趙春江

隨著第四次工業(yè)革命的快速發(fā)展，信息科學(xué)技術(shù)和多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)深度融合，誘發(fā)新的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命。新一代信息科技與農(nóng)業(yè)的深度融合發(fā)展，孕育了第三次農(nóng)業(yè)綠色革命——農(nóng)業(yè)的數(shù)字革命，使農(nóng)業(yè)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的新時(shí)代。在農(nóng)業(yè)數(shù)字革命的推動(dòng)下，世界農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了兩大變革：一是產(chǎn)生了以智慧農(nóng)業(yè)為代表的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加“智慧”、更加“聰明”;二是促進(jìn)了農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，激活了“數(shù)據(jù)要素”的價(jià)值潛能，賦能數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村新發(fā)展。已有研究表明，智慧農(nóng)業(yè)是以信息、知識(shí)與裝備為核心要素的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。針對(duì)現(xiàn)有研究關(guān)于智慧農(nóng)業(yè)科學(xué)內(nèi)涵闡釋不深刻、國(guó)內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)前沿科技動(dòng)態(tài)把握不全面、未來(lái)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展政策針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題，本文擬從系統(tǒng)工程角度對(duì)智慧農(nóng)業(yè)內(nèi)涵進(jìn)行理論闡釋，進(jìn)一步結(jié)合文獻(xiàn)進(jìn)展深度剖析國(guó)內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)核心關(guān)鍵技術(shù)前沿進(jìn)展，提出未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的總體布局，為今后一段時(shí)期內(nèi)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供方向性指導(dǎo)。

1 智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵與特征

1.1 智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵

1.1.1 智慧農(nóng)業(yè)的概念 至今為止，學(xué)術(shù)界尚未對(duì)智慧農(nóng)業(yè)作出一個(gè)確切的定義，一般根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容或應(yīng)用場(chǎng)景，將其描述為以信息和知識(shí)為核心要素，通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)和智能裝備等與農(nóng)業(yè)深度跨界融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入、個(gè)性化服務(wù)的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，并且認(rèn)為智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化的高級(jí)階段。

1.1.2 智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)名詞 目前，學(xué)術(shù)界的理論探討中，出現(xiàn)了許多與智慧農(nóng)業(yè)類似或關(guān)聯(lián)的名詞術(shù)語(yǔ)，如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)等，這些不同的名詞概念強(qiáng)調(diào)或側(cè)重點(diǎn)有所不同。學(xué)者普遍認(rèn)為，智慧農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)綜合運(yùn)用智能技術(shù)，提高人類對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)綜合管控能力水平;智能農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)在機(jī)器上運(yùn)用各類電子技術(shù)和控制技術(shù)，提高機(jī)器裝備對(duì)農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)的智能化操控能力水平;數(shù)字農(nóng)業(yè)是通過(guò)將農(nóng)業(yè)全要素、全系統(tǒng)、全過(guò)程數(shù)字化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)決策和數(shù)字化管理;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)的是基于農(nóng)業(yè)動(dòng)植物和空間環(huán)境等信息的變化而采取的精細(xì)投入管理。筆者認(rèn)為，雖然這些名詞的含義和側(cè)重點(diǎn)不同，但信息和知識(shí)要素的本質(zhì)沒(méi)有改變，只是智能化的程度有所差異，隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展，終將走向智慧農(nóng)業(yè)的目標(biāo)。

1.1.3 從系統(tǒng)工程的角度理解智慧農(nóng)業(yè) 早在1958年，毛澤東同志曾提出“農(nóng)業(yè)八字憲法”（土、肥、水、種、密、保、管、工），這一論斷深刻闡釋了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)性、復(fù)雜性。智慧農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要體現(xiàn)，也兼具系統(tǒng)工程的特點(diǎn)：一是智慧農(nóng)業(yè)由數(shù)據(jù)、知識(shí)、模型、軟件、硬件等要素相互作用、相互依賴的若干部分結(jié)合而成;二是智慧農(nóng)業(yè)具有明顯的結(jié)構(gòu)功能特性，無(wú)論是智慧種植、智慧養(yǎng)殖、還是智慧加工物流，智慧農(nóng)業(yè)均由“信息獲取-智能決策-精準(zhǔn)作業(yè)-個(gè)性服務(wù)”四大部分組成，且最終目標(biāo)均在于追求高質(zhì)量、高效率、高效能、方便快捷和人性化;三是智慧農(nóng)業(yè)具有“1+1>2”的特點(diǎn)，即農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈的智慧化管理效果大于產(chǎn)業(yè)鏈單環(huán)節(jié)的智慧管理效果，因此，智慧農(nóng)業(yè)要全鏈條實(shí)施;四是智慧農(nóng)業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，智慧農(nóng)業(yè)在應(yīng)用與發(fā)展上充分體現(xiàn)了學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，而不是信息科學(xué)技術(shù)的簡(jiǎn)單應(yīng)用和堆砌，在學(xué)理性問(wèn)題上，不僅要融合農(nóng)業(yè)科學(xué)、信息科學(xué)和工程科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本原理、理論和方法，還必須處理好技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、管理、環(huán)境和政策等多要素的集成優(yōu)化，這也是決定智慧農(nóng)業(yè)實(shí)施效果的重要方面。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)的特征

1.2.1 智慧農(nóng)業(yè)具備先進(jìn)的生產(chǎn)力特征 從系統(tǒng)工程的角度可以將智慧農(nóng)業(yè)理解為先進(jìn)生產(chǎn)力要素組合后導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革。結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景，智慧農(nóng)業(yè)作為先進(jìn)的生產(chǎn)力融合了三大生產(chǎn)力要素（BT+IT+IE）：一是農(nóng)業(yè)生物技術(shù)（Biotechnology，BT），這是智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ);二是信息技術(shù)（Information technology，IT），即主要依賴先進(jìn)的信息科技增加人的智慧、提升農(nóng)業(yè)裝備的智能化水平，為農(nóng)業(yè)賦能;三是農(nóng)業(yè)智能化裝備（Intelligent equipment，IE），主要是輔助或替代人操作，減少生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)是直接的生產(chǎn)力，通過(guò)與農(nóng)業(yè)各生產(chǎn)力要素（農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象）滲透融合，起到生產(chǎn)力“倍增器”的作用，大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率。智慧農(nóng)業(yè)也是未來(lái)最活躍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)人工智能、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，將提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者決策和管理行為的智能化;農(nóng)業(yè)傳感器、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)智能裝備等技術(shù)將實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的轉(zhuǎn)型升級(jí);數(shù)字化技術(shù)將使我們更加清晰地認(rèn)識(shí)和把握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象及其與各生產(chǎn)要素、環(huán)境要素、技術(shù)措施等的相互作用關(guān)系。

1.2.2 智慧農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)特征 數(shù)字經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，2020年我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá)到39.2萬(wàn)億元，占GDP比重的38.6%。據(jù)中國(guó)信息通信研究院數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2035年中國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模150萬(wàn)億元，占GDP比重55%，達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平。智慧農(nóng)業(yè)可以創(chuàng)造數(shù)字經(jīng)濟(jì)，澳大利亞The Yield公司利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為養(yǎng)殖場(chǎng)提供精準(zhǔn)信息服務(wù)，年產(chǎn)值近5億美元。2020年我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)零售額達(dá)到6 107億元，農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到6 920億元，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模將達(dá)到1.26萬(wàn)億元。新發(fā)展格局下，利用信息技術(shù)大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，通過(guò)構(gòu)建農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)、發(fā)展農(nóng)村新興產(chǎn)業(yè)，不僅有利于縮小城鄉(xiāng)數(shù)字和經(jīng)濟(jì)鴻溝，同時(shí)更孕育著巨大規(guī)模的農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 國(guó)外智慧農(nóng)業(yè)布局、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

近10來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高度關(guān)注智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，從國(guó)家層面進(jìn)行戰(zhàn)略部署，積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)傳感器、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈等智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。2015年，加拿大聯(lián)邦政府預(yù)測(cè)與策劃組織發(fā)布了《MetaScan3：新興技術(shù)與相關(guān)信息圖》，指出土壤與作物感應(yīng)器（傳感器）、家畜生物識(shí)別技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)器人在未來(lái)5-10年將顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。日本2015年啟動(dòng)了“基于智能機(jī)械+智能IT的下一代農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術(shù)”項(xiàng)目，核心內(nèi)容是“信息化技術(shù)+智能化裝備”。2017年，歐洲農(nóng)機(jī)工業(yè)學(xué)會(huì)提出了“農(nóng)業(yè)4.0（Farming4.0）”計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)智慧農(nóng)業(yè)是未來(lái)歐洲農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。2018年，美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院和美國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布《面向2030年的食品和農(nóng)業(yè)科學(xué)突破》報(bào)告，重點(diǎn)突出了傳感器、數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)發(fā)展方向，積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)與食品信息化。美國(guó)NSTC“國(guó)家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略計(jì)劃”中，將農(nóng)業(yè)作為人工智能優(yōu)先應(yīng)用發(fā)展的第10個(gè)領(lǐng)域，資助農(nóng)業(yè)人工智能科技的中長(zhǎng)期研發(fā);美國(guó)農(nóng)業(yè)部“2018-2022年戰(zhàn)略規(guī)劃”中，突出了農(nóng)業(yè)人工智能、自動(dòng)化與遙感技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)際咨詢機(jī)構(gòu)（Research and market）分析，2019年全球智慧農(nóng)業(yè)市值167億美元，2027年將達(dá)到292億美元，2021-2027年全球智慧農(nóng)業(yè)市值年復(fù)合增長(zhǎng)率（Compound annual growth rate，CAGR）將達(dá)到9.7%。目前，國(guó)際上以美國(guó)為代表的大田智慧農(nóng)業(yè)、以德國(guó)為代表的智慧養(yǎng)殖業(yè)、以荷蘭為代表的智能溫室生產(chǎn)以及以日本為代表的小型智能裝備業(yè)，均取得巨大進(jìn)步，形成了相對(duì)成熟的技術(shù)與產(chǎn)品，而且還形成了商業(yè)化的發(fā)展模式，為我國(guó)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2.1 農(nóng)業(yè)傳感器

傳感器作為智慧農(nóng)業(yè)的信息之源，在推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的作用。目前，農(nóng)業(yè)傳感器主要包括農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感器、動(dòng)植物生命信息傳感器、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全信息傳感器、農(nóng)機(jī)工況與作業(yè)傳感器等。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)傳感器新原理、新技術(shù)、新材料和新工藝不斷突破，已由簡(jiǎn)單的物理量傳感走向化學(xué)、生物信息的快速感知，納米等新材料技術(shù)的發(fā)展使得傳感器向著微型化、智能化、多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。如美國(guó)正在發(fā)展利用激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)測(cè)量土壤養(yǎng)分和重金屬含量，利用微納米技術(shù)研制可進(jìn)入動(dòng)植物生命體新陳代謝循環(huán)系統(tǒng)中的傳感器等?？傮w判斷，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家在農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，壟斷了感知元器件、高端農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器、動(dòng)植物生命信息傳感器、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)在線檢測(cè)設(shè)備等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品。未來(lái)5-10年，研發(fā)準(zhǔn)確、精密、便攜的傳感器和生物傳感器將是各國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器創(chuàng)新發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。這類傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)一次連續(xù)監(jiān)測(cè)多個(gè)環(huán)境和動(dòng)植物生命信息的特征參數(shù)，也可以對(duì)環(huán)境、生物及非生物脅迫等進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，具備在植物和動(dòng)物發(fā)病之前檢測(cè)疾病的能力，有助于實(shí)現(xiàn)各種食品和農(nóng)業(yè)學(xué)科相關(guān)指標(biāo)的快速檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。比如，柔性納米傳感器能夠簡(jiǎn)單便捷的貼附安裝于動(dòng)植物組織不規(guī)則表面進(jìn)行信息的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè);微納米尺度的傳感器可植入動(dòng)植物等生物體內(nèi)，并進(jìn)入生命體新陳代謝的循環(huán)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)植物生命體的生物信息;納米傳感器陣列具有多功能探測(cè)與分析能力，匹配強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與分析能力以及傳感網(wǎng)絡(luò)，具備復(fù)雜數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析處理能力，能夠讓監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)。

2.2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能

國(guó)際上通過(guò)圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（天氣、土壤、動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育、市場(chǎng)數(shù)據(jù)、社交媒體等）轉(zhuǎn)化為知識(shí)，并提供智能決策，實(shí)現(xiàn)部分或全部替代人工決策，在節(jié)省時(shí)間、增加安全性的同時(shí)減少潛在的人為錯(cuò)誤，大幅度提高決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。得益于強(qiáng)有力的基礎(chǔ)研究水平和能力，美國(guó)、荷蘭、以色列、日本等國(guó)家在農(nóng)業(yè)數(shù)字模型與模擬、農(nóng)業(yè)認(rèn)知計(jì)算與農(nóng)業(yè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、農(nóng)業(yè)可視交互服務(wù)引擎等技術(shù)、算法、模型等方向處于國(guó)際領(lǐng)先地位。如美國(guó)位于新澤西州的紐瓦克垂直農(nóng)場(chǎng)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析溫度、濕度、二氧化碳及作物長(zhǎng)勢(shì)信息，與傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)相比，每0.093m2用水減少95%，肥料減少50%，農(nóng)藥零投入，年產(chǎn)量高出390倍;意大利Tuscia大學(xué)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，加快氣候適應(yīng)性植物的育種研究，或?qū)⒅厮芪磥?lái)農(nóng)場(chǎng)。綜合判斷，未來(lái)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的知識(shí)決策替代人工經(jīng)驗(yàn)決策、知識(shí)決策主導(dǎo)的智能控制替代簡(jiǎn)單的時(shí)序控制，將從育種到產(chǎn)品銷售的整個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈得以廣泛應(yīng)用。

2.3 農(nóng)業(yè)智能裝備

美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家的農(nóng)業(yè)智能裝備研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)（包括果蔬嫁接、移栽、施藥、采摘，畜禽飼喂、清糞、奶牛擠奶，農(nóng)產(chǎn)品在線分級(jí)、標(biāo)識(shí)、包裝等）已經(jīng)或正在實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”或“無(wú)人作業(yè)”，大幅度提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)資源利用效率。如美國(guó)Abundant Robotics公司開(kāi)發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人，可準(zhǔn)確識(shí)別成熟的蘋果并且可以以平均1個(gè)/s的采摘速度連續(xù)工作24h;瑞士EcoRobotix公司開(kāi)發(fā)的田間除草機(jī)器人，可以準(zhǔn)確識(shí)別雜草并通過(guò)機(jī)械手臂對(duì)雜草進(jìn)行除草劑噴灑，農(nóng)藥使用量可降低20倍，農(nóng)業(yè)相關(guān)成本節(jié)約30%;愛(ài)爾蘭MagGrow開(kāi)發(fā)的農(nóng)藥噴灑機(jī)器人使用永久性稀土磁體產(chǎn)生電磁荷，可解決農(nóng)藥漂移問(wèn)題，農(nóng)藥的使用量減少了65%-75%。

3 我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問(wèn)題

3.1 我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 高度重視智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展 近10年的“中央一號(hào)文件”中，每年均強(qiáng)調(diào)了信息科技助力農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的內(nèi)容。其中，2020年“中央一號(hào)文件”提出，要加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）、智慧氣象等在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，同時(shí)明確實(shí)施數(shù)字鄉(xiāng)村試點(diǎn)工程;2021年“中央一號(hào)文件”指出，“推動(dòng)農(nóng)村千兆光網(wǎng)、第五代移動(dòng)通信（5G）、移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)與城市同步規(guī)劃建設(shè);發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)體系，推動(dòng)新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)深度融合”。此外，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出，“加強(qiáng)大中型、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)應(yīng)用”“完善農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)方式，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)”。

3.1.2 農(nóng)村信息化促進(jìn)了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展 目前，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)和4G村級(jí)覆蓋率達(dá)98%以上。根據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）第48次《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》，截至2021年6月，我國(guó)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)10.11億，農(nóng)村網(wǎng)民規(guī)模達(dá)2.97億，農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)普及率為59.2%，較2020年12月提升3.3個(gè)百分點(diǎn)，城鄉(xiāng)互聯(lián)網(wǎng)普及率差距進(jìn)一步縮小至19.1個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心的報(bào)告，2019年全國(guó)縣域數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展總體水平達(dá)36.0%，其中，東部地區(qū)為41.3%、中部地區(qū)為36.8%、西部地區(qū)為31.0%;我國(guó)2019年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化水平總體上達(dá)到23.8%，其中，作物種植信息化水平為17.48%、設(shè)施栽培信息化水平為41.0%、畜禽養(yǎng)殖信息化水平為32.8%、水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化水平為16.4%。

3.1.3 農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營(yíng)為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了條件 根據(jù)第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查，2016年耕地規(guī)模化比重為28.6%，而生豬、家禽養(yǎng)殖規(guī)?；戎胤謩e為62.9%和73.9%。目前，我國(guó)土地流轉(zhuǎn)占比40%以上，農(nóng)民專業(yè)合作社、家庭農(nóng)場(chǎng)、龍頭企業(yè)的數(shù)量達(dá)300萬(wàn)家以上，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了載體和需求的驅(qū)動(dòng)力。

3.1.4 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新取得明顯進(jìn)步 通過(guò)對(duì)中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)和Web of Sciences 數(shù)據(jù)庫(kù)2008—2018年發(fā)表的文獻(xiàn)檢索表明，智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)研究活躍程度（相關(guān)學(xué)術(shù)論文數(shù)量）排名前5的國(guó)家依次為：美國(guó)、中國(guó)、巴西、西班牙、德國(guó)，研究的熱點(diǎn)聚焦在農(nóng)業(yè)傳感器、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能、農(nóng)業(yè)智能控制與農(nóng)業(yè)機(jī)器人等方向。近年來(lái)，我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在：1）一般性環(huán)境類農(nóng)業(yè)傳感器（光、溫、水、氣）基本實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn);2）農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)情監(jiān)測(cè)、估產(chǎn)、以及災(zāi)害定量化評(píng)損定級(jí);3）農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，廣泛用于農(nóng)業(yè)信息獲取、病蟲害精準(zhǔn)防控;4）肥水一體化技術(shù)、側(cè)深精準(zhǔn)施肥技術(shù)、智能灌溉技術(shù)、精準(zhǔn)施藥技術(shù)廣泛應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn);5）農(nóng)機(jī)北斗導(dǎo)航在農(nóng)業(yè)耕種管收全程得到廣泛應(yīng)用，自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)產(chǎn)品成為市場(chǎng)主導(dǎo)，對(duì)國(guó)外產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了全替代;6）設(shè)施園藝超大型智能溫室技術(shù)、植物工廠技術(shù)等也取得了很大進(jìn)步，基本上可以實(shí)現(xiàn)自主技術(shù)自主生產(chǎn)。此外，我國(guó)在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)和農(nóng)業(yè)人工智能應(yīng)用方面，在大數(shù)據(jù)挖掘、智能算法、知識(shí)圖譜、知識(shí)模型決策等也進(jìn)行了廣泛的研究。

3.1.5 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)均得到初步應(yīng)用 在東北、西北、黃淮海平原等大田生產(chǎn)領(lǐng)域，通過(guò)廣泛應(yīng)用遙感監(jiān)測(cè)、專家決策系統(tǒng)和農(nóng)機(jī)北斗導(dǎo)航作業(yè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大田精準(zhǔn)作業(yè)。在設(shè)施養(yǎng)殖領(lǐng)域，主要應(yīng)用包括動(dòng)物禽舍環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)物個(gè)體形態(tài)與行為識(shí)別、精細(xì)飼喂、疫病防控等，特別是近年來(lái)，大范圍非洲豬瘟發(fā)生后，高度智能化的樓房養(yǎng)豬發(fā)展迅速;此外，我國(guó)南方的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展也很快。在設(shè)施園藝領(lǐng)域，目前所有的現(xiàn)代玻璃溫室和40%的日光溫室普遍采用了環(huán)境監(jiān)測(cè)、水肥一體化技術(shù);設(shè)施食用菌產(chǎn)業(yè)也廣泛應(yīng)用了信息技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)量和品質(zhì)的控制。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息服務(wù)領(lǐng)域，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)圖譜構(gòu)建，語(yǔ)音智能識(shí)別等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)服務(wù)。

3.2 我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)與問(wèn)題

3.2.1 我國(guó)農(nóng)田地塊規(guī)模小、耕地細(xì)碎化問(wèn)題突出 美國(guó)的農(nóng)場(chǎng)規(guī)模平均200hm2以上，平均每個(gè)農(nóng)民經(jīng)營(yíng)面積超過(guò)113hm2，歐盟國(guó)家農(nóng)場(chǎng)面積大于20hm2的占82%，農(nóng)場(chǎng)面積為100hm2的占52%。而我國(guó)農(nóng)田小地塊，碎片化程度高，經(jīng)營(yíng)面積3.4hm2以下的小農(nóng)戶占比95%以上，而耕地面積卻占我國(guó)總耕地面積的80%以上，小農(nóng)、小地塊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式導(dǎo)致我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)投入的邊際效益低、經(jīng)營(yíng)主體應(yīng)用積極性不高。

3.2.2 我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平比較低 實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)離不開(kāi)農(nóng)機(jī)裝備支撐。近年來(lái)我國(guó)加大力度支持與推廣全程、全面機(jī)械化，2020年底我國(guó)主要糧食作物耕種收綜合機(jī)械化率達(dá)到了71%，丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率為49%，設(shè)施園藝綜合機(jī)械化率為32%，畜牧養(yǎng)殖機(jī)械化率為35%，水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化率為30%。然而，受農(nóng)機(jī)產(chǎn)品需求多樣化、機(jī)具作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等因素影響，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)目前的農(nóng)機(jī)化和農(nóng)機(jī)裝備的智能化水平仍有10-20個(gè)百分點(diǎn)的差距，尤其是部分農(nóng)機(jī)裝備農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合不夠緊密等制約了我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展。

3.2.3 農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施薄弱 農(nóng)村寬帶網(wǎng)絡(luò)雖然到村，但到農(nóng)戶的比例低，到農(nóng)業(yè)園區(qū)的少;4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋信號(hào)不穩(wěn)定，5G基站少，通訊費(fèi)用高等問(wèn)題限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地信息化產(chǎn)品的應(yīng)用;農(nóng)村信息采集終端應(yīng)用少、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，以及農(nóng)田氣象、耕地質(zhì)量、土壤墑情、水文等監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏少;缺乏專業(yè)的信息化設(shè)備運(yùn)維隊(duì)伍，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)主體獲取信息難且成本高。

3.2.4 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)有效供給不足 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)有很多，但由于缺乏基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，核心的農(nóng)業(yè)傳感器和智能決策的算法模型，以及高端農(nóng)業(yè)智能裝備缺乏，不能滿足實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)的需求。其中，農(nóng)業(yè)智能控制與農(nóng)業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及核心零部件（如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線、負(fù)載動(dòng)力換擋、無(wú)級(jí)變速、視覺(jué)系統(tǒng)及識(shí)別算法、精密伺服電機(jī)、多自由度關(guān)節(jié)、柔性執(zhí)行器件等）遠(yuǎn)落后于美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，是目前我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)。在傳感器方面，盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感器和儀器儀表的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有量超過(guò)進(jìn)口產(chǎn)品，但在精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面與國(guó)外產(chǎn)品差距巨大，核心感知元器件主要依賴進(jìn)口，高端產(chǎn)品幾乎全部依賴進(jìn)口。缺乏針對(duì)我國(guó)農(nóng)戶和小地塊的技術(shù)，難以滿足我國(guó)廣大小農(nóng)戶的需求。此外，農(nóng)業(yè)的生態(tài)多樣性，對(duì)技術(shù)與應(yīng)用模式也是多樣的，但對(duì)于研發(fā)主體，投入大量資金研發(fā)后，卻不能像工業(yè)技術(shù)產(chǎn)品一樣大規(guī)模復(fù)制推廣，效益低，導(dǎo)致企業(yè)研發(fā)主體不愿意、不敢投入。

3.2.5 政策與機(jī)制問(wèn)題 政府投入力度不夠，無(wú)論是對(duì)于技術(shù)研發(fā)主體還是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)應(yīng)用主體，缺乏廣泛的優(yōu)惠支持政策。企業(yè)稅收高，人力成本高，應(yīng)用、運(yùn)維成本高，對(duì)于高新技術(shù)申請(qǐng)政府補(bǔ)貼程序復(fù)雜、通道不暢。以上這些均從某種程度上影響了我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

4 對(duì)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的展望

當(dāng)前，我國(guó)正處于向第二個(gè)一百年奮斗目標(biāo)邁進(jìn)的歷史關(guān)口，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，對(duì)變革傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，大幅度提高農(nóng)業(yè)資源利用率和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用，對(duì)“全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化”具有重大意義。2018年9月25日，習(xí)近平總書記在黑龍江農(nóng)墾建三江國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)考察時(shí)指出，“大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化，給農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀”。作為“十四五”時(shí)期乃至2035年我國(guó)推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要建設(shè)內(nèi)容，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)正面臨良好的機(jī)遇。縱觀我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變歷程，我國(guó)農(nóng)業(yè)在經(jīng)歷了人力和畜力為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)1.0）、生物-化學(xué)農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)2.0）、機(jī)械化農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)3.0）之后，正在大步伐邁入智慧農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)4.0）的新時(shí)代。在新發(fā)展格局下，積極應(yīng)對(duì)更加嚴(yán)峻的人口、資源、環(huán)境與市場(chǎng)的多重約束，探尋通過(guò)現(xiàn)代信息科技大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率的中國(guó)特色智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，既是新時(shí)代“三農(nóng)”工作的重點(diǎn)，也是建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的客觀要求。

4.1 未來(lái)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)

以提高主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率為目標(biāo)，重點(diǎn)突破農(nóng)業(yè)傳感器、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能、農(nóng)業(yè)智能控制與農(nóng)業(yè)機(jī)器人等智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)和產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品自主化;集成建立“信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入、個(gè)性化服務(wù)”的智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，建成智慧農(nóng)（牧、漁）場(chǎng)，建立農(nóng)產(chǎn)品智慧供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、管理數(shù)字化、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化，農(nóng)產(chǎn)品流通智慧化、農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息服務(wù)個(gè)性化，推進(jìn)知識(shí)替代經(jīng)驗(yàn)、機(jī)器替代人工，培育農(nóng)業(yè)智能裝備、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)、農(nóng)產(chǎn)品可信流通等新產(chǎn)業(yè)。到2025年，智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化水平由目前的20%提高到40%，農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)占農(nóng)業(yè)GDP比重由目前的8%提高到15%，為實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供強(qiáng)有力的科技支撐。

4.2 未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)重點(diǎn)任務(wù)

4.2.1 攻克農(nóng)業(yè)高可靠專用傳感器 重點(diǎn)研究以光學(xué)、電化學(xué)、電磁學(xué)、超聲、圖像等方法為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)傳感新機(jī)理，研發(fā)敏感器件、光電轉(zhuǎn)換、微弱信號(hào)處理等核心零部件，研制一批高精度農(nóng)業(yè)傳感器，打破國(guó)外技術(shù)產(chǎn)品壟斷。

4.2.2 研制農(nóng)業(yè)智能測(cè)控終端 重點(diǎn)研發(fā)基于芯片可進(jìn)行邊緣計(jì)算的高端智能終端，農(nóng)情田間調(diào)查、農(nóng)田巡檢、農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)施種養(yǎng)殖（設(shè)施畜禽、設(shè)施果蔬、設(shè)施水產(chǎn)）環(huán)境監(jiān)控、冷鏈儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境監(jiān)控等低成本智能測(cè)控終端，加速技術(shù)產(chǎn)品替代國(guó)外同類產(chǎn)品進(jìn)程。

4.2.3 研發(fā)高端智能農(nóng)機(jī)裝備 突破場(chǎng)景感知技術(shù)，研制負(fù)載動(dòng)力換擋、無(wú)級(jí)變速、支持高效作業(yè)的柔性執(zhí)行器件和智能操控系統(tǒng)，研制大馬力自主駕駛拖拉機(jī)、機(jī)械除草機(jī)器人、大載荷無(wú)人植保機(jī)、農(nóng)產(chǎn)品分揀分級(jí)機(jī)器人、農(nóng)產(chǎn)品冷庫(kù)裝卸機(jī)器人、授粉機(jī)器人、畜舍巡檢作業(yè)機(jī)器人等。

4.2.4 構(gòu)建主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺(tái) 重點(diǎn)突破農(nóng)業(yè)知識(shí)圖譜構(gòu)建、虛擬現(xiàn)實(shí)、農(nóng)業(yè)協(xié)同決策、數(shù)字孿生、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)云服務(wù)等核心關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)深度融合。

4.2.5 建設(shè)智慧農(nóng)（牧、漁、林）場(chǎng) 重點(diǎn)突破農(nóng)業(yè)無(wú)人自主系統(tǒng)復(fù)雜工況感知、智能決策、任務(wù)與路徑規(guī)劃、多機(jī)協(xié)同智能控制、自主作業(yè)裝備等核心技術(shù)，建設(shè)無(wú)人化或少人化的智慧農(nóng)場(chǎng)。

4.2.6 構(gòu)建主要農(nóng)產(chǎn)品智慧供應(yīng)鏈系統(tǒng) 重點(diǎn)突破智慧冷鏈數(shù)據(jù)深度感知、保質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)智能化和可信區(qū)塊鏈技術(shù)，開(kāi)發(fā)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈需求智能匹配系統(tǒng)、保質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)智能調(diào)控系統(tǒng)、質(zhì)量安全區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈信用評(píng)價(jià)系統(tǒng)和冷鏈物流智慧監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)，助力農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4.3 智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策建議

1）要統(tǒng)籌各類政府資源，加強(qiáng)政府支持，突破重點(diǎn)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自立自強(qiáng);圍繞重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)實(shí)施一批智慧農(nóng)業(yè)重大項(xiàng)目工程，總結(jié)可復(fù)制、可推廣的模式與經(jīng)驗(yàn);2）制定相關(guān)補(bǔ)貼政策，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用主體給予政策性補(bǔ)貼，減免以智慧農(nóng)業(yè)為核心業(yè)務(wù)的企業(yè)稅收，減免農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸通訊費(fèi)用;3）加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)與數(shù)據(jù)資源共享，尤其重點(diǎn)加強(qiáng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)制定，對(duì)于進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的外國(guó)企業(yè)產(chǎn)品，要求其提供數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)建立國(guó)家認(rèn)可的第三方檢測(cè)平臺(tái)。此外，政府部門要在一定范圍內(nèi)開(kāi)放農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，建立共享機(jī)制。

（作者系中國(guó)工程院院士，國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研究員）

（摘編自：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021（6）：1-7.