基于大数据分析的国内外智慧农业研究现状.pdf

2023 年 20 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业基于大数据分析的国内外智慧农业研究现状郝小红（山西省临汾市科技信息和情报研究所，山西 临汾 041000）农业涉及到多个环节，其影响范围已从过去的单一领域逐渐扩展为一系列复杂领域的融合。这导致了原本只针对农业领域的单一信息已无法满足当前这种复杂局面。2023 年的中央一号文件提出了深入推进数字乡村发展行动，加速农业大数据应用和智慧农业的发展。新一代信息科技与农业的融合孕育了第三次绿色革命，使得农业进入了网络化、数字化、智能化的新时代。同时也强调要推广数字化应用场景，并加快其研发工作。但是，仍需要很长时间或者完善很多环节助力传统农业向智慧农业的转化，才能使这个过程转化得更有意义。因此，本文旨在解决现有研究对智慧农业内涵和相关领域的阐释不够全面、国内外智慧农业前沿科技动态把握不系统以及未来智慧农业发展趋势不明确等问题。作者将从多个角度对智慧农业的内涵或理论进行深入探讨，并结合文献分析国内外智慧农业核心关键技术的最新进展，为我国未来的智慧农业发展提供重要参考。1智慧农业的内涵及关联领域1.1智慧农业的内涵简单来说，智慧农业就是在传统农业中运用物联网技术，比如利用传感器设备和软件，通过电脑平台或者 APP 对农业的生产进行调控，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。根据智慧农业的应用范围和场景来看，信息和知识是其核心要素。通过现代信息技术以及智能设备等工具，如互联网、物联网、地理信息系统（GIS）、视频图摘要：随着大数据技术以及人工智能的迅速发展，智慧农业作为信息技术和农业领域深度融合的标志性技术，必将为现代农业的高端发展带来技术创新。其中，掌握国内外智慧农业研究现状是现代农业发展的重要环节。该文基于文献数据分析智慧农业的内涵、关联领域、相关技术、应用案例及国内外应用情况。该文以智慧农业作为关键词搜索，与其相关联的关键词包含物联网、乡村振兴、物联网技术、大数据、农业物联网、数字乡村、乡村振兴战略、农业大数据和农业信息化等方面。随着年限增长，关于智慧农业的发文量均呈现二次函数，并有显著增长趋势。中国在全世界智慧农业方面的热度最高，其次是美国和印度。发展智慧农业在不同国家不同区域的侧重点不同，应该因地域特色因地制宜地发展智慧农业，结合当地主导农作物，创新“互联网+”的模式，推动智慧农业发展。关键词：智慧农业；大数据；互联网；国内外；研究机构中图分类号院S126文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2023冤20-0005-06Abstract:With the rapid development of big data technology and artificial intelligence,smart agriculture,as a symbol of thedeep integration of information technology and agriculture,will bring revolutionary technological innovation to modern agriculture.Understanding the research status of smart agriculture at home and abroad is a key link in the development of modern agriculture.Based on literature data,this paper analyzed the connotation,related fields,related technologies,application cases and domestic andforeign applications of smart agriculture.Using smart agriculture as a keyword search was associated with the Internet of Things,rural revitalization,Internet of Things technology,big data,agricultural Internet of Things,digital countryside,Rural RevitalizationStrategy,agricultural big data,agricultural informatization,etc.With the increase of years,the number of publications on smartagriculture showed a quadratic function and a significant increasing trend.China is the top country in the world with the highestdegree of smart agriculture,followed by the United States and India.The development of smart agriculture has different emphases indifferent countries and regions.It is necessary to develop smart agriculture according to regional characteristics,combine localdominant crops,innovate the Internet Plus model,and promote the development of smart agriculture.Keywords:smart agriculture;big data;Internet;domestic and foreign;research institution基金项目：山西省重点研发计划项目（201803D221029-1）作者简介：郝小红（1971-），女，副研究员。研究方向为智慧农业。DOI：10.20028/j.zhnydk.2023.20.0025-2023 年 20 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture像处理、传感器、移动设备、自动控制系统、3S 技术以及专家知识与智慧的融合，将它们与农业种植过程相结合，在整个农业生产过程中实现了新型的方式：即信息感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务等1。在当今信息技术的新发展下，智慧农业是一种将互联网、云计算、大数据和农业专家知识平台有机结合的方法。它利用部署在每个农场现场的传感器来收集所需的农业数据，并通过无线网络传输到平台上。通过对大数据进行分析和监控，实现对农业生产各个环节进行智能化管理。这种新兴技术手段是多种技术高度融合的体现，也是农业生产发展的最高水平2。智慧农业利用传感器收集各种数据，并将这些信息传输给不同的农业经济活动，以应用决策模型进行数据分析和处理的资源传输系统和科学管理系统3。1.2智慧农业的范畴本研究以智慧农业为关键词，在中国知网（CNKI）、万方数据知识服务平台（WANFANG DATA）、GoogleScholar、Web of Science 和 Science Direct 等主要数据库进行检索，收集了 2023 年 3 月之前发表的相关论文，共搜索 4 505 篇文献，424 篇学位论文。与智慧农业类似或关联的名词术语有精准农业、数字农业、智能农业等，这些不同的名词概念强调或侧重点有所不同，在本文中均列入智慧农业的范围。从图 1 可以看出，以智慧农业为关键词搜索相关联的有物联网、乡村振兴、物联网技术、大数据、农业物联网、数字乡村、乡村振兴战略、农业大数据和农业信息化等方面，其中物联网和乡村振兴方面的发文量最多，可见物联网技术以及智慧农业在乡村振兴方面起着很重要的作用。而且，随着年限的增长，智慧农业的发展非常迅速，呈显著正增长的趋势。因此，智慧农业在我国农业发展中发挥的作用越来越明显。在 Science Direct 数据库中发现智慧农业相关联的主题词有农业、环境科学、工程、作物科学、计算机科学和经济贸易等，可以看出，国内外对智慧农业的关注点不相同。从图 1 还可以看出，通过中国知网和 Science Di原rect 数据库搜索结果显示，随着年限增长，关于智慧农业的发文量均呈现二次函数，并有显著增长趋势，可见国内外对智慧农业的关注热度在迅速增长。图 1中国知网尧Science Direct 智慧农业发文量统计渊c冤中国知网智慧农业年发文量趋势渊d冤Science Direct 智慧农业年发文量趋势渊a冤中国知网智慧农业主题词发文量渊b冤Science Direct 智慧农业主题词发文量2 5002 0001 5001 00050001 4001 2001 00080060040020003 5003 0002 5002 0001 5001 00050009 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000-1 000201020152020年份年份2000 2005 2010 2015 20202012337187 174119 110 9070 60 60y=7.986 5x2-32 097x+3伊107R2=0.989 3y=27.292x2-109 484x+1伊108R2=0.951 76-2023 年 20 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业文献出处相关技术定义和内涵应用领域陈桂芬等，20182空间信息技术（3S 技术）它主要是由全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）以及遥感测绘技术（RS）三大技术构成主要应用到农作物生长监测；农作物产量评估；农作物灾害监测；农作物分类识别杨含成等，2022；于 海 业 等，20214-5近红外光谱、拉曼光谱、叶绿素荧光光谱高光谱遥感也称为成像光谱遥感，是指通过电磁波谱的中红外、近红外、可见光、紫外等波段获取非常狭窄的连续光谱图像数据作物营养元素检测；在作物识别中的应用；在农药残留检测中的应用；在植物生理信息及病害检测中的应用白维维等，2023；鲁刚强等，2022；Zhangetal.,2021；夏于等，2013；高鹏等，2022；申秀梅，2022；陈辉江等，2022；付佳等，2020；李宝生，20226-14物联网技术传感器、互联网和信息处理技术高度融合的新一代信息技术，例如现代发展的 5G 技术利用卫星全面监测农业资源，并将监测的数据实时传递给有关部门；建立覆盖全国的农业信息化平台；准确获取相应的农业生态动态数据；在互联网上显示多种生产信息；农业咨询服务中心；苗情诊断。田间管理的主要任务包括对植株进行适当的灌溉、施肥、病虫害治理、除草和采收等工作。通过利用云计算和云存储技术，可以对从前端采集到的数据进行运算和存储，并且借助大数据分析技术为农户和企业提供相关决策建议。实现作物远距离诊断可视化管理、无线遥控、灾害变化预警等自动管理，使农产品种植和销售实现智能化。大型生鲜农产品领域建立典型的追溯系统胡开明等，2021；黄益敬，202215-16植保无人机通过使用地面遥控或者 GPS 飞行控制系统来实现药剂喷洒，无人机植保作业与传统的植保作业相比，具备了精确操作、高效环保、智能化以及简单易用等特点主要应用在农田过程管理、病虫害防治、农药喷洒、环保测评。具体而言，可以进行农田土壤结构分析、监测病虫害情况、测算作物种植面积，并实时跟踪监测作物的追肥施肥和生长状态郝雅洁等，2020；臧贺藏等，2016；卞东超等，2022；鲁 旭 涛 等，202117-20水肥一体化技术水肥一体化技术，又称为“灌溉施肥技术”，是将灌溉和施肥有机结合起来，通过以水促进施肥的同时以施肥调节水分，实现农业生产过程中精确的灌溉和施肥操作。这种科学、智能化的灌溉方式可以提高农作物生长效率，并减少浪费资源的情况发生利用物联网技术获取和分析不同作物的生长环境及实际生长情况，通过自动控制系统进行指令操作。首先将水分和可溶性肥料按照一定比例混合成水溶肥液，然后利用增压系统将肥液均匀地输送到作物根部进行灌溉。这种喷灌、微灌方式可以节约用水，并且智能信息控制技术可以根据作物的需水量来进行合理的灌溉，提高了水分利用效率。同时也减少了养分被土壤固定的现象，使得植物更好地吸收营养欧非凡等，202121农业信息技术应用于农业生产、经营、管理和服务等各领域的新技术、新产品，是基于计算机技术、网络与通信技术、电子信息技术等现代农业信息技术研究开发的综合性技术农业领域已经广泛应用了信息技术和产品，如农业专家系统、精准作业技术与装备、农业机器人以及农业大数据等。这些工具可以显著提高农业资源利用率、土地产出率、劳动生产率和生产经营管理水平陈桂芬等，2018；Alahmadi et al.,2022；孙艳，2021；李炜等，20222,22-24大数据技术大数据技术的特点在于能够处理海量数据，并实现精准的数据分析在农作物的生产和管理过程中，我们会收集和筛选各种数据，并将这些数据存储在数据库中。例如，我们会记录外部环境的温度、降水量以及光照等信息。通过对这些数据进行分析，系统可以准确地评估作物的生长情况并预测产量，为田间管理提供有力依据罗锡文等，2021；刘贵军，2022；董爱君，2023；李可欣等，202225-28智慧农机将传统农机进行现代化升级，采用现代信息通信技术、计算机网络技术、智能控制技术以及工业检测技术等相结合的方式，将独立作业的农业机具整合到一个统一规划的系统中，并通过智能系统控制实现对农机运行的定量化和整体化对土地进行翻耕时，可以通过系统运行来获取最佳的翻耕计划方案。根据给定参数，可以计算出最适合的农机选择、翻耕深度以及农机行进路线等2智慧农业包含的技术精确化农业、数字化农业、信息化农业都能体现智慧农业的内涵，但智慧农业又有它的不同之处，智慧农业偏向于应用现代化信息技术成果，整合物联网技术、无线通信技术、音视频技术以及农业专家的知识，综合解决并完成农业事件的突发状态预警、农业可视化诊断、远程操控以及线上治理等智能化管理。传感器技术、感知技术、人工智能技术、无线网络技术和云计算技术等都是智慧农业的核心技术。通过 3S 技术、IoT 技术、互联网技术、LoRa 技术、大数据技术及 AI 技术等现代信息技术与传统农业深度融合，助力农业产业快速发展。详细技术指标见表 1。表 1智慧农业的相关技术领域和应用情况7-2023 年 20 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture3国内外智慧农业机构部门分布从图 2 可以看出，中国在全世界智慧农业方面的热度最高，占比最大（21%），其次是美国（12%）和印度（12%）。美国大规模发展智能机械化，生物信息平台与育种技术的结合应用、人工智能与大数据的应用等方面，美国都走在了世界的前列29。SPOWDI 智慧农业是印度典型的应用技术，主要侧重于节约水资源，适用于小农社区和节约用水，是一种可持续的方式。美国、英国、德国、加拿大、日本和韩国等农业发达国家对智慧农业的发展关注力度较大，这主要得益于国家层面的政策扶持。图 2不同国家智慧农业占比从图 3 可以看出，国内对智慧农业关注较大的有广东省、江苏省、北京市、河北省和山东省等。广东省的重点智慧农业产业园有现代农业产业园区、农业科技园和“一村一品”、一镇一业，建设一批省级 5G 智慧农业产业园区和 5G 网络的智慧农业互联网。江苏省侧重于种植业、畜牧业、渔业生产、农机设备作业、农产品产后加工等与新一代信息技术的深度融合。北京率先基本实现农业农村现代化。河北省实施六项工程（智慧农业大数据工程、智慧农业创新工程、智慧农业示范工程、“互联网+”农产品出村进城工程、智慧农业监测预警工程、智慧农业人才培育工程）。山东省以济南、青岛为核心建立智慧农业试验区、种业大数据研发、休闲农业等。山东省最具有代表性的是温室农业智能化30。此外，我国智慧农业相关技术分别在棉花生产31-32、玉米长势监测分析33、小麦收获34、水稻机械化收获35、西红柿生产36等作物方面进行了应用，并取得良好效果。4智慧农业的作用智慧农业是信息化农业从数字化到网络化再到智能化发展的最高阶段。实行智慧农业可以缓解国家的贫困，在农业经济方面作出突出贡献37-42。一是实行不同生产阶段数据采集并进行分析后，促进生产的各个环节紧密衔接，减少因为部分环节的生产等待时间，有效减少劳动力成本，避免资源的无形浪费，有效提高农业生产效率，推动生产、加工、销售、服务为一体的现代农业产业链的变革。二是智能化灌溉系统将物联网与水肥一体化技术相结合，有效解决传统灌溉施肥利用率低，农业资源浪费的问题，按需灌溉，喷洒均匀，减少对作物根系的破坏性，促进作物对水肥的吸收，提高农业水肥利用效率。图 3我国智慧农业机构部门发文量研发机构8-2023 年 20 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业三是通过开展智慧农业，不仅能够促进农业产业的优化升级，推动产业链的延伸，还有助于三产的融合发展。同时可以推动休闲观光农业、农村生态旅游等新兴产业的发展。5结束语随着新兴技术的发展和应用，农业的各个环节都开始体现出智慧农业的特色。我国乡村振兴发展目标的实现离不开智慧农业的融合，但是发展智慧农业在不同国家不同区域的侧重点不同，应该因地域特色因地制宜地发展智慧农业，结合当地主导农作物，创新“互联网+”的模式，推动智慧农业发展，为我国乡村振兴提供基础保障和技术支持。参考文献院1 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