1、前言
人類社會經歷了農業革命、工業革命，正在經歷智能革命[1]。具體到農業領域，農業自身發展經歷了以矮桿品種為代表的第一次綠色革命[2]、以動植物轉基因為核心的二次綠色革命[3]，隨著現代信息技術在農業領域的廣泛應用，農業的第三次革命——農業智能革命已經到來。農業智能革命的核心要素是信息、裝備和智能，其表現形態就是智慧農業（SmartAgriculture/Farming）。
智慧農業是以信息和知識為核心要素，通過將互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等現代信息技術與農業深度融合，實現農業信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、個性化服務的全新的農業生產方式，是農業信息化發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段。現代農業有三大科技要素：品種是核心，設施裝備是支撐，信息技術是質量水平提升的手段。智慧農業完美融合了以上三大科技要素，對農業發展具有里程碑意義。
2、全球智慧農業發展現狀
智慧農業已成為當今世界現代農業發展的大趨勢，世界多個發達國家和地區的政府和組織相繼推出了智慧農業發展計劃。2014年，日本啟動實施“戰略性創新/創造計劃（Cross-MinisterialStrategicInnovationPromotionProgram，SIP）”，并于2015年啟動了基于“智能機械+現代信息”技術的“下一代農林水產業創造技術”[4]。2017年10月12日，歐洲農機協會(EuropeanAgricultureMachineryAssociation，CEMA)召開峰會[5]，提出在信息化背景下，農業數字技術革命正在到來，未來歐洲農業的發展方向是以現代信息技術與先進農機裝備應用為特征的農業4.0（Farming4.0）——智慧農業；英國國家精準農業研究中心（TheNationalCentreforPrecisionFarming，NCPF）在歐盟FP7計劃支持下，正實施（FutureFarm）智慧農業項目，研發除草機器人進行除草作業，替代使用化學農藥，目前已經在100畝的田塊上實現了從播種到收獲全過程的機器人化農業[6]。加拿大聯邦政府預測與策劃組織（PolicyHorizonsCanada）[7]在其發布的《元掃描3：新興技術與相關信息圖（MetaScan3:Emergingtechnologies）》報告中指出，土壤與作物傳感器、家畜生物識別技術、變速收割控制、農業機器人、機械化農場網絡、封閉式生態系統、垂直（工廠化）農業等技術將在未來5-10年進入到生產應用，改變傳統農業[8]。美國在經歷了機械化、雜交種化、化學化、生物技術化后，正走向智慧農業(SmartAgriculture)，到2020年，美國平均每個農場將擁有50臺連接物聯網的設備[9]。
據國際咨詢機構研究與市場（ResearchandMarket）預測[10]，到2025年，全球智慧農業市值將達到300.1億美元，發展最快的是亞太地區（中國和印度），2017-2025年復合增長率（CompoundAnnualGrowthRate，CAGR）達到11.5%，主要內容包括大田精準農業、智慧畜牧業、智慧漁業、智能溫室，主要技術包括遙感與傳感器技術、農業大數據與云計算服務技術、智能化農業裝備（如無人機、機器人）等。
3、中國智慧農業發展現狀與存在問題
近年來，在政府的大力支持下，中國智慧農業發展快速。農村網絡基礎設施建設得到加強，2017年底，全國行政村通寬帶的比例達到96%[11]，農村網民規模達到2.11億，城鄉網民比例為2.8:1[12]，“互聯網+現代農業”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種主要農產品大數據的試點，通過完善監測預警體系，每日發布農產品批發價格指數，每月發布19種農產品市場供需報告和5種產品供需平衡表[11]，實現了用數據管理服務，引導產銷；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）建立了益農信息社，農村信息綜合服務能力不斷提升[11]；廣東、浙江等14個省市開展了農業電子商務試點，在428個國家級貧困縣開展電商精準扶貧試點，電子商務進農村綜合示范工程已累計支持了756個縣，農村網絡零售額達到了1.25萬億元人民幣，農產品電商邁向3000億元大關[11]。
“十三五”期間，農業農村部在全國9個省市開展農業物聯網工程區域試點，形成了426項節本增效農業物聯網產品技術和應用模式[11]。圍繞設施溫室智能化管理的需求，自主研制出了一批設施農業作物環境信息傳感器、多回路智能控制器、節水灌溉控制器、水肥一體化等技術產品，對提高我國溫室智能化管理水平發揮了重要作用。我國精準農業關鍵技術取得重要突破，建立了天空地一體化的作物氮素快速信息獲取技術體現，可實現省域、縣域、農場、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監測；研制的基于北斗自動導航與測控技術的農業機械，在新疆棉花精準種植中發揮了重要的作用，研制的農機深松作業監測系統解決了作業面積和質量人工核查難的問題，得到大面積應用。
在取得了大量成果的同時，我們還應該明確，我國智慧農業仍缺乏基礎研究和技術積累，整體技術水平與發達國家差距15-20年。具體表現在我國智慧農業所面臨的不僅僅是“短板”問題，而是整體技術水平均較低的“短桶”問題[13]。
目前，制約我國智慧農業發展的短板技術有三項：一是農業專用傳感器落后，我國目前自主研發農業傳感器數量不到世界的10%，且穩定性差[14,15]；二是動植物模型與智能決策準確度低，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作業裝備，作業質量差。在應用推廣上，全國各省市都開展了智慧農業應用試點建設，但大都處于“盆景”狀態，缺乏智慧農業大面積應用的“風景”。同時，大多數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，與農業融合深度不夠，缺乏解決農業實際問題的效果。
智慧農業具有顯著的多學科交叉的特點，由于農業具有生物特性，將信息技術直接拿到農業領域往往不能有效解決問題，必須開展基于農業生物特性的農業信息學（Ag-informatics）交叉研究，揭示基礎原理。然而，目前國家自然科學基金學科目錄中只在作物一級學科下設立作物信息學，而與生物信息學對應的農業信息學沒有作為學科方向給予支持[16]。因此，國家在智慧農業基礎研究方面的支持力度還需繼續加大。
4、我國智慧農業發展的目標任務
4.1國家戰略需求分析
當前，我國農業發展面臨著“誰來種地、怎樣種好地”的重大問題[17]，面臨著質量效益不高、國際競爭力不強等多重挑戰[18]。現代信息技術為我國農業現代化發展提供了前所未有的新動能，成為提高我國農業質量效益的新途徑。我國農業在經歷了人力和畜力為主的傳統農業（農業1.0）、生物—化學農業（農業2.0）、機械化農業（農業3.0）之后[19]，必須進一步轉變農業生產方式，將現代信息技術與農業深度融合，大力發展智慧農業（農業4.0）。
黨中央、國務院發布了系列政策文件支持智慧農業發展：《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》第二十章中指出，要“加強農業與信息技術融合，發展智慧農業冶”[20]；2016年8月，《“十三五”國家科技創新規劃》提出了發展智慧農業的明確任務[21]；《全國農業現代化規劃（2016-2020年）》提出實施“智慧農業引領工程”[22]；2018年2月，《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》中明確提出，“大力發展數字農業，實施智慧農業林業水利工程，推進物聯網試驗示范和遙感技術應用”[23]；2018年6月27日，李克強總理主持的國務院常務會議指出，“要加快現代信息技術在農業中廣泛應用、實施‘互聯網+’農產品出村工程并鼓勵社會力量運用互聯網發展各種親農惠農新業態、新模式，滿足‘三農’發展多樣化需求”[24]；2018年12月12日，李克強總理主持召開的國務院常務會議再次指出，要“推進‘互聯網+農機作業’，促進智慧農業發展”[25]。連續發布的多個政策表明，發展智慧農業已成為重要國家戰略之一。
4.2智慧農業戰略目標
綜合智慧農業的技術特征及我國發展現代農業的戰略需求，我國未來10年智慧農業發展的戰略目標為：瞄準農業現代化與鄉村振興戰略的重大需求，突破智慧農業核心技術、卡脖子技術與短板技術，實現農業“機器替代人力”、“電腦替代人腦”、“自主技術替代進口”的三大轉變，提高農業生產智能化和經營網絡化水平，加快信息化服務普及，降低應用成本，為農民提供用得上、用得起、用得好的個性化精準信息服務，大幅度提高農業生產效率、效能、效益，引領現代農業發展。
4.3重點任務
在戰略目標的指導下，按照“抓重點、補短板、強弱項”思路，今后智慧農業的8項重點發展任務如下：
（1）研發具有自主知識產權的農業傳感器。傳感器是智慧農業核心技術，高端傳感器的核心部件（激光器、光柵等）制約了智慧農業發展。研發具有自主知識產權的土壤養分（氮素）傳感器、土壤重金屬傳感器、農藥殘留傳感器、作物養分與病害傳感器、動物病毒傳感器以及農產品品質傳感器等。
（2）發展大載荷農業無人機植保系統。研發載荷200kg以上的高端無人機的導航和仿形飛控平臺、作業裝備，重點攻克田間環境感知和自主作業避障技術，發展大載荷自主控制農業植保無人機平臺和精準施藥技術裝備等。
（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。研制農機傳感器高性能芯片，智能終端，基于國際標準的控制器局域網絡（ControllerAreaNetwork，CAN）總線技術控制模塊，攻克拖拉機自動駕駛技術，包括農機導航陀螺加速度傳感器、全球導航衛星系統（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等。
（4）研發農業機器人。研發一批能承擔高勞動強度、適應惡劣作業環境、完成高質量作業要求的農業作業機器人。如嫁接機器人、除草機器人、授粉機器人、打藥機器人以及設施溫室電動作業機器人等。
（5）解決農業大數據源問題。信息最初1km是智慧農業發展的最大瓶頸。建立高效、低成本的天空地信息獲取系統，積極發展農業專用衛星，協同用好高分系列衛星和國際其他衛星資源，解決農業大數據源問題。
（6）發展農業人工智能。充分利用新一代人工智能發展的歷史機遇，積極發展農業人工智能。重點開展農業大數據智能研究，通過深度學習建立農業知識圖譜實現作物病蟲害和動物個體智能識別與診斷，研究智能語音精準信息服務系統等。
（7）開展集成應用示范。推進智慧農場（大田精準作業）、智能植物工廠、智慧牧場、智慧漁場、智慧果園、農業智能信息服務、典型農業機器人、農產品智能加工車間和智慧物流等的集成應用示范。
（8）提升智慧農業產業。通過研發農業智能材料、農業傳感器與儀器儀表、智能化農機裝備、農業智能機器人、農業群體智能搜索引擎、農業智能語音服務機器人、農技推廣智能化工具箱、農業軟件智能重構工具產品，發展農業裝備智能化生產線、農業商務智能、農業綜合信息智能服務、農機智能調度與運維管理、農產品質量安全智能監管、農業資源智能監管、農情監測與智能會商、農產品監測預警系統平臺等提升智慧農業產業。
5、對智慧農業未來發展的政策建議
完善的政策保障是產業快速發展的關鍵，我國智慧農業尚處于起步發展階段，建議政府在以下5個方面制定相應政策措施，促進智慧農業發展：
（1）加強政府支持。統籌各類政府資源，大幅度給予行業從業者政府資源支持。圍繞重點領域、重點產業實施一批智慧農業重大項目工程，加強智慧農業關鍵技術研究與應用示范，總結經驗，建立可復制、可推廣模式。
（2）制定相關補貼政策。鑒于農業的社會公益性、生態區域性、高度分散和個性化特點，推廣智慧農業不可能像工業那樣大規模復制，因此實施成本高、市場利潤低。建議相關部門類比農機購置補貼政策，對智慧農業技術產品和應用主體給予政策性補貼，減免農村地區互聯網接入費用和農民移動通訊、數據傳輸費用。
（3）加強技術標準建設。依托聯盟、協會等團體和組織，快速建立包括數據標準、產品標準、市場準入標準等團體標準，并積極推動國家和行業標準的建設。建立國家和行業認可的第三方產品、技術檢測平臺。
（4）開放數據共享。農業數據具有散亂雜、孤島林立等特點，建議政府部門加強農業數據的收集和整合，并在一定范圍內開放相關數據，建立共享機制。對于進入國內市場的外國企業產品，要求其提供數據接口標準。
（5）加強人才隊伍建設。培養農業與信息多學科交叉的人才，建議教育機構在高校研究生課程中開設智慧農業相關課程；鼓勵信息領域人才進入農業領域開展相關科學研究與應用推廣；積極開展技術培訓，建設懂技術會操作的智慧農業推廣隊伍。
作者系中國工程院院士
中國鄉村發現網轉自：《智慧農業》
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