新农科背景下智慧农业研究热点分析

    孙培帅 房施峰 张顺 岳训

    

    

    

    摘要 ? ?新一轮科技（大数据、物联网等）对传统农科研究对象的内涵和外延带来了冲击和变化。为探究新农科背景下智慧农业的研究现状和研究热点，并预测其未来研究方向，本文首先总结了智慧农业研究涉及的基础理论、核心技术和应用领域，然后在中国知网（CNKI）期刊数据库以“大数据”和“智慧农业”主题词检索，筛选出191篇文献，利用CiteSpace软件对以上文献进行可视化分析。结果表明，2013—2019年该领域每年发文数量稳步增长;研究热点主要集中于“大数据”“物联网”“农业大数据”和“农业信息化”等;“农业大数据”“农业物联网”和“农业电子商务”未来将成为智慧农业领域研究的前沿。

    关键词 ? ?新农科;智慧农业;知识图谱;CitesSpace;可视化分析

    中图分类号 ? ?F304.1 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A

    文章编号 ? 1007-5739（2020）20-0218-05 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?开放科学（资源服务）标识码（OSID）

    2020年中央发布的“一号文件”《中共中央国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》中明确指出，随着数字化信息技术之间（大数据、人工智能、区块链、物联网、第五代移动通信网络和智慧气象、云计算和人工智能等领域）的深度融合和应用，现代农业将以全新的方式推动传统农业的转型与升级[1]。新农科背景下的智慧农业将在现有的资源基础上建造农业农村大数据中心，加快新一代信息技术为农业服务的步伐。智慧农业是智慧经济形态在农业中的具体表现，主要集中在以下3个领域。

    基础理论研究。智慧农业的概念于2014年提出，其发展时间并不长，但国内学者已经发表了相关文献。例如，智慧农业技术推动农业创新发展、引领农业新未来，智慧农业给农机行业带来的机遇与挑战[2]，我国“智慧农业”研究态势与发展展望[3]。

    核心技术研究。智慧农业主要涉及大数据、互联网、人工智能、物联网、云计算和5G等核心技术。国内一些学者已经在这方面做了相关研究，如邓 ?湘等[4]的基于“互联网+”智慧农业大数据管理一体化平台研究;田福忠等[5]对物联网和人工智能技术在智慧农业中应用的研究;靳建红[6]对5G区块链大数据在智慧农业中的应用展望。

    应用领域研究。智慧农业将现代信息技术运用于农业生产环境的监控和管理，节省了农民的劳动成本，提高了农民收入。利用物联网、区块链等技术建立农产品溯源系统，严格管控农产品生产、加工、流通、使用等各个环节，保证食品安全。“一号文件”明确提出了2020年我國农业建设要将大数据作为基础，使现代信息技术为农业服务，为我国农业的未来发展指明新方向，促进传统农业向现代化农业和智慧农业转变，提高农业生产力。本文将探析新农科背景下的智慧农业研究 “热点”，对获取到的文献进行可视化分析，并以科学知识图谱的形式呈现，展示以大数据为驱动的智慧农业的学科结构、研究前沿以及发展动态，以期在新农科背景下为多学科交叉融合和我国智慧农业未来建设提供参考。

    1 ? ?数据来源与研究方法

    1.1 ? ?数据来源

    本文数据以中国知网（CNKI）期刊数据库为数据来源，以检索主题词“大数据”和“智慧农业”进行检索，去掉会议、报纸、杂志等非学术研究文献，共得到191篇学术文献。

    1.2 ? ?研究方法

    由美国陈超美教授研发的CiteSpace可视化分析分软件，可通过数据挖掘、信息分析等处理来生成知识图谱，知识图谱能通过可视化的方式展现某一学科的结构或某一领域的知识[7]。本文基于CiteSpace软件，将获取的文献作为研究对象，以可视化的手段展现在当前新农科背景下国内学者对智慧农业的研究热点和前沿。

    2 ? ?分析结果

    2.1 ? ?发文量分析

    从新农科背景下智慧农业发文量分布来看，总体呈现先增加后下降的趋势。智慧农业研究始于2013年，大致可分为3个阶段：2013—2014年、2014—2019年、2019年至今。其中，2013—2014年是萌芽阶段，发文量比较少;之后2014—2019年发文数量逐年增加;但在2019年前后发文量出现了快速下降，这可能是受到新冠肺炎疫情的影响，一些学者难以开展自己的学术研究，导致发表的论文数量下降，疫情过后可能会出现急剧上升。

    2.2 ? ?主要发文机构分析

    由图1可知，N=126，E=47，即图中有126个节点，47条连线。每个圆形节点代表1个研究机构，其大小表示该研究机构产出文献的多少，节点越大，产出的文献就越多。根据统计结果，发文量最高的是中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，中国农业大学信息与电气工程学院次之，接下来是吉林农业大学信息技术学院、华东交通大学软件学院等。

    连线代表不同机构之间的合作，从图中可以看出机构比较分散，机构间的连线比较少，这也意味着该领域不同机构之间的合作比较少。总体来看，新农科背景下智慧农业领域的文献大多出自高校和有明确研究方向与任务的科研机构。然而，新农科建设对以往的高校科技创新团队产生了冲击。众所周知，高校科技创新团队学术生态系统，是高校不同学科背景的科研团队通过多学科、跨高校的合作进行知识创造等协同合作的集合体。新农科背景下，对高校科技创新团队提出了更高的要求。传统单一学科的创新团队往往基于共同或相似的科研目标，拥有相同的学科背景，共享特定知识资源，并形成相对稳定的内部合作网络;新农科特色引导的高校科技创新团队打破了原有传统的单一学科的合作方式，突破了单一学科群知识个体或学科群知识种群的知识局限性，是多个学科之间打破壁垒、各自运用擅长的研究领域有机融合形成了一个具有竞争力的综合性团队。从系统思维的角度，外部环境和内部机制联合驱动和作用下的高校科技创新团队是一个具有整体性、开放性、层次结构性、动态演化性等特征的学术生态复杂系统。

    2.3 ? ?主要作者分析

    作者发文数量的多少在一定程度上可以反映该学者在某一领域的科研能力，也间接反映了该领域的研究成熟度[8]。由表1和图2、3可以看出，郑飞翔、杜克明和孙忠富发文量最多，他们是合作作者，共发表了4篇文章;褚金翔次之，褚金翔和郑飞翔、杜克明、孙忠富也是合作作者，共发表了3篇文章;马浚诚、赵春江、赵俊仙、朱礼好、张璇、孙志刚和刘亚林分别发表了2篇文章。总计发文2篇以上的学者共有11位，从发文数量来看，我国在大数据背景下智慧农业研究的学者数量较少，学术力量不强，该领域还需要更多学术型人才的加入，使该领域不断发展壮大。

    2.4 ? ?研究热点

    关键词是对文献整体内容的高度概括，通过对关键词的分析有助于我们了解该领域的研究热点与发展趋势[9]。通过分析关键词出现的频次，大致可以得出新农科背景下智慧农业的研究热点。根据图2和表2可知，词频大于11且中心度>0.1的关键词有“智慧农业”“大数据”“物联网”“农业大数据”“农业信息化”。这些关键词的词频和中心度都比较高，反映出这些关键词在共现网络图谱中与其他节点之间的联系比较紧密，其他研究热点还有“云计算”“人工智能”和“农业物联网”。虽然这些关键词的中心性比较低，但他们仍然是新农科背景下智慧农业领域研究的热点[9-10]。新农业背景下智慧农业研究领域的研究热点主要包括以下几个方面。

    2.4.1 ? ?智慧农业。“智慧农业”的词频最高为145，中心度0.58。智慧农业是一种以智能化的手段发展农业的新形式，是现代农业的发展趋势。其以农业大数据为信息支撑，结合其他信息信息技术（互联网 、物联网、5G、云计算等）智能化地解决农业产业链中的一些问题，摆脱了自古以来农业对劳动力的依赖，是一种前所未有的农业生产模式[11]。

    2.4.2 ? ?大数据。大数据是一个以数据流转快、类型多、价值密度低为特点的大规模数据集，其在获取、存储 、管理、分析等方面表现出了超强的能力。在当下数据爆炸的时代，在社会、生活、生产等各个方面都产生了大量的数据 。对大数据进行收集、分析和处理，获取大数据中有价值的信息，是快速推动社会发展的有效途径。大数据能够帮助领导决策层调整市场运作风险，获取最大利益。大数据结合物联网、互联网等技术，实现物与人、物与物、物与互联网的连接。大数据还在医疗和教育领域、能源领域、制造业领域、金融领域、文化传媒领域有着极其广泛的应用[12]。在农业生产中，大数据也为现代农业发展提供了强大推动力。

    2.4.3 ? ?物联网。“物联网”的词频为31，排在第3位，中心度为0.16。物联网是一个万物互联的网络，把需要实时监控、连接、互动的所有物品或过程通过信息传感设备接入互联网，采集各种需要的实时信息（光、温度、湿度、位置等），智能化地感知和管理所有物品和过程。物联网是一个信息承载体，其基于互联网、传统电信网等，能够独立寻址的物理对象被连接起来进而构成了一个互联互通的网络[13]。

    2.4.4 ? ?农业大数据。“农业大数据”的词频为26，排在第4位，中心度为0.29。农业大数据是我们了解农作物种植管理过程和农产品生产、加工、流通、使用全产业链的一种新模式，它不仅具备大数据的所有特征，而且也有其自身独特性特征，如复杂性、实时性和分散性等[14]。从农作物种植到农产品使用这一过程产生了大量数据，如资源大数据、农业生产管理大数据、农户生产经验或科研大数据、农产品加工流通大数据、农产品售后服务大数据和农业全产业链大数据等，合理利用这些农业大数据不仅有利于政府对农业进行宏观调控和科学决策，而且可为现代农业未来发展提供参考依据，有助于我国农业产业结构的优化和升级。在国家推动乡村振兴战略背景下，农业大数据技术显然已经成为推动智慧农业发展不可或缺的技术[15]。

    2.4.5 ? ?农业信息化。“农业信息化”的词频为11，排在第5位，中心度为0.13。农业信息化是培育和发展以计算机智能化工具为代表的新型生产力，是将新一代计算机技术应用于农业领域的过程;农业信息化是农业整个过程的信息化，将不断发展、完善的现代信息技术应用在农业领域 ，并渗透到农业生产、农产品加工、农产品消费等各流程，这对提高农业生产效率和农业生产力有着极大的促进作用，推动农业向持续、稳定、高效的方向发展[16]。农业信息技术涉及面非常广，但就其前沿发展方向而言，主要包括5项关键技术，即先进的农业传感器技术、精细操作技术和智能设备、农业智能机器人技术、农业物联网技术和设备以及农业信息服务技术[17]。

    2.4.6 ? ?农业物联网。农业物联网是传统农业与物联网技术相融合的产物。它是农业生产、经营、管理和服务中的具体应用。它是将各种传感器、射频识别（RFID）、视觉采集终端等传感设备应用于田间种植、设施园艺、畜禽養殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息采集。通过各种先进仪器对土地的实时数据进行精确调控，充分发挥仪器仪表对参数变量的自动控制，并将产生的数据引入物联网。通过物联网对这些数据进行科学的分析，最终得出合理的解决策略，从而通过智能操作终端达到农业丰收目的，还可以对某些作物生长周期进行细微的调整，有效提高了农业的整体发展效益[18-19]。物联网技术是农业领域的关键应用技术，受到国内外学者的强烈聚焦。

    2.4.7 ? ?云计算。云计算将互联网技术作为依托，以虚拟的形式实现资源共享，其本质是将互联网技术当作一种统一运作的信息资源来满足农民在农业生产中各种的需求[20]。云计算技术在现代农业发展中发挥着不可替代的作用，它凭借较大的存储量、高水平的数据管理和信息处理能力，加强了互联网应用能力。当前广泛应用的信息技术为农业生产领域带来了巨大收益，云计算技术将是提高农业信息化水平的关键技术之一[21]。

    2.4.8 ? ?人工智能。人工智能是一种结合当代自然、社会、计算机技术等科学的先进技术，可以高度模仿人的各项思维方式进行思考，具有较强的综合性。人工智能技术可以在机械设备、生活服务中广泛应用，其更多的用处是在计算机网络技术下运行人类智能行为与思维模式。人工智能在工作上可以实现信息与资源的交换，人工智能在网络上是相互连接的，利于网络环境管理、成本投入以及效率提升。人工智能的特点如下：可以有效监测网络技术的运行，具有管理科学性，具备强大的学习能力，拥有大数据模糊信息化处理能力，节约人工成本[22-23]。

    2.5 ? ?研究前沿趋势分析

    突现关键词反映了某一时间段的研究热点，并反映该领域的研究倾向变化，推测研究前沿与未来的发展趋势[23-24]。由图4可知，关键词互联网+和“互联网+”的突现强度加起来是突现最高的关键词，说明互联网+是新农科背景下智慧农业领域的重要研究领域之一，也是未来学术界聚焦研究的热点与前沿。图5表明，我国一直致力于推动农业发展，农业已经成为我国工作重点，尤其近年来新兴的计算机技术开始运用于农业，现代化农业逐渐崛起，“农业大数据”“农业物联网”和“农业电子商务”也将是农业领域研究的前沿和热点。从图4可以看出，农业物联网到现在仍然是研究热点，随着5G技术日渐走向成熟，农业物联网、云计算和农业大数据必将为智慧农业的发展产生强大助力。

    3 ? ?结语

    从新农科背景下智慧农业领域发文量来看，2013

    —2019年是上升阶段，2019年前后估计是受到新冠疫情的影响，发文量有所下降，疫情过后该领域发文量下降的曲线应该会出现转折点。对主要发文机构和发文作者分析表明，新农科背景下我国智慧农业领域研究机构之间、高校之间和学者之间的合作较少，核心作者发表的文献数量也不多，该领域还需要大量学术型人才的加入，加强彼此间的交流与合作，进而以大数据为基础，推动我国现代农业发展。同时，新农科背景下智慧农业的发展给科研院所或高校科技创新团队也带来了机遇和挑战，只有科技创新团队积极进行学科团队内部多学科的交叉融合、科研团队间的协同合作、平衡优化以及冲突管理的深入探索，才能在新农科背景下打破学科之间的壁垒，形成跨学科、跨产业、具有“垂直”层次生态链的综合性团队[25]。

    关键词共现的可视化分析表明，物联网、农业大数据、农业信息化、农业物联网、云计算和人工智能等是新农科背景下智慧农业建设的核心。智慧农业是基于现代化信息技术（农业大数据、农业物联网、云计算和人工智能等）建立起来的虚拟世界与现实世界相结合的产物，只有不断完善这些基础信息设施的建设，才能更好地发挥智慧农业的优势。关键词突变词分析表明新农科背景下智慧领域农业物联网和“互联网+”正是当下研究的前沿，农业大数据、农业电子商务、云计算和农业信息化也是该领域学者研究的焦点问题。

    4 ? ?参考文献

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