中國農業(yè)信息技術發(fā)展回顧及展望

趙春江，楊信廷，李 斌，李 明，閆 華

（北京農業(yè)信息技術研究中心/國家農業(yè)信息化工程技術研究中心/農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京100097）

0 引言

自1946年世界上第一臺電子計算機“電子數字積分 計 算 機 ”(ENIAC，Electronic Numerical And Calculator)在美國賓夕法尼亞大學問世以來，人類社會開始進入信息時代。信息技術的發(fā)展給各行各業(yè)提供了前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。信息科學與農業(yè)科學的相互滲透也深刻影響著農業(yè)科技發(fā)展，催生了一門新興交叉學科即農業(yè)信息技術。

農業(yè)信息技術的內涵隨著信息科學技術的發(fā)展、農業(yè)科學技術的發(fā)展和農業(yè)產業(yè)的發(fā)展而不斷更新，廣義上可以定義為基于計算機技術、網絡與通信技術、電子信息技術等現代農業(yè)信息技術研究開發(fā)的，應用于農業(yè)生產、經營、管理和服務等各領域的新技術、新產品。

回顧美國、歐洲、日本、韓國等發(fā)達國家農業(yè)信息技術的發(fā)展，大致經歷了4個階段。第一階段是20世紀50—60年代開展的，以科學統(tǒng)計計算為主的農業(yè)計算機應用；第二階段是20世紀70—80年代開展的數據處理、模擬模型和知識處理的研究，典型代表技術為農業(yè)專家系統(tǒng)；第三階段是20世紀90年代—21世紀初以網絡信息服務、3S[遙感技術(Remote Sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(Geography Information Systems，GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning Systems，GPS)]技術、智能控制等應用為主的全面信息化時期，典型代表技術為精準農業(yè)技術；第四階段是2008年以來物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術在農業(yè)領域的廣泛應用，典型代表技術為農業(yè)物聯網技術和農業(yè)機器人技術。世界農業(yè)發(fā)展和國內外信息技術實踐經驗表明，農業(yè)專家系統(tǒng)、精準作業(yè)技術與裝備、農業(yè)機器人、農業(yè)大數據等信息技術和產品已經成為重要的農業(yè)投入品，能顯著提高農業(yè)資源利用率、土地產出率、勞動生產率和生產經營管理水平。

站在新時代的起點，實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加快推進農業(yè)農村現代化，仍然面臨著誰來種地、怎樣把地種好的重大問題，面臨著質量效益不高和農業(yè)產業(yè)國際競爭力不強等嚴峻挑戰(zhàn)?；仡欉^去，農業(yè)信息技術為引領和支撐現代農業(yè)發(fā)展提供了強有力的科技支撐，展望未來，新一代人工智能技術迅猛發(fā)展，智能農業(yè)技術已成為中國未來一段時期的發(fā)展重點。有鑒于此，筆者對中國農業(yè)信息技術的發(fā)展進行回顧和展望，與農業(yè)信息技術界的同行進行交流，以繼續(xù)促進國內農業(yè)信息技術發(fā)展，加快建立信息化主導、生物技術引領、智能化生產、可持續(xù)發(fā)展的現代農業(yè)技術體系。

1 中國農業(yè)信息技術發(fā)展回顧

中國農業(yè)信息技術研究起步晚，但與世界農業(yè)信息技術發(fā)展相比，大致也經歷了4個階段。第一階段為20世紀為70年代末—80年代初，主要是以電子計算機作為工具和手段，開展農業(yè)科學統(tǒng)計計算、農業(yè)數據處理等農業(yè)計算應用，為農業(yè)信息技術的萌芽期（農業(yè)信息技術1.0時代）；第二階段為20世紀80—90年代，主要是以數據庫建設和計算機軟件開發(fā)為主，開展農業(yè)數字模型與模擬、農業(yè)專家系統(tǒng)和農業(yè)知識/信息處理等研究與應用，其中最具代表性和影響力的技術為農業(yè)專家系統(tǒng)，為農業(yè)信息技術的成長期（農業(yè)信息技術2.0時代）；第三階段為21世紀初—2010年前后，主要是以網站信息服務、計算機軟件及電子產品開發(fā)為主，開展農業(yè)3S技術、農業(yè)知識/信息服務、大田精準農業(yè)、設施農業(yè)自動化控制等研究應用，其中最具代表性和影響力的技術為數字農業(yè)技術和精準農業(yè)技術，為農業(yè)信息技術的成熟期（農業(yè)信息技術3.0時代）；第四階段為2011年至今，主要表現為農業(yè)物聯網、農業(yè)大數據和農業(yè)智能裝備技術在農業(yè)領域的廣泛應用，以及新一代農業(yè)人工智能技術的發(fā)展，可以稱之為農業(yè)信息技術的4.0時代。

1.1 農業(yè)信息技術1.0階段（1978—1985年左右）

1978年5月7日，《人民日報》發(fā)表題為《開展農業(yè)科研工作刻不容緩》的社論，指出“要積極開展原子能、遙感和電子計算機等新技術在農、林、牧、漁方面應用的研究，不斷提高研究水平?！睆亩_啟了中國農業(yè)信息技術發(fā)展的序幕?！督K農業(yè)科技》1978年第5期發(fā)表了題為《電子計算機與農業(yè)科學》的綜述性文章，回顧和展望了電子計算機在農業(yè)育種數據處理分析、氣象與病蟲預測預報、農業(yè)模擬試驗、農產品品質快速測量、動物營養(yǎng)估計與遺傳控制、大型溫室與人工氣候室環(huán)境控制，以及農業(yè)區(qū)劃和情報檢索等方面的應用，這是國內較早系統(tǒng)介紹和分析農業(yè)信息技術應用的文章。

此后，開封計算技術研究所的李莉[1]利用計算機對農業(yè)試驗數據進行了方差分析的驗證工作，南京農學院劉正華[2]利用計算機編制了測定計算遺傳距離和聚類分析的程序。從1983年起，相關學者先后探索了利用電子計算機進行農業(yè)產量預測[3]、農業(yè)數據管理與分析[4]、農業(yè)氣象預報[4-5]、飼料配方計算[6-7]、農業(yè)機械選配[8]、農業(yè)生產地域類型劃分[9]、農業(yè)氣候模擬[10]、農業(yè)經濟數據處理[11]等方面的應用，計算機從此成為農業(yè)科研人員的重要工具。

1.2 農業(yè)信息技術2.0階段（1985—2002年左右）

基層農業(yè)生產人員對農業(yè)領域專家的迫切需求以及國外農業(yè)專家系統(tǒng)的成功經驗，使得國內學者開始關注農業(yè)專家系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。中科院合肥智能機械研究所是國內較早開展農業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)的單位，研制的小麥施肥專家咨詢系統(tǒng)[12]在農業(yè)生產中發(fā)揮了重要的作用，此后國內學者陸續(xù)開發(fā)了生物育種[13]、小麥赤霉病預報[14]、水稻推薦施肥[15]、小麥條銹病流行程度趨勢預測[16]、麥田一代粘蟲測報[17]、飼料配方[18]、區(qū)域農業(yè)規(guī)劃[19]、稻縱卷葉螟管理[20]、棉花管理[21]、黃瓜病害診斷與防治[22]、果樹害蟲識別及防治[23]、冬小麥苗情診斷[24]、池塘高產養(yǎng)殖設計[25]、甜菜生產[26]、小麥綜合管理[27]、雞常見疾病診斷[28]、奶牛線性外貌評定[29]等一系列農業(yè)專家系統(tǒng)。1996—2002年國家“863”計劃持續(xù)在全國開展以農業(yè)專家系統(tǒng)為核心的智能化農業(yè)信息技術應用示范工程建設，這段時間農業(yè)專家系統(tǒng)技術取得了2項重大突破，一是出現了開發(fā)農業(yè)專家系統(tǒng)的平臺工具[30-33]，使農業(yè)技術人員不需要掌握軟件開發(fā)知識就可以開發(fā)農業(yè)專家系統(tǒng)，加速了農業(yè)專家系統(tǒng)在不同地區(qū)、不同農業(yè)動植物種類中的開發(fā)應用；二是農業(yè)專家系統(tǒng)的運行環(huán)境實現了由單機版向網絡版、移動終端版等多種環(huán)境的轉變[34-38]，加大了農業(yè)專家系統(tǒng)的推廣應用規(guī)模。在此基礎上，農業(yè)專家系統(tǒng)技術先后在全國23個省級示范區(qū)大面積推廣應用，取得了重大的社會經濟效益，形成了中國特有的“電腦農業(yè)”，并于2003年12月獲得世界信息首腦峰會大獎(World Summit Award)。

1.3 農業(yè)信息技術3.0階段（1996—2010左右）

從1996年開始，繼農業(yè)專家系統(tǒng)之后，有2個詞可以作為農業(yè)信息技術的符號，一個是“Precision Agriculture”（精準農業(yè)），一個是“Digital Agriculture”（數字農業(yè)），代表了農業(yè)信息技術領域2個各有側重點的技術方向，并一直沿用至今。

“Precision Agriculture”是20世紀80年代初期從發(fā)達國家開始逐步發(fā)展起來的以信息技術和智能農機為支撐的現代農業(yè)。關于“Precision Agriculture”，國內有3種翻譯，即“精準農業(yè)”、“精確農業(yè)”和“精細農業(yè)”。1996年，《科技潮》雜志介紹了國外的精確農業(yè)技術，隨后多名學者[39-43]相繼撰文介紹或展望精準農業(yè)技術，1998年7月中國農業(yè)大學成立精細農業(yè)研究中心，開始布局精準農業(yè)技術研究。1999年，原國家計委正式批準北京市建設國家精準農業(yè)研究示范基地，同年，北京市率先成立農業(yè)信息技術專業(yè)研發(fā)機構——北京農業(yè)信息技術研究中心。從1999年開始，國內學者[44-46]開始探索精準農業(yè)技術體系的研究與實踐，GPS 技 術[47-49]、GIS 技術[50]、遙感技術[51-52]等逐步應用于農業(yè)領域，到2003年，初步形成了以變量施肥技術[50,53-55]、精準灌溉技術[56]、信息獲取技術[57]、信息處理與決策系統(tǒng)[58-59]等為主的中國精準農業(yè)技術體系。2003年，由北京農業(yè)信息技術研究中心（國家農業(yè)信息化工程技術研究中心）建設的國家精準農業(yè)研究示范基地（位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)）也初步建成，奠定了國內實施精準農業(yè)的技術和實踐基礎。

“Digital Agriculture”一詞來源于“Digital Earth”（數字地球）。美國前副總統(tǒng)戈爾1998年1月在加利福尼亞科學中心開幕典禮上發(fā)表了題為《數字地球：認識二十一世紀我們所居住的星球》的演說，首次提出“數字地球”概念。前期國內對于“數字農業(yè)”的認識[60-61]，與對精準農業(yè)的認識基本相同。2001年，南京農業(yè)大學的高亮之[62]較早、較系統(tǒng)闡述了“數字農業(yè)”的內涵和技術體系，提出了數字農業(yè)是“農業(yè)過程的全面數字化（包括各種因素的數字化和各種過程的數字化）”的觀點，認為農業(yè)模型是數字農業(yè)的科學基礎與核心技術。2003年3月，科技部在北京召開了“數字農業(yè)與農村信息化”研討會，會議內容涵蓋了“精準農業(yè)”、“虛擬農業(yè)”、“智能農業(yè)”和“網絡農業(yè)”等核心技術內容。

“十一五”期間(2006—2010)，科技部先后在“863”計劃現代農業(yè)領域中設立了“數字農業(yè)技術專題”和“精準農業(yè)技術與裝備”重大項目，在國家科技支撐計劃中先后啟動了“現代農村信息化關鍵技術研究與示范”重大項目和“西部民族地區(qū)電子農務平臺關鍵技術研究與應用”、“村鎮(zhèn)數字化管理關鍵技術研究與應用”等一批重點項目，國內相關單位重點圍繞農業(yè)生物-環(huán)境信息獲取與解析技術、農業(yè)過程數字模型與系統(tǒng)仿真技術、虛擬農業(yè)與數字化設計技術、農業(yè)數字化管理和控制、精準農業(yè)共性關鍵技術及產品開發(fā)、精準農業(yè)集成平臺與示范、農業(yè)生產過程信息化、農產品流通信息化、農村綜合信息服務體系、省域和鎮(zhèn)域農村信息服務系統(tǒng)開發(fā)與技術集成示范等開展了相關研究工作。

截至2010年，國內數字農業(yè)關鍵技術研究取得重大突破，構建和完善了小麥[63-64]、水稻[65]、玉米[66]以及主要溫室作物生長模擬模型[67]和生產管理決策系統(tǒng)[68]；構建了奶牛[69]、生豬[70]、水產[71-72]等動物精準養(yǎng)殖技術體系；開發(fā)了糧油[73]、畜禽[74-75]、水產[76]、果蔬[77]等主要農產品質量跟蹤與溯源系統(tǒng)。精準農業(yè)技術和裝備研究取得重大技術創(chuàng)新，突破了車載土壤水分與壓實復合傳感器[78]、光纖式農田土壤有機質含量檢測[79]等一批重大關鍵技術，研制了嵌入式農機機載控制終端、輔助作業(yè)導航指示器[80]等配套產品，解決了國內目前小型聯合收割機實現自動化測產的技術難題；研制的智能化“溫室娃娃”[81]，實現了復雜條件下溫室環(huán)境的智能化管理。農村信息化關鍵技術研究與示范取得重要進展，開發(fā)了專業(yè)化、個性化的智能農業(yè)搜索引擎[82-83]，研制了面向種植和養(yǎng)殖生產全程、農產品流通[84]、縣域農業(yè)資源管理與決策、農村社區(qū)政務管理[85]和農民培訓等領域的農村軟硬件技術產品，在北京、上海、浙江、山東、寧夏等地區(qū)開展了農村信息化技術的典型應用示范并取得良好效果。

1.4 農業(yè)信息技術4.0階段（2011年至今）

2008年11月，IBM公司提出“智慧地球”的概念并在2009年1月得到時任美國總統(tǒng)奧巴馬的積極回應，2009年8月，時任中國國務院總理溫家寶在無錫視察時指出：“要在激烈的國際競爭中，迅速建立中國的傳感信息中心或‘感知中國’中心”。以此為起點，中國農業(yè)信息技術進入了以農業(yè)物聯網技術為關鍵詞的全面開發(fā)應用階段，相比前3個階段農業(yè)信息技術的研究主體主要是高校和科研機構，這一階段最大的變化在于企業(yè)尤其是從事計算機和信息通訊技術的企業(yè)開始向農業(yè)信息技術領域進軍。

從2011年起，科技部設立了“農村與農業(yè)信息化科技發(fā)展”重點專項，部署了農業(yè)物聯網技術、數字農業(yè)技術、農業(yè)精準作業(yè)技術、現代農業(yè)信息化關鍵技術集成與示范、農村信息化共性關鍵技術集成與應用、國家農村信息化示范省建設等7項重點任務，并在國家“863”計劃和國家科技支撐計劃中支持了9個項目（表1）。

表1 專項項目支持情況表

專項實施以來，突破了農業(yè)生產環(huán)境感知[86]、農產品加工流通過程質量安全信息感知[87]、食品安全云架構平臺[88]等關鍵技術產品，構建了面向生產、流通全程的食品質量安全農業(yè)物聯網架構體系。研究了大田作物精準監(jiān)測[89-90]、輕簡農田作業(yè)機械自動導航[91]、規(guī)?；?水田環(huán)境精準栽植[92]、肥藥精準施用[93-94]等農業(yè)精準作業(yè)關鍵技術和裝備。研制了植物養(yǎng)分、葉面積冠層信息傳感[95]、動物群體發(fā)熱疫情監(jiān)測、農產品產地包裝防偽[96]、全自動果蔬育苗與嫁接[97]等一批新產品。研發(fā)了基于光學檢測機理的水體濁度傳感器、智能氨氮復合傳感器、水產養(yǎng)殖水體電導率傳感器、基于雙探測器的水體葉綠素濃度在線檢測裝置[98]。開發(fā)完善了農村農業(yè)信息資源整合與共享服務工具[99]、基于情境感知與個性化智能推送技術的農業(yè)信息資源多網發(fā)布系統(tǒng)[100]、農業(yè)資源整合業(yè)務流引擎，研發(fā)了農林植物及設施環(huán)境三維建模軟件[101]等系列產品。建立了北京、山東、湖南、廣東、重慶、浙江、安徽等13個國家農村信息化示范省市。促進了國內農業(yè)信息技術領域的大面積應用推廣。

2 國內農業(yè)信息技術發(fā)展存在的問題與形勢

2.1 國內農業(yè)信息技術發(fā)展存在的問題

經過近30年的發(fā)展，國內農業(yè)信息技術已初步形成了包括農業(yè)大數據與云計算、農業(yè)傳感器與物聯網、動植物生命與環(huán)境信息感知、多尺度農業(yè)遙感信息融合、動植物生長數字化模擬與設計、農產品質量安全無損檢測、農業(yè)飛行器智能控制與信息獲取、農業(yè)機器人智能識別與控制、農業(yè)精準作業(yè)技術與裝備、全自動智能化動植物工廠等技術的智能化農業(yè)技術體系。但與美國、日本、歐盟等發(fā)達國家或地區(qū)相比，在技術創(chuàng)新能力、產業(yè)化水平和體制機制等方面均存在較大差距。

2.1.1 核心關鍵技術多處于跟蹤階段 根據科技部《“十三五”數字農業(yè)領域國內外技術競爭綜合研究報告》，中國除“農業(yè)傳感器與物聯網技術”和“動植物生命與環(huán)境信息感知技術”達到了與國際并行的水平外，絕大多數的智能農業(yè)關鍵技術處于跟蹤階段，總體發(fā)展水平與國際領先水平平均相差12年。中國在基礎研究和領先優(yōu)勢技術均不及主要發(fā)達國家，且基礎研究成果向優(yōu)勢技術轉化的能力較弱。

2.1.2 產業(yè)化水平總體落后 與領先國家相比，各項關鍵技術的研發(fā)仍處于實驗室、中試階段，而發(fā)達國家的相關技術已經進入了產業(yè)化階段。農業(yè)大數據、物聯網等新興技術在國內的應用研究相比于其他技術而言起步更晚，還基本處于實驗室階段，而其他技術正在逐步向中試階段邁進。

2.1.3 科技研發(fā)投入機制亟待完善 對農業(yè)信息技術的研發(fā)投入特別是企業(yè)的研發(fā)投入總體偏少?！笆濉逼陂g，國內對整個農業(yè)信息技術研發(fā)的投入不足10億元人民幣，而僅在2013年，孟山都公司就斥資9.3億美元收購保險公司Climate，期望以大數據技術再造“下一個農業(yè)時代”；歐盟則在2011—2013年間，每年新增2億歐元用于提高物聯網技術研發(fā)水平，同時設置3億歐元?？钣糜诮ㄔO物聯網產業(yè)中的相關項目。

2.2 國內農業(yè)信息技術發(fā)展面臨的形勢

2016年3月，谷歌(Google)旗下DeepMind公司開發(fā)的阿爾法圍棋(AlphaGo)擊敗韓國棋手李世石，全球掀起了新一輪人工智能浪潮。國際上發(fā)達國家高度重視人工智能技術與農業(yè)領域的融合，美國卡內基梅隆大學建立了農業(yè)機器人國家實驗室，提出智能農業(yè)研究計劃，預計到2020年，美國平均每個農場將擁有50臺連接物聯網的設備。日本2014年啟動實施“戰(zhàn)略創(chuàng)新/創(chuàng)造計劃”(Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program，SIP)，并于2015年啟動了基于智能機械+IT的“下一代農林水產業(yè)創(chuàng)造技術”。英國國家精準農業(yè)研究中心在歐盟FP7支持下，正實施Future Farm智能農業(yè)項目，研發(fā)除草機器人，替代化學農藥。加拿大聯邦政府預測與策劃組織在其發(fā)布的《MetaScan 3：新興技術與相關信息圖》報告中指出，土壤與作物感應器（傳感器）、家畜生物識別技術、變速收割控制、農業(yè)機器人、機械化農場網絡、封閉式生態(tài)系統(tǒng)、垂直（工廠化）農業(yè)等技術將在未來5～10年進入生產實際，改變傳統(tǒng)農業(yè)。利用下一代人工智能技術改變傳統(tǒng)農業(yè)，已成為當今世界現代農業(yè)科技發(fā)展的大趨勢。

2017年7月，國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中部署了“智能農業(yè)”產業(yè)升級重大任務，指出要研制農業(yè)智能傳感與控制系統(tǒng)、智能化農業(yè)裝備、農機田間作業(yè)自主系統(tǒng)等。建立完善天空地一體化的智能農業(yè)信息遙感監(jiān)測網絡。建立典型農業(yè)大數據智能決策分析系統(tǒng)，開展智能農場、智能化植物工廠、智能牧場、智能漁場、智能果園、農產品加工智能車間、農產品綠色智能供應鏈等集成應用示范。為未來一段時間農業(yè)信息技術的發(fā)展指明了方向。

3 農業(yè)新技術未來發(fā)展重點與建議

面向世界農業(yè)信息技術發(fā)展前沿，面向國內現代農業(yè)發(fā)展的重大需求，未來一段時間，農業(yè)信息技術的發(fā)展應以提高農業(yè)勞動生產率、資源利用率和土地產出率，促進農業(yè)發(fā)展方式轉變?yōu)槟繕?，加強人工智能技術與農業(yè)領域融合發(fā)展的基礎理論突破、關鍵技術研究、重大產品創(chuàng)制、標準規(guī)范制定和典型應用示范，建立以“信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、個性服務”為特征的農業(yè)智能生產技術體系、農業(yè)知識智能服務體系和智能農業(yè)產業(yè)體系，支撐農業(yè)生產經營方式實現“電腦替代人腦”、“機器替代人力”、“自主可控替代技術進口”3個轉變，全面推進中國農業(yè)現代化進程。

3.1 智能農業(yè)關鍵技術研發(fā)

針對農業(yè)“非結構化復雜農田作業(yè)環(huán)境與作業(yè)對象的生物特性”等特點，研究智能農業(yè)總體技術、理論方法、核心技術和軟硬件工具，構建智能農業(yè)應用的理論方法和技術架構體系。

3.2 智能農業(yè)重大產品創(chuàng)制

面向現代農業(yè)產業(yè)發(fā)展和智能農業(yè)產業(yè)培育，創(chuàng)制并熟化一批農業(yè)智能感知、智能控制、自主作業(yè)、智能服務等智能農業(yè)重大技術產品，培育形成產業(yè)鏈條完整、產業(yè)集群度高的智能農業(yè)產業(yè)。

3.3 智能農業(yè)技術集成應用

面向智能農業(yè)生產價值鏈，全面推進人工智能技術與農業(yè)深度跨界融合，建立高可控智能化植物工廠、智能農場、智能牧場、智能漁場、智能果園、農業(yè)裝備智能工廠、農產品加工智能車間和農產品綠色智能供應鏈等技術集成和應用模式，構建高效能、高效率、高效益的全新生產方式，保障農業(yè)生產安全，推進中國農業(yè)現代化進程。

3.4 農業(yè)知識智能服務工程

重點面向農村地區(qū)農民和新型農業(yè)經營主體精準化、個性化主動服務的重大需求，構建面向農業(yè)生產、農民生活、農村生態(tài)、農村商務和基層政務等應用領域全過程、全環(huán)節(jié)的農業(yè)知識智能服務平臺，提供高效便捷、簡明直觀、雙向互動、視覺與聽覺相結合的農業(yè)知識主動服務。

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