摘要
智慧农业融合了现代信息技术、农业机械装备和生物技术,是现代农业的发展趋势。我国正处在从传统农业向智慧农业的转型初期,为给我国智慧农业的发展和研究提供参考借鉴,本研究运用文献计量学方法,分析了SCIE数据库收录的全球智慧农业领域的40 812篇相关文献,对智慧农业的核心知识元素、研究主题和前沿热点进行了深入分析。结果显示,2016年后全球智慧农业领域文献量大幅度增长,中国是全球在该领域发展最为迅速的国家。对智慧农业近10年的632篇高被引论文关键词进行共现聚类显示,智慧农业的核心知识元素包括遥感、人工智能、无人机、物联网和大数据;智慧农业可分为三大研究主题:以生物大数据为代表的现代生物技术,以物联网、人工智能和遥感为代表的信息技术,以无人机和农业机器人为代表的智能农机装备。智慧农业的发展是多学科交叉融合实现农业生产高度精确化、智能化、高效化的过程。关键词演化分析显示,以物联网为代表的信息感知、处理和管理以及以机器学习和深度学习为代表的人工智能算法是近年来智慧农业研究的前沿热点。从政策制定、人才培养和核心技术等方面对智慧农业的未来发展进行了讨论,提出通过布局重点领域、培养新型应用型人才和开发原创性成果等方面实现我国农业转型升级。
随着物联网、大数据、云计算、人工智能、第五代移动通信(5G)等新一代信息技术在农业领域的广泛应用,以及农业机械或装备的智能化发展,以智慧农业为表现形态的“农业4.0”时代已经到
近年来,我国在智慧农业发展方面进行了一系列部署,自2016年以来,党中央国务院提出了乡村振兴战略规划、国家大数据战略以及《数字乡村发展战略纲要》等国家重大战略和规划。2021年中央一号文件《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》提出,“发展智慧农业,建立农业农村大数据体系,推动新一代信息技术与农业生产经营深度融合”。2022年中央一号文件进一步提出“推进种业领域国家重大创新平台建设”“启动农业生物育种重大项目”“加快实施农业关键核心技术攻关工程”。2023年中央一号文件首次提出加快生物育种产业化步伐,更加重视生物育种带来的产业变革。在国家政策大力引领下,我国农业智能装备、北斗农机自动导航驾驶、无人农场、高通量植物表型平台等智慧农业科技取得了巨大的进
文献计量学是以文献或文献相关媒介为研究对象,采用数学、统计学等计量方法,研究文献和文献工作系统的数量关系和规律,以及探讨科学技术动态特征的一门学
本研究文献数据来源于Web of Science(WoS)核心合集中的科学引文索引(science citation index expanded,SCIE)数据库,检索年限为1960-2022年,文献类型限定为论文和综述,语种限定为英语(检索日期为2022年11月15日)。本研究用于检索的关键词以赵春
高被引论文数据来自基本科学指标(essential science indicators,ESI)数据库(2022年11月10日更新,覆盖2012年到2022年8月的数据),ESI数据库所标注的高被引论文是指近10年来累计被引频次进入各学术领域前1%的优秀论文,能够反映学科研究热点与前沿。在WoS-SCIE检索结果页面对40 812篇文献进一步精炼,选择“高被引论文”,筛选出796篇高被引论文,人工去除不相关文献和作者关键词信息缺失的文献后,得到的632篇高被引论文用于知识图谱分析。
使用WoS数据库平台中自带的分析功能和Excel软件对年度发文量、国家/区域、研究机构、学者的贡献度和影响力进行分析。使用可视化软件VOSviewer 1.6.17对高被引论文的关键词进行共现网络分析。先对作者关键词进行人工清洗,合并同义关键词,如:将“Internet of Things (IoT)”“Internet-of-Things”和“iot”合并成“Internet of Things”(物联网),去除数字等无义关键词。将高被引论文数据集导入VOSviewer后,计数方法设置为full counting,分析单元选择author keywords,关键词词频阈值设为3,对符合条件的175个关键词绘制可视化知识图谱。
对智慧农业领域相关的40 812篇文献的年度发文趋势进行分析,结果显示,早期智慧农业发展缓慢,其研究主要涉及遥感技术在农业中的应用。1991年起智慧农业研究文献逐渐增长,2016年后进入快速发展期,发文量由2016年的1 838篇增长到2021年的7 124篇,文献数量飞速增长。中国(占比28.6%)和美国(占比23.8%)是发文最多的国家,且发文量明显高于其他国家,在全球智慧农业研究领域具有竞争优势。美国在智慧农业领域的研究起步较早,可检索到的最早文献发表于1974年;中国在1995年才开始发表该领域的第一篇相关文献,晚于美国至少20年,但在2011年后表现出较快的增长速度,并于2017年年度发文量超过美国,成为全球在该领域年度发文量最多的国家。在文献影响力方面,美国的文献总被引频次最高,中国次之,在文献篇均被引频次方面,欧美发达国家要普遍高于发展中国家,其中荷兰位居全球第一。
在智慧农业领域发文较多的机构有中国科学院、美国农业部、法国国家农业食品与环境研究院、中国农业科学院等,而中国农业大学、瓦格宁根大学和浙江大学是发文量进入前10的高校,在此领域的科研实力较强。在学术影响力方面,美国的马里兰大学帕克分校、康奈尔大学和加利福尼亚大学戴维斯分校3所高校的篇均被引频次最高,比较而言,中国和印度研究机构的篇均被引频次较低。智慧农业领域发文量较高的中国学者有北京农林科学院的赵春江、杨贵军、冯海宽和李振海,中国科学院空天信息创新研究院的黄文江,南京农业大学的曹卫星和朱艳,浙江大学的何勇,华南农业大学的兰玉彬等;国外学者有美国农业部水文与遥感实验室的William P. Kustas和Martha C. Anderson,斯坦福大学的David B. Lobell,墨尔本大学的Pablo J. Zarco-Tejada等。其中,Pablo J. Zarco-Tejada发表的文献篇均被引频次最高,在智慧农业领域具有极高的影响力。
借助VOSviewer可视化工具对智慧农业领域ESI高被引论文的关键词进行词频和共现分析,可以了解该领域的知识要素和研究重点。出现频次大于3的 175个关键词中“遥感”这一关键词的节点最大,频次为87,是智慧农业研究中的重要内容;其次为“深度学习”“机器学习”“精细农业”“无人机”“物联网”“卷积神经网络”“人工智能”和“大数据”。农业遥感通过安装在卫星、飞行器(包括飞机和无人机)或农业机械上的传感器在远离目标和非接触目标物体条件下获取目标信息,在作物表型检测、土地使用监测、作物产量预测、精细农业、生态系统服务等农业领域得到了广泛应
在VOSviewer关键词共现聚类视图中,智慧农业领域关键词形成了9个聚类,代表性的关键词依次是“高通量表型分析”“物联网”“深度学习”“机器学习”“遥感”“生态系统服务”“产量预测”“干旱监测”“无人机”。根据智慧农业的三大生产力要素——农业生物技术、信息技术和工程技术,智慧农业领域可分为三大研究主题:
1)以生物大数据为代表的现代生物技术。生物技术在农业中的一个重要应用就是培育高产、优质、抗病虫害、抗逆的植物品种和优良的动物品系,促进种植业和养殖业发展。生物技术应用过程中产生的生物大数据是智慧农业的重要数据来源。在聚类视图中,生物技术和生物大数据的相关研究包括以“高通量表型分析”和“产量预测”为代表的聚类,出现频次较高的关键词中,与生物大数据相关的有“高通量表型分析”“基因组学”“表型组学”“代谢组学”“宏基因组学”等;与分子育种技术相关的有“全基因组选择”“基因组预测”“CRISPR/Cas9”“基因组编辑”等;与应用领域相关的有“气候变化”“育种”“作物改良”“非生物胁迫”“产量预测”等。近年来,高通量测序(也即新一代测序)技术的发展和随之带来的一系列组学应用是生物领域一个巨大的发展,生物大数据的积累是当今生命科学领域的一个重要特
2)以物联网、人工智能和遥感为代表的信息技术。信息技术被广泛应用于农业生产的各个环节,在聚类图谱中包含多个聚类,分别是以“物联网”“深度学习”“机器学习”“遥感”“生态系统服务”“产量预测”“干旱监测”为代表的聚类,可归纳为物联网、人工智能、遥感三类。
①物联网。包括以“物联网”为代表的聚类,出现频次较高的关键词有“精细农业”“智慧农业”“数字农业”“物联网”“大数据”“区块链”“传感器”“云计算”等,应用的领域有“食品安全”“供应链”“溯源”“安全”“隐私”等。在信息技术应用到农业领域的过程中产生了许多与智慧农业相关的名词术语,如精细农业(precision agriculture)、数字农业(digital agriculture)、智能农业(intelligent agriculture),这些名词概念与智慧农业的侧重点有所不同,但信息和知识要素的本质不变,随着技术水平的不断发展,终将走向智慧农
②人工智能。包括以“机器学习”和“深度学习”为代表的聚类。出现频次较高的关键词有“深度学习”“卷积神经网络”“计算机视觉”“高光谱成像”“机器学习”“随机森林”“支持向量机”“人工神经网络” “特征提取”“图像分割”“迁移学习”等;应用的领域有“目标检测”“图像处理”“作物产量预测”“植物病虫害”“果实检测”等。农作物拥有独特的颜色、纹理、形状等特征,人工智能技术可以通过图像识别和机器学习等技术,进行农田杂草检测和识别、农作物分类、农作物病虫害诊断、农作物长势监测和产量预测等。Jin
③遥感。包括以“遥感”和“生态系统服务”为代表的聚类。出现频次较高的关键词中,涉及的技术方法包括“遥感”“地理信息系统”“卫星图像” “陆地卫星(Landsat)”“归一化差异植被指数(NDVI)”“叶面积指数(LAI)”“中分辨率成像光谱仪(MODIS)”“时间序列”“合成孔径雷达(SAR)”“Google Earth Engine(GEE)”等,应用领域有“土地利用”“土地覆被”“生态系统服务”“灌溉”“作物产量”“作物分类”“作物监测”等。遥感在农业中的应用是基于不同农作物在植株和叶片结构、叶肉细胞、叶绿素、含水量等方面存在理化性质差异,导致植株冠层和叶片反射和发射的光谱不同,通过研究其光谱规律进行分
3)以无人机和农业机器人为代表的智能农机装备。智能农机相关研究包括以“无人机”为代表的聚类以及与“遥感”“物联网”“人工智能”交叉融合的聚类,出现频次较高的关键词有“无人机”“高光谱”“多光谱成像”“激光雷达”“面向对象的影像分析技术(OBIA)”“农业机器人”“温室”“智能农业”;应用领域有“杂草检测”“智慧灌溉”“智慧种植”“植物病害”“果实检测”等。利用无人机搭载成像装置或传感器收集信息,用于农业监测、管理和决策,是目前智慧农业的一个主要研究趋势。Malambo
利用VOSviewer,基于关键词共现网络对智慧农业领域关键词进行演化分析,结果显示,遥感技术在较早的时期就被大量研究应用;“物联网”“机器学习”“深度学习”是近年来的研究热点。
早期的地理信息系统、土地利用效率、土地覆盖面积等分析多采用中/低空间分辨率的遥感影像。随着高分辨率遥感卫星的发射,“Sentinel-1”“Sentinel-2”和 “Google Earth Engine”加上人工智能方法的应用成为该领域的最新研究热点。这些前沿技术大幅提高了农作物分类和信息数据的准确度,实现了高精度的作物长势特征的大面积监测、农田土壤水分动态监测、农作物分类和生物量预测
随着网络技术和5G的发展,以物联网为代表的信息感知、信息处理和信息管理成为近年来智慧农业领域的前沿热点。近年来,物联网领域研究热点包括“安全”“供应链”“传感器”“边缘计算”“雾计算”等。智慧农业的快速发展对传感器的敏感性、精确性、实用性提出了更高要求。由于终端设备类型和数据的不断增加,云端物联网面临数据安全和延迟等问题,已无法满足快速处理数据的要求。面对这些挑战,计算范式正在从集中式云计算转向分布式边缘计
机器学习和深度学习是近年来智慧农业领域的研究重点和热点。随着大数据时代的到来,形成了“机器学习”“深度学习”“神经网络”“人工智能”“农业机器人”“语义分割”“产量预测”“植物病害”等前沿热点。人工智能技术立足于神经网络,同时发展出多层神经网络,进行深度机器学习。随着大数据不断积累,深度学习和强化学习等算法根据不同的训练数据不断训练,拥有自优化的能
随着土地资源的减少、极端气候带来的环境恶化,全球人口持续增长,传统农业生产方式亟待转型。本研究运用文献计量学方法,统计和分析了智慧农业领域发表的文献,表明智慧农业作为一门交叉学科,集成了信息技术、工程技术和生物技术。
从科研文献产出的时间来看, 中国在智慧农业领域研究起步要比欧美发达国家晚至少20年。然而,中国是全球在该领域发展最为迅速的国家。近年来,我国智慧农业相关研究发文量增长迅速,2017年年度发文量超过欧美国家,目前是全球在该领域发文最多的国家,但科研影响力还有待提高。基于知识图谱分析,智慧农业的核心知识元素可概括为:遥感、人工智能、无人机、物联网和大数据。根据智慧农业的三大生产力要素——农业生物技术、信息技术和工程技术,以及VOSviewer生成的关键词共现聚类视图,智慧农业领域未来5年仍将聚焦三大研究主题:以生物大数据为代表的现代生物技术,以物联网、人工智能和遥感为代表的信息技术,以无人机和农业机器人为代表的智能农机装备。
1)现代生物技术融合生物大数据加速生物育种。农业遥感和作物高通量表型提供了大量作物生长发育、产量、抗病性、非生物胁迫等不同性状的表型数据,结合基因组、转录组、代谢组、表观基因组等多组学数据,利用生物信息学分析方法,加速了大量未知基因的克隆和功能解析。基于大量表型和基因型数据,优化深度学习模型用于性状预测,提高了全基因组选择的精确度。全基因组选择与基因组编辑、转基因等技术结合,使作物育种更加快速和精确,是未来农业技术发展的重要方向之一。
2)信息技术为智慧农业提供了系统支撑。以农业物联网、人工智能和遥感为代表的信息技术大量应用在农业生产过程中,实现农业的数字化、精准化、智慧化发展。信息技术的快速发展对农业物联网感知技术提出了更高要求,亟需提高传感器的敏感性、精确性、实用性。面对终端设备类型和数据的不断增加,云端物联网出现数据安全和延迟等问题,计算范式正在从集中式云计算转向分布式边缘计算。透明计算、移动边缘计算、雾计算和微云等新的计算范式已经出现,以满足实时、快速处理数据的要求。构建区块链和农产品质量监管体系,对农业生产和供应进行跟踪和追溯,提高了整个产业链的信息透明度。
3)智能农机装备为智慧农业提供基础保障。以无人机和农业机器人为代表的智能农机装备将物联网、大数据、人工智能等信息技术引入农业生产,实现智能感知、自动导航、精准作业和智慧管理。利用无人机或农业机器人搭载多种成像装置或多光谱传感器,结合数字图像处理技术和深度学习算法,提高智慧农机装备的工作效率和准确性,是目前智慧农业的一个主要研究趋势。
目前,我国智慧农业进入了快速发展时期,也是追赶国际领先技术的关键时期。基于文献计量学分析和我国农业发展特点,对我国以智慧农业为技术特征的农业强国建设,提出以下3点建议:
1) 加强政府支持和智慧农业相关政策制定。农业是国之根本,是我国的第一产业,是国家长治久安和人民丰衣足食的重要保障。自2016年以来,国家相关部门陆续发布一系列措施,促进农业生产向智能化转型,加快生物育种产业化步伐。在国家政策大力引领下,我国农业智能装备、无人机、无人农场、智能管理等智慧农业科技取得了巨大的进步。建议在重点领域,包括生物育种、智能算法、智能装备等智慧农业核心技术,加强政府支持,布局和实施一批智慧农业重点项目。对智慧农业技术产品提供政策性补贴,加强引导和示范,鼓励农户和企业向智慧农业转变。加快农村信息化基础设施建设和信息传输,推进智能化作业和规模化生产。
2)加强智慧农业学科建设和人才培养。作为多学科交叉合作的研究领域,智慧农业整合生物学、信息学、计算机科学和工程学等多学科和交叉学科人才的共同协作,这对仅具有单向知识背景的研究者是一个巨大的挑战,不少科研单位探索创建智慧农业相关专业和研学平台。建议在高校开设智慧农业相关课程,大量开展智慧农业实践课程,培养符合智慧农业需求的人员;鼓励信息、工程、人工智能等领域人才进入农业领域开展相关科学研究与应用推广。华中农业大学于2020年正式获批智慧农业本科生专业,是全国第一批设立智慧农业专业的学校。2022年,华中农业大学成立智慧农业书院,为培养具有创新型、复合型的智慧农业领域人才创造了条件。未来研究需要构建跨学科背景下的智慧农业知识体系、培训模式和跨学科合作机制,加强生物技术、信息技术、工程技术专家的交流和合作,充分利用多方面的师资力量,打造多学科交叉融合的创新型复合人才队伍。
3)加强智慧农业关键核心技术攻关。近年来,我国智慧农业在取得了大量成果的同时,还应该明确,我国智慧农业仍缺乏基础研究和核心技术积累。当今热点领域包括农业传感器、高性能芯片、智能终端、农业机器人、农业专用卫星、农业人工智能等,需要加强研发,并鼓励原创性成果,开辟智能农业新赛道。建议联合科研单位和企业,优化现有传感器的准确性、稳定性,研发高精度农业传感器,并逐步降低其成本,打破国外技术垄断;加强智能农机装备的研发、专利布局和生产,建设无人农场,推进智慧生产的示范作用;开发人工智能算法,深度融合人工智能与农业大数据,建立高精度的农业模型;通过对人、机、物等的全面连接,对农产品从生产到销售进行全流程跟踪式监测和管理,构建覆盖农业全产业链、全价值链的全新农业生产和服务体系;健全农业大数据安全管理制度,完善网络安全技术手段,保障农业网络和信息安全。
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