李繼宇,胡瀟丹,蘭玉彬,鄧小玲※
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州 510642;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院、人工智能學(xué)院,廣州 510642; 3.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心,廣州 510642)
無人機(jī)最初系應(yīng)軍事需求而生,最早可追溯至20世紀(jì)20年代第一次世界大戰(zhàn)之際[1]。發(fā)展至今,無人機(jī)最前沿的技術(shù)應(yīng)用依舊聚焦在軍事領(lǐng)域——以美國和俄羅斯為首[2]。除軍事領(lǐng)域,無人機(jī)的商業(yè)市場也得到了迅速的拓展[3],無人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)時監(jiān)測、電子通訊、遙感攝影、搜索救援、物流運(yùn)輸、安全防護(hù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和民用基礎(chǔ)設(shè)施檢查等多個民用領(lǐng)域[4-5]。根據(jù)2020年國際市場研究機(jī)構(gòu)的最新報(bào)告,預(yù)計(jì)到2026年,全球無人機(jī)市場的年收入將達(dá)到328.3億美元[6]。
農(nóng)業(yè)是第一產(chǎn)業(yè),近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等數(shù)字信息技術(shù)的高速發(fā)展[7],全球農(nóng)業(yè)正在向數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)升級轉(zhuǎn)型[8],無人機(jī)及無人機(jī)系統(tǒng)可深度融合多種數(shù)字信息、傳感技術(shù)[9],得益于其部署的靈活性,無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛能得到了充分挖掘[10-11]。在種植業(yè)中,可用于噴藥施肥[12]、播種授粉[13-14]、農(nóng)情監(jiān)測[15]、農(nóng)田灌溉[16]和作物表型[17]等方面;在林業(yè)中,可用于估算植被覆蓋[18]、檢測生物量[19]等方面;在畜牧業(yè)中,無人機(jī)可用于放牧[20],甚至應(yīng)用到野生動物保護(hù)[21-22]中;在漁業(yè)中,可用于水體或水生生物監(jiān)測[23]以及打擊、追蹤非法捕魚行為[24]。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)上不斷深化的研究與應(yīng)用,顛覆了人們對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的認(rèn)知,有力推動數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用已積累大量的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為量化、可視化無人機(jī)的“農(nóng)業(yè)化”進(jìn)程,本文首先基于2001-2020累計(jì)20年間全球農(nóng)用無人機(jī)相關(guān)的核心期刊論文及發(fā)明專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,然后統(tǒng)計(jì)描述農(nóng)用無人機(jī)研究信息分布現(xiàn)狀,接著分析農(nóng)用無人機(jī)的研究進(jìn)展與前沿?zé)狳c(diǎn),最后對全文進(jìn)行提煉和總結(jié)。
為統(tǒng)計(jì)分析無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用,擬檢索廣域無人機(jī)及農(nóng)用無人機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn),其中,農(nóng)用無人機(jī)特指研究應(yīng)用屬于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的無人機(jī),廣域無人機(jī)泛指研究應(yīng)用屬于任意領(lǐng)域的無人機(jī),農(nóng)業(yè)從廣義上則還包括種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)及漁業(yè)。從規(guī)范術(shù)語、高引文獻(xiàn)中常見表達(dá)以及專著刊物[25]中分別提取“無人機(jī)”和“農(nóng)業(yè)”的相關(guān)中英文檢索詞集,分別記為集合A和集合B。廣域無人機(jī)的檢索組合邏輯為“A”,農(nóng)用無人機(jī)的檢索組合邏輯為“A∩B”,基于兩個檢索詞集從5個數(shù)據(jù)庫中檢索2001-2020年間農(nóng)用無人機(jī)研究領(lǐng)域的期刊論文及發(fā)明專利信息,期刊論文包括——Web of Science核心合集(下文簡稱“WoS”)的article和review,共檢索得4 075條記錄,中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(下文簡稱“CNKI”)的科學(xué)引文索引、工程索引、北大核心、中國社會科學(xué)索引和中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫來源文獻(xiàn),共得623條記錄;發(fā)明專利包括——Derwent Innovations Index德溫特創(chuàng)新索引(下文簡稱“DII”)和世界知識產(chǎn)權(quán)組織Patent Scope(下文簡稱“WIPO”)的全球發(fā)明專利,分別得6 491條和6 923條記錄,中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫(下文簡稱“CNIPA”)的中國發(fā)明專利,共得4 450條記錄。
農(nóng)用無人機(jī)英文檢索以WoS為例,檢索式為“TS = ('unmanned aerial vehicle*' OR 'unmanned Aircraft Vehicle*' OR UAV OR drone* OR 'unmanned aircraft*' OR 'unmanned helicopter*' OR 'unmanned aerial system*' OR 'unmanned aircraft system*' OR UAS OR 'remote* NEAR/1 aircraft*' OR 'remote* NEAR/1 helicopter*' OR 'Remote* Pilot* Aerial System*' OR 'Remote* Pilot* aircraft System*' OR RPAS OR 'Pilotless Aircraft*' OR 'Pilotless helicopter*') AND TS=(agri* OR agro* OR farm* OR sow OR farmland OR 'cultivated field*' OR soil OR 'plant protect*' OR crop OR forest* OR tree OR 'animal husbandry' OR pasture* OR herd OR prairie OR grassland OR wildlife OR livestock OR cow OR yak OR lamb OR sheep OR fish*)”,剔除當(dāng)“drone”意為“雄蜂”和“UAS”意為“上游激活序列”時的非相關(guān)文獻(xiàn);中文檢索以CNKI為例,檢索式為“SU=('無人機(jī)'+'無人飛行器'+'無人航空載具'+'無人飛行載具'+'無人/PREV 2飛機(jī)'+'遙控飛機(jī)'+'遙控直升機(jī)')AND SU=('農(nóng)業(yè)'+'農(nóng)用'+'農(nóng)場'+'農(nóng)產(chǎn)品'+'種植'+'播種'+'田'+'土壤'+'植物保護(hù)'+'植保'+'作物'+'林業(yè)'+'森林'+'防護(hù)林'+'樹'+'畜牧'+'牧'+'草原'+'野生動物'+'畜'+'禽'+'牛'+'羊'+'漁'+'捕魚')”。
上述5個數(shù)據(jù)庫收集的文獻(xiàn)兼具權(quán)威性和代表性,檢索結(jié)果會因數(shù)據(jù)庫更新而輕微改變,數(shù)量變化對文中最終結(jié)論影響甚微,最后檢索時間為2021年3月27日。
本文通過文獻(xiàn)計(jì)量方法分析數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)處理軟件和文獻(xiàn)計(jì)量分析工具對論文和專利檢索數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析[26],文獻(xiàn)計(jì)量分析是指定對文獻(xiàn)的數(shù)量特征、分布結(jié)構(gòu)和演進(jìn)規(guī)律進(jìn)行定量分析,并通過可視化結(jié)果揭露某一研究領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)、特征和規(guī)律的科學(xué),是一種基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的宏觀研究方法[27]。
首先,通過SPSS和Excel等軟件對農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述,具體包括數(shù)量、國家或地區(qū)、機(jī)構(gòu)、期刊、作者、高引論文、同族專利等信息,得到農(nóng)用無人機(jī)研究信息的時間、空間、來源等分布情況,概述農(nóng)用無人機(jī)的研究現(xiàn)狀;然后,通過計(jì)量分析軟件VOSviewer和CiteSpace對農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析,具體對論文進(jìn)行機(jī)構(gòu)合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)共引分析、高頻詞聚類、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析,對專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分類號聚類、分類號突現(xiàn)分析,借助知識圖譜[28]梳理、歸納農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展脈絡(luò)及近20年間的研究前沿?zé)狳c(diǎn)。
從農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)的時間、空間和來源分布概述農(nóng)用無人機(jī)的研究現(xiàn)狀,梳理農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展時間線,分析農(nóng)用無人機(jī)的主要研究國家地區(qū)及機(jī)構(gòu)單位,了解農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)出版物、突出學(xué)者及熱門文獻(xiàn)。
基于WoS和DII統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)廣域無人機(jī)與農(nóng)用無人機(jī)近20年文獻(xiàn)數(shù)量的分布比例如圖1所示,分別通過年發(fā)布量占比、增勢(斜率變化)及年增長率(相鄰年份后者相較前者縱坐標(biāo)數(shù)值的增長率)3個指標(biāo)進(jìn)行分析。廣域無人機(jī)相關(guān)研究早在20世紀(jì)初開始萌芽,如圖1a所示,2001-2013年均處于緩勢發(fā)展,2014年及以后增長速度明顯加快,專利數(shù)量幾乎呈指數(shù)增加,該發(fā)展趨勢與農(nóng)用無人機(jī)高度相似。
基于WoS和DII統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),見圖1b,農(nóng)用無人機(jī)2001-2013年間論文發(fā)表量僅占總量的7.33%,專利發(fā)布量僅占總量的3.45%,單年論文加上專利的發(fā)布量均未能破百,增勢緩慢。2014年,農(nóng)用無人機(jī)的文獻(xiàn)數(shù)量迅速累積,論文、專利年發(fā)布量均破百,論文年增長率從33.33%升至81.67%,專利年增長率從39.29%升至215.38%。此后至2020年,農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)數(shù)量持續(xù)快速增加,論文、專利增勢分別在2019和2018年達(dá)到峰值,曲線斜率分別達(dá)到最大值8.98和7.63,國內(nèi)無人機(jī)研究起步約滯后于全球5年。特別地,國內(nèi)估計(jì)在2019年底及2020年上半年受新冠疫情影響,2020年文獻(xiàn)發(fā)布量增勢減緩明顯。文獻(xiàn)具體數(shù)量的年分布情況見圖2。
如圖2所示,2001-2020年間,全球無人機(jī)WoS論文累計(jì)發(fā)表量超過2.3萬篇,DII發(fā)明專利累計(jì)公布量超過7.3萬件。其中,農(nóng)用無人機(jī)論文數(shù)量累計(jì)4 000篇,年發(fā)表量在2014年達(dá)109篇,到2020年達(dá)1 232篇;專利累計(jì)將近7 000件,從2014年123件到2018年1 287件,并在2020年達(dá)到單年最高1 970件。自2014年以來,農(nóng)用無人機(jī)研究占廣域無人機(jī)的比例不斷增大,這點(diǎn)主要體現(xiàn)在論文數(shù)量上,2014年全球農(nóng)用無人機(jī)論文發(fā)表量占廣域無人機(jī)的比例為12.60%,往后占比逐年增大,該比例在2019-2020年分別為20.67%和21.49%,同期國內(nèi)該比例平均在9.13%,也呈增大趨勢。在專利方面,2014-2020全球農(nóng)用無人機(jī)專利數(shù)量占廣域無人機(jī)專利比值平均為8.87%,各年占比上下輕微波動,國內(nèi)平均占比為10.58%,共有5年占比超過10%。
總體而言,全球無人機(jī)研究有向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域“擴(kuò)散”之勢,農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)曲線在時間跨度上呈“S”型——2014年以前已達(dá)到研究平衡點(diǎn),2014年開始往新的平衡點(diǎn)過渡,2014-2020年仍處于過渡期的“填充效應(yīng)”,研究成果高速增長,農(nóng)用無人機(jī)最近五年的年均論文發(fā)表量約700篇,年均專利公布量超過1萬件。相較學(xué)術(shù)研究,國內(nèi)則更多關(guān)心農(nóng)用無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。特別注意到,專利數(shù)量曲線的最大斜率值相比于論文更大,且拐點(diǎn)更早出現(xiàn),說明專利對研究熱度敏銳性更高,相比論文能更早在數(shù)量變化上做出響應(yīng),即專利相較論文能更明顯地體現(xiàn)某一領(lǐng)域的研究熱度時期,由圖2可見農(nóng)用無人機(jī)的研究高熱時期為2016-2018年,與廣域無人機(jī)一致。
2.2.1 國家/地區(qū)
中國、美國為現(xiàn)有農(nóng)用無人機(jī)研究的兩大主力國,同時也是廣域無人機(jī)研究的主力國。根據(jù)WoS和WIPO統(tǒng)計(jì)的農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示,中國論文數(shù)量872篇,占總發(fā)表量的21.43%,專利數(shù)量5 666件,占總公布量高達(dá)83.41%;美國論文數(shù)量1 001篇,占比24.60%,專利數(shù)量272件,占比4%;其中,WoS自選的126篇領(lǐng)域內(nèi)高被引論文和熱點(diǎn)論文中,美國占31.75%,中國和西班牙分別占22.22%和17.46%。此外,澳大利亞、英國、韓國等也是農(nóng)用無人機(jī)研究的活躍國家。將所有活躍的國家、地區(qū)按地理區(qū)域劃分,得到農(nóng)用無人機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)在空間上的分布情況,如表1所示,專利包括同族成員。
從表1中可見,亞太地區(qū)、北美和歐洲是農(nóng)用無人機(jī)的主要研究區(qū)域,亞太地區(qū)多國(如中日韓澳)在專利發(fā)表上數(shù)量突出,從側(cè)面說明農(nóng)用無人機(jī)在亞太地區(qū)的應(yīng)用更豐富和廣泛;北美和歐洲發(fā)表了更多的論文,歐洲有多達(dá)12個國家擠進(jìn)農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)數(shù)量前30,但是歐洲整體專利公布量不大,歐洲專利局的專利數(shù)量也僅為48件。英國、西班牙研究成果組成相近,西班牙最早奠定了農(nóng)用無人機(jī)的研究基礎(chǔ),在2014以前,農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)20篇高引核心論文西班牙占了7篇。其余區(qū)域僅有個別突出國,俄羅斯是俄羅斯和獨(dú)聯(lián)體區(qū)域中的研究代表國,文獻(xiàn)數(shù)量次于法國,排名15。拉丁美洲、中東地區(qū)和非洲較為突出的分別是農(nóng)牧業(yè)大國巴西和農(nóng)業(yè)大國印度。
表1 文獻(xiàn)主要產(chǎn)出國家及其分布 Table 1 Main output countries of the literature and their distribution
綜上,針對農(nóng)用無人機(jī)的研究,亞太地區(qū)在應(yīng)用實(shí)踐上屬于領(lǐng)先地位;北美則在科研水平上領(lǐng)先、應(yīng)用實(shí)踐上次之;歐洲是研究農(nóng)用無人機(jī)的中堅(jiān)力量,科研氛圍濃厚;其余區(qū)域已有明顯的領(lǐng)頭研究國家。隨著全球農(nóng)業(yè)自動化、數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn),可推斷出將有更多國家著手研究農(nóng)用無人機(jī)。
2.2.2 機(jī)構(gòu)及單位
根據(jù)WoS和DII統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),農(nóng)用無人機(jī)累計(jì)文獻(xiàn)發(fā)布量前10的機(jī)構(gòu)及單位如表2所示,論文方面,中美在前10機(jī)構(gòu)中占了9個,中國科學(xué)院和中國的農(nóng)業(yè)大學(xué)為期刊論文的主要發(fā)表機(jī)構(gòu),西班牙最高科研理事會論文產(chǎn)出量位居第二;專利方面,中、日兩國的單位或機(jī)構(gòu)包攬前10,深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司以230篇絕對的數(shù)量優(yōu)勢位列前茅,幾乎是第2名索尼半導(dǎo)體解決方案公司的3倍。
表2 期刊論文產(chǎn)出機(jī)構(gòu)及發(fā)明專利產(chǎn)出單位Top10 Table 2 Journal paper output institutions and invention patent output units Top 10
為進(jìn)一步了解各機(jī)構(gòu)間的研究合作聯(lián)系(因?qū)@l(fā)明單位間聯(lián)系較少,故此處不分析專利公布單位的合作聯(lián)系),圖3給出了農(nóng)用無人機(jī)論文發(fā)文量前80的機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系網(wǎng)。其中,劃分出重點(diǎn)①②③三個區(qū)域,分別以中國科學(xué)院、美國農(nóng)業(yè)部、西班牙最高科研理事會為中心。在①區(qū)域,中國科學(xué)院、農(nóng)業(yè)部及華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為主要3個合作中心。中國科學(xué)院與國內(nèi)高校及歐美機(jī)構(gòu)均有較多合作,農(nóng)業(yè)部更多與國內(nèi)的農(nóng)業(yè)院校、農(nóng)業(yè)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)密切合作,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)則與美澳機(jī)構(gòu)合作。該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)互相聯(lián)系緊密,發(fā)文量大,所發(fā)表論文影響力中等。在②區(qū)域,美國農(nóng)業(yè)部與美國當(dāng)?shù)卦盒Q芯柯?lián)系密切,其次為中國機(jī)構(gòu),再次為歐洲院校。該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)有多個分中心點(diǎn),機(jī)構(gòu)數(shù)量多,發(fā)文量略低于①區(qū)域,論文影響力中等偏高。在③區(qū)域,西班牙最高科研理事會與西班牙、美國、巴西、荷蘭、芬蘭等多國機(jī)構(gòu)均有合作關(guān)系,合作機(jī)構(gòu)間地理位置跨度大,發(fā)文量相對①②區(qū)域較少,但其發(fā)表的論文影響力普遍較高。
文獻(xiàn)來源指文獻(xiàn)的出版物及作者,包括論文的出版來源、論文作者及專利發(fā)明人。從發(fā)文量角度出發(fā),國內(nèi)農(nóng)用無人機(jī)相關(guān)論文主要發(fā)表在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》(43.75%)、《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》(34.13%)和《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》(4.33%)等刊物上,總體發(fā)文量不多。國際上農(nóng)用無人機(jī)論文主要發(fā)表在《Remote Sensing》《Sensors》《International Journal of Remote Sensing》和《Computers and Electronics in Agriculture》等刊物上。從刊物影響力出發(fā),利用VOSviewer對WoS的論文進(jìn)行來源分析,進(jìn)一步篩選領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)刊物,被引強(qiáng)度排名第1的依舊為《Remote Sensing》,在WoS核心合集所篩選的126篇本領(lǐng)域高被引論文及熱點(diǎn)論文中,該期刊共占有24篇,綜合影響力排行前6的刊物信息詳見表3。
表3 農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)重點(diǎn)出版物 Table 3 Key publications in the field of agricultural UAV
此外,近5年(2016-2020)領(lǐng)域內(nèi)較活躍的研究學(xué)者主要來自中國,累計(jì)發(fā)文量前20的作者中有13位來自中國,表4摘取了前6位作者的信息供參考。
表4 近5年內(nèi)活躍研究學(xué)者 Table 4 Active scholars in the past 5 years
另一方面,從作者的共引強(qiáng)度衡量,近20年Zarco-Tejada P、Gitelson A、Bendig J、Wallace L、Torres-sanchez J、Hunt E等研究學(xué)者的相關(guān)論文在領(lǐng)域內(nèi)影響力大。至于發(fā)明專利,近5年(2016-2020)的核心發(fā)明人主要來自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)(76件,2.207%)、大疆創(chuàng)新科技有限公司(64件,1.858%)、浙江大學(xué)(35件,1.016%)、廣州極飛科技有限公司(34件,0.987%)、南京林業(yè)大學(xué)(31件,0.900%)等單位。
從WoS論文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得,農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)4千余篇論文h指數(shù)為106,累計(jì)被引頻次為61 780次(含自引21 944次),施引文獻(xiàn)共27 494篇。如表5所示,列出了農(nóng)用無人機(jī)在WoS中總被引頻次前6的期刊論文,在全球范圍內(nèi),農(nóng)用無人機(jī)研究已積累了一定基礎(chǔ),并到了具體技術(shù)研發(fā)階段,最初的應(yīng)用場景是地表圖形建模和植被指數(shù)檢測。進(jìn)一步地,從WoS自選高引論文可看出,近2年農(nóng)用無人機(jī)的研究熱點(diǎn)依舊圍繞遙感技術(shù),并有了更深入的研究。其中,Erwin等[29]針對民用無人機(jī)優(yōu)化調(diào)查指出農(nóng)業(yè)仍然是無人機(jī)的最大潛力市場之一,Maes等[15]的農(nóng)業(yè)遙感綜述中提到,未來農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)側(cè)重利用熱和光譜遙感數(shù)據(jù)以建立動態(tài)增長的農(nóng)業(yè)相關(guān)模型,另外,Weiss等[30]表示農(nóng)用無人機(jī)將根據(jù)涉及作物的特征進(jìn)一步增強(qiáng)農(nóng)業(yè)遙感的應(yīng)用能力。國內(nèi)CNKI中的高被引文獻(xiàn)多為綜述性質(zhì)文章,其次則為農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)相關(guān)應(yīng)用研究,總體而言,文章普遍基礎(chǔ)性較強(qiáng)。
從DII專利統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得,同族專利含3個及以上的專利共554件,約占總專利數(shù)量的8.53%,關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)主要集中于T-計(jì)算與控制、W-通信和P-通用技術(shù)(農(nóng)業(yè),食品,煙草),其中,同一專利同族數(shù)量最高達(dá)29個。表5列出了同族數(shù)量排名前六的專利,根據(jù)專利族的大小,可間接了解農(nóng)用無人機(jī)相關(guān)企業(yè)或單位的重點(diǎn)競爭技術(shù),如中國深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司以無人航拍機(jī)技術(shù)在全球知名,其發(fā)明的用于減少運(yùn)動對相機(jī)成像干擾的裝置[31]恰是保證航拍相機(jī)防抖的一大關(guān)鍵。國內(nèi)CNIPA的發(fā)明專利顯示,國內(nèi)研究人員則更多關(guān)注農(nóng)用無人機(jī)的田間噴施技術(shù)。
表5 WoS高被引論文Top 6及DII同族數(shù)量專利Top 6 Table 5 WoS high cited papers Top 6 and DII Top 6 patent family
使用CiteSpace對農(nóng)用無人機(jī)的關(guān)鍵詞、術(shù)語、主題詞進(jìn)行聚類分析,從研究所涉及的領(lǐng)域、研究內(nèi)容與代表成果三方面分析農(nóng)用無人機(jī)實(shí)質(zhì)研究進(jìn)展,判斷農(nóng)用無人機(jī)當(dāng)下的研究熱點(diǎn),預(yù)測其未來的發(fā)展趨勢。
根據(jù)Web of Science分類學(xué)科領(lǐng)域和國際專利分類技術(shù)領(lǐng)域?qū)V域無人機(jī)和農(nóng)用無人機(jī)的研究主題進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表6所示。
表6 研究主題分布Top 6 Table 6 Research subject distribution Top 6
農(nóng)用無人機(jī)研究的主要學(xué)科領(lǐng)域?yàn)檫b感和環(huán)境科學(xué),從Top 6學(xué)科領(lǐng)域來看,研究者更熱衷于發(fā)表農(nóng)用無人機(jī)與遙感監(jiān)測、圖像處理內(nèi)容相關(guān)的論文,領(lǐng)域內(nèi)有多篇關(guān)于農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用現(xiàn)狀與前景的高引綜述[15,30,43],當(dāng)中均提到農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用的主要目的是為了提取農(nóng)情信息。具體地,有在果園中表型柑橘形態(tài)[44]、在作物-牲畜-森林系統(tǒng)中測量樹木直徑和高度[45],等等。而廣域無人機(jī)研究的主要學(xué)科領(lǐng)域?yàn)殡娮与姎夤こ?,更多關(guān)注如何利用最新數(shù)字信息技術(shù)(如5G)在無人機(jī)上搭建更優(yōu)平臺以實(shí)現(xiàn)更好的無線通訊[46],令無人機(jī)成為一種優(yōu)選的多功能通訊工具。
與論文不同,農(nóng)用無人機(jī)專利的前4位技術(shù)領(lǐng)域均與植保噴施相關(guān),可將其歸屬為“物料釋放”,即農(nóng)用無人機(jī)通過自身平臺搭載或促使某種農(nóng)業(yè)物料以指定方式釋放到指定區(qū)域以達(dá)到某種預(yù)期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目的,如作物播種[47]、水稻授粉[48]、農(nóng)作物采摘[49]、輔助噴灌[50]等。實(shí)際上,植保噴施相關(guān)專利數(shù)量也超過農(nóng)用無人機(jī)總專利數(shù)的1/3,專利具體內(nèi)容通常圍繞兩個方面——物料釋放裝置(噴施器、播種裝置、果實(shí)采摘機(jī)構(gòu)等)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和無人機(jī)農(nóng)業(yè)作業(yè)飛行規(guī)劃,發(fā)明目的均是為了提高農(nóng)用無人機(jī)的作業(yè)效果與效率。廣域無人機(jī)方面,宏觀來看無人機(jī)多被設(shè)計(jì)用于特定作業(yè),相對特殊的應(yīng)用有如運(yùn)輸醫(yī)療設(shè)備[51]、維護(hù)物質(zhì)文化遺產(chǎn)[52]等。
對前10的研究領(lǐng)域在2014-2020年間的衍變作矩陣分析,如圖4所示,左側(cè)為學(xué)科領(lǐng)域的衍變,右側(cè)為技術(shù)領(lǐng)域的衍變。學(xué)科衍變體現(xiàn)了農(nóng)用無人機(jī)學(xué)術(shù)研究的大體趨勢,近兩年研究內(nèi)容從最初圍繞遙感及環(huán)境監(jiān)測,到無人機(jī)圖像處理和平臺搭建的變化趨勢可發(fā)現(xiàn),數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的大勢已起。同時研究者們也開始更多地關(guān)注農(nóng)藝、作物本身,最直觀的便是植物表型技術(shù)迅速發(fā)展。技術(shù)衍變體現(xiàn)了農(nóng)用無人機(jī)在技術(shù)上的優(yōu)化順序,依次為硬件設(shè)備、控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理,硬件設(shè)備包括飛行平臺和作業(yè)裝置,控制系統(tǒng)包括導(dǎo)航及飛控,數(shù)據(jù)處理包括獲取數(shù)據(jù)的豐富性及數(shù)據(jù)處理手段的先進(jìn)性,目前,農(nóng)用無人機(jī)依舊更多用于農(nóng)業(yè)防治。
農(nóng)用無人機(jī)研究主題多元化,本節(jié)將進(jìn)一步分別對WoS論文高頻詞和DII專利細(xì)化技術(shù)分類號進(jìn)行聚類分析,分析農(nóng)用無人機(jī)目前聚焦研究哪些具體問題。從CIiteSpace聚類分析所得的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類清晰度可通過模塊值Q(Modularity)和平均輪廓值S(Silhouette)兩個指標(biāo)評價,一般來說,Q∈[0,1),當(dāng)Q∈(0.3,1)時,說明劃分所得的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是顯著的;當(dāng)S>0.5時,聚類可被認(rèn)為是合理的,當(dāng)S接近0.7時,聚類令人信服[53]。
首先,對WoS論文進(jìn)行研究關(guān)鍵詞及術(shù)語聚類分析,得到聚類圖譜如圖5所示,S值為0.979 7,一共生成14個以顏色區(qū)分的聚類,其中,節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽字體大小代表頻次,聚類序號越小所包含的關(guān)鍵詞越多,聚類位置越靠近中心內(nèi)容越重要。根據(jù)聚類標(biāo)簽含義,可將其進(jìn)一步分為兩大類,包括研究內(nèi)容(#0精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、#1氣孔導(dǎo)度、#5生物質(zhì)、#7人類與野生動植物的沖突、#9無人機(jī)系統(tǒng)、#10侵蝕、#11路徑規(guī)劃、#12植被指數(shù)、#13地上生物量)和研究方法(#2優(yōu)化、#3圖像處理、#4點(diǎn)云、#6攝影測量、#8深度學(xué)習(xí)、#14高光譜)。類似地,基于德溫特分類號同樣地對DII專利進(jìn)行聚類分析,德溫特分類號相比IPC分類代碼更詳細(xì),共得到7個聚類,技術(shù)領(lǐng)域涉及#0電話和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、#1相關(guān)設(shè)備、#2電氣應(yīng)用、#3裝置與制劑、#4彈簧、#5噴施與霧化、#6脈沖產(chǎn)生和操縱。從WoS和DII的聚類結(jié)果中摘取度中心性前20的詞條和分類代碼,結(jié)果列于表7,聚類網(wǎng)絡(luò)圖中節(jié)點(diǎn)的度中心性越高,節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)圖中越重要。
結(jié)合圖5及表7可知,農(nóng)用無人機(jī)論文研究的內(nèi)容主要圍繞農(nóng)用無人機(jī)平臺的搭建(聚類#9#11)和應(yīng)用(聚類#0#1#5#7#10#12#13),研究手段主要涉及圖像(聚類#3#4#6#14)和算法(聚類#2#8)。農(nóng)用無人機(jī)平臺搭建的側(cè)重點(diǎn)為無人機(jī)系統(tǒng)及路徑規(guī)劃,其中,無人機(jī)系統(tǒng)是否穩(wěn)定抗干擾(disturbance)及能否實(shí)現(xiàn)機(jī)器人流程自動化(Robotic Process Automation, RPA)是研究學(xué)者們更關(guān)注或感興趣的問題,路徑規(guī)劃除了導(dǎo)航技術(shù),還融合了無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)。農(nóng)用無人機(jī)平臺應(yīng)用的研究通常集中于農(nóng)業(yè)信息的獲取,農(nóng)業(yè)信息的來源方包括農(nóng)業(yè)的勞動對象[54](聚類#0#1#5#7#12#13)及農(nóng)業(yè)勞動對象的介質(zhì)[55](聚類#10),前者信息多用于對農(nóng)業(yè)對象進(jìn)行生理評估或特征提取,進(jìn)而建立相關(guān)模型,如圖5中的氮素狀況(nitrogen status)、生物多樣性(biodiversity),表7中的植被指數(shù)、植物高度、氣孔導(dǎo)度、葉面積指數(shù)、糧食產(chǎn)量等;后者信息多用于農(nóng)業(yè)區(qū)域的監(jiān)測與規(guī)劃,所謂介質(zhì)包括空間、陸地、水域等,種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)的農(nóng)業(yè)對象的介質(zhì)一般為空間和陸地,漁業(yè)的為水域,如圖5中的森林火災(zāi)(forest fire)、土壤蒸散(evapotranspiration)、土地使用(land-use),表7中的地形、水土流失等。
表7 農(nóng)用無人機(jī)研究內(nèi)容的重點(diǎn)關(guān)鍵詞及技術(shù)分類 Table 7 Keywords and technical classification of agricultural UAV research
農(nóng)用無人機(jī)專利發(fā)明的內(nèi)容可分為控制系統(tǒng)(聚類#0#6)和設(shè)備裝置(聚類#1#2#3#4#5),分類號以W(通信)及T(計(jì)算與控制)開頭的專利數(shù)量最多,Q(機(jī)械)其次。如表7所示,P13度中心性最高且與次位T01拉開明顯差距,說明農(nóng)用無人機(jī)實(shí)際主要應(yīng)用于種植業(yè)。T01、W06、Q25、W04等在度中心性和重復(fù)頻次上都極為突出,機(jī)載電腦、導(dǎo)航、雷達(dá)、相機(jī)等均為農(nóng)用無人機(jī)上常見配置設(shè)備,有效輔助農(nóng)用無人機(jī)在農(nóng)業(yè)場景下完成各種作業(yè)。A95、A97、Q34涉及貨物與運(yùn)輸,農(nóng)用無人機(jī)輕度適用于物流運(yùn)輸。C02、C07、P11、C04、等屬于植保種植與噴施范疇,其中噴施包括研究農(nóng)藥、肥料的沉積分布特性,這對提高農(nóng)用無人機(jī)的噴施精度有重要意義。X16、X21、X15等針對電池效率問題,農(nóng)用無人機(jī)一直存在續(xù)航時間短的缺點(diǎn),如何提高其電池能效是領(lǐng)域內(nèi)一個亟需解決的難題。此外,W05反映了農(nóng)用無人機(jī)在應(yīng)對險情的預(yù)警作用,重復(fù)頻次達(dá)到430。更值得注意的是,P14重復(fù)達(dá)521次,雖然度中心性不高,并非主流應(yīng)用方向,但也預(yù)示著農(nóng)用無人機(jī)在畜牧業(yè)、動物保護(hù)方面尚有巨大的應(yīng)用潛能。
綜上,農(nóng)用無人機(jī)的研究內(nèi)容在基于論文和專利的分析中既有相似又有不同。相似的是,兩者均反映農(nóng)用無人機(jī)的研究側(cè)重點(diǎn)為自身升級,比如,加強(qiáng)自控穩(wěn)定性,加強(qiáng)巡航精度,加強(qiáng)與外加設(shè)備的適配性與互通性,等等;不同的是,農(nóng)用無人機(jī)的應(yīng)用方向在論文中主要體現(xiàn)為農(nóng)業(yè)信息獲取,在專利中側(cè)重體現(xiàn)為農(nóng)業(yè)物料釋放(定義見3.1節(jié))。
文獻(xiàn)的共引分析和關(guān)鍵詞共現(xiàn)可反映領(lǐng)域內(nèi)研究的脈絡(luò)和前沿,關(guān)鍵詞突現(xiàn)則可說明某一時間段領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
使用CiteSpace對WoS論文進(jìn)行共引分析,結(jié)果如圖6所示。農(nóng)用無人機(jī)早期論文內(nèi)容主要針對草原、森林等環(huán)境方面的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)問題(#5,7,11,13,17等),中期繼續(xù)深入研究森林管理和土壤分析(#2,6,12,14等),最 近幾年趨于低空噴施和高通作物表型的相關(guān)研究(#1,3,16等),多利用深度學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)(#9,10等)。進(jìn)一步對WoS、CNKI論文進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,基于時間戳得到圖7a和圖7b。
如圖7所示,將基于時間戳的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜沿時間線分成4個階段——初期(2008年以前)、前期(2008-2013)、中期(2014-2018)及2019年至今——對比分析全球和國內(nèi)在農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域的研究脈絡(luò)與前沿。結(jié)合圖6中文獻(xiàn)共引情況,根據(jù)時間節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵詞進(jìn)一步對農(nóng)用無人機(jī)的研究脈絡(luò)及前沿進(jìn)行分析。
研究初期,農(nóng)用無人機(jī)僅應(yīng)用于區(qū)域監(jiān)控,國內(nèi)農(nóng)用無人機(jī)研究則一開始便定位在基于低空遙感技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域;研究前期,2008年前后多光譜低空遙感技術(shù)興起,帶動了定位導(dǎo)航、圖像識別及表型技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)用無人機(jī)開始被用于林業(yè)甚至漁業(yè)中的監(jiān)測和預(yù)警上,Colomina等[56](共引226次)發(fā)表的農(nóng)用無人機(jī)遙感綜述介紹了這一過程。此外,激光雷達(dá)、點(diǎn)云、熱成像等概念開始普及,同一時段的國內(nèi)研究進(jìn)展類似,特別地,國內(nèi)開始研發(fā)針對作物防治的植保無人機(jī)。研究中期,2014年伊始,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)算法、無線通訊等技術(shù)的崛起,農(nóng)用無人機(jī)在遙感基礎(chǔ)上融合多元新興技術(shù),在農(nóng)林牧漁(尤其種植業(yè))領(lǐng)域皆得到了實(shí)際廣泛的應(yīng)用。如Wallace等[57](共引157次)利用農(nóng)用無人機(jī)結(jié)合遙感技術(shù)評估森林結(jié)構(gòu)。同時期,開始利用農(nóng)用無人機(jī)采集到的數(shù)據(jù),建立相關(guān)基礎(chǔ)模型,最具代表性的為Bendig等[58](共引194次)介紹的作物表面模型。國內(nèi)此時重點(diǎn)發(fā)展無人機(jī)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù);近期,全球均處于農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢,農(nóng)用無人機(jī)成了獲取農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的重要工具,包括國內(nèi)的研究重心也逐漸轉(zhuǎn)向大數(shù)據(jù)作業(yè)控制上,農(nóng)用無人機(jī)以遙感、算法、模型三合一的模式發(fā)展,對農(nóng)業(yè)對象的信息采集程度也從表層獲取到深入挖掘。
對WoS論文關(guān)鍵詞和DII專利德溫特分類號進(jìn)行突現(xiàn)分析,結(jié)果見表8,論文方面,關(guān)鍵詞突現(xiàn)強(qiáng)度表現(xiàn)一般,初期、前期無熱點(diǎn)突現(xiàn),中期多個熱詞突現(xiàn),從“預(yù)測”“多樣性”“特征”等監(jiān)控?zé)嵩~到“點(diǎn)云”“攝影測量”“系統(tǒng)”等建模熱詞,農(nóng)用無人機(jī)的研究熱點(diǎn)從“觀察”進(jìn)階到“觀測”,最新的熱點(diǎn)為“植物高度”,屬于植物表面模型范疇,熱度維持至2020年,作物表面模型無疑是近兩年最熱門的研究內(nèi)容。專利方面,X15(非化石燃料發(fā)電系統(tǒng))和P14(動物管理與護(hù)理)為最新顯現(xiàn)技術(shù)熱點(diǎn),但在2018年熱度均已退散,且近兩年無新的熱點(diǎn)技術(shù)突現(xiàn)。
表8 2001-2020年間農(nóng)用無人機(jī)研究中的突現(xiàn)關(guān)鍵詞(WoS)和技術(shù)分類號(DII) Table 8 Burstiness of keywords (WoS) and class code (DII) in agricultural UAV research from 2001 to 2020
綜上,目前農(nóng)用無人機(jī)的前沿研究主要集中在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集及農(nóng)業(yè)相關(guān)模型的開發(fā)上,相關(guān)模型包括數(shù)字模型、數(shù)學(xué)模型、物理模型等。如表7中提到的林業(yè)中的單木模型和與之對應(yīng)的矩陣模型。最新研究熱點(diǎn)是基于作物冠層輪廓所建立的作物表面模型,而技術(shù)熱點(diǎn)主要圍繞農(nóng)用無人機(jī)能效和農(nóng)用無人機(jī)在畜牧業(yè)上的應(yīng)用。與此同時,自2018年以來,農(nóng)用無人機(jī)文獻(xiàn)發(fā)布量增勢減緩,近兩年突現(xiàn)的研究熱點(diǎn)為零,農(nóng)用無人機(jī)正面臨兩個問題,一方面,農(nóng)用無人機(jī)學(xué)術(shù)研究與實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容方向不對稱,另一方面,農(nóng)用無人機(jī)研究的縱向發(fā)展停滯在農(nóng)業(yè)相關(guān)模型的建立與優(yōu)化上。造成上述問題的原因有二,一是效益問題,農(nóng)業(yè)遙感所需的高光譜相機(jī)、生物傳感器等設(shè)備價格昂貴,農(nóng)業(yè)信息缺乏大平臺,數(shù)據(jù)集缺失嚴(yán)重,市場對農(nóng)業(yè)信息采集的需求緊迫性不高,技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用的性價比低;二是技術(shù)限制,數(shù)據(jù)傳輸效率低,傳感器難以滿足應(yīng)用需求。
本文通過檢索Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫 (WoS)、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(CNKI)、Derwent Innovations Index數(shù)據(jù)庫(DII)、世界知識產(chǎn)權(quán)組織專利庫(WIPO)和中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利庫(CNIPA)共5個數(shù)據(jù)庫中有關(guān)廣域無人機(jī)及農(nóng)用無人機(jī)的期刊論文和發(fā)明專利。通過文獻(xiàn)計(jì)量概述了農(nóng)用無人機(jī)近20年研究信息的數(shù)量分布和質(zhì)量來源情況,借助知識圖譜梳理農(nóng)用無人機(jī)的研究脈絡(luò)、內(nèi)容進(jìn)展和前沿?zé)狳c(diǎn),分析了農(nóng)用無人機(jī)在我國及國際上的研究動態(tài),得到如下結(jié)論:
1)農(nóng)用無人機(jī)在2014年正式進(jìn)入研究正軌,2016年至2018年進(jìn)入研究高熱期,2018年以后文獻(xiàn)數(shù)量增勢均有減緩,其中,專利發(fā)布量緩勢較明顯。
2)歐洲、北美洲和亞太地區(qū)是農(nóng)用無人機(jī)的主要研究區(qū)域,以中國、美國、澳大利亞、西班牙、英國為代表。其中,超過八成專利來自中國,論文發(fā)表中、美分別占21.43%和24.60%,西班牙最早奠定了農(nóng)用無人機(jī)的研究理論基礎(chǔ)。
3)中國國內(nèi)機(jī)構(gòu)、中美機(jī)構(gòu)、歐洲各國機(jī)構(gòu)、歐美機(jī)構(gòu)、中澳機(jī)構(gòu)間均有較密集的研究合作關(guān)系,中日美企業(yè)發(fā)明專利的公布數(shù)量較多,中國深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司尤為突出。
4)農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的熱門期刊為《Remote Sensing》《Precision Agriculture》和《Computers and Electronics in Agriculture》,最近五年來自中國的研究學(xué)者最為活躍,國內(nèi)外高被引論文的主題均以遙感為主,國際上布局廣、同族數(shù)量大的專利的主題主要圍繞控制、通信和農(nóng)業(yè),國內(nèi)專利則更多涉及田間噴施技術(shù)。
5)農(nóng)用無人機(jī)研究的學(xué)科領(lǐng)域主要為遙感和環(huán)境科學(xué),技術(shù)領(lǐng)域主要為農(nóng)業(yè)防治,具體研究內(nèi)容可分為無人機(jī)平臺搭建及農(nóng)業(yè)應(yīng)用兩方面,農(nóng)業(yè)應(yīng)用又可分為農(nóng)情信息獲取及農(nóng)業(yè)物料釋放兩大類,實(shí)際應(yīng)用重心向低空遙感噴施、能源續(xù)航傾斜。
6)農(nóng)用無人機(jī)的研究重心經(jīng)過了兩次較明顯的轉(zhuǎn)移,低空遙感監(jiān)測到農(nóng)田耕作管理,再到目前的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘及農(nóng)業(yè)模型搭建,未來可能會在畜牧業(yè)和漁業(yè)上得到嶄新的應(yīng)用價值。
近20年來,農(nóng)用無人機(jī)屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域,研究起步晚,研究進(jìn)展快,在農(nóng)林業(yè)的遙感應(yīng)用研究正逐步趨于成熟,特別在噴灑作業(yè)領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Αkm然近兩年的發(fā)展勢頭稍緩,但總體依舊呈上升趨勢,是非常活躍的科研領(lǐng)域。目前,農(nóng)用無人機(jī)保持著良好的發(fā)展趨勢,智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的浪潮推動了農(nóng)用無人機(jī)與新興科技(如人工智能、5G、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等)的高速融合,無人機(jī)的民用市場趨于成熟,農(nóng)用無人機(jī)市場價格逐步合理,農(nóng)用無人機(jī)擁有了豐富的應(yīng)用場景。未來,借助聲波等新技術(shù)的深度融合,農(nóng)用無人機(jī)有望進(jìn)一步激發(fā)出在畜牧業(yè)、動物保護(hù)、漁業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用潛能,引領(lǐng)全球農(nóng)用航空應(yīng)用再次進(jìn)入發(fā)展高峰。