农业信息技术应用现状及发展趋势

闫 雪， 罗 斌， 王 成*

(1.北京农学院， 北京 102206； 2.北京农业信息技术研究中心， 北京 100097)

0 引言

农业信息技术是现代农业发展的重要标志。应用信息技术，不仅可以提高农业生产效率和水平，提高作物产量与品质，还可以推动生产方式向规模化、标准化、精细化方向发展，为我国农业生产技术水平的进步与发展提供技术支撑，在整个农业生产和农业科学研究中起到推动全局的作用。我国高度重视农业信息化的发展，初步构建了农业信息网络体系，加强了基础设施建设，发展趋势整体向好[1]。但与一些发达国家相比，仍有较大的差距。李泽龙[2]建议，我国农业信息技术的应用与国情相结合，强化基础硬件设施建设，并增加教育投资，建立全面信息传播渠道。赵春江等[3]建议，建立以“信息感知、定量决策、智能控制、精准投入、个性服务”为特征的农业智能生产技术体系、农业知识智能服务体系和智能农业产业体系。农业经济发展离不开农业信息技术辅助，信息技术的运用将会给现代农业的发展带来更大的潜力和空间，能为我国三农事业发展带来更多的机遇，开辟出农业发展的新天地。为我国未来农业信息技术发展的可行性及方向提供参考，对美国、法国、德国、日本和韩国农业信息技术发展现状，及我国在3S技术、农业专家系统、农业自动化技术、农业数据库技术等方面的发展现状进行总结，结合我国目前信息技术发展方向和农业的发展需求，提出人工智能、大数据分析、深度强化学习及区块链技术等将成为我国现代农业信息技术的未来发展趋势。

1 国外发达国家农业信息技术发展现状

1.1 美国

美国的现代农业模式主要体现在机械化和自动化技术的应用。从20世纪70年代初开始，美国建立农业科技信息数据库，广泛应用于作物生产管理、病虫害诊断和预测、农业资源保护等[4]。70年代末，美国开始研究农业专家系统，90年代中期，美国发展农村网络基础设施。美国最早在《农业法》中提出保护农业技术信息服务主体利益的内容，且《2014年农业法案》最新修订版对现代农业推广、农产品推广等信息化项目做了重新修正。目前，主要技术创新集中在室内垂直农业、自动化技术、畜牧信息化技术、现代温室、精准农业、人工智能以及区块链等领域。在农场中常用的主要技术有自动化收割、自动拖拉机、播种除草机器人和无人机作业[5]。在养殖场，将单独的可穿戴传感器放在牛身上，追踪日常活动和监控健康。以城市为中心，建立大规模温室。区块链可用于解决当前食品系统中全流程追溯的问题[6]。CROP X公司提供农业智能化灌溉方案，该方案自动测量田间土壤温度和湿度，根据实地情况系统自动进行灌溉，农民还可以在手机、电脑上实时查看土壤及灌溉情况。SEMIOS公司研发了一种自动驱虫的设备。在田间安装全天候检测设备，实时监控田间害虫密度，当害虫密度超过设定的警戒线时，会自动喷洒信息素来干扰害虫的交配，从而达到控制虫害的效果，并且这种信息素只针对于害虫，农作物和其他有益昆虫不会受到任何影响[7]。

1.2 法国

目前，法国是欧盟的第一大农业国，其农业信息技术应用比较先进和成熟，能够实时收集、发布处理农业相关信息，具有及时、高效的特点。农业相关信息的采集不仅包含种植业，也同时包括食品生产加工等。目前，法国的政府和农业部门从下到上都有自己独立的农业信息数据库、计算机局域网和计算机广域网，省农业厅还配置电脑和服务器等设备[8]。在专业的技术学校还配备专业的课程和计算机的教学，培养学生和农民通过计算机操作来获取互联网上的信息。在较大的农场，已经开始利用计算机和网络开展电子商务活动。EKYLIBRE是法国第一个农业软件，无需支付任何费用即可获得软件所采集的相关农业信息。

1.3 德国

20世纪80-90年代，德国的电子计算机及数据处理技术得到应用，并初步建立了农业信息数据库[9]。据欧洲农业信息技术联盟(EFITA)统计，至2013年，德国18万农户中大约90%使用了计算机[10]。在德国的农业科研中，计算机自动控制系统已得到广泛应用，如应用计算机监测并自动调控影响作物生长的温度、湿度及二氧化碳浓度等主要因素，并将相关数据保存并发送到系统数据库，作为历史数据存档。德国是较早提出精准农业的国家之一，通过综合利用大数据和云技术，已建成不少先进的精准农业系统，如先进农业系统、田地之星及绿色之星等。目前，德国已将3S技术广泛应用于农业生产资源使用和自然灾害预测，如在大型农业机械上安装GPS系统，根据不同区域和地块的实际情况，准确地使用各种肥料和农药。在畜牧和养殖业方面，德国的农场主给自己饲养的各种动物系上电子识别牌，投放饲料时可根据动物自身健康状况进行精准投喂[9]。

1.4 日本

日本的农业信息化技术是伴随第二次世界大战后日本经济复苏发展起来的，大体经历了4个阶段，第1阶段是20世纪50年代，日本农林水产省开始农业有线广播信息的放送，这是日本农业信息的开端；第2阶段是20世纪70年代，日本政府决定按照本国资源和生态情况，推进农业信息化带动绿色化发展；第3阶段是20世纪90年代，随着信息技术快速发展，农民可以通过电脑、电话、手机等信息终端来及时处理各种农业信息[10]；第4阶段，即现阶段。2014年，全日本大约有50%以上农户使用农业物联网技术，大幅提高农产品生产和流通效率。时至2020年，其农业物联网达到580亿日元规模，农业云端计算技术应用占农业市场的75%，农业机器人也得到了广泛普及和应用[10]。

1.5 韩国

韩国发展城市农业，即在城市范围内利用土地、建筑物等空间进行农作物的种植和栽培。位于韩国首都圈的京畿道农业技术院研发的新型植物工厂化生产模式(芽苗菜)，日产量达8 t[11]。长期以来，韩国政府十分重视和推广农业信息技术，并开设各种信息技术培训班，利用远程教育的方式指导和推广韩国农业信息技术。 PARK等[12]对在线学习系统在韩国农村发展管理与农技推广方面的应用进行分析认为，依托互联网，可加快农技推广的效率。韩国构建了生物信息资源管理系统，在这个信息系统的基础上技术人员可以研究生物科学，还建立了作物育种管理系统、自然环境和经济环境服务系统，主要采集和收录气候信息、农产品的进出口信息等。2018年4月，政府推广智能农场，预测至2022年，推广7 000 hm2农场和5 750个谷仓的农场，并建设4个智能农场，集生产、教育和科研功能于一体的高科技融合区，并且有基于AI的语音支持平台“Palm Voice”和“Cloud Platform”，以帮助在整个种植过程中作出适当的决策。

2 我国农业信息技术发展现状

2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，指出要研制农业智能传感与控制系统、智能农业装备、农机田间作业自由系统等，为未来信息农业的发展指明了方向[13]。近年来，农业信息技术发展迅猛，如3S技术、农业专家系统、农业自动化技术、农业数据库等，都得到了快速发展。

2.1 3S技术

3S技术是全球定位技术(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感技术(RS)的统称。3S技术在现代农业中有着重要作用。遥感不仅可以有效地进行作物生长周期监测与产量估算、土壤水分含量与分布监测、作物长势及作物病虫害监测等[14]，还可以有效地辅助管理者决策。地理信息系统可以对获取的作物长势及病虫害监测数据实时进行信息分析得出，田间的空间差异性和关联性，为农业管理提出科学指导。全球定位技术主要应用于农业机械化耕种，即通过在农机上安装定位系统，实现农田的精准耕作、喷药、施肥及除草等操作[15]。3S技术通常用于农业生产资源监控、生产过程管理及农产品流通环节等。目前，已有部分园区、农场应用3S技术有效地实时采集农业生产或管理过程的相关数据信息，完成农业生产管理过程所需的简单数据分析和自动控制。但我国3S技术缺少直接面向农业生产的国产化、规模化的硬件产品。以农用GIS为例，国内市场上目前只有少数几款支持农业GIS的软件产品，但相比国外的产品功能较少，无法完全满足农民需求。3S技术还存在巨大的发展空间，可通过行业或协会的形式有目的有计划地推动3S技术的发展。

2.2 农业专家系统

20世纪80年代初，我国开始研究农业专家系统(又称农业智能系统)。这是一项计算机农业软件系统，通过运用信息标记、梳理及知识获取等技术，总结专家的经验、实验数据及数据模型，为农户答疑解惑[16]。国家863计划大力支持了农业信息技术的相关研究与开发，有关企业和部门也安排了农业专家系统的研究。国内专家学者研制出水稻[17]、马铃薯[18]、天麻[19]、梨[20]及烤烟[21]等农业专家系统。此外，还构建了生菜[22]、小麦[23]、玉米[24]、黄瓜[25]及青稞[26]等生长模型。近几年，我国农业专家系统更是蓬勃发展，但由于专家系统不具有学习功能，因而存在系统不能处理未录入的问题，且国内自主研发的农业系统开发工具相较国外还不够成熟，商品化水平较低。

2.3 农业自动化技术

随着我国农业科学技术的不断发展，部分地区自发将自动化技术运用于无土栽培、滴水灌溉、农业收割等农业生产中，有效解放了劳动力，提高了农业生产效率和经济收益。但很多地区仍保持传统的耕作模式，农民对相关自动化技术的认识不足。应适当加大自动化技术的科普力度与硬件支撑，在一些农村地区打造自动化技术示范点，为更多的农民提供相关教学服务。

2.4 农业数据库

目前，我国已经建立了100余个不同技术类型的农业科技文献数据库，其中不乏有许多具有代表性的农业数据库，如中国农业科技文献数据库，该文献数据库主要是由中国农业科学院研制和开发的，是国内规模和数据信息量最大的一个综合型农业科技文献数据库。此外，我国还引进了世界三大类型农业科技文献数据库，分别是国际应用生物科学中心文摘(CABI)的“农业和自然资源数据库”CAB ABSTRACTS、AGRIS协调中心和联合国粮农组织(FAO)的“国际农业科技情报系统”AGRIS、美国农业图书馆(NAL)的“农业联机检索数据库”AGRICOLA，为我国农业行业信息获取与分析提供了更多渠道和资源。

3 我国农业信息技术未来发展趋势

随着现代信息技术的快速发展，一些新的信息技术，如人工智能、大数据分析、深度强化学习和区块链技术等，逐步在现代农业领域普及和应用，必将为我国现代农业的发展带来革命性的技术创新，也将成为我国智慧农业的重要发展方向。

3.1 人工智能

智能化农业技术可以通过设计建立智慧农业物联网云平台[27]、智慧农业无线网络监控系统[28]、新型农业大棚智能系统[29]、温室智能系统[30]和无人农场[31]等，根据规模进行定量灌溉、施肥和喷洒农药等，可有效降低生产成本及资源浪费率。在未来农业生产过程中，基于人工智能系统的农业设备将大范围应用，渗透到农业生产的各个环节，进一步缓解农业生产者负荷，降低农业生产过程中的劳动力需求量。

3.2 大数据分析

农业大数据的应用将贯穿整个产业链，涉及作物生长环境监测、作物育种、病虫害防治等多个方面，实现产品流通数据的跟踪，做到农产品质量可追溯。应用大数据分析技术，可以帮助人类从与农业生产过程密切相关的属性数据和空间数据中找出隐藏的规律，按照规律制定正确的精准农业策略，并进行精准预测和辅助决策，达到使农业生产持续、高效和协调发展的目的[32]。

3.3 深度强化学习

深度强化学习是将实现深度学习的感知能力和强化学习的决策能力相结合，优势互补，为复杂的感知决策问题提供高效解决方案的人工智能方法[33]。深度强化学习目前成功应用于自动驾驶等领域，如Al-phaGo、Alpha Gozero及Atari Game[34]。目前，基于深度学习的应用较多，主要集中在植物形态学、病态学和生长环境信息学等方面的检测、分析与预测，在动物的分类、识别和检测中也开始应用，由于其应用场景更为复杂，增加了信息获取和识别的难度。而深度强化学习在农业领域的应用还相对较少，其应用场景和研究对象还有待进一步扩展方向。

3.4 区块链技术

自2016年工信部发表《中国区块链技术和应用发展白皮书(2016)》以来，区块链技术以其高效迅速快捷的优势，在诸多产业里得到了快速发展和应用，作为我国第一产业的农业也不例外[35]。目前，区块链技术已初步应用到农业物联网、农产品质量安全追溯等领域，并取得了一定成效。随着技术的不断发展，区块链技术具有的去中心化、不可篡改及分散记账等特性将提高未来农业发展的可靠性和实用性，如果将区块链技术和现代农业发展模式相结合，将会极大推进我国智慧农业发展进程。

4 结语

农业信息技术是发展我国现代农业生产和科技的基础和先导，起到了推动全局的重要作用。计算机信息技术改善了我国的种植业、养殖业、林业生产经营和管理方式，提升了我国农业产业化的水平。但我国产业化水平相对落后，需要大力完善农业信息化的基础设施，扩大综合信息服务的覆盖率，加快研发农业信息技术相关产品。总之，以提高农业劳动生产率、土地产出率和资源利用率为目标，应用各项农业信息化产品和数据分析技术，加强人工智能与农业领域的融合发展，建立智能化植物工厂、智能农场、智能牧场和智能果园等，将成为我国未来农业信息技术发展的方向。