1、前言
人類社會經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命，正在經(jīng)歷智能革命[1]。具體到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)自身發(fā)展經(jīng)歷了以矮桿品種為代表的第一次綠色革命[2]、以動植物轉(zhuǎn)基因為核心的二次綠色革命[3]，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)的第三次革命——農(nóng)業(yè)智能革命已經(jīng)到來。農(nóng)業(yè)智能革命的核心要素是信息、裝備和智能，其表現(xiàn)形態(tài)就是智慧農(nóng)業(yè)（SmartAgriculture/Farming）。
智慧農(nóng)業(yè)是以信息和知識為核心要素，通過將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入、個性化服務(wù)的全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，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階段。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有三大科技要素：品種是核心，設(shè)施裝備是支撐，信息技術(shù)是質(zhì)量水平提升的手段。智慧農(nóng)業(yè)完美融合了以上三大科技要素，對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有里程碑意義。
2、全球智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
智慧農(nóng)業(yè)已成為當(dāng)今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，世界多個發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的政府和組織相繼推出了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展計劃。2014年，日本啟動實施“戰(zhàn)略性創(chuàng)新/創(chuàng)造計劃（Cross-MinisterialStrategicInnovationPromotionProgram，SIP）”，并于2015年啟動了基于“智能機械+現(xiàn)代信息”技術(shù)的“下一代農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術(shù)”[4]。2017年10月12日，歐洲農(nóng)機協(xié)會(EuropeanAgricultureMachineryAssociation，CEMA)召開峰會[5]，提出在信息化背景下，農(nóng)業(yè)數(shù)字技術(shù)革命正在到來，未來歐洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是以現(xiàn)代信息技術(shù)與先進農(nóng)機裝備應(yīng)用為特征的農(nóng)業(yè)4.0（Farming4.0）——智慧農(nóng)業(yè)；英國國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究中心（TheNationalCentreforPrecisionFarming，NCPF）在歐盟FP7計劃支持下，正實施（FutureFarm）智慧農(nóng)業(yè)項目，研發(fā)除草機器人進行除草作業(yè)，替代使用化學(xué)農(nóng)藥，目前已經(jīng)在100畝的田塊上實現(xiàn)了從播種到收獲全過程的機器人化農(nóng)業(yè)[6]。加拿大聯(lián)邦政府預(yù)測與策劃組織（PolicyHorizonsCanada）[7]在其發(fā)布的《元掃描3：新興技術(shù)與相關(guān)信息圖（MetaScan3:Emergingtechnologies）》報告中指出，土壤與作物傳感器、家畜生物識別技術(shù)、變速收割控制、農(nóng)業(yè)機器人、機械化農(nóng)場網(wǎng)絡(luò)、封閉式生態(tài)系統(tǒng)、垂直（工廠化）農(nóng)業(yè)等技術(shù)將在未來5-10年進入到生產(chǎn)應(yīng)用，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)[8]。美國在經(jīng)歷了機械化、雜交種化、化學(xué)化、生物技術(shù)化后，正走向智慧農(nóng)業(yè)(SmartAgriculture)，到2020年，美國平均每個農(nóng)場將擁有50臺連接物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備[9]。
據(jù)國際咨詢機構(gòu)研究與市場（ResearchandMarket）預(yù)測[10]，到2025年，全球智慧農(nóng)業(yè)市值將達(dá)到300.1億美元，發(fā)展最快的是亞太地區(qū)（中國和印度），2017-2025年復(fù)合增長率（CompoundAnnualGrowthRate，CAGR）達(dá)到11.5%，主要內(nèi)容包括大田精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧畜牧業(yè)、智慧漁業(yè)、智能溫室，主要技術(shù)包括遙感與傳感器技術(shù)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計算服務(wù)技術(shù)、智能化農(nóng)業(yè)裝備（如無人機、機器人）等。
3、中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題
近年來，在政府的大力支持下，中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展快速。農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到加強，2017年底，全國行政村通寬帶的比例達(dá)到96%[11]，農(nóng)村網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到2.11億，城鄉(xiāng)網(wǎng)民比例為2.8:1[12]，“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”行動取得了顯著成效。截止到2018年7月，全國21個省市開展了8種主要農(nóng)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)的試點，通過完善監(jiān)測預(yù)警體系，每日發(fā)布農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)價格指數(shù)，每月發(fā)布19種農(nóng)產(chǎn)品市場供需報告和5種產(chǎn)品供需平衡表[11]，實現(xiàn)了用數(shù)據(jù)管理服務(wù)，引導(dǎo)產(chǎn)銷；以山東、河南等為代表的全國18個省市開展了整省建制的信息進村入戶工程，全國1/3的行政村（約20.4萬個村）建立了益農(nóng)信息社，農(nóng)村信息綜合服務(wù)能力不斷提升[11]；廣東、浙江等14個省市開展了農(nóng)業(yè)電子商務(wù)試點，在428個國家級貧困縣開展電商精準(zhǔn)扶貧試點，電子商務(wù)進農(nóng)村綜合示范工程已累計支持了756個縣，農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)零售額達(dá)到了1.25萬億元人民幣，農(nóng)產(chǎn)品電商邁向3000億元大關(guān)[11]。
“十三五”期間，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在全國9個省市開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程區(qū)域試點，形成了426項節(jié)本增效農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品技術(shù)和應(yīng)用模式[11]。圍繞設(shè)施溫室智能化管理的需求，自主研制出了一批設(shè)施農(nóng)業(yè)作物環(huán)境信息傳感器、多回路智能控制器、節(jié)水灌溉控制器、水肥一體化等技術(shù)產(chǎn)品，對提高我國溫室智能化管理水平發(fā)揮了重要作用。我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破，建立了天空地一體化的作物氮素快速信息獲取技術(shù)體現(xiàn)，可實現(xiàn)省域、縣域、農(nóng)場、田塊不同空間尺度和作物不同生育時期時間尺度的作物氮素營養(yǎng)監(jiān)測；研制的基于北斗自動導(dǎo)航與測控技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械，在新疆棉花精準(zhǔn)種植中發(fā)揮了重要的作用，研制的農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)解決了作業(yè)面積和質(zhì)量人工核查難的問題，得到大面積應(yīng)用。
在取得了大量成果的同時，我們還應(yīng)該明確，我國智慧農(nóng)業(yè)仍缺乏基礎(chǔ)研究和技術(shù)積累，整體技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家差距15-20年。具體表現(xiàn)在我國智慧農(nóng)業(yè)所面臨的不僅僅是“短板”問題，而是整體技術(shù)水平均較低的“短桶”問題[13]。
目前，制約我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的短板技術(shù)有三項：一是農(nóng)業(yè)專用傳感器落后，我國目前自主研發(fā)農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)量不到世界的10%，且穩(wěn)定性差[14,15]；二是動植物模型與智能決策準(zhǔn)確度低，很多情況是時序控制而不是按需決策控制；三是缺乏智能化精準(zhǔn)作業(yè)裝備，作業(yè)質(zhì)量差。在應(yīng)用推廣上，全國各省市都開展了智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用試點建設(shè)，但大都處于“盆景”狀態(tài)，缺乏智慧農(nóng)業(yè)大面積應(yīng)用的“風(fēng)景”。同時，大多數(shù)項目停留在信息的簡單傳輸與顯示，展示成分大于實際效果，與農(nóng)業(yè)融合深度不夠，缺乏解決農(nóng)業(yè)實際問題的效果。
智慧農(nóng)業(yè)具有顯著的多學(xué)科交叉的特點，由于農(nóng)業(yè)具有生物特性，將信息技術(shù)直接拿到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域往往不能有效解決問題，必須開展基于農(nóng)業(yè)生物特性的農(nóng)業(yè)信息學(xué)（Ag-informatics）交叉研究，揭示基礎(chǔ)原理。然而，目前國家自然科學(xué)基金學(xué)科目錄中只在作物一級學(xué)科下設(shè)立作物信息學(xué)，而與生物信息學(xué)對應(yīng)的農(nóng)業(yè)信息學(xué)沒有作為學(xué)科方向給予支持[16]。因此，國家在智慧農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究方面的支持力度還需繼續(xù)加大。
4、我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)任務(wù)
4.1國家戰(zhàn)略需求分析
當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著“誰來種地、怎樣種好地”的重大問題[17]，面臨著質(zhì)量效益不高、國際競爭力不強等多重挑戰(zhàn)[18]。現(xiàn)代信息技術(shù)為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供了前所未有的新動能，成為提高我國農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益的新途徑。我國農(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）、機械化農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)3.0）之后[19]，必須進一步轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，將現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)4.0）。
黨中央、國務(wù)院發(fā)布了系列政策文件支持智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展：《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》第二十章中指出，要“加強農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)融合，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)冶”[20]；2016年8月，《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出了發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的明確任務(wù)[21]；《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016-2020年）》提出實施“智慧農(nóng)業(yè)引領(lǐng)工程”[22]；2018年2月，《中共中央國務(wù)院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》中明確提出，“大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，實施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程，推進物聯(lián)網(wǎng)試驗示范和遙感技術(shù)應(yīng)用”[23]；2018年6月27日，李克強總理主持的國務(wù)院常務(wù)會議指出，“要加快現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用、實施‘互聯(lián)網(wǎng)+’農(nóng)產(chǎn)品出村工程并鼓勵社會力量運用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展各種親農(nóng)惠農(nóng)新業(yè)態(tài)、新模式，滿足‘三農(nóng)’發(fā)展多樣化需求”[24]；2018年12月12日，李克強總理主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議再次指出，要“推進‘互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)機作業(yè)’，促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展”[25]。連續(xù)發(fā)布的多個政策表明，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)已成為重要國家戰(zhàn)略之一。
4.2智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)
綜合智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)特征及我國發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略需求，我國未來10年智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)為：瞄準(zhǔn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重大需求，突破智慧農(nóng)業(yè)核心技術(shù)、卡脖子技術(shù)與短板技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)“機器替代人力”、“電腦替代人腦”、“自主技術(shù)替代進口”的三大轉(zhuǎn)變，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和經(jīng)營網(wǎng)絡(luò)化水平，加快信息化服務(wù)普及，降低應(yīng)用成本，為農(nóng)民提供用得上、用得起、用得好的個性化精準(zhǔn)信息服務(wù)，大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、效能、效益，引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。
4.3重點任務(wù)
在戰(zhàn)略目標(biāo)的指導(dǎo)下，按照“抓重點、補短板、強弱項”思路，今后智慧農(nóng)業(yè)的8項重點發(fā)展任務(wù)如下：
（1）研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)傳感器。傳感器是智慧農(nóng)業(yè)核心技術(shù)，高端傳感器的核心部件（激光器、光柵等）制約了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的土壤養(yǎng)分（氮素）傳感器、土壤重金屬傳感器、農(nóng)藥殘留傳感器、作物養(yǎng)分與病害傳感器、動物病毒傳感器以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)傳感器等。
（2）發(fā)展大載荷農(nóng)業(yè)無人機植保系統(tǒng)。研發(fā)載荷200kg以上的高端無人機的導(dǎo)航和仿形飛控平臺、作業(yè)裝備，重點攻克田間環(huán)境感知和自主作業(yè)避障技術(shù)，發(fā)展大載荷自主控制農(nóng)業(yè)植保無人機平臺和精準(zhǔn)施藥技術(shù)裝備等。
（3）研制智能拖拉機。目前我國大馬力高端智能拖拉機主要依靠進口。研制農(nóng)機傳感器高性能芯片，智能終端，基于國際標(biāo)準(zhǔn)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線技術(shù)控制模塊，攻克拖拉機自動駕駛技術(shù)，包括農(nóng)機導(dǎo)航陀螺加速度傳感器、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）板卡、ARM（AdvancedRISCMachines）芯片、角度傳感器、電動方向盤電機和基增強技術(shù)等。
（4）研發(fā)農(nóng)業(yè)機器人。研發(fā)一批能承擔(dān)高勞動強度、適應(yīng)惡劣作業(yè)環(huán)境、完成高質(zhì)量作業(yè)要求的農(nóng)業(yè)作業(yè)機器人。如嫁接機器人、除草機器人、授粉機器人、打藥機器人以及設(shè)施溫室電動作業(yè)機器人等。
（5）解決農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源問題。信息最初1km是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。建立高效、低成本的天空地信息獲取系統(tǒng)，積極發(fā)展農(nóng)業(yè)專用衛(wèi)星，協(xié)同用好高分系列衛(wèi)星和國際其他衛(wèi)星資源，解決農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源問題。
（6）發(fā)展農(nóng)業(yè)人工智能。充分利用新一代人工智能發(fā)展的歷史機遇，積極發(fā)展農(nóng)業(yè)人工智能。重點開展農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能研究，通過深度學(xué)習(xí)建立農(nóng)業(yè)知識圖譜實現(xiàn)作物病蟲害和動物個體智能識別與診斷，研究智能語音精準(zhǔn)信息服務(wù)系統(tǒng)等。
（7）開展集成應(yīng)用示范。推進智慧農(nóng)場（大田精準(zhǔn)作業(yè)）、智能植物工廠、智慧牧場、智慧漁場、智慧果園、農(nóng)業(yè)智能信息服務(wù)、典型農(nóng)業(yè)機器人、農(nóng)產(chǎn)品智能加工車間和智慧物流等的集成應(yīng)用示范。
（8）提升智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。通過研發(fā)農(nóng)業(yè)智能材料、農(nóng)業(yè)傳感器與儀器儀表、智能化農(nóng)機裝備、農(nóng)業(yè)智能機器人、農(nóng)業(yè)群體智能搜索引擎、農(nóng)業(yè)智能語音服務(wù)機器人、農(nóng)技推廣智能化工具箱、農(nóng)業(yè)軟件智能重構(gòu)工具產(chǎn)品，發(fā)展農(nóng)業(yè)裝備智能化生產(chǎn)線、農(nóng)業(yè)商務(wù)智能、農(nóng)業(yè)綜合信息智能服務(wù)、農(nóng)機智能調(diào)度與運維管理、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全智能監(jiān)管、農(nóng)業(yè)資源智能監(jiān)管、農(nóng)情監(jiān)測與智能會商、農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺等提升智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。
5、對智慧農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的政策建議
完善的政策保障是產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵，我國智慧農(nóng)業(yè)尚處于起步發(fā)展階段，建議政府在以下5個方面制定相應(yīng)政策措施，促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展：
（1）加強政府支持。統(tǒng)籌各類政府資源，大幅度給予行業(yè)從業(yè)者政府資源支持。圍繞重點領(lǐng)域、重點產(chǎn)業(yè)實施一批智慧農(nóng)業(yè)重大項目工程，加強智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，總結(jié)經(jīng)驗，建立可復(fù)制、可推廣模式。
（2）制定相關(guān)補貼政策。鑒于農(nóng)業(yè)的社會公益性、生態(tài)區(qū)域性、高度分散和個性化特點，推廣智慧農(nóng)業(yè)不可能像工業(yè)那樣大規(guī)模復(fù)制，因此實施成本高、市場利潤低。建議相關(guān)部門類比農(nóng)機購置補貼政策，對智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)品和應(yīng)用主體給予政策性補貼，減免農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)接入費用和農(nóng)民移動通訊、數(shù)據(jù)傳輸費用。
（3）加強技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。依托聯(lián)盟、協(xié)會等團體和組織，快速建立包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)等團體標(biāo)準(zhǔn)，并積極推動國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)。建立國家和行業(yè)認(rèn)可的第三方產(chǎn)品、技術(shù)檢測平臺。
（4）開放數(shù)據(jù)共享。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有散亂雜、孤島林立等特點，建議政府部門加強農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的收集和整合，并在一定范圍內(nèi)開放相關(guān)數(shù)據(jù)，建立共享機制。對于進入國內(nèi)市場的外國企業(yè)產(chǎn)品，要求其提供數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。
（5）加強人才隊伍建設(shè)。培養(yǎng)農(nóng)業(yè)與信息多學(xué)科交叉的人才，建議教育機構(gòu)在高校研究生課程中開設(shè)智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)課程；鼓勵信息領(lǐng)域人才進入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開展相關(guān)科學(xué)研究與應(yīng)用推廣；積極開展技術(shù)培訓(xùn)，建設(shè)懂技術(shù)會操作的智慧農(nóng)業(yè)推廣隊伍。
作者系中國工程院院士
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：《智慧農(nóng)業(yè)》
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