縱觀全球農(nóng)業(yè)，大致經(jīng)歷了機械農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的三大發(fā)展階段，即將進入多技術融合、多因素驅動創(chuàng)新的“未來農(nóng)業(yè)”時代。這幾大發(fā)展階段各有特征，分別從不同的方向推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高、農(nóng)業(yè)效率提升、農(nóng)業(yè)信息利用能力和相關要素創(chuàng)新應用能力。
農(nóng)業(yè)機械化是解放人類的一次革命。農(nóng)業(yè)機械化伴隨著工業(yè)革命而產(chǎn)生，大型農(nóng)用機械代替人工，成為了規(guī)?；N植的主要動力。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的蛻變是從農(nóng)業(yè)機械化開始的，農(nóng)業(yè)機械化又是從美國、加拿大、英國、法國等國家開始的。美國從1910年代開始農(nóng)業(yè)機械化布局，到1940年代，基本已經(jīng)實現(xiàn)了主要作物、主要農(nóng)業(yè)區(qū)域的全面機械化，英國、法國農(nóng)業(yè)機械化啟動時間稍晚，也在1950年代基本完成了農(nóng)業(yè)機械化。我國直到2013年前后，才基本完成了主要農(nóng)業(yè)大區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化。
智慧農(nóng)業(yè)領域的關鍵技術包括農(nóng)業(yè)傳感器、動植物生長信息模型、動植物表型研究、農(nóng)業(yè)智能機器人、動植物表型關鍵技術、農(nóng)業(yè)專用芯片開發(fā)等，以這些技術為基礎，產(chǎn)生了豐富的應用，對種植和畜牧業(yè)生產(chǎn)進行革新。
數(shù)字農(nóng)業(yè)掌握了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一般規(guī)律。這一概念由美國科學院和工程院在1997年提出，數(shù)字農(nóng)業(yè)即農(nóng)業(yè)數(shù)字化，是利用現(xiàn)代信息技術對農(nóng)業(yè)對象、環(huán)境和全過程進行可視化表達、數(shù)字化設計、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。具體來說，是將遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能裝備等現(xiàn)代信息技術與地理學、農(nóng)學、生態(tài)學、植物生理學、土壤學等基礎學科有機結合，對農(nóng)業(yè)的結構、要素、過程與管理進行二進制及模型化表達，構建以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、自動化等為特征的計算機管理和應用系統(tǒng)，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學決策、調(diào)控與管理。數(shù)字農(nóng)業(yè)使得數(shù)字技術與農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)深度有效融合，對改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、轉變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進農(nóng)業(yè)資源空間上的優(yōu)化配置和時間上的合理利用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
智慧農(nóng)業(yè)是技術革新農(nóng)業(yè)的集中體現(xiàn)。智慧農(nóng)業(yè)是機械化農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的融合和擴大，智慧農(nóng)業(yè)的關鍵技術是物聯(lián)網(wǎng)技術，應用環(huán)節(jié)在農(nóng)業(yè)的全周期，包括生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務、產(chǎn)品流通和消費等環(huán)節(jié)。智慧農(nóng)業(yè)的核心目標是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全過程的智能化，其實質是數(shù)據(jù)驅動。圍繞“數(shù)據(jù)”的核心主線，智慧農(nóng)業(yè)的核心研究領域包括感知、傳輸、分析、控制、應用等5個方面。
技術融合創(chuàng)新開啟未來農(nóng)業(yè)時代。未來農(nóng)業(yè)，是以生物技術、數(shù)字化技術、新材料和智能制造技術為紐帶，對農(nóng)業(yè)、食物系統(tǒng)進行的全方位、全周期的變革。具體應用方面，包括大田種植領域的遙感監(jiān)測、病蟲害遠程診斷、水稻智能催芽、農(nóng)機精準作業(yè);設施農(nóng)業(yè)方面的溫室環(huán)境自動監(jiān)測與控制、水肥藥智能管理;禽畜養(yǎng)殖方面的精準飼喂、發(fā)情監(jiān)測、自動擠奶等;水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的水體監(jiān)控、餌料自動投喂等;也包括食品生產(chǎn)的原料、流程、工藝方面的革新。
比如農(nóng)機精準作業(yè)，鄭文鐘等人的研究顯示，自20世紀90年代中期，美國將衛(wèi)星導航系統(tǒng)安裝在農(nóng)業(yè)機械上，從而開啟了農(nóng)業(yè)機械高科技、高性能、智能化的先河。目前歐、美、日等發(fā)達國家農(nóng)業(yè)不僅已基本實現(xiàn)全面機械化，而且智能化農(nóng)機應用也具有相當高的水平。與傳統(tǒng)的功能性農(nóng)機相比，智能農(nóng)機擁有功能多樣化、通用性強、作業(yè)效率高、安全可靠等優(yōu)點。在主要的應用方向上，囊括了智能化收獲機械、智能化噴藥機械、智能化施肥機械、智能化灌溉機械、智能化播種機械、智能化設施農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)業(yè)機器人等。這些方向中較為前沿的是農(nóng)業(yè)機器人，在許多國家已經(jīng)有成熟的應用，比如施肥機器人、種植采摘機器人、擠奶機器人、放牧機器人等。
各國均重視對未來農(nóng)業(yè)的布局，并根據(jù)自身的資源稟賦、行業(yè)基礎、科技能力等，發(fā)展出了不同的未來農(nóng)業(yè)布局路徑。其中，美國是機械化農(nóng)業(yè)的典型代表，德國是將先進工業(yè)體系引入農(nóng)業(yè)的典型代表，以色列是特種種植、精準控制方面的典型代表，中國則需博采眾長，發(fā)展適宜我國獨特產(chǎn)業(yè)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)基礎的未來農(nóng)業(yè)之路。
以數(shù)字化為核心，串聯(lián)農(nóng)業(yè)全要素創(chuàng)新
數(shù)字化技術是未來農(nóng)業(yè)的核心，以數(shù)字化技術為紐帶，串聯(lián)生物技術、新材料技術、智能制造等技術，聯(lián)合打造全周期、全方位、全產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新生態(tài)圈。展望未來，農(nóng)業(yè)全過程都將被數(shù)字化，生物技術和信息技術結合帶來育種的數(shù)字化，植保、動保、肥料等農(nóng)業(yè)投入品研發(fā)、功能的數(shù)字化;物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能結合帶來生產(chǎn)流程的數(shù)字化，互聯(lián)網(wǎng)帶來流通和消費的數(shù)字化等。
這其中，物聯(lián)網(wǎng)及其高度關聯(lián)的大數(shù)據(jù)技術發(fā)展較快，并被寄予厚望。我們首先來看農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構可分為三層:感知層、傳輸層和應用層。感知層是采用各種傳感器來獲取動植物以及環(huán)境的各類信息，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源;傳輸層由各種網(wǎng)絡，包括互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息;應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。
《全國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告》顯示，進入21世紀以來，美國和歐洲的一些發(fā)達國家相繼開展了農(nóng)業(yè)領域的物聯(lián)網(wǎng)應用研究示范，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源利用、農(nóng)產(chǎn)品流通、農(nóng)產(chǎn)品質量安全監(jiān)控等領域的實踐與推廣，形成了一批良好的產(chǎn)業(yè)化應用模式，推動了相關新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。我國在農(nóng)業(yè)領域的物聯(lián)網(wǎng)應用研究也取得了實質性進展，通過農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品流通等環(huán)節(jié)的信息實時感知獲取、傳輸共享與無縫交互等實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前科學合理布局規(guī)劃、產(chǎn)中精細管理與精準作業(yè)、產(chǎn)后高效快捷流通與質量安全溯源等目標。
我國在大田種植方面，重點面向于對農(nóng)田資源環(huán)境信息、農(nóng)田小氣候、土壤肥力、土壤含水量、土壤溫度、農(nóng)作物長勢、病蟲草害、農(nóng)機作業(yè)情況等信息的全面感知，通過對采集信息的分析決策來指導灌溉量、施肥量的精準調(diào)節(jié)，實現(xiàn)作物高產(chǎn)高效栽培與病蟲草害綜合防治及產(chǎn)后農(nóng)機指揮調(diào)度等。例如，國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心研發(fā)了基于GNSS、GIS和GPRS等技術的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械遠程監(jiān)控指揮調(diào)度系統(tǒng)，有效避免了農(nóng)機盲目調(diào)度、極大地優(yōu)化了農(nóng)機資源的調(diào)配。
種植物聯(lián)網(wǎng)及智慧農(nóng)業(yè)也是潛在規(guī)模最大、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新資源集聚的領域。華為XLabs的研究預測，到2020年，智慧農(nóng)業(yè)的潛在市場規(guī)模有望由2015年的137億美元增長至268億美元，年復合增長率達14.3%。這里所指的智慧農(nóng)業(yè)主要包含精準農(nóng)業(yè)、精準牲畜飼養(yǎng)、收成監(jiān)測、土壤檢測、農(nóng)業(yè)無人機、農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)、智能溫室等。到2025年，用于牲畜、農(nóng)作物和環(huán)境監(jiān)測的傳感器出貨量將達到數(shù)十億，市場前景廣闊。
華為X Labs按照物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)領域中的不同應用，劃分為如下幾類:
精準農(nóng)業(yè):作為一種農(nóng)業(yè)管理方式，精準農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術及信息和通信技術，實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)量、保存資源的效果。精準農(nóng)業(yè)需要獲取有關農(nóng)田、土壤和空氣狀況的實時數(shù)據(jù)，在保護環(huán)境的同時確保收益和可持續(xù)性。
可變速率技術(VRT):VRT是一種能夠幫助生產(chǎn)者改變作物投入速率的技術。它將變速控制系統(tǒng)與應用設備相結合，在精準的時間、地點投放輸入，因地制宜，確保每塊農(nóng)田獲得最適宜的投放量。智能灌溉:提升灌溉效率、減少水源浪費的需求日益擴大。通過部署可持續(xù)高效灌溉系統(tǒng)以保護水資源的這種方式愈來愈受到重視。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉對空氣濕度、土壤濕度、溫度、光照度等參數(shù)進行測量，由此精確計算出灌溉用水需求量。經(jīng)驗證，該機制可有效提高灌溉效率。農(nóng)業(yè)無人機:無人機有著豐富的農(nóng)業(yè)應用，可用于監(jiān)測作物健康、農(nóng)業(yè)拍照(以促進作物健康生長為目的)、可變速率應用、牲畜管理等。無人機可以低成本監(jiān)視大面積區(qū)域，搭載傳感器可輕易采集大量數(shù)據(jù)。智能溫室:智能溫室可持續(xù)監(jiān)測氣溫、空氣濕度、光照、土壤濕度等氣候狀況，將作物種植過程中的人工干預降到最低。上述氣候狀況的改變會觸發(fā)自動反應。在對氣候變化進行分析評估后，溫室會自動執(zhí)行糾錯功能，使各氣候狀況維持在最適宜作物生長的水平。收成監(jiān)測:收成監(jiān)測機制可對影響農(nóng)業(yè)收成的各方面因素進行監(jiān)測，包括谷物質量流量、水量、收成總量等，監(jiān)測得到的實時數(shù)據(jù)可幫助農(nóng)場主形成決策。該機制有助于縮減成本、提高產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)(FMS):FMS借助傳感器及跟蹤裝置為農(nóng)場主及其他利益相關方提供數(shù)據(jù)收集與管理服務。收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲與分析，為復雜決策提供支撐。此外，F(xiàn)MS還可用于辨識農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析最佳實踐與軟件交付模型。它的優(yōu)點還包括:提供可靠的金融數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、提升與天氣或突發(fā)事件相關的風險緩釋能力。土壤監(jiān)測系統(tǒng):土壤監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)助農(nóng)場主跟蹤并改善土壤質量，防止土壤惡化。系統(tǒng)可對一系列物理、化學、生物指標(如土質、持水力、吸收率等)進行監(jiān)測，降低土壤侵蝕、密化、鹽化、酸化、以及受危害土壤質量的有毒物質污染等風險。精準牲畜飼養(yǎng):精準牲畜飼養(yǎng)可對牲畜的繁殖、健康、精神等狀況進行實時監(jiān)測，確保收益最大化。農(nóng)場主可利用先進科技實施持續(xù)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果做出利于提高牲畜健康狀況的決策。
報告同時指出，智慧農(nóng)業(yè)可以優(yōu)化種子、肥料、殺蟲劑、人力等農(nóng)業(yè)資源配置，降低農(nóng)業(yè)機械的燃料消耗和維護成本，從而大幅削減運營成本。通過加深對當?shù)丨h(huán)境狀況的了解，采取有針對性的播種，就可以利用同等資源獲得更多產(chǎn)出。改善農(nóng)業(yè)經(jīng)營對農(nóng)場主甚至整個社會都是有益的，因為智慧農(nóng)業(yè)不僅可以增加糧食產(chǎn)量，從整體上拉低糧食價格，而且有利于保護環(huán)境和資源。
通過物聯(lián)網(wǎng)獲得農(nóng)業(yè)各個階段的數(shù)據(jù)，可以建立植物和動物生長模型，結合機器學習、人工智能等技術，可以將經(jīng)驗論、非標準化的農(nóng)業(yè)變?yōu)橛星逦Ｐ?、因素可控的生產(chǎn)方式。當然，從大數(shù)據(jù)應用到人工智能還需要很長的一段路要走，因為人工智能需要大量結構化數(shù)據(jù)飼喂和培養(yǎng)，但是當前無論在數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)收集方式還是數(shù)據(jù)處理能力方面，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)尚不十分完善。
人工智能在農(nóng)業(yè)領域亦有廣闊的應用前景，包括農(nóng)業(yè)病蟲害圖像識別、動物行為分析、農(nóng)產(chǎn)品無損檢測、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機器人、精準作業(yè)技術等。以專家系統(tǒng)為例，其包括作物生產(chǎn)決策系統(tǒng)、作物病害診斷專家系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理專家系統(tǒng)、動物健康養(yǎng)殖管理專家系統(tǒng)、多民族語言農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)等。
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抓住數(shù)字化轉型關鍵點
