杜 軍,張 俐,劉 薇,郭婷婷,鄧 禹,吳 斌
(云南省科學技術情報研究院,云南 昆明 650051)
當前,新一代信息技術與農業種植養殖及農產品生產、加工、流通、交易、消費等深度融合形成的智慧農業已成為現代農業的主要特征之一。大力發展智慧農業,可以促進農業生產精細化和高效化,推動農業可持續發展。因此,識別智慧農業領域的技術熱點和發展趨勢,對于我國現代農業的發展具有重要意義。
目前,識別智慧農業領域應用的技術熱點和發展趨勢主要有以下方法:利用CiteSpace、VOSviewer等知識可視化軟件,采用文獻共被引、關鍵詞共現和時間線等分析方法,匯聚并可視化展示研究熱點,并總結探討其發展趨勢[1-6];基于CNKI、Web of Science等數據庫在線軟件,運用文獻計量法,分析研究主題、學科領域、關鍵詞等,揭示其研究現狀[7-9];以文獻計量學的方法為基礎,綜合利用數據挖掘、社會網絡、可視化展示、信息分析等方法和工具,對現狀、熱點、趨勢等進行綜合分析和可視化展示[10];通過檢索專利數據庫,對檢索信息進行數據統計分析,確定其相關專利和核心技術[11]。然而,這些方法大部分都是針對樣本數據的某一軌跡線進行內容分析,沒有基于時空維度從多個路徑進行分析。為了更綜合宏觀地分析國內智慧農業領域應用的熱點技術及發展趨勢,本文以中國知網(CNKI)數據庫收錄的2013—2022 年智能農業相關技術為主題的文獻為分析樣本,從時空混合維度分析文獻發表時間演變路徑、主要研究機構合作網絡路徑、技術熱點演進路徑、技術前沿和發展趨勢路徑,并提出針對性建議,以期為智慧農業領域的技術規劃發展與布局提供參考。
本文以目前國內收錄論文和期刊覆蓋面最廣的動態數據庫中國知網(CNKI)為數據檢索源,檢索詞為TI=[('遙感'+'5G'+'區塊鏈'+'衛星'+'物聯網'+'人工智能'+'北斗'+'算力'+'無人機')+('智慧'+'數字'+'高原'+'精細'+'精準'+'現代'+'智能'+'信息')]×('農業'+'農村'+'農民'+'農副'+'作物'+'農產品'+'機械'+'農具'+'農場'+'農莊'+'莊稼'+'農田'),2013—2022 年所有的SCI、EI、核心和CSCD 來源期刊,剔除無關文獻和去重后,得到2 716 篇期刊文獻,作為此次研究的數據基礎。
對文獻的發表年度和數量進行時間演變路徑分析,分析文獻發表數量和年份間的關系;對文獻的主要研究機構進行空間區域分布和合作網絡分析,分析研究機構間的合作交流關系;對文獻的主題和關鍵詞進行年度和空間距離混合的聚類和詞頻分析,探究技術熱點、技術前沿和發展趨勢。
國內智慧農業技術領域文獻發文量年度分布情況如圖1 所示,2013—2022 年,國內關于智慧農業的研究文獻發表數量保持相對穩定,年均發表數量約271 篇,其中2015 年和2018 年的研究文獻相對較少,約為240 篇,這與2015、2018 年利用新技術開展智慧農業研究的過渡年份有關。2015 年前廣泛利用衛星監控、遙測和傳感器對土地和農作物進行識別、監測、定量分析,2015 年后開始利用“互聯網+”進行數據采集、數據分析、提供數據服務,2018 年后區塊鏈開始應用于供應鏈、質量追溯跟蹤等方面。
圖1 國內智慧農業技術領域文獻發文量年度分布
按文獻發表數量統計,2013—2022 年國內智慧農業技術領域主要研究機構如表1 所示。從地域分布看,發文量排名前10 的研究機構有9 家分布在北京,只有1 家分布在西安,說明北京地區研究智慧農業的實力最強;從研究機構性質看,5 家機構為農林類研究院所,5 家為綜合性大學,說明科研院所和高校是智慧農業研究的主力。
表1 2013—2022年國內智慧農業技術領域主要研究機構
對表1 的國內智慧農業技術領域主要研究機構作國內智慧農業主要研究機構合作網絡得到圖2。從圖2 可知,中國科學院大學內部聯系緊密,交流合作互動多;北京農業信息技術研究中心、國家農業信息化工程技術研究中心和農業部農業信息技術重點實驗室之間有較好的交流合作;中國農業大學研究成果多但各個院系間缺乏交流合作;而其它研究機構間缺少交流互動。由此可見,國內研究智慧農業的機構需發揮在各自領域內的優勢,建立合作體系,加強相互間的合作交流。
圖2 國內智慧農業主要研究機構合作網絡
主題聚類是在共詞分析的基礎上,利用統計學方法,把關系緊密的表征文獻主題的關鍵詞進行聚合歸類,同時賦予每個關鍵詞一個值,同一聚類中值最大的關鍵詞就作為該類的標簽[13,16]。使用CiteSpace 對2 716 篇被引前5%的期刊文獻進行主題聚類,以一年度為切割點,進行Pathfinder 剪枝聚類,得到12 個聚類,保留聚類效果較好的6 個聚類(聚類編號越小,涵蓋技術布局越完整),如圖3 所示。從圖3 可以看出,根據主題聚類大小排序,6 個聚類從大到小分別為:#1 遙感、#2 物聯網、#3 區塊鏈、#4 GPRS、#5 云計算、#6 現代農業。6 個聚類體現出2013—2022 年研究智慧農業技術領域文獻的最主要關注方向。
圖3 國內智慧農業技術領域主題聚類
表2 是通過關鍵詞共現分析方法對主題聚類圖提取關鍵詞,提取關鍵詞的頻次和度的信息,并按關鍵詞的頻次進行排序。關鍵詞在文獻中出現的頻次代表著關鍵詞在整個數據集中出現的次數,頻次高說明是高被引,是該領域的重要知識基礎。通過對高頻關鍵詞的分析,可探索和識別研究領域的熱點問題[14]。度代表某關鍵詞與其它關鍵詞的關聯性,是關鍵詞中心性最直接的度量指標,一個關鍵詞的度越大就意味著這個關鍵詞越重要[15]。
表2 國內智慧農業技術領域主題聚類及其關鍵詞
從表2 中可知:
1)#1 遙感聚類的研究主要利用無人機、遙感監測對農作物和農田進行遙感和監測,建立模型,提高土地利用率,并通過“互聯網+”共享遙感數據。從頻次和度看,無人機和作物是技術熱點。
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2)#2 物聯網聚類的研究主要利用傳感器進行數據采集,通過zigbee、互聯網等通信技術,應用卷積神經網絡等人工智能算法進行數據處理后,存放于數據庫供信息系統處理使用并形成大數據,該研究廣泛應用于供應鏈、機械臂、農業機器人、數字孿生等領域。從頻次和度看,大數據和傳感器是技術熱點。
3)#3 區塊鏈聚類主要研究農產品的流通、農產品供應鏈、農村電商等方面,保障農產品的數據存證和可溯源,發展數字經濟。從頻次和度看,數字經濟和農產品供應鏈是技術熱點。
4)#4 GPRS 聚類的研究主要利用無線傳感器和物聯網進行數據采集,為精準精細農業提供基礎支撐。從頻次和度看,農業物聯網和精準農業是技術熱點。
5)#5 云計算聚類的研究主要利用云計算相關技術,匯聚農業信息,提供農業信息服務。從頻次和度看,農業信息化和農業信息(服務)是技術熱點。
6)#6 現代農業聚類的研究主要集中于農業產業化、生態農業、農業金融、建立健全農民專業合作社,實現農業的可持續發展。從頻次和度看,可持續發展和生態農業是技術熱點。
高頻關鍵詞是研究內容及其領域的熱點映射,它在不同年份的退出或出現,折射出研究熱點的歷時演變。為分析智慧農業技術熱點的演化過程,在生成主題詞聚類圖譜后,將聚類作為Y 軸,引文發表年份作為X 軸,得到圖4 的國內智慧農業領域技術熱點演進時間線圖譜,此時每個聚類中的高頻關鍵詞對應地分布在在圖譜上,展示出該聚類中高頻關鍵詞隨年份演變的情況,即技術熱點演進情況。
如圖4 所示,從聚類的大小及文獻間聯系緊密程度看,最重要的聚類是#1 遙感、#2 物聯網和#3區塊鏈。這3 個聚類不僅自2013 年以來一直都有大量文獻發表,一直保持相對熱度,而且聚類間的技術研究主題聯系緊密,說明這3 個聚類相關的技術既是基礎性技術,也是研究熱點。聚類#4 GPRS 也較為重要,不僅與上面3 個聚類聯系緊密,文獻發表量也較大。最大的聚類是#6 現代農業,從研究內容看,既包括智慧農業實現的手段如農民專業合作社、金融支持、生態農業等,也包括智慧農業要實現的目標包括可持續發展、農業產業化等。
以年度為切片單位,從圖4 可得到每年出現的高頻關鍵詞信息如表3 所示。從表3 中年度主要高頻關鍵詞變化可以看出智慧農業領域研究熱點隨著年度的推移而變化。
表3 國內智慧農業技術領域年度高頻關鍵詞
突發詞檢測利用詞頻探測技術,通過考察詞頻的時間分布,將其中頻次變化率高的詞從大量的關鍵詞和主題詞中探測出并依據詞頻的變動趨勢來確定前沿領域和發展趨勢。通過CiteSpace 的突發詞檢測功能,得到按爆發年份排序的爆發強度為2.4 以上的18 個突發詞列表,如表4 所示。
表4 2013—2022年國內智慧農業研究突發詞探測
從表4 中可以直觀地看出關于某一關鍵詞的研究最早出現于何時、它的爆發強度是多少、在何時突然變成熱點為廣大學者所關注及其持續的時間跨度等信息[16]。
從爆發起始年份看,2013—2015 年的研究熱點為農業信息服務、發展現代農業、生態農業、家庭農場、國家現代農業示范區,其中發展現代農業和農業信息服務是研究重點,技術熱點是農業信息服務;2014—2016 年的研究熱點為可持續發展、農業信息化、物聯網技術;2015—2018 年的研究熱點為智能農業;2017—2020 年間的研究熱點為精準扶貧、大數據、電子商務,其中精準扶貧是研究重點,技術熱點是電子商務和大數據;2018—2022 年的研究熱點為小農戶、農民合作社、農村金融,其中小農戶是研究重點;2019—2022 年的研究熱點為鄉村振興、數字經濟、卷積神經網絡,其中鄉村振興和數字經濟是研究重點,技術熱點是數字經濟和卷積神經網絡。
從爆發強度看,爆發強度最大的4 個關鍵詞分別為精準扶貧、小農戶、鄉村振興和數字經濟。其中,精準扶貧首次出現于2017 年并持續到2019 年,小農戶出現于2018 年并持續到2022 年,鄉村振興和數字經濟出現于2019 年并持續到2022 年。
從表4 可見,近年的技術前沿和發展趨勢為農村金融、鄉村振興、數字經濟和人工智能(卷積神經網絡為人工智能的研究內容)。
從上文分析可知,國內智慧農業的技術熱點、發展趨勢已經呈現出“天地協作,交叉融合,智能演化和泛在網絡”的特征,能對精耕細作、精深加工、質量追溯、產銷供應等重要的環節進行力度化的優化和改造,實現農業產業鏈的全面升級改造,振興鄉村經濟。根據國內智慧農業技術熱點和發展趨勢分析,針對智慧農業發展提出如下建議:
1)聚焦農業智慧化改造。智慧農業作為“新基建”背景下的重要任務之一,應統籌整合現有規劃、項目、基地、人才等要素資源,深入推進以生物農業、生態農業、數字農業為重點的農業智慧化改造。
2)加強關鍵共性技術攻關。瞄準智慧農業與鄉村振興戰略的重大需求,重點攻克如農業大數據融匯治理技術、農業信息智能分析決策技術、農機裝備專用傳感器、農機導航及自動作業等關鍵共性技術。
3)強化戰略性前沿性技術超前布局。面向世界科技前沿和智慧農業重點發展領域,制定智慧農業技術發展路線圖,重點突破基礎技術、通用技術,超前布局前沿技術、顛覆性技術。
4)夯實現代農業信息化發展科技創新基礎。加強現代信息技術研發創新,完善農業農村信息化科研創新體系,壯大農業信息技術學科群建設,科學布局一批重點實驗室,加快培育領軍人才和創新團隊,加強農業信息技術人才培養儲備。
5)加速技術集成應用與示范。把新一代信息技術作為增強農業發展活力的重要任務,聚焦重點地區、重點領域、重點品種,開展5S、智能感知、模型模擬、智能控制等技術及軟硬件產品的集成應用和示范,熟化推廣一批數字農業農村技術模式和典型范例。