智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望

趙春江

(國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

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[1]。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)進入了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的新時代[2]。在農(nóng)業(yè)數(shù)字革命的推動下，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”；二是促進了農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展，激活了“數(shù)據(jù)要素”的價值潛能，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)科技競爭的制高點，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。針對現(xiàn)有研究關(guān)于智慧農(nóng)業(yè)科學(xué)內(nèi)涵闡釋不深刻、國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)前沿科技動態(tài)把握不全面、未來我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展政策針對性不強等問題，本文擬從系統(tǒng)工程角度對智慧農(nóng)業(yè)內(nèi)涵進行理論闡釋，進一步結(jié)合文獻深度剖析國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)核心關(guān)鍵技術(shù)前沿進展，提出未來智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的總體布局，為今后一段時期我國智慧農(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 迄今為止，學(xué)術(shù)界尚未對智慧農(nóng)業(yè)作出一個確切的定義，一般根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)的實質(zhì)內(nèi)容或應(yīng)用場景，將其描述為以信息和知識為核心要素，通過現(xiàn)代信息技術(shù)和智能裝備等與農(nóng)業(yè)深度跨界融合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、個性化服務(wù)的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，并且認為智慧農(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，如精準農(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調(diào)或側(cè)重點有所不同。學(xué)者普遍認為，智慧農(nóng)業(yè)強調(diào)的是通過綜合運用智能技術(shù)，提高人類對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)綜合管控的能力[3-5]；智能農(nóng)業(yè)強調(diào)的是通過在機器上運用各類電子技術(shù)和控制技術(shù)，提高機器裝備對農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)的智能化操控水平[6-7]；數(shù)字農(nóng)業(yè)是通過將農(nóng)業(yè)全要素、全系統(tǒng)、全過程數(shù)字化，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)決策和數(shù)字化管理[8-12]；精準農(nóng)業(yè)強調(diào)的是基于農(nóng)業(yè)動植物和空間環(huán)境等信息的變化而采取的精細投入管理[13-15]。筆者認為，雖然這些名詞的含義和側(cè)重點不同，但信息和知識要素的本質(zhì)沒有改變，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。

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：一是智慧農(nóng)業(yè)由數(shù)據(jù)、知識、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-精準作業(yè)-個性服務(wù)”四大部分組成，且最終目標均在于追求高質(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，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)要全鏈條實施；四是智慧農(nóng)業(yè)是一個復(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，而不是信息科學(xué)技術(shù)的簡單應(yīng)用和堆砌，在學(xué)理性問題上，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、社會、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)特點與應(yīng)用場景，智慧農(nóng)業(yè)作為先進的生產(chǎn)力融合了三大生產(chǎn)力要素：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)；二是農(nóng)業(yè)信息技術(shù) (Information technology，IT)，即主要依賴先進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)營者的勞動強度。智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)是直接的生產(chǎn)力，通過與農(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)對象)滲透融合，起到生產(chǎn)力“倍增器”的作用，可以大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率。智慧農(nóng)業(yè)也是未來最活躍的農(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水平；農(nóng)業(yè)傳感器、農(nóng)業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)智能裝備等技術(shù)將實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的轉(zhuǎn)型升級；數(shù)字化技術(shù)將使我們更加清晰地認識和把握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象及其與各生產(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)濟特征 數(shù)字經(jīng)濟已經(jīng)成為當(dāng)今世界經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力，2020年我國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模達到39.2萬億元，占GDP的38.6%[16]。據(jù)中國信息通信研究院數(shù)據(jù)，預(yù)計2035年中國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模將達150萬億元，占GDP的55%，達到發(fā)達國家平均水平。智慧農(nóng)業(yè)可以創(chuàng)造數(shù)字經(jīng)濟，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)殖場提供精準信息服務(wù)，年產(chǎn)值近5億美元。2020年我國農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)零售額達到6 107億元，農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟總量達到6 920億元，預(yù)計2025年我國農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模將達到1.26萬億元。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)濟鴻溝，同時更孕育著巨大規(guī)模的農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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

近10年來，美國、英國、德國、加拿大、日本、韓國等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家高度關(guān)注智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，從國家層面進行戰(zhàn)略部署，積極推進農(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)、家畜生物識別技術(shù)、農(nóng)業(yè)機器人在未來5～10年將顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。2015年，日本啟動了“基于智能機械+智能IT的下一代農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術(shù)”項目，核心內(nèi)容是“信息化技術(shù)+智能化裝備”。2017年，歐洲農(nóng)機工業(yè)學(xué)會提出了“農(nóng)業(yè)4.0 (Farming4.0)”計劃，強調(diào)智慧農(nóng)業(yè)是未來歐洲農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。2018年，美國科學(xué)院、美國工程院和美國醫(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》報告，重點突出了傳感器、數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)發(fā)展方向，積極推進農(nóng)業(yè)與食品信息化[17]。美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(National science and technology council，NSTC)在“國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略計劃”中，將農(nóng)業(yè)作為人工智能優(yōu)先應(yīng)用發(fā)展的第10個領(lǐng)域，資助農(nóng)業(yè)人工智能科技的中長期研發(fā)；美國農(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、自動化與遙感技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)國際咨詢機構(gòu)Research and Markets分析，2019年全球智慧農(nóng)業(yè)市值167億美元，2027年將達到292億美元，2021—2027年全球智慧農(nóng)業(yè)市值年復(fù)合增長率(Compound annual growth rate，CAGR)將達到 9.7%[18]。目前，國際上以美國為代表的大田智慧農(nóng)業(yè)、以德國為代表的智慧養(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)均取得巨大進步，形成了相對成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，而且還形成了商業(yè)化的發(fā)展模式，為我國發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供了可借鑒的經(jīng)驗。

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)機工況與作業(yè)傳感器等。近年來，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、多樣化的趨勢發(fā)展。如美國正在發(fā)展利用激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)測量土壤養(yǎng)分和重金屬含量，利用微納米技術(shù)研制可進入動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、德國、日本等國家在農(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、動植物生命信息傳感器、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)在線檢測設(shè)備等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品。未來5～10年，研發(fā)準確、精密、便攜的傳感器和生物傳感器將是各國農(nóng)業(yè)傳感器創(chuàng)新發(fā)展的重點領(lǐng)域。這類傳感器不僅可以實現(xiàn)一次連續(xù)監(jiān)測多個環(huán)境和動植物生命信息的特征參數(shù)，也可以對環(huán)境、生物及非生物脅迫等進行持續(xù)監(jiān)測，具備在植物和動物發(fā)病之前檢測疾病的能力，有助于實現(xiàn)各種食品和農(nóng)業(yè)學(xué)科相關(guān)指標的快速檢測和監(jiān)測。比如，柔性納米傳感器能夠簡單便捷地貼附安裝于動植物組織不規(guī)則表面進行信息的精準監(jiān)測；微納米尺度的傳感器可植入動植物等生物體內(nèi)，并進入生命體新陳代謝的循環(huán)系統(tǒng)中，實時監(jiān)測動植物生命體的生物信息；納米傳感器陣列具有多功能探測與分析能力，匹配強大的數(shù)據(jù)處理、存儲與分析能力以及傳感網(wǎng)絡(luò)，具備復(fù)雜數(shù)據(jù)遠程分析處理能力，能夠讓監(jiān)測結(jié)果更加精準。

2.2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能

國際上通過圖像識別、機器學(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、動植物生長發(fā)育、市場數(shù)據(jù)、社交媒體等)轉(zhuǎn)化為知識，并提供智能決策，實現(xiàn)部分或全部替代人工決策，在節(jié)省時間、增加安全性的同時減少潛在的人為錯誤，大幅度提高決策的科學(xué)性和準確性[19]。得益于強有力的基礎(chǔ)研究水平和能力，美國、荷蘭、以色列、日本等國家在農(nóng)業(yè)數(shù)字模型與模擬、農(nóng)業(yè)認知計算與農(nóng)業(yè)知識發(fā)現(xiàn)、農(nóng)業(yè)可視交互服務(wù)引擎等技術(shù)、算法、模型等方向處于國際領(lǐng)先地位。如美國位于新澤西州的紐瓦克垂直農(nóng)場，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析溫度、濕度、二氧化碳及作物長勢信息，與傳統(tǒng)農(nóng)場相比，每0.093 m2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厮芪磥磙r(nóng)場。綜合判斷，未來大數(shù)據(jù)驅(qū)動的知識決策替代人工經(jīng)驗決策、知識決策主導(dǎo)的智能控制替代簡單的時序控制，從育種到產(chǎn)品銷售的整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈將得以廣泛應(yīng)用。

2.3 農(nóng)業(yè)智能裝備

美國、德國、英國、日本等國家的農(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、標識、包裝等)已經(jīng)或正在實現(xiàn)“機器換人”或“無人作業(yè)”，大幅度提高了勞動生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)資源利用效率。如美國Abundant Robotics公司開發(fā)的蘋果采摘機器人，可準確識別成熟的蘋果并且可以以1個/s的平均采摘速度連續(xù)工作24 h；瑞士EcoRobotix公司開發(fā)的田間除草機器人，可以準確識別雜草并通過機械手臂對雜草進行除草劑噴灑，農(nóng)藥使用量可降低20倍，農(nóng)業(yè)相關(guān)成本節(jié)約30%；愛爾蘭MagGrow公司開發(fā)的農(nóng)藥噴灑機器人使用永久性稀土磁體產(chǎn)生電磁荷，可解決農(nóng)藥漂移問題，農(nóng)藥的使用量減少了65%～75%[20]。

3 我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題

3.1 我國智慧農(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“中央一號文件”中，每年均強調(diào)了信息科技助力農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的內(nèi)容。2020年“中央一號文件”提出，要加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、第5代移動通信網(wǎng)絡(luò)(5G)、智慧氣象等在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，同時明確實施數(shù)字鄉(xiāng)村試點工程。2021年“中央一號文件”指出，“推動農(nóng)村千兆光網(wǎng)、第5代移動通信(5G)、移動物聯(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，推動新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營深度融合”。此外，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中提出，“加強大中型、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機械研發(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)村信息化促進了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展 目前，我國互聯(lián)網(wǎng)和4G村級覆蓋率達98%以上。根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)第48次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》，截至2021年6月，我國網(wǎng)民規(guī)模達10.11億，農(nóng)村網(wǎng)民規(guī)模達2.97億，農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)普及率為59.2%，較2020年12月提升了3.3個百分點，城鄉(xiāng)互聯(lián)網(wǎng)普及率差距進一步縮小至19.1個百分點。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心的報告，2019年全國縣域數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展總體水平達 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2019年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化水平總體上達到23.8%，其中，作物種植信息化水平為17.5%、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)營為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了條件 根據(jù)第3次全國農(nóng)業(yè)普查，2016年耕地規(guī)?；急葹?8.6%，而生豬、家禽養(yǎng)殖規(guī)模化占比分別為62.9%和73.9%。目前，我國土地流轉(zhuǎn)占比40%以上，農(nóng)民專業(yè)合作社、家庭農(nóng)場、龍頭企業(yè)的數(shù)量達300萬家以上，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了載體和需求的驅(qū)動力。

3.1.4 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新取得明顯進步 對中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和 Web of Sciences 數(shù)據(jù)庫 2008—2018年發(fā)表的文獻檢索表明，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的國家依次為：美國、中國、巴西、西班牙、德國，研究的熱點聚焦在農(nóng)業(yè)傳感器、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能、農(nóng)業(yè)智能控制和農(nóng)業(yè)機器人等方向。近年來，我國智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)取得長足進步，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)基本實現(xiàn)國內(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、估產(chǎn)以及災(zāi)害定量化評損定級；3)農(nóng)業(yè)無人機應(yīng)用技術(shù)達到國際領(lǐng)先，廣泛用于農(nóng)業(yè)信息獲取、病蟲害精準防控；4)肥水一體化技術(shù)、測深精準施肥技術(shù)、智能灌溉技術(shù)、精準施藥技術(shù)廣泛應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)；5)農(nóng)機北斗導(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)品成為市場主導(dǎo)，對國外產(chǎn)品實現(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)等也取得了很大進步，基本上可以實現(xiàn)自主技術(shù)自主生產(chǎn)。此外，我國在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)和農(nóng)業(yè)人工智能應(yīng)用以及大數(shù)據(jù)挖掘、智能算法、知識圖譜、知識模型決策等方面也進行了廣泛的研究。

3.1.5 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)在全國范圍內(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，通過廣泛應(yīng)用遙感監(jiān)測、專家決策系統(tǒng)和農(nóng)機北斗導(dǎo)航作業(yè)等技術(shù)，實現(xiàn)大田精準作業(yè)。在設(shè)施養(yǎng)殖領(lǐng)域，主要應(yīng)用包括動物禽舍環(huán)境監(jiān)測、動物個體形態(tài)與行為識別、精細飼喂、疫病防控等，特別是近年來，非洲豬瘟大范圍發(fā)生后，高度智能化的樓房養(yǎng)豬發(fā)展迅速；此外，我國南方的智慧水產(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%的日光溫室采用了環(huán)境監(jiān)測、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，通過機器學(xué)習(xí)、時空大數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜構(gòu)建，語音智能識別等技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)個性化精準服務(wù)。

3.2 我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的特點與問題

3.2.1 我國農(nóng)田地塊規(guī)模小、耕地細碎化問題突出 美國的農(nóng)場規(guī)模平均200 hm2以上，平均每個農(nóng)民經(jīng)營面積超過113 hm2，歐盟國家農(nóng)場面積大于20 hm2的占 82%，農(nóng)場面積為 100 hm2的占 52%。而我國農(nóng)田地塊小，碎片化程度高，經(jīng)營面積3.4 hm2以下的小農(nóng)戶占比95%以上，而耕地面積卻占我國總耕地面積的80%以上，小農(nóng)、小地塊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式導(dǎo)致我國智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)投入的邊際效益低、經(jīng)營主體應(yīng)用積極性不高。

3.2.2 我國農(nóng)業(yè)機械化水平比較低 實施智慧農(nóng)業(yè)離不開農(nóng)機裝備支撐。近年來我國加大力度支持和推廣全程、全面機械化，2020年底我國主要糧食作物耕種收綜合機械化率達到了71%，丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕種收綜合機械化率為49%，設(shè)施園藝綜合機械化率為32%，畜牧養(yǎng)殖機械化率為35%，水產(chǎn)養(yǎng)殖機械化率為30%。然而，受農(nóng)機產(chǎn)品需求多樣化、機具作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等因素影響，我國目前的農(nóng)機化和農(nóng)機裝備的智能化水平與發(fā)達國家相比仍有10～20個百分點的差距，尤其是部分農(nóng)機裝備的農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合不夠緊密等因素制約了我國智慧農(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)雖然已經(jīng)覆蓋到村，但到農(nóng)戶的比例低，且到農(nóng)業(yè)園區(qū)的少；4G網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定、5G基站少、通訊費用高等問題限制了農(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)測點偏少；缺乏專業(yè)的信息化設(shè)備運維隊伍，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營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、缺乏核心的農(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，不能滿足實施智慧農(nóng)業(yè)的需求。其中，農(nóng)業(yè)智能控制與農(nóng)業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)及核心零部件(如國際標準總線、負載動力換擋、無級變速、視覺系統(tǒng)及識別算法、精密伺服電機、多自由度關(guān)節(jié)、柔性執(zhí)行器件等)遠落后于美國、德國、日本等發(fā)達國家，是目前我國智慧農(nóng)業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)。在傳感器方面，盡管我國農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感器和儀器儀表的國內(nèi)市場占有量超過進口產(chǎn)品，但在精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面與國外產(chǎn)品差距巨大，核心感知元器件主要依賴進口，高端產(chǎn)品幾乎全部依賴進口。缺乏針對我國農(nóng)戶和小地塊的技術(shù)，難以滿足我國廣大小農(nóng)戶的需求。此外，農(nóng)業(yè)的生態(tài)多樣性，對技術(shù)與應(yīng)用模式也是多樣的，但對于研發(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)主體不愿意也不敢投入。

3.2.5 政策與機制問題 政府投入力度不夠，無論是對于技術(shù)研發(fā)主體還是生產(chǎn)經(jīng)營應(yīng)用主體，缺乏廣泛的優(yōu)惠政策支持。企業(yè)稅收高，人力成本高，應(yīng)用、運維成本高，對于高新技術(shù)申請政府補貼程序復(fù)雜、通道不暢。以上這些均在某種程度上影響了我國智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

4 對我國智慧農(nóng)業(yè)的展望

當(dāng)前，我國正處于向第2個百年奮斗目標邁進的歷史關(guān)口，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，對變革傳統(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，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用，對“全面推進鄉(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)墾建三江國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)考察時指出，要“大力推進農(nóng)業(yè)機械化、智能化，給農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀”[21]。作為“十四五”時期乃至2035年我國推動農(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)正面臨良好的機遇。縱觀我國農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變歷程，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，正在大步邁入智慧農(nóng)業(yè)(農(nóng)業(yè)4.0)的新時代。在新發(fā)展格局下，積極應(yīng)對更加嚴峻的人口、資源、環(huán)境與市場的多重約束，探尋通過現(xiàn)代信息科技大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率的中國特色智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，既是新時代“三農(nóng)”工作的重點，也是建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國的客觀要求。

4.1 未來我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展目標

以提高主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的勞動生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率為目標，重點突破農(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)機器人等智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)和產(chǎn)品，實現(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、精準投入、個性化服務(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，建立農(nóng)產(chǎn)品智慧供應(yīng)鏈，實現(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)個性化，推進知識替代經(jīng)驗、機器替代人工，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)濟占農(nóng)業(yè)GDP比例由目前的8%提高到15%，為實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供強有力的科技支撐。

4.2 未來智慧農(nóng)業(yè)重點任務(wù)

4.2.1 攻克農(nóng)業(yè)高精度專用傳感器 重點研究以光學(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)傳感新機理，研發(fā)敏感器件、光電轉(zhuǎn)換、微弱信號處理等核心零部件，研制一批高精度農(nóng)業(yè)傳感器，打破國外技術(shù)產(chǎn)品壟斷。

4.2.2 研制農(nóng)業(yè)智能測控終端 重點研發(fā)基于芯片的可進行邊緣計算的高端智能終端，農(nóng)情田間調(diào)查、農(nóng)田巡檢、農(nóng)機作業(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、冷鏈儲運環(huán)境監(jiān)控等低成本智能測控終端，加速技術(shù)產(chǎn)品替代國外同類產(chǎn)品的進程。

4.2.3 研發(fā)高端智能農(nóng)機裝備 突破場景感知技術(shù)，研制負載動力換擋、無級變速、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、機械除草機器人、大載荷無人植保機、農(nóng)產(chǎn)品分揀分級機器人、農(nóng)產(chǎn)品冷庫裝卸機器人、授粉機器人、畜舍巡檢作業(yè)機器人等。

4.2.4 構(gòu)建主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺 重點突破農(nóng)業(yè)知識圖譜構(gòu)建、虛擬現(xiàn)實、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)，促進大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)深度融合[22-23]。

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

4.2.6 構(gòu)建主要農(nóng)產(chǎn)品智慧供應(yīng)鏈系統(tǒng) 重點突破智慧冷鏈數(shù)據(jù)深度感知、保質(zhì)儲運智能化和可信區(qū)塊鏈技術(shù)，開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈需求智能匹配系統(tǒng)、保質(zhì)儲運智能調(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)塊鏈信用評價系統(tǒng)和冷鏈物流智慧監(jiān)管服務(wù)平臺，助力農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展[24-25]。

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，加強政府支持，突破重點核心技術(shù)，實現(xiàn)自立自強；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，總結(jié)可復(fù)制、可推廣的模式與經(jīng)驗；2)制定相關(guān)補貼政策，對智慧農(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)傳輸通訊費用；3)加強技術(shù)標準建設(shè)與數(shù)據(jù)資源共享，尤其要重點加強數(shù)據(jù)標準、產(chǎn)品標準、市場準入標準等標準的制定，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)接口標準，同時建立國家認可的第三方檢測平臺。此外，政府部門要在一定范圍內(nèi)開放農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，建立共享機制。