械 化 智能化 给农业现代化插上科技的翅膀 作为 十四五 时期乃至 2035年我国推动农业高质量发展 的重要建设内容 发展智慧农业正面临良好的机遇 纵观我国农业发展方式转变历程 我国农业在经历了 人力和畜力为主的传统农业 农业 1 0 生物 化学 农业 农业 2 0 机械化农业 农业 3 0 之后 正 在大步伐迈入智慧农业 农业 4 0 的新时代 在新 发展格局下 积极应对更加严峻的人口 资源 环境 与市场的多重约束 探寻通过现代信息科技大幅度提 高农业劳动生产率 资源利用率和土地产出率的中国 特色智慧农业发展道路 既是新时代 三农 工作的 重点 也是建设社会主义现代化强国的客观要求 4 1 未来我国智慧农业发展目标 以提高主要农业产业的劳动生产率 资源利用 率和土地产出率为目标 重点突破农业传感器 农业 大数据和人工智能 农业智能控制与农业机器人等智 慧农业关键核心技术和产品 实现技术产品自主化 集成建立 信息感知 定量决策 智能控制 精准投 入 个性化服务 的智慧农业产业技术体系 建成智 慧农 牧 渔 场 建立农产品智慧供应链 实现农 业生产智能化 管理数字化 服务网络化 农产品流 通智慧化 农业农村信息服务个性化 推进知识替代 经验 机器替代人工 培育农业智能装备 农业信息 服务 农产品可信流通等新产业 到 2025年 智慧农 业实现跨越发展 农业生产数字化水平由目前的 20 提高到 40 农业数字经济占农业 GDP比重由目前的 8 提高到 15 为实施乡村振兴战略 实现农业农 村现代化提供强有力的科技支撑 4 2 未来智慧农业重点任务 4 2 1 攻克农业高可靠专用传感器 重点研究以光 学 电化学 电磁学 超声 图像等方法为基础的农 业传感新机理 研发敏感器件 光电转换 微弱信号 处理等核心零部件 研制一批高精度农业传感器 打 破国外技术产品垄断 4 2 2 研制农业智能测控终端 重点研发基于芯片可 进行边缘计算的高端智能终端 农情田间调查 农田 巡检 农机作业质量监控 设施种养殖 设施畜禽 设施果蔬 设施水产 环境监控 冷链储运环境监控 等低成本智能测控终端 加速技术产品替代国外同类 产品进程 4 2 3 研发高端智能农机装备 突破场景感知技术 研制负载动力换挡 无级变速 支持高效作业的柔性 执行器件和智能操控系统 研制大马力自主驾驶拖拉 机 机械除草机器人 大载荷无人植保机 农产品分 拣分级机器人 农产品冷库装卸机器人 授粉机器 人 畜舍巡检作业机器人等 4 2 4 构建主要农业产业大数据云平台 重点突破农 业知识图谱构建 虚拟现实 农业协同决策 数字孪 生 农业大数据云服务等核心关键技术 促进大数据 和农业深度融合 4 2 5 建设智慧农 牧 渔 林 场 重点突破农业 无人自主系统复杂工况感知 智能决策 任务与路径 规划 多机协同智能控制 自主作业装备等核心技 术 建设无人化或少人化的智慧农场 4 2 6 构建主要农产品智慧供应链系统 重点突破智 慧冷链数据深度感知 保质储运智能化和可信区块链 技术 开发农产品供应链需求智能匹配系统 保质储 运智能调控系统 质量安全区块链追溯系统 农产品 供应链区块链信用评价系统和冷链物流智慧监管服务 平台 助力农业数字经济发展 4 3 智慧农业发展的政策建议 1 要统筹各类政府资源 加强政府支持 突破 重点核心技术 实现自立自强 围绕重点领域 重点 产业实施一批智慧农业重大项目工程 总结可复制 可推广的模式与经验 2 制定相关补贴政策 对智 慧农业技术产品研发和应用主体给予政策性补贴 减 免以智慧农业为核心业务的企业税收 减免农村地区 互联网接入和数据传输通讯费用 3 加强技术标准 建设与数据资源共享 尤其重点加强数据标准 产品 标准 市场准入标准等标准制定 对于进入国内市场 的外国企业产品 要求其提供数据接口标准 同时建 立国家认可的第三方检测平台 此外 政府部门要在 一定范围内开放农业数据 建立共享机制 作者系中国工程院院士 国家农业信息化工 程技术研究中心研究员 摘编自 华南农业大学学报 2021 6 1 7