縱觀全球農業，大緻經(jīng)曆了機械農業、數字農業、智慧農業的三大發(fā)展階段，即將(jiāng)進(jìn)入多技術融合、多因素驅動創新的“未來農業”時(shí)代。這(zhè)幾大發(fā)展階段各有特征，分别從不同的方向(xiàng)推動了農業生産力提高、農業效率提升、農業信息利用能(néng)力和相關要素創新應用能(néng)力。

農業機械化是解放人類的一次革命。農業機械化伴随著(zhe)工業革命而産生，大型農用機械代替人工，成(chéng)爲了規模化種(zhǒng)植的主要動力。傳統農業的蛻變是從農業機械化開(kāi)始的，農業機械化又是從美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家開(kāi)始的。美國(guó)從1910年代開(kāi)始農業機械化布局，到1940年代，基本已經(jīng)實現了主要作物、主要農業區域的全面(miàn)機械化，英國(guó)、法國(guó)農業機械化啓動時(shí)間稍晚，也在1950年代基本完成(chéng)了農業機械化。我國(guó)直到2013年前後(hòu)，才基本完成(chéng)了主要農業大區的農業機械化。

圖1：機械農業、數字農業、智慧農業、未來農業時(shí)代特征對(duì)比

 

智慧農業領域的關鍵技術包括農業傳感器、動植物生長(cháng)信息模型、動植物表型研究、農業智能(néng)機器人、動植物表型關鍵技術、農業專用芯片開(kāi)發(fā)等，以這(zhè)些技術爲基礎，産生了豐富的應用，對(duì)種(zhǒng)植和畜牧業生産進(jìn)行革新。

圖2：未來農業關鍵技術是傳感器、生産模型、智能(néng)機器人等，需要建立跨領域交叉科研機制

 

資料來源：企業官網，蛋殼研究院

圖3：未來農業關鍵應用和創新企業圖譜

 

資料來源：企業官網，蛋殼研究院

數字農業掌握了農業生産的一般規律。這(zhè)一概念由美國(guó)科學(xué)院和工程院在1997年提出，數字農業即農業數字化，是利用現代信息技術對(duì)農業對(duì)象、環境和全過(guò)程進(jìn)行可視化表達、數字化設計、信息化管理的現代農業。具體來說(shuō)，是將(jiāng)遙感、地理信息系統、全球定位系統、物聯網、智能(néng)裝備等現代信息技術與地理學(xué)、農學(xué)、生态學(xué)、植物生理學(xué)、土壤學(xué)等基礎學(xué)科有機結合，對(duì)農業的結構、要素、過(guò)程與管理進(jìn)行二進(jìn)制及模型化表達，構建以數字化、網絡化、自動化等爲特征的計算機管理和應用系統，輔助農業生産科學(xué)決策、調控與管理。數字農業使得數字技術與農業各環節深度有效融合，對(duì)改造傳統農業、轉變農業生産方式，促進(jìn)農業資源空間上的優化配置和時(shí)間上的合理利用，提高農業生産效率和降低生産成(chéng)本，實現農業綠色發(fā)展和可持續發(fā)展具有重要意義。

智慧農業是技術革新農業的集中體現。智慧農業是機械化農業、數字農業的融合和擴大，智慧農業的關鍵技術是物聯網技術，應用環節在農業的全周期，包括生産、經(jīng)營、管理、服務、産品流通和消費等環節。智慧農業的核心目标是實現農業全過(guò)程的智能(néng)化，其實質是數據驅動。圍繞“數據”的核心主線，智慧農業的核心研究領域包括感知、傳輸、分析、控制、應用等5個方面(miàn)。

技術融合創新開(kāi)啓未來農業時(shí)代。未來農業，是以生物技術、數字化技術、新材料和智能(néng)制造技術爲紐帶，對(duì)農業、食物系統進(jìn)行的全方位、全周期的變革。具體應用方面(miàn)，包括大田種(zhǒng)植領域的遙感監測、病蟲害遠程診斷、水稻智能(néng)催芽、農機精準作業；設施農業方面(miàn)的溫室環境自動監測與控制、水肥藥智能(néng)管理；禽畜養殖方面(miàn)的精準飼喂、發(fā)情監測、自動擠奶等；水産養殖方面(miàn)的水體監控、餌料自動投喂等；也包括食品生産的原料、流程、工藝方面(miàn)的革新。

比如農機精準作業，鄭文鍾等人的研究顯示，自20世紀90年代中期，美國(guó)將(jiāng)衛星導航系統安裝在農業機械上，從而開(kāi)啓了農業機械高科技、高性能(néng)、智能(néng)化的先河。目前歐、美、日等發(fā)達國(guó)家農業不僅已基本實現全面(miàn)機械化，而且智能(néng)化農機應用也具有相當高的水平。與傳統的功能(néng)性農機相比，智能(néng)農機擁有功能(néng)多樣化、通用性強、作業效率高、安全可靠等優點。在主要的應用方向(xiàng)上，囊括了智能(néng)化收獲機械、智能(néng)化噴藥機械、智能(néng)化施肥機械、智能(néng)化灌溉機械、智能(néng)化播種(zhǒng)機械、智能(néng)化設施農業裝備、農業機器人等。這(zhè)些方向(xiàng)中較爲前沿的是農業機器人，在許多國(guó)家已經(jīng)有成(chéng)熟的應用，比如施肥機器人、種(zhǒng)植采摘機器人、擠奶機器人、放牧機器人等。

各國(guó)均重視對(duì)未來農業的布局，并根據自身的資源禀賦、行業基礎、科技能(néng)力等，發(fā)展出了不同的未來農業布局路徑。其中，美國(guó)是機械化農業的典型代表，德國(guó)是將(jiāng)先進(jìn)工業體系引入農業的典型代表，以色列是特種(zhǒng)種(zhǒng)植、精準控制方面(miàn)的典型代表，中國(guó)則需博采衆長(cháng)，發(fā)展适宜我國(guó)獨特産業環境和産業基礎的未來農業之路。

以數字化爲核心，串聯農業全要素創新

數字化技術是未來農業的核心，以數字化技術爲紐帶，串聯生物技術、新材料技術、智能(néng)制造等技術，聯合打造全周期、全方位、全産業鏈的創新生态圈。展望未來，農業全過(guò)程都(dōu)將(jiāng)被數字化，生物技術和信息技術結合帶來育種(zhǒng)的數字化，植保、動保、肥料等農業投入品研發(fā)、功能(néng)的數字化；物聯網、大數據、人工智能(néng)結合帶來生産流程的數字化，互聯網帶來流通和消費的數字化等。

這(zhè)其中，物聯網及其高度關聯的大數據技術發(fā)展較快，并被寄予厚望。我們首先來看農業物聯網，農業物聯網架構可分爲三層：感知層、傳輸層和應用層。感知層是采用各種(zhǒng)傳感器來獲取動植物以及環境的各類信息，是物聯網識别物體、采集信息的來源；傳輸層由各種(zhǒng)網絡，包括互聯網、廣電網、網絡管理系統和雲計算平台等組成(chéng)，是整個物聯網的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層是物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能(néng)應用。

圖4：農業物聯網感知層、傳輸層、應用層三大層級

 

數據來源：天風證券，蛋殼研究院

《全國(guó)物聯網發(fā)展報告》顯示，進(jìn)入21世紀以來，美國(guó)和歐洲的一些發(fā)達國(guó)家相繼開(kāi)展了農業領域的物聯網應用研究示範，實現了物聯網在農業生産、資源利用、農産品流通、農産品質量安全監控等領域的實踐與推廣，形成(chéng)了一批良好(hǎo)的産業化應用模式，推動了相關新興産業的快速發(fā)展。我國(guó)在農業領域的物聯網應用研究也取得了實質性進(jìn)展，通過(guò)農業資源與環境監測、農業生産、農産品流通等環節的信息實時(shí)感知獲取、傳輸共享與無縫交互等實現農業産前科學(xué)合理布局規劃、産中精細管理與精準作業、産後(hòu)高效快捷流通與質量安全溯源等目标。

我國(guó)在大田種(zhǒng)植方面(miàn)，重點面(miàn)向(xiàng)于對(duì)農田資源環境信息、農田小氣候、土壤肥力、土壤含水量、土壤溫度、農作物長(cháng)勢、病蟲草害、農機作業情況等信息的全面(miàn)感知，通過(guò)對(duì)采集信息的分析決策來指導灌溉量、施肥量的精準調節，實現作物高産高效栽培與病蟲草害綜合防治及産後(hòu)農機指揮調度等。例如，國(guó)家農業信息化工程技術研究中心研發(fā)了基于GNSS、GIS和GPRS等技術的農業作業機械遠程監控指揮調度系統，有效避免了農機盲目調度、極大地優化了農機資源的調配。

種(zhǒng)植物聯網及智慧農業也是潛在規模最大、創業創新資源集聚的領域。華爲XLabs的研究預測，到2020年，智慧農業的潛在市場規模有望由2015年的137億美元增長(cháng)至268億美元，年複合增長(cháng)率達14.3%。這(zhè)裡(lǐ)所指的智慧農業主要包含精準農業、精準牲畜飼養、收成(chéng)監測、土壤檢測、農業無人機、農業管理系統、智能(néng)溫室等。到2025年，用于牲畜、農作物和環境監測的傳感器出貨量將(jiāng)達到數十億，市場前景廣闊。

圖5：全球農業物聯網市場有望在2020年達到267億美元

 

數據來源：華爲X Labs，蛋殼研究院

華爲X Labs按照物聯網技術在農業領域中的不同應用，劃分爲如下幾類：

精準農業：作爲一種(zhǒng)農業管理方式，精準農業利用物聯網技術及信息和通信技術，實現優化産量、保存資源的效果。精準農業需要獲取有關農田、土壤和空氣狀況的實時(shí)數據，在保護環境的同時(shí)确保收益和可持續性。

• 可變速率技術（VRT）：VRT是一種(zhǒng)能(néng)夠幫助生産者改變作物投入速率的技術。它將(jiāng)變速控制系統與應用設備相結合，在精準的時(shí)間、地點投放輸入，因地制宜，确保每塊農田獲得最适宜的投放量。
• 智能(néng)灌溉：提升灌溉效率、減少水源浪費的需求日益擴大。通過(guò)部署可持續高效灌溉系統以保護水資源的這(zhè)種(zhǒng)方式愈來愈受到重視。基于物聯網的智能(néng)灌溉對(duì)空氣濕度、土壤濕度、溫度、光照度等參數進(jìn)行測量，由此精确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。

• 農業無人機：無人機有著(zhe)豐富的農業應用，可用于監測作物健康、農業拍照（以促進(jìn)作物健康生長(cháng)爲目的）、可變速率應用、牲畜管理等。無人機可以低成(chéng)本監視大面(miàn)積區域，搭載傳感器可輕易采集大量數據。
• 智能(néng)溫室：智能(néng)溫室可持續監測氣溫、空氣濕度、光照、土壤濕度等氣候狀況，將(jiāng)作物種(zhǒng)植過(guò)程中的人工幹預降到最低。上述氣候狀況的改變會(huì)觸發(fā)自動反應。在對(duì)氣候變化進(jìn)行分析評估後(hòu)，溫室會(huì)自動執行糾錯功能(néng)，使各氣候狀況維持在最适宜作物生長(cháng)的水平。
• 收成(chéng)監測：收成(chéng)監測機制可對(duì)影響農業收成(chéng)的各方面(miàn)因素進(jìn)行監測，包括谷物質量流量、水量、收成(chéng)總量等，監測得到的實時(shí)數據可幫助農場主形成(chéng)決策。該機制有助于縮減成(chéng)本、提高産量。
• 農業管理系統（FMS）：FMS借助傳感器及跟蹤裝置爲農場主及其他利益相關方提供數據收集與管理服務。收集到的數據經(jīng)過(guò)存儲與分析，爲複雜決策提供支撐。此外，FMS還(hái)可用于辨識農業數據分析最佳實踐與軟件交付模型。它的優點還(hái)包括：提供可靠的金融數據和生産數據管理、提升與天氣或突發(fā)事(shì)件相關的風險緩釋能(néng)力。
• 土壤監測系統：土壤監測系統協助農場主跟蹤并改善土壤質量，防止土壤惡化。系統可對(duì)一系列物理、化學(xué)、生物指标（如土質、持水力、吸收率等）進(jìn)行監測，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：精準牲畜飼養可對(duì)牲畜的繁殖、健康、精神等狀況進(jìn)行實時(shí)監測，确保收益最大化。農場主可利用先進(jìn)科技實施持續監測，并根據監測結果做出利于提高牲畜健康狀況的決策。

報告同時(shí)指出，智慧農業可以優化種(zhǒng)子、肥料、殺蟲劑、人力等農業資源配置，降低農業機械的燃料消耗和維護成(chéng)本，從而大幅削減運營成(chéng)本。通過(guò)加深對(duì)當地環境狀況的了解，采取有針對(duì)性的播種(zhǒng)，就(jiù)可以利用同等資源獲得更多産出。改善農業經(jīng)營對(duì)農場主甚至整個社會(huì)都(dōu)是有益的，因爲智慧農業不僅可以增加糧食産量，從整體上拉低糧食價格，而且有利于保護環境和資源。

通過(guò)物聯網獲得農業各個階段的數據，可以建立植物和動物生長(cháng)模型，結合機器學(xué)習、人工智能(néng)等技術，可以將(jiāng)經(jīng)驗論、非标準化的農業變爲有清晰模型、因素可控的生産方式。當然，從大數據應用到人工智能(néng)還(hái)需要很長(cháng)的一段路要走，因爲人工智能(néng)需要大量結構化數據飼喂和培養，但是當前無論在數據源、數據收集方式還(hái)是數據處理能(néng)力方面(miàn)，農業大數據尚不十分完善。

人工智能(néng)在農業領域亦有廣闊的應用前景，包括農業病蟲害圖像識别、動物行爲分析、農産品無損檢測、農業專家系統、農業機器人、精準作業技術等。以專家系統爲例，其包括作物生産決策系統、作物病害診斷專家系統、水産養殖管理專家系統、動物健康養殖管理專家系統、多民族語言農業生産管理專家系統等。

圖6：人工智能(néng)在農業中的四大應用方向(xiàng)

 

資料來源：中國(guó)人工智能(néng)系列白皮書，蛋殼研究院

農業精準作業技術是人工智能(néng)在農業應用的一個典型方向(xiàng)，其又可以具體細分爲拖拉機自動導航、農機作業智能(néng)監控、果樹對(duì)靶施藥、水肥一體化、設施環境智能(néng)調控、農業無人機等方向(xiàng)。農業機器人同樣是一個典型的前沿應用方向(xiàng)，按品類細分包括茄果類嫁接機器人、果蔬采摘機器人、大田除草機器人、農産品分揀機器人等。

圖7：各類農業機器人

 

綜合來看，目前智慧農業的應用多産生于種(zhǒng)植領域，多應用在生産環節，未來随著(zhe)軟硬件和應用進(jìn)一步成(chéng)熟，無論種(zhǒng)植、養殖領域還(hái)是實驗室培育環節，均會(huì)應用到更多數字化技術。在數字化技術的推波助瀾之下，農業的關鍵要素都(dōu)會(huì)被數據化、結構化，比如光照量、溫濕度、二氧化碳濃度、投入物、飼料、添加劑等，改變這(zhè)些要素的配比和組合方式，就(jiù)能(néng)給農業帶來巨大的變化。展望未來，在新技術的引導之下，生産要素、勞動者、生産對(duì)象都(dōu)發(fā)生了本質性的變化，科技創新成(chéng)爲了引領農業發(fā)展的核心力量。