農(nóng)業(yè)傳感器國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)與研究前沿分析

袁建霞 張秋菊 胡小鹿

摘要? ? 農(nóng)業(yè)傳感器是農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈體系中用于感知和傳輸相關(guān)信息的器件，是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，成為農(nóng)業(yè)科技研究熱點(diǎn)之一。本研究以農(nóng)業(yè)傳感器相關(guān)SCI論文為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量法、內(nèi)容分析法和專家咨詢法等，對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器的國(guó)際研究態(tài)勢(shì)與研究前沿進(jìn)行了分析，旨在把握該領(lǐng)域的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)、研究前沿方向和未來(lái)科技發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞? ? 農(nóng)業(yè)傳感器;SCI論文;競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì);研究前沿

中圖分類號(hào)? ? TP212;S126? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）14-0233-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? Agricultural sensor is a device for sensing and transmitting relevant information in the agricultural industrial chain system.It is the key and foundation for the development of smart agriculture.In recent years，agricultural sensor technology has received extensive attention from the academic community，and has become one of the hotspots of agricultural science and technology research.In this paper，with the agricultural sensor related SCI papers as research objects，combining biblio metrics method，content analysis method and expert consultation method，we analyzed the international research situation and research fronts of agricultural sensors，in order to grasp the national competition situation，research fronts and future technology trends in this area.

Key words? ? agricultural sensor;SCI paper;competition situation;research front

農(nóng)業(yè)傳感器是在農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈體系中，用于感知農(nóng)業(yè)環(huán)境、農(nóng)業(yè)動(dòng)植物本體、農(nóng)機(jī)作業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品等相關(guān)信息，并將其轉(zhuǎn)換為便于處理和傳輸?shù)男盘?hào)的器件或裝置。作為農(nóng)業(yè)信息感知層的關(guān)鍵組成部分，農(nóng)業(yè)傳感器承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹厝?，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化、智慧化管理的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，是智慧農(nóng)業(yè)的源頭[1-2]。2018年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布咨詢報(bào)告將傳感技術(shù)確定為到2030年可以極大提高食品與農(nóng)業(yè)科學(xué)能力的五項(xiàng)科學(xué)突破之一[3]。我國(guó)也高度重視農(nóng)業(yè)傳感器的研發(fā)，2016年工業(yè)和信息化部、農(nóng)業(yè)部和發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動(dòng)方案（2016—2025）》[4]，將農(nóng)業(yè)機(jī)械專用傳感器納入重點(diǎn)任務(wù)關(guān)鍵零部件發(fā)展專項(xiàng)。

通過(guò)分析農(nóng)業(yè)傳感器SCI論文數(shù)量、熱點(diǎn)研究主題、技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家、重點(diǎn)論文研究?jī)?nèi)容等，揭示農(nóng)業(yè)傳感器的國(guó)際研究競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)和當(dāng)前的研究前沿方向，以為相關(guān)科技管理部門(mén)優(yōu)化科技創(chuàng)新布局和科研項(xiàng)目管理提供決策支撐。

1? ? 研究數(shù)據(jù)與方法

本研究以科睿唯安科學(xué)引文索引（SCI）數(shù)據(jù)庫(kù)的期刊論文為數(shù)據(jù)源，利用農(nóng)業(yè)、傳感器相關(guān)主題詞，結(jié)合傳感器期刊名稱及學(xué)科方向等設(shè)計(jì)綜合檢索式，檢索發(fā)表于2013—2018年的相關(guān)研究論文。然后，以檢索到的論文作為研究對(duì)象，進(jìn)行國(guó)際研究競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)和研究前沿分析，分析思路和框架見(jiàn)圖1。

國(guó)際研究競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)分析以檢索到的全部SCI論文為對(duì)象，首先利用科睿唯安的數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，包括國(guó)家、關(guān)鍵詞等字段的規(guī)范和統(tǒng)一。然后利用該工具對(duì)清洗后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括論文數(shù)量、熱點(diǎn)主題、國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)等，以此來(lái)反映農(nóng)業(yè)傳感器的國(guó)際研究競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

研究前沿分析在檢索到的SCI論文數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，篩選出被引頻次排名在前1%的論文，再請(qǐng)專家進(jìn)行遴選，選出重點(diǎn)論文逐篇進(jìn)行內(nèi)容解讀，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)研究主題進(jìn)行聚類分析，獲得當(dāng)前農(nóng)業(yè)傳感器的研究前沿方向及其重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

2? ? 國(guó)際研究競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)分析

本研究共檢索到發(fā)表于2013—2018年的農(nóng)業(yè)傳感器SCI論文10 564篇（檢索日期為2018年9月），年度變化從2013年的1 359篇增加至2017年的2 185篇（2018年數(shù)據(jù)不完整），增加了近2/3。表明近年來(lái)農(nóng)業(yè)傳感器研究規(guī)模在不斷擴(kuò)大，處于研究上升期，越來(lái)越受關(guān)注。

2.1? ? 熱點(diǎn)研究主題

關(guān)鍵詞能鮮明而直觀地表述文獻(xiàn)論述或表達(dá)的主題。因此，本文通過(guò)分析農(nóng)業(yè)傳感器SCI論文中出現(xiàn)頻次排名靠前、具有實(shí)質(zhì)意義的30個(gè)關(guān)鍵詞（表1），來(lái)揭示該領(lǐng)域當(dāng)前的熱點(diǎn)研究主題。

30個(gè)高頻關(guān)鍵詞主要分布在農(nóng)業(yè)傳感器類型、敏感材料、應(yīng)用目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)及其他等5個(gè)方面（表2）。從傳感器類型看，生物傳感器、電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、免疫傳感器、電子鼻、電子舌是熱點(diǎn)研究類型;從敏感材料看，金納米粒子、石墨烯、氧化石墨烯及專用于生物傳感器的核酸適配體和分子印跡聚合物是熱點(diǎn)研究材料。從探測(cè)目標(biāo)看，研究熱點(diǎn)集中在土壤濕度、植被指數(shù)、蒸發(fā)蒸騰量、殺蟲(chóng)劑、溫度和葉面積指數(shù)測(cè)定及食品安全檢測(cè);從關(guān)鍵技術(shù)看，研究熱點(diǎn)主要有遙感、熒光、修飾電極、伏安法、量子點(diǎn)、離子性液體、表面等離子共振等技術(shù)。此外，MODIS傳感器和美國(guó)NASA的陸地衛(wèi)星也是研究熱點(diǎn)，MODIS是搭載在TERRA和AQUA衛(wèi)星上的美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）計(jì)劃中用于觀測(cè)全球生物和物理過(guò)程的重要傳感器。Landsat自1972年以來(lái)已發(fā)射多顆，最近于2013年發(fā)射的Landsat-8上攜帶有2個(gè)主要載荷：陸地成像儀和熱紅外傳感器。另外2個(gè)研究熱點(diǎn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)初步反應(yīng)出傳感器正在向網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。

2.2? ? 國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

2.2.1? ? SCI論文數(shù)量領(lǐng)先的國(guó)家。從論文數(shù)量的國(guó)家分布看，2013—2018年，發(fā)表論文數(shù)量最多的前10個(gè)國(guó)家依次是中國(guó)、美國(guó)、西班牙、德國(guó)、印度、意大利、英國(guó)、巴西、韓國(guó)、澳大利亞，這10個(gè)國(guó)家的論文數(shù)量合計(jì)9 144篇，約占論文總量的87%（圖2）。在這10個(gè)領(lǐng)先國(guó)家中，中國(guó)和美國(guó)的論文數(shù)量最多，分別名列第一和第二位，均>2 000篇，其中中國(guó)2 531篇，美國(guó)2 195篇，遙遙領(lǐng)先其他國(guó)家。其余8個(gè)國(guó)家的論文數(shù)量均<1 000篇，介于390～750篇。

2.2.2? ? 中美兩國(guó)SCI論文數(shù)量的年度變化。分析了2013—2017年中國(guó)和美國(guó)論文數(shù)量變化趨勢(shì)，中國(guó)的論文數(shù)量逐年增加，且增勢(shì)明顯，從2013年的245篇增加至2017年的560篇，4年間增長(zhǎng)了一倍多（圖3）。2015年開(kāi)始超過(guò)美國(guó)，排名從之前的第二位躍居到第一位，顯示出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。美國(guó)的年度論文數(shù)量亦呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2013年的309篇增加至2017年的432篇，增加了約1/3，但與中國(guó)相比增勢(shì)相對(duì)平緩。

2.2.3? ? 中美兩國(guó)的熱點(diǎn)研究主題比較。對(duì)比分析中美論文中出現(xiàn)頻次最高的前10個(gè)具有實(shí)質(zhì)性意義的關(guān)鍵詞（圖4），中國(guó)的前10個(gè)關(guān)鍵詞依次是電化學(xué)傳感器、生物傳感器、金納米粒子、核酸適配體、石墨烯、分子印跡聚合物、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、遙感、熒光、量子點(diǎn)。美國(guó)依次是遙感、生物傳感器、土壤濕度、植被指數(shù)、MODIS傳感器、美國(guó)NASA陸地衛(wèi)星、蒸發(fā)蒸騰量、灌溉、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、食品安全。由此可見(jiàn)，生物傳感器、遙感和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是中美兩國(guó)共同的研究熱點(diǎn)。此外，中國(guó)的研究熱點(diǎn)還有電化學(xué)傳感器的研發(fā)，敏感材料金納米粒子、核酸適配體、石墨烯和分子印跡聚合物的研究，以及熒光技術(shù)和量子點(diǎn)技術(shù)研發(fā)。美國(guó)研究熱點(diǎn)則是傳感器在灌溉系統(tǒng)、食品安全檢測(cè)、土壤濕度、植被指數(shù)和蒸發(fā)蒸騰量檢測(cè)中的應(yīng)用，以及MODIS傳感器和美國(guó)NASA陸地衛(wèi)星的研究和應(yīng)用。

3? ? 研究前沿分析

論文被引頻次指的是論文發(fā)表后被后續(xù)發(fā)表的論文作為參考文獻(xiàn)引用的次數(shù)，能在一定程度上反映被引論文的質(zhì)量和影響力，被引頻次越高說(shuō)明質(zhì)量和影響力越高。因此，這些高引用率論文的研究?jī)?nèi)容在一定程度上可以反映當(dāng)前其所在領(lǐng)域的研究前沿。本研究在檢索到的10 564篇農(nóng)業(yè)傳感器論文中，選取被引頻次排名位于前1%的論文106篇，經(jīng)專家判讀后遴選出其中92篇進(jìn)行重點(diǎn)解讀和分析，其中有46篇研究性論文根據(jù)研究主題明顯聚為4個(gè)研究前沿方向，分別是農(nóng)業(yè)生物信息監(jiān)測(cè)、農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)和食品品質(zhì)檢測(cè)傳感器研究（表3）。

3.1? ? 農(nóng)業(yè)生物信息監(jiān)測(cè)傳感器研究

聚焦農(nóng)業(yè)生物信息監(jiān)測(cè)傳感器研究的論文共16篇，來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)等10個(gè)國(guó)家，美國(guó)5篇，中國(guó)和德國(guó)分別2篇，其余7個(gè)國(guó)家各1篇。農(nóng)業(yè)生物信息監(jiān)測(cè)目標(biāo)主要有細(xì)胞分裂素、植物生長(zhǎng)素、植物葉綠素、三磷酸腺苷、細(xì)胞色素和胎蛋白、細(xì)胞器特異性pH表達(dá)、植物脅迫應(yīng)急信號(hào)、植物動(dòng)態(tài)性狀、作物育種過(guò)程、作物生長(zhǎng)、作物產(chǎn)量、植株高度和動(dòng)物的呼吸等。所研發(fā)的傳感器有生物傳感器、（電）化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、氣敏傳感器、圖像傳感器等，利用的關(guān)鍵技術(shù)有遙感技術(shù)、微電極技術(shù)、免疫傳感技術(shù)、納米材料修飾技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、圖像處理技術(shù)、熒光技術(shù)、熱成像技術(shù)等。

3.2? ? 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器研究

有13篇論文聚焦農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器研究。這些論文來(lái)自8個(gè)國(guó)家，其中中國(guó)有4篇，西班牙和印度各2篇，其余5個(gè)國(guó)家各1篇。農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)包括土壤污染物、地表溫度、土壤濕度、雜草及其他降雨和氣候等環(huán)境參數(shù)，其中土壤污染物重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的是重金屬離子汞離子及有機(jī)污染物雙酚A和羥胺。涉及的傳感器類型有生物傳感器、電化學(xué)傳感器、氣敏傳感器、圖像傳感器、化學(xué)傳感器。運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)包括納米材料（主要有石墨烯-金屬氧化物復(fù)合材料、活性金納米星二聚體材料）修飾技術(shù)、多傳感器微波遙感技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、碳糊電極技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、熱紅外光譜技術(shù)和無(wú)人機(jī)搭載技術(shù)等。

3.3? ? 食品安全檢測(cè)傳感器研究

聚焦食品安全檢測(cè)用傳感器研究的論文有11篇，來(lái)自3個(gè)國(guó)家，分別是中國(guó)、伊朗和新加坡，分別有7篇、3篇和1篇。食品安全檢測(cè)傳感器研發(fā)的目標(biāo)主要是檢測(cè)食物或糧食中的農(nóng)藥、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、黃曲霉素、蘇丹紅、三聚氰胺和塑化劑、酚類物質(zhì)、甲基對(duì)硫磷和汞離子等有害物質(zhì)。所研發(fā)的傳感器類型主要是生物傳感器和電化學(xué)傳感器。利用的關(guān)鍵技術(shù)包括納米材料（石墨烯量子點(diǎn)和納米金顆粒）修飾技術(shù)、DNA傳感技術(shù)、免疫傳感技術(shù)、熒光探針技術(shù)、超敏適配體的研制技術(shù)、碳糊電極技術(shù)、量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)及比色汞傳感器技術(shù)等。

3.4? ? 食品品質(zhì)檢測(cè)傳感器研究

有6篇論文聚焦食品品質(zhì)檢測(cè)傳感器研究，共來(lái)自5個(gè)國(guó)家，包括中國(guó)、加拿大、伊朗、波蘭、羅馬尼亞，其中中國(guó)有2篇，其余國(guó)家各1篇。食品品質(zhì)檢測(cè)傳感器旨在進(jìn)行葡萄糖和甲醇檢測(cè)、VC檢測(cè)、豬肉品質(zhì)檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)、食品色香味的綜合檢測(cè)等。所涉及的的傳感器主要是電化學(xué)傳感器，其次還有綜合傳感器和光學(xué)傳感器。所利用的關(guān)鍵技術(shù)有納米材料（石墨烯/NiO納米復(fù)合材料）修飾技術(shù)、電子舌技術(shù)、電子鼻技術(shù)、碳糊電極技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)（光譜、圖像和電子鼻）和高光譜技術(shù)。

4? ? 總結(jié)與展望

近5年來(lái)，農(nóng)業(yè)傳感器研究規(guī)模不斷擴(kuò)大，研究論文數(shù)量逐年增加，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的上升趨勢(shì)。其中，中國(guó)和美國(guó)的研究論文產(chǎn)出均遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他國(guó)家，分別占據(jù)了前兩位，并且論文數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)，中國(guó)增勢(shì)強(qiáng)勁，表現(xiàn)出較高的研究活躍度。從研究熱點(diǎn)來(lái)看，中國(guó)更側(cè)重于相關(guān)材料、技術(shù)、方法等的探索性研究，而美國(guó)的相關(guān)研究與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合更加緊密。

農(nóng)業(yè)傳感器研究前沿主要集中在農(nóng)業(yè)生物信息監(jiān)測(cè)、農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)和食品品質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域傳感器的研發(fā)上。其中，農(nóng)業(yè)生物信息監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)植物表型性狀、脅迫應(yīng)急信號(hào)、細(xì)胞分裂素、植物生長(zhǎng)素、植物葉綠素及動(dòng)物呼吸等，美國(guó)在該方向上有較多的布局和產(chǎn)出，中國(guó)則比較關(guān)注另外3個(gè)方向的研究，特別是在食品安全檢測(cè)傳感器方向上，研究產(chǎn)出的重點(diǎn)研究論文最多，反映出中國(guó)對(duì)食品安全的重視，同時(shí)也說(shuō)明食品安全是中國(guó)正面臨的一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

未來(lái)，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[5]、垂直農(nóng)業(yè)[6]的深入實(shí)施和智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)傳感器研究將越來(lái)越受到關(guān)注。并且隨著生物物理學(xué)、生物數(shù)學(xué)、生物力學(xué)和光學(xué)在傳感器領(lǐng)域應(yīng)用基礎(chǔ)研究的加強(qiáng)，以及納米材料修飾技術(shù)、大分子印跡技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)傳感器將加速向精準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)傳感器將成為未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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