農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

閆 雪， 羅 斌， 王 成*

(1.北京農(nóng)學院， 北京 102206； 2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標志。應用信息技術(shù)，不僅可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和水平，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，還可以推動生產(chǎn)方式向規(guī)模化、標準化、精細化方向發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的進步與發(fā)展提供技術(shù)支撐，在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科學研究中起到推動全局的作用。我國高度重視農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，初步構(gòu)建了農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)體系，加強了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展趨勢整體向好[1]。但與一些發(fā)達國家相比，仍有較大的差距。李澤龍[2]建議，我國農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的應用與國情相結(jié)合，強化基礎(chǔ)硬件設(shè)施建設(shè)，并增加教育投資，建立全面信息傳播渠道。趙春江等[3]建議，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(nóng)業(yè)智能生產(chǎn)技術(shù)體系、農(nóng)業(yè)知識智能服務體系和智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)信息技術(shù)輔助，信息技術(shù)的運用將會給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來更大的潛力和空間，能為我國三農(nóng)事業(yè)發(fā)展帶來更多的機遇，開辟出農(nóng)業(yè)發(fā)展的新天地。為我國未來農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展的可行性及方向提供參考，對美國、法國、德國、日本和韓國農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，及我國在3S技術(shù)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫技術(shù)等方面的發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，結(jié)合我國目前信息技術(shù)發(fā)展方向和農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，提出人工智能、大數(shù)據(jù)分析、深度強化學習及區(qū)塊鏈技術(shù)等將成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1 國外發(fā)達國家農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

美國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式主要體現(xiàn)在機械化和自動化技術(shù)的應用。從20世紀70年代初開始，美國建立農(nóng)業(yè)科技信息數(shù)據(jù)庫，廣泛應用于作物生產(chǎn)管理、病蟲害診斷和預測、農(nóng)業(yè)資源保護等[4]。70年代末，美國開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，90年代中期，美國發(fā)展農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。美國最早在《農(nóng)業(yè)法》中提出保護農(nóng)業(yè)技術(shù)信息服務主體利益的內(nèi)容，且《2014年農(nóng)業(yè)法案》最新修訂版對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)推廣、農(nóng)產(chǎn)品推廣等信息化項目做了重新修正。目前，主要技術(shù)創(chuàng)新集中在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)、自動化技術(shù)、畜牧信息化技術(shù)、現(xiàn)代溫室、精準農(nóng)業(yè)、人工智能以及區(qū)塊鏈等領(lǐng)域。在農(nóng)場中常用的主要技術(shù)有自動化收割、自動拖拉機、播種除草機器人和無人機作業(yè)[5]。在養(yǎng)殖場，將單獨的可穿戴傳感器放在牛身上，追蹤日常活動和監(jiān)控健康。以城市為中心，建立大規(guī)模溫室。區(qū)塊鏈可用于解決當前食品系統(tǒng)中全流程追溯的問題[6]。CROP X公司提供農(nóng)業(yè)智能化灌溉方案，該方案自動測量田間土壤溫度和濕度，根據(jù)實地情況系統(tǒng)自動進行灌溉，農(nóng)民還可以在手機、電腦上實時查看土壤及灌溉情況。SEMIOS公司研發(fā)了一種自動驅(qū)蟲的設(shè)備。在田間安裝全天候檢測設(shè)備，實時監(jiān)控田間害蟲密度，當害蟲密度超過設(shè)定的警戒線時，會自動噴灑信息素來干擾害蟲的交配，從而達到控制蟲害的效果，并且這種信息素只針對于害蟲，農(nóng)作物和其他有益昆蟲不會受到任何影響[7]。

1.2 法國

目前，法國是歐盟的第一大農(nóng)業(yè)國，其農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應用比較先進和成熟，能夠?qū)崟r收集、發(fā)布處理農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，具有及時、高效的特點。農(nóng)業(yè)相關(guān)信息的采集不僅包含種植業(yè)，也同時包括食品生產(chǎn)加工等。目前，法國的政府和農(nóng)業(yè)部門從下到上都有自己獨立的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫、計算機局域網(wǎng)和計算機廣域網(wǎng)，省農(nóng)業(yè)廳還配置電腦和服務器等設(shè)備[8]。在專業(yè)的技術(shù)學校還配備專業(yè)的課程和計算機的教學，培養(yǎng)學生和農(nóng)民通過計算機操作來獲取互聯(lián)網(wǎng)上的信息。在較大的農(nóng)場，已經(jīng)開始利用計算機和網(wǎng)絡(luò)開展電子商務活動。EKYLIBRE是法國第一個農(nóng)業(yè)軟件，無需支付任何費用即可獲得軟件所采集的相關(guān)農(nóng)業(yè)信息。

1.3 德國

20世紀80-90年代，德國的電子計算機及數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到應用，并初步建立了農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫[9]。據(jù)歐洲農(nóng)業(yè)信息技術(shù)聯(lián)盟(EFITA)統(tǒng)計，至2013年，德國18萬農(nóng)戶中大約90%使用了計算機[10]。在德國的農(nóng)業(yè)科研中，計算機自動控制系統(tǒng)已得到廣泛應用，如應用計算機監(jiān)測并自動調(diào)控影響作物生長的溫度、濕度及二氧化碳濃度等主要因素，并將相關(guān)數(shù)據(jù)保存并發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)存檔。德國是較早提出精準農(nóng)業(yè)的國家之一，通過綜合利用大數(shù)據(jù)和云技術(shù)，已建成不少先進的精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，如先進農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、田地之星及綠色之星等。目前，德國已將3S技術(shù)廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源使用和自然災害預測，如在大型農(nóng)業(yè)機械上安裝GPS系統(tǒng)，根據(jù)不同區(qū)域和地塊的實際情況，準確地使用各種肥料和農(nóng)藥。在畜牧和養(yǎng)殖業(yè)方面，德國的農(nóng)場主給自己飼養(yǎng)的各種動物系上電子識別牌，投放飼料時可根據(jù)動物自身健康狀況進行精準投喂[9]。

1.4 日本

日本的農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)是伴隨第二次世界大戰(zhàn)后日本經(jīng)濟復蘇發(fā)展起來的，大體經(jīng)歷了4個階段，第1階段是20世紀50年代，日本農(nóng)林水產(chǎn)省開始農(nóng)業(yè)有線廣播信息的放送，這是日本農(nóng)業(yè)信息的開端；第2階段是20世紀70年代，日本政府決定按照本國資源和生態(tài)情況，推進農(nóng)業(yè)信息化帶動綠色化發(fā)展；第3階段是20世紀90年代，隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，農(nóng)民可以通過電腦、電話、手機等信息終端來及時處理各種農(nóng)業(yè)信息[10]；第4階段，即現(xiàn)階段。2014年，全日本大約有50%以上農(nóng)戶使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大幅提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和流通效率。時至2020年，其農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)達到580億日元規(guī)模，農(nóng)業(yè)云端計算技術(shù)應用占農(nóng)業(yè)市場的75%，農(nóng)業(yè)機器人也得到了廣泛普及和應用[10]。

1.5 韓國

韓國發(fā)展城市農(nóng)業(yè)，即在城市范圍內(nèi)利用土地、建筑物等空間進行農(nóng)作物的種植和栽培。位于韓國首都圈的京畿道農(nóng)業(yè)技術(shù)院研發(fā)的新型植物工廠化生產(chǎn)模式(芽苗菜)，日產(chǎn)量達8 t[11]。長期以來，韓國政府十分重視和推廣農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，并開設(shè)各種信息技術(shù)培訓班，利用遠程教育的方式指導和推廣韓國農(nóng)業(yè)信息技術(shù)。 PARK等[12]對在線學習系統(tǒng)在韓國農(nóng)村發(fā)展管理與農(nóng)技推廣方面的應用進行分析認為，依托互聯(lián)網(wǎng)，可加快農(nóng)技推廣的效率。韓國構(gòu)建了生物信息資源管理系統(tǒng)，在這個信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上技術(shù)人員可以研究生物科學，還建立了作物育種管理系統(tǒng)、自然環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境服務系統(tǒng)，主要采集和收錄氣候信息、農(nóng)產(chǎn)品的進出口信息等。2018年4月，政府推廣智能農(nóng)場，預測至2022年，推廣7 000 hm2農(nóng)場和5 750個谷倉的農(nóng)場，并建設(shè)4個智能農(nóng)場，集生產(chǎn)、教育和科研功能于一體的高科技融合區(qū)，并且有基于AI的語音支持平臺“Palm Voice”和“Cloud Platform”，以幫助在整個種植過程中作出適當?shù)臎Q策。

2 我國農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2017年7月，國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出要研制農(nóng)業(yè)智能傳感與控制系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)機田間作業(yè)自由系統(tǒng)等，為未來信息農(nóng)業(yè)的發(fā)展指明了方向[13]。近年來，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展迅猛，如3S技術(shù)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫等，都得到了快速發(fā)展。

2.1 3S技術(shù)

3S技術(shù)是全球定位技術(shù)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)(RS)的統(tǒng)稱。3S技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中有著重要作用。遙感不僅可以有效地進行作物生長周期監(jiān)測與產(chǎn)量估算、土壤水分含量與分布監(jiān)測、作物長勢及作物病蟲害監(jiān)測等[14]，還可以有效地輔助管理者決策。地理信息系統(tǒng)可以對獲取的作物長勢及病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)實時進行信息分析得出，田間的空間差異性和關(guān)聯(lián)性，為農(nóng)業(yè)管理提出科學指導。全球定位技術(shù)主要應用于農(nóng)業(yè)機械化耕種，即通過在農(nóng)機上安裝定位系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)田的精準耕作、噴藥、施肥及除草等操作[15]。3S技術(shù)通常用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源監(jiān)控、生產(chǎn)過程管理及農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)等。目前，已有部分園區(qū)、農(nóng)場應用3S技術(shù)有效地實時采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或管理過程的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程所需的簡單數(shù)據(jù)分析和自動控制。但我國3S技術(shù)缺少直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國產(chǎn)化、規(guī)模化的硬件產(chǎn)品。以農(nóng)用GIS為例，國內(nèi)市場上目前只有少數(shù)幾款支持農(nóng)業(yè)GIS的軟件產(chǎn)品，但相比國外的產(chǎn)品功能較少，無法完全滿足農(nóng)民需求。3S技術(shù)還存在巨大的發(fā)展空間，可通過行業(yè)或協(xié)會的形式有目的有計劃地推動3S技術(shù)的發(fā)展。

2.2 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)

20世紀80年代初，我國開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)(又稱農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng))。這是一項計算機農(nóng)業(yè)軟件系統(tǒng)，通過運用信息標記、梳理及知識獲取等技術(shù)，總結(jié)專家的經(jīng)驗、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)模型，為農(nóng)戶答疑解惑[16]。國家863計劃大力支持了農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的相關(guān)研究與開發(fā)，有關(guān)企業(yè)和部門也安排了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究。國內(nèi)專家學者研制出水稻[17]、馬鈴薯[18]、天麻[19]、梨[20]及烤煙[21]等農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。此外，還構(gòu)建了生菜[22]、小麥[23]、玉米[24]、黃瓜[25]及青稞[26]等生長模型。近幾年，我國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)更是蓬勃發(fā)展，但由于專家系統(tǒng)不具有學習功能，因而存在系統(tǒng)不能處理未錄入的問題，且國內(nèi)自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)開發(fā)工具相較國外還不夠成熟，商品化水平較低。

2.3 農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)

隨著我國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的不斷發(fā)展，部分地區(qū)自發(fā)將自動化技術(shù)運用于無土栽培、滴水灌溉、農(nóng)業(yè)收割等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有效解放了勞動力，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟收益。但很多地區(qū)仍保持傳統(tǒng)的耕作模式，農(nóng)民對相關(guān)自動化技術(shù)的認識不足。應適當加大自動化技術(shù)的科普力度與硬件支撐，在一些農(nóng)村地區(qū)打造自動化技術(shù)示范點，為更多的農(nóng)民提供相關(guān)教學服務。

2.4 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫

目前，我國已經(jīng)建立了100余個不同技術(shù)類型的農(nóng)業(yè)科技文獻數(shù)據(jù)庫，其中不乏有許多具有代表性的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫，如中國農(nóng)業(yè)科技文獻數(shù)據(jù)庫，該文獻數(shù)據(jù)庫主要是由中國農(nóng)業(yè)科學院研制和開發(fā)的，是國內(nèi)規(guī)模和數(shù)據(jù)信息量最大的一個綜合型農(nóng)業(yè)科技文獻數(shù)據(jù)庫。此外，我國還引進了世界三大類型農(nóng)業(yè)科技文獻數(shù)據(jù)庫，分別是國際應用生物科學中心文摘(CABI)的“農(nóng)業(yè)和自然資源數(shù)據(jù)庫”CAB ABSTRACTS、AGRIS協(xié)調(diào)中心和聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的“國際農(nóng)業(yè)科技情報系統(tǒng)”AGRIS、美國農(nóng)業(yè)圖書館(NAL)的“農(nóng)業(yè)聯(lián)機檢索數(shù)據(jù)庫”AGRICOLA，為我國農(nóng)業(yè)行業(yè)信息獲取與分析提供了更多渠道和資源。

3 我國農(nóng)業(yè)信息技術(shù)未來發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的信息技術(shù)，如人工智能、大數(shù)據(jù)分析、深度強化學習和區(qū)塊鏈技術(shù)等，逐步在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域普及和應用，必將為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來革命性的技術(shù)創(chuàng)新，也將成為我國智慧農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。

3.1 人工智能

智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)可以通過設(shè)計建立智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺[27]、智慧農(nóng)業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[28]、新型農(nóng)業(yè)大棚智能系統(tǒng)[29]、溫室智能系統(tǒng)[30]和無人農(nóng)場[31]等，根據(jù)規(guī)模進行定量灌溉、施肥和噴灑農(nóng)藥等，可有效降低生產(chǎn)成本及資源浪費率。在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，基于人工智能系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)設(shè)備將大范圍應用，滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，進一步緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者負荷，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的勞動力需求量。

3.2 大數(shù)據(jù)分析

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的應用將貫穿整個產(chǎn)業(yè)鏈，涉及作物生長環(huán)境監(jiān)測、作物育種、病蟲害防治等多個方面，實現(xiàn)產(chǎn)品流通數(shù)據(jù)的跟蹤，做到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯。應用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以幫助人類從與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程密切相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)中找出隱藏的規(guī)律，按照規(guī)律制定正確的精準農(nóng)業(yè)策略，并進行精準預測和輔助決策，達到使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)、高效和協(xié)調(diào)發(fā)展的目的[32]。

3.3 深度強化學習

深度強化學習是將實現(xiàn)深度學習的感知能力和強化學習的決策能力相結(jié)合，優(yōu)勢互補，為復雜的感知決策問題提供高效解決方案的人工智能方法[33]。深度強化學習目前成功應用于自動駕駛等領(lǐng)域，如Al-phaGo、Alpha Gozero及Atari Game[34]。目前，基于深度學習的應用較多，主要集中在植物形態(tài)學、病態(tài)學和生長環(huán)境信息學等方面的檢測、分析與預測，在動物的分類、識別和檢測中也開始應用，由于其應用場景更為復雜，增加了信息獲取和識別的難度。而深度強化學習在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用還相對較少，其應用場景和研究對象還有待進一步擴展方向。

3.4 區(qū)塊鏈技術(shù)

自2016年工信部發(fā)表《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應用發(fā)展白皮書(2016)》以來，區(qū)塊鏈技術(shù)以其高效迅速快捷的優(yōu)勢，在諸多產(chǎn)業(yè)里得到了快速發(fā)展和應用，作為我國第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)也不例外[35]。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已初步應用到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯等領(lǐng)域，并取得了一定成效。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)具有的去中心化、不可篡改及分散記賬等特性將提高未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的可靠性和實用性，如果將區(qū)塊鏈技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式相結(jié)合，將會極大推進我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展進程。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)是發(fā)展我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科技的基礎(chǔ)和先導，起到了推動全局的重要作用。計算機信息技術(shù)改善了我國的種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和管理方式，提升了我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的水平。但我國產(chǎn)業(yè)化水平相對落后，需要大力完善農(nóng)業(yè)信息化的基礎(chǔ)設(shè)施，擴大綜合信息服務的覆蓋率，加快研發(fā)農(nóng)業(yè)信息技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品?？傊?，以提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率和資源利用率為目標，應用各項農(nóng)業(yè)信息化產(chǎn)品和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，加強人工智能與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展，建立智能化植物工廠、智能農(nóng)場、智能牧場和智能果園等，將成為我國未來農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展的方向。