農業傳感器國際競爭態勢與研究前沿分析

袁建霞 張秋菊 胡小鹿

摘要? ? 農業傳感器是農業全產業鏈體系中用于感知和傳輸相關信息的器件，是智慧農業發展的關鍵和基礎，近年來受到國內外的廣泛關注，成為農業科技研究熱點之一。本研究以農業傳感器相關SCI論文為研究對象，綜合運用文獻計量法、內容分析法和專家咨詢法等，對農業傳感器的國際研究態勢與研究前沿進行了分析，旨在把握該領域的國家競爭態勢、研究前沿方向和未來科技發展趨勢。

關鍵詞? ? 農業傳感器;SCI論文;競爭態勢;研究前沿

中圖分類號? ? TP212;S126? ? ? ? ?文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）14-0233-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? Agricultural sensor is a device for sensing and transmitting relevant information in the agricultural industrial chain system.It is the key and foundation for the development of smart agriculture.In recent years，agricultural sensor technology has received extensive attention from the academic community，and has become one of the hotspots of agricultural science and technology research.In this paper，with the agricultural sensor related SCI papers as research objects，combining biblio metrics method，content analysis method and expert consultation method，we analyzed the international research situation and research fronts of agricultural sensors，in order to grasp the national competition situation，research fronts and future technology trends in this area.

Key words? ? agricultural sensor;SCI paper;competition situation;research front

農業傳感器是在農業全產業鏈體系中，用于感知農業環境、農業動植物本體、農機作業及農產品等相關信息，并將其轉換為便于處理和傳輸的信號的器件或裝置。作為農業信息感知層的關鍵組成部分，農業傳感器承擔著數據采集和傳輸的重任，是農業生產實現智能化、智慧化管理的關鍵和基礎，是智慧農業的源頭[1-2]。2018年美國國家科學院發布咨詢報告將傳感技術確定為到2030年可以極大提高食品與農業科學能力的五項科學突破之一[3]。我國也高度重視農業傳感器的研發，2016年工業和信息化部、農業部和發展改革委聯合發布《農機裝備發展行動方案（2016—2025）》[4]，將農業機械專用傳感器納入重點任務關鍵零部件發展專項。

通過分析農業傳感器SCI論文數量、熱點研究主題、技術領先國家、重點論文研究內容等，揭示農業傳感器的國際研究競爭態勢和當前的研究前沿方向，以為相關科技管理部門優化科技創新布局和科研項目管理提供決策支撐。

1? ? 研究數據與方法

本研究以科睿唯安科學引文索引（SCI）數據庫的期刊論文為數據源，利用農業、傳感器相關主題詞，結合傳感器期刊名稱及學科方向等設計綜合檢索式，檢索發表于2013—2018年的相關研究論文。然后，以檢索到的論文作為研究對象，進行國際研究競爭態勢和研究前沿分析，分析思路和框架見圖1。

國際研究競爭態勢分析以檢索到的全部SCI論文為對象，首先利用科睿唯安的數據分析工具進行數據清洗，包括國家、關鍵詞等字段的規范和統一。然后利用該工具對清洗后的標準化數據進行分析，包括論文數量、熱點主題、國家競爭態勢等，以此來反映農業傳感器的國際研究競爭態勢。

研究前沿分析在檢索到的SCI論文數據集的基礎上，篩選出被引頻次排名在前1%的論文，再請專家進行遴選，選出重點論文逐篇進行內容解讀，然后在此基礎上根據研究主題進行聚類分析，獲得當前農業傳感器的研究前沿方向及其重點研究內容。

2? ? 國際研究競爭態勢分析

本研究共檢索到發表于2013—2018年的農業傳感器SCI論文10 564篇（檢索日期為2018年9月），年度變化從2013年的1 359篇增加至2017年的2 185篇（2018年數據不完整），增加了近2/3。表明近年來農業傳感器研究規模在不斷擴大，處于研究上升期，越來越受關注。

2.1? ? 熱點研究主題

關鍵詞能鮮明而直觀地表述文獻論述或表達的主題。因此，本文通過分析農業傳感器SCI論文中出現頻次排名靠前、具有實質意義的30個關鍵詞（表1），來揭示該領域當前的熱點研究主題。

30個高頻關鍵詞主要分布在農業傳感器類型、敏感材料、應用目標、關鍵技術及其他等5個方面（表2）。從傳感器類型看，生物傳感器、電化學傳感器、光學傳感器、免疫傳感器、電子鼻、電子舌是熱點研究類型;從敏感材料看，金納米粒子、石墨烯、氧化石墨烯及專用于生物傳感器的核酸適配體和分子印跡聚合物是熱點研究材料。從探測目標看，研究熱點集中在土壤濕度、植被指數、蒸發蒸騰量、殺蟲劑、溫度和葉面積指數測定及食品安全檢測;從關鍵技術看，研究熱點主要有遙感、熒光、修飾電極、伏安法、量子點、離子性液體、表面等離子共振等技術。此外，MODIS傳感器和美國NASA的陸地衛星也是研究熱點，MODIS是搭載在TERRA和AQUA衛星上的美國地球觀測系統（EOS）計劃中用于觀測全球生物和物理過程的重要傳感器。Landsat自1972年以來已發射多顆，最近于2013年發射的Landsat-8上攜帶有2個主要載荷：陸地成像儀和熱紅外傳感器。另外2個研究熱點無線傳感網絡和機器學習初步反應出傳感器正在向網絡化和智能化方向發展。

2.2? ? 國家競爭態勢

2.2.1? ? SCI論文數量領先的國家。從論文數量的國家分布看，2013—2018年，發表論文數量最多的前10個國家依次是中國、美國、西班牙、德國、印度、意大利、英國、巴西、韓國、澳大利亞，這10個國家的論文數量合計9 144篇，約占論文總量的87%（圖2）。在這10個領先國家中，中國和美國的論文數量最多，分別名列第一和第二位，均>2 000篇，其中中國2 531篇，美國2 195篇，遙遙領先其他國家。其余8個國家的論文數量均<1 000篇，介于390～750篇。

2.2.2? ? 中美兩國SCI論文數量的年度變化。分析了2013—2017年中國和美國論文數量變化趨勢，中國的論文數量逐年增加，且增勢明顯，從2013年的245篇增加至2017年的560篇，4年間增長了一倍多（圖3）。2015年開始超過美國，排名從之前的第二位躍居到第一位，顯示出強勁的增長勢頭。美國的年度論文數量亦呈增長趨勢，從2013年的309篇增加至2017年的432篇，增加了約1/3，但與中國相比增勢相對平緩。

2.2.3? ? 中美兩國的熱點研究主題比較。對比分析中美論文中出現頻次最高的前10個具有實質性意義的關鍵詞（圖4），中國的前10個關鍵詞依次是電化學傳感器、生物傳感器、金納米粒子、核酸適配體、石墨烯、分子印跡聚合物、無線傳感網絡、遙感、熒光、量子點。美國依次是遙感、生物傳感器、土壤濕度、植被指數、MODIS傳感器、美國NASA陸地衛星、蒸發蒸騰量、灌溉、無線傳感網絡、食品安全。由此可見，生物傳感器、遙感和無線傳感網絡是中美兩國共同的研究熱點。此外，中國的研究熱點還有電化學傳感器的研發，敏感材料金納米粒子、核酸適配體、石墨烯和分子印跡聚合物的研究，以及熒光技術和量子點技術研發。美國研究熱點則是傳感器在灌溉系統、食品安全檢測、土壤濕度、植被指數和蒸發蒸騰量檢測中的應用，以及MODIS傳感器和美國NASA陸地衛星的研究和應用。

3? ? 研究前沿分析

論文被引頻次指的是論文發表后被后續發表的論文作為參考文獻引用的次數，能在一定程度上反映被引論文的質量和影響力，被引頻次越高說明質量和影響力越高。因此，這些高引用率論文的研究內容在一定程度上可以反映當前其所在領域的研究前沿。本研究在檢索到的10 564篇農業傳感器論文中，選取被引頻次排名位于前1%的論文106篇，經專家判讀后遴選出其中92篇進行重點解讀和分析，其中有46篇研究性論文根據研究主題明顯聚為4個研究前沿方向，分別是農業生物信息監測、農田環境監測、食品安全檢測和食品品質檢測傳感器研究（表3）。

3.1? ? 農業生物信息監測傳感器研究

聚焦農業生物信息監測傳感器研究的論文共16篇，來自美國、中國、德國等10個國家，美國5篇，中國和德國分別2篇，其余7個國家各1篇。農業生物信息監測目標主要有細胞分裂素、植物生長素、植物葉綠素、三磷酸腺苷、細胞色素和胎蛋白、細胞器特異性pH表達、植物脅迫應急信號、植物動態性狀、作物育種過程、作物生長、作物產量、植株高度和動物的呼吸等。所研發的傳感器有生物傳感器、（電）化學傳感器、光學傳感器、氣敏傳感器、圖像傳感器等，利用的關鍵技術有遙感技術、微電極技術、免疫傳感技術、納米材料修飾技術、多傳感器融合技術、圖像處理技術、熒光技術、熱成像技術等。

3.2? ? 農田環境監測傳感器研究

有13篇論文聚焦農田環境監測傳感器研究。這些論文來自8個國家，其中中國有4篇，西班牙和印度各2篇，其余5個國家各1篇。農田環境監測傳感器的主要監測目標包括土壤污染物、地表溫度、土壤濕度、雜草及其他降雨和氣候等環境參數，其中土壤污染物重點監測的是重金屬離子汞離子及有機污染物雙酚A和羥胺。涉及的傳感器類型有生物傳感器、電化學傳感器、氣敏傳感器、圖像傳感器、化學傳感器。運用的關鍵技術包括納米材料（主要有石墨烯-金屬氧化物復合材料、活性金納米星二聚體材料）修飾技術、多傳感器微波遙感技術、無線傳感器網絡技術、碳糊電極技術、多傳感器融合技術、熱紅外光譜技術和無人機搭載技術等。

3.3? ? 食品安全檢測傳感器研究

聚焦食品安全檢測用傳感器研究的論文有11篇，來自3個國家，分別是中國、伊朗和新加坡，分別有7篇、3篇和1篇。食品安全檢測傳感器研發的目標主要是檢測食物或糧食中的農藥、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、黃曲霉素、蘇丹紅、三聚氰胺和塑化劑、酚類物質、甲基對硫磷和汞離子等有害物質。所研發的傳感器類型主要是生物傳感器和電化學傳感器。利用的關鍵技術包括納米材料（石墨烯量子點和納米金顆粒）修飾技術、DNA傳感技術、免疫傳感技術、熒光探針技術、超敏適配體的研制技術、碳糊電極技術、量子點發光技術及比色汞傳感器技術等。

3.4? ? 食品品質檢測傳感器研究

有6篇論文聚焦食品品質檢測傳感器研究，共來自5個國家，包括中國、加拿大、伊朗、波蘭、羅馬尼亞，其中中國有2篇，其余國家各1篇。食品品質檢測傳感器旨在進行葡萄糖和甲醇檢測、VC檢測、豬肉品質檢測、農產品品質檢測、食品色香味的綜合檢測等。所涉及的的傳感器主要是電化學傳感器，其次還有綜合傳感器和光學傳感器。所利用的關鍵技術有納米材料（石墨烯/NiO納米復合材料）修飾技術、電子舌技術、電子鼻技術、碳糊電極技術、多傳感器融合技術（光譜、圖像和電子鼻）和高光譜技術。

4? ? 總結與展望

近5年來，農業傳感器研究規模不斷擴大，研究論文數量逐年增加，呈現出蓬勃發展的上升趨勢。其中，中國和美國的研究論文產出均遠遠領先其他國家，分別占據了前兩位，并且論文數量呈逐年上升趨勢，中國增勢強勁，表現出較高的研究活躍度。從研究熱點來看，中國更側重于相關材料、技術、方法等的探索性研究，而美國的相關研究與實際應用結合更加緊密。

農業傳感器研究前沿主要集中在農業生物信息監測、農田環境監測、食品安全檢測和食品品質檢測等領域傳感器的研發上。其中，農業生物信息監測主要是監測植物表型性狀、脅迫應急信號、細胞分裂素、植物生長素、植物葉綠素及動物呼吸等，美國在該方向上有較多的布局和產出，中國則比較關注另外3個方向的研究，特別是在食品安全檢測傳感器方向上，研究產出的重點研究論文最多，反映出中國對食品安全的重視，同時也說明食品安全是中國正面臨的一項嚴峻挑戰。

未來，隨著精準農業[5]、垂直農業[6]的深入實施和智能農業的發展，農業傳感器研究將越來越受到關注。并且隨著生物物理學、生物數學、生物力學和光學在傳感器領域應用基礎研究的加強，以及納米材料修飾技術、大分子印跡技術、多傳感器融合技術、無線傳感器網絡技術、機器學習和大數據技術的推進，農業傳感器將加速向精準化、網絡化和智能化方向發展，智能農業傳感器將成為未來研發的重點。

5? ? 參考文獻

[1] 張建華，吳建寨，韓書慶，等.農業傳感器技術研究進展與性能分析[J].農業展望，2017（1）：38-48.

[2] 王儒敬.農業傳感器與智能檢測技術發展任重道遠[J].中國農村科技，2018（1）：32-36.

[3] National Academies of Sciences.Science breakthroughs to advance food and agricultural research by 2030[R/OL].[2019-03-01].https：//www.nap.edu/catalog/25059/science-breakthroughs-to-advance-food-and-agricultural-research-by-2030.

[4] 中華人民共和國工業和信息化部.三部委關于印發《農機裝備發展行動方案（2016-2025）》的通知[EB/OL].[2019-03-01].http：//www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757018/c5433686/content.html.

[5] 何勇，趙春江，吳迪，等.作物-環境信息的快速獲取技術與傳感儀器[J].中國科學：信息科學，2010，40（增刊1）：1-20.

[6] Cambridge Consultants.The future of vertical farming：The intelligent ec-osystem[EB/OL].[2019-03-01].https：//www.cambridgeconsultants.com/sites/default/files/uploaded-pdfs/vertical-farming.pdf.