智慧农业引领相关学科创新发展

姜德文，蒋学玮，周正立，冯建菊，柳维杨，王兴鹏

（1水利部水土保持监测中心，北京 100053）

（2塔里木大学园艺与林学学院，新疆 阿拉尔 843300）

（3塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300）

（4塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

中国经济社会发展已进入高质量发展新阶段，以大数据、互联网、云计算、人工智能、物联网、区块链等为核心的新技术推动着技术创新，促进产业转型升级，数字经济成为转型发展的重要驱动力，推进数字社会、数字政府建设成为新方向，由此带动了智慧社会、智慧管理、智慧服务、智慧生活等等新应用［1］。智慧也在大农业领域逐渐广泛融合与发展，智慧农业成为当今和未来引领学科发展、创新发展路径、提升发展成效的核心技术，教育部2019年度普通高校专业设置中首次审批了智慧农业专业，塔里木大学智慧农业专业2020年获批。智慧农业的发展有非常广阔的前景，本文就信息化的新动向、智慧农业专业建设及智慧农业引领相关学科发展进行了探讨，亟望对塔里木大学智慧农业的发展有参考意义。

1 信息技术与智慧社会深度融合，成为发展的新动力、新方向

当今世界，以大数据、云计算、人工智能、互联网、物联网、区块链等核心科技引领着创新与发展，网络空间由人人互联走向万物互联，数字化、网络化、智能化服务进入全社会、各领域，信息化进入全面渗透、跨学科跨行业融合、加速创新、引领发展的新阶段。十九大报告中强调要建设网络强国、数字中国、智慧社会，把智慧社会作为建设创新型国家的重要内容［2］。中国“十四五”规划和远景目标纲要、“十四五”数字经济发展规划中提出了加快数字化发展，建设数字中国的新目标，明确要求加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革，并将智慧农业、智慧水利列入国家重点行业数字化转型提升工程［3-5］。

智慧社会的工作基础是数字化，实现的路径是网络化，技术支撑是智能化，数字化、网络化、智能化的深度融合创新了智慧社会［6］。感知、融合、共享、协同、智能是智慧社会最基本的特征。通过数字化实现万物感知，比如全球定位系统、地理信息系统、遥感技术（3S）等一系列新技术创新应用，极大地提升了人类对客观世界的感知能力，使我们获取了巨量的信息源。通过网络化实现万物互联，信息畅通、融合及共享，大数据集成技术、深度学习技术的不断创新探索，推进着人工智能取得迅猛发展。通过智能化实现社会服务与管理的智慧能力与水平。近几年，信息技术在智慧社会中加快创新和应用，特别是智慧城市，创新并提升了城市规划、建设、管理、工作、生活、服务智慧化，政务及其各部门实现了面向社会和公众服务的“一网通”，网上申报、办理相关事宜，工作效率得到极大提高，惠民便企收到显著成效，教育、文体、就业、抚幼、医疗、养老等社会化服务广泛应用［7］。智慧交通、智慧农业、智慧林业、智慧水利等全面推进，数字化进入全社会、各行业、城市乡村。

2018年中央一号文件《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》明确指出：“大力发展数字农业，实施智慧农业、林业、水利工程，推进物联网试验示范和遥感技术应用［8］。”2020年国家相关部委印发了《数字农业农村发展规划（2019—2025年）》，明确提出大力发展数字农业，实施数字乡村战略，推动农业数字化转型，在农业基础设施、科研与技术、资源环境、经营管理、生产机器设备等各方面、各环节加强信息化建设［9］。

2 智慧农业中学科建设与发展

智慧农业是按照工业发展理念，以信息和知识为核心（生产）要素，通过互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等现代信息技术与农业深度跨界融合，实现农业生产全过程的信息感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务的全新农业生产方式［10］，中国工程院赵春江院士的《发展智慧农业建设数字乡村》［11］一文中认为我国农业在向以信息为生产要素，互联网、物联网、大数据、云计算、区块链、人工智能和智能装备应用为特征的智慧农业（农业4.0）迈进。据统计2020年全国注册智慧农业企业共计3 006家。

智慧农业包括传统的农作物生产、经营、管理，已涵盖了果业、林业、园艺、草业、畜牧养殖业与加工业、食品加工与生产，以及生态保护与建设等涉农各领域，从种植、养殖、病虫害与疫病防治生产过程中的水、土、肥、药等全要素管理、机械化自动化种植、施药、收获，到加工、产品销售，以及外部气象、土壤、环境状况等全链条、全覆盖的监测、传输、集成等智慧化。

智慧农业的关键技术主要有以下三个方面：

2.1 广泛而精准的感知

信息感知是智慧农业的前提和基础，只有实现了万物感知，具有快捷、精准获取诸多相关信息源的感知系统，决策、管理才能科学、高效［12］。如农业农村部农业物联网重点实验室围绕智慧农业在物联网应用方面，就开发应用了设施蔬菜高效栽培物联网系统、果园智慧管理物联网系统、典型牲畜健康养殖物联网系统、基于物联网的条锈病预测预报关键技术等研究工作。智慧农业首先要实现万物互联，耕地、果园、水利设施与灌溉设备、管网，卫星数据、无人机遥感，农业机械，各类传感器、设施设备等实现电子化、信息化互联互通，实现环境感知、位置感知、状态感知、动态监控，这是实现智能控制的基础，塔里木大学信息工程学院、机械电气化工程学院等应围绕智慧农业需求，引进和研发新技术。

感知系统首先是农业土壤，监测感知与农业生产密切相关的土壤温度、湿度、水分、土壤肥力及其各项指标等数据信息；其次，监测掌握生产过程中作物、果树的发芽生长、抽穗开花、长势、植物体内水分、病虫害等全生长季、全要素信息；第三，收获季作物的果实成熟度，果实分布、色泽品相等信息；第四，农机传感技术，机器发送、接收、运转信息，实现自动控制、自动驾驶。如此众多的信息传感器是农业物联网的核心，空中、地表、地下全方位的万物互联。

2.2 科学智能决策

在获取万物感知的海量数据，结合多年的农业、林业、果业、畜牧业等农业生产研究成果的基础上，能有效实现自动诊断、分析、决策。譬如在土地科学利用的智能决策，感知系统获取研究区域的水、土、气、生物系统等自然与环境条件下的大数据，运用耕地质量评价、林业立地条件分析、水资源承载力分析、土地承载力及生产力评价等研究成果，科学、自动诊断土地的适宜性，提出决策意见，科学决策事先种什么的问题。再如，设施农业大数据感知，在水、肥定量的前提下，进行多要素最优调控，优化温度、湿度、二氧化碳、光照等控制，实现设施蔬菜、果品的高产、高效、优质生产，进一步解决过程中怎么种的问题。智慧果园管理中针对目前普遍存在的化肥、农药等过量使用及效率低下的问题，精细研究靶向探测及变量喷雾技术，就可以大大减少施用量，并实现提质增效。在产品收获后，可以运用自控技术安全有效的仓储，保质监测，运用大数据、互联网进行网络销售，后期服务等，解决产后管理与服务问题。

2.3 智能控制与管理

智慧农业要实现智能就必须首先实现自动控制，使各类传感器、控制器、控制计算机、手机、触摸屏、信息系统移动终端、PC终端、手机APP等，都要做到自动控制、自动完成电子指令，还要做到远程监测、控制、手机端监控，可视化人机交互，围绕智慧农业的需求，开展探索，逐步推广应用面。

智慧农业要运用现代管理方法和手段，对农业生产的全过程管理，工作流程制定与监督执行，事先部署，事中指导，事后检查等，电子商务平台要对销售服务的农产品产地、生产过程跟踪，互联网销售管理，等等。

3 智慧农业引领学科发展

智慧农业既是一门应用学科，更是一个创新、引领相关科学技术发展的学科。农村农业部在《数字乡村发展战略纲要》［13］指出，智慧农业具有显著的多学科交叉的特点，智慧农业专业以农业科学为基础（包括林业、果业、畜牧业、水利等），紧密结合生物技术、信息技术、工程技术等现代高新科技，成为一门多学科交叉融合的新型学科。

赵春江［11］指出，智慧农业是新一代信息科技，重点是人工智能，物联网、大数据、云计算这些技术，再加上我们的工业装备，比方说拖拉机、收割机，这两样还不行，要和农业生物技术，包括我们的品种，还要和农业栽培管理等等方面进行融合。融合后使我们的农业生产方式发生了翻天覆地的变化，这是一种新的生产方式，就理解为它是智慧农业。

3.1 智慧农业涉及多学科的发展

智慧农业要实现万物感知、联动，现代信息技术是保障。过去我们依靠全球定位系统、地理信息系统、遥感技术（3S）等新技术，极大地提升了对客观世界的感知能力，使我们获取了巨量的信息源，未来要广泛运用大数据、5G、物联网、云计算等技术方法和手段，精准对标的卫星遥感、无人机遥感技术，为智慧农业创造坚实基础条件。要通过引进、研发各类全自动、全天候的仪器设备，及时、准确监测适时的相关数据，并实现远程传输、入库、分送。构建智慧农业所需的网络环境和条件，如5G通信网、互联网、物联网等。建设大数据中心，采集、处理、存储、分析和应用海量的数据。从塔里木大学来看，涉及到农学院、园艺与林学学院、动物科学与技术学院、生命科学与技术学院、食品科学与工程学院、机械电气化工程学院、信息工程学院、水利与建筑工程学院等多个学院，所需专业知识涉及到机械设计制造与自动化、机械电子工程、车辆工程、电气工程及自动化、农业机械化与自动化、农业电气化、通信工程、自动化、计算机科学与技术、网络工程、物联网工程等专业，以及应用领域的农学、林学、园林、园艺、植物保护、种子科学与工程、设施农业科学与工程、农业资源与环境、动物科学、动物医学、水产养殖学、草业科学、水利等等专业，还有3S技术应用等尚未形成专业的多门课程。

从智慧农业学科和应用角度，上述专业不是简单的按原课程大纲授课和研究，应该重点围绕各类监测设施设备、传感设备、遥感自动识别、信息系统开发与应用、信息自动收集、传输、集成、分送等应用方向进行研究，AI识别病虫害与作物果树长势等，形成面向智慧农业的现代信息技术专业知识体系和课程构架［14］。

3.2 智慧农业改变传统农业技术实施

从种什么、怎么种，到生产过程中如何灌溉、施肥、打药，生产后期的收获、仓储等等，需要根据生产实践知识的丰富积累及研究成果的转化，由依靠人转变到智能，形成由应用平台自主执行的规范化、程序化过程。从塔里木大学来看，先从较为成熟、应用面广、易于试点的农业生产开始探索，如棉花生产、核桃与枣树生产、设施农业等，深入挖掘、系统梳理生产全过程各环节的技术要求与标准，如种子、育苗、种植，土地前期耕翻、节水灌溉水量、水温、速率等，病虫害预防，精准施肥、精准打药，生长季温度、湿度、风、光照等监测与调控，最佳收获期判断、机械化收获，果实处理、仓储、保养等，每一个生产环节的外部条件、决策要素等都要实现量化，形成标准化的生产流程，建立农业、果业生产知识库，为智能化生产提供条件。

要实现智能判断、决策，就要加强人工智能研发与应用，特别是通过卫星遥感、无人机航拍获得的数量巨大、类型多样的影像、视频等，通过人工智能实现自动判断、分析。这就需要将多年来各专业领域的专家、教授积累的经验、成果，通过人工智能的反复、深度学习，实现自动识别［15］。如地面作物、果树类型、生长状况，病虫害类型与程度，开花、果实状况，实现智能识别、诊断、分析等等。需要全面提升算力，研究开发算法，取得创新成果。

以往的生产实践、科研成果，在智慧农业中将发挥巨大作用，涉及到农学院、园艺与林学院、动物科学与技术学院、生命科学与技术学院、信息工程学院、机械电气化工程学院等相关领域和专业，组建智慧农业团队，开展专项攻关，研发或引用信息平台，配套相应的软件硬件设施，建设智慧农业数据存储、管理、运用中心，开发智慧农业门户平台。

3.3 智慧农业实现农业智能化

获取万物感知的信息、科学的决策依据，要实现智能化就需要研究和应用自动控制技术，让信息系统下达的指令，变为机械设备设施的自动执行［16］。农业生产的每一个环节、每一项工作，都要通过智慧农业工作平台自动下达指令，由机械自主完成，可远程、智能控制，如灌溉设施的管网、闸门、阀门，温度、湿度、风力、阳光等调控启闭，化肥、农药配制、计量、喷洒，农机自动控制与调度，田间精准定位、巡航作业覆盖等等。机电学院相关专业学习、引进、研发仪器设施设备的自动控制技术。

智慧农业要实现优质高效，就要有现代管理技术。智慧农业的应用平台对人员、物资、经营等实施信息化管理，全面提升管理能力与管理水平，需要人员结构，严谨严密的分工，精准对接协作机制，人员知识与操控能力培训，智能会商平台，实时可视监测与管理平台，互联网销售、电子商务平台、产品质量与安全溯源，产量预测、品质预判、效益分析，农业产业链经营与管理全过程知识和能力，农事活动、设施设备、机械管理、维修、保养等等。

4 讨论

智慧农业作为信息技术与农业深度融合的新兴领域，已成为我国现代农业发展的必然趋势［12］，但目前关于智慧农业的研究尚处于起步阶段，需要对其整体发展情况进行科学分析与精准把脉［17-18］。智慧农业学科应采取开放式建设，塔里木大学在建立智慧农业协调、组织机构的基础上，充分利用现有学科、专业、师资、试验园区、设施设备，相互协调，形成合力，在智慧农业基础设施、智慧种植业、智慧养殖业、农产品智慧供应链等领域进行科技攻关，在新疆现有的集约化农业生产基础上，重点关注农情自动化监测、水肥一体化、精准饲喂、农产品采后自动化处理等方面力争有所突破，围绕农业产前、产中和产后推动新疆智慧农业发展，提出强化智慧农业顶层设计。并通过智慧农业学科的开设和拓展，带动各相关学科、专业向现代高新科技迈进，在南疆做出智慧农业示范。