机械化贯穿农业发展的历史，经历了漫长的演变，终于发展成今天的农业自动化。联合国粮食及农业组织（粮农组织）将机械化定义为在农业作业中使用各种机械和设备，从简单和基本的手动工具到复杂的机动机械。14因此，机械化指的是农业工作中的执行环节实现自动化，随着我们从基本的手动工具过渡到机动机械，自动化程度逐渐提高。
在执行任何农业操作之前，必须经过两个阶段：诊断和决策。如图1所示，诊断、决策和执行三个环节是一个循环往复的过程，彼此之间有连续的反馈。无论是收割，或是疾病防控，还是灌溉，任何农业操作的实施通常都始于诊断当前面临的问题，以确定是否需要采取行动，以及采取什么样的行动。例如，在灌溉之前，种植户需要知道植物是否需要水。同样，养殖户在使用抗生素之前，需要了解动物的健康状况。农民可以凭借自己的经验进行诊断，但也可以通过监控传感器实现自动诊断。作出诊断后，农民需要决定做什么，例如需要浇多少水或使用多少抗生素，以及何时做，农民可以凭借自己的经验和知识做出决定，也可以由控制器来进行决策，控制器基于诊断阶段传感器提供的信息发出命令。执行是第三个也是最后一个阶段，农民可以直接使用手动工具或动物完成执行，也可以使用各种机器完成执行。最先进的自动化技术能够实现全部三个阶段的自动化，水果采摘机器人就是一个很好的例子，这些机器人可以按顺序依次自动完成三个阶段的任务，而果农只需监控传感器和维护设备。
图1 自动化系统的三阶段循环
任何能使三个阶段中的至少一个阶段实现自动化的技术都可以归类为自动化技术。机动机械化15主要用于在三个阶段中的最后一个阶段：执行，如耕地、播种、施肥、挤奶、饲喂、收割和灌溉等农业操作的自动化，例子不胜枚举。就本报告而言，在图1所示的三个阶段中，任何能在一个或多个阶段协助农业生产者的技术都被视为自动化技术，例如农民使用传感器监测植物和动物，从而使诊断阶段自动化，但在没有自动化设备帮助的情况下需要根据自己的经验做出决策。在某些情况下，执行阶段也有可能用到传感技术（例如在收割期间创建单产图），然后反馈到诊断阶段，因而出现了图1所示的循环。
随着数字技术和自动化设备的兴起，如具备机器学习和人工智能功能的传感器和机器人，诊断和决策的自动化成为可能。新型自动化诊断和决策数字设备日益成为机动设备的得力助手，甚至取而代之。例如，传统的拖拉机可以进行改装，变成大田里的无人驾驶自动播种车。15虽然机械化减轻和减少了繁重和重复性的工作，缓解了劳动力短缺，但数字自动化技术可以更精确地执行农业作业，更高效地利用资源和投入品，从而进一步提高生产力。因此，数字自动化可以提高环境可持续性，增强抵御气候冲击和压力的韧性。然而，本报告接下来提出，需要认真考虑数字自动化可能对劳动力产生的影响。
图2展示了数字自动化技术的发展历程，农业技术如何从只协助执行实际操作演进到协助诊断和决策，每种技术都有相应的实例。技术的演进可以通过以下技术类别进行概括：
- 手动工具：人类进行诊断和决策，用简单工具辅助执行，如斧头和锄头。
- 畜力牵引：仍然由人类进行诊断和决策，但是实际操作由动物牵引农业机械（如犁）独立或者配合人力执行。
- 机动机械化：人类进行诊断和决策，但由机动机械和设备执行操作。这一类技术标志着农场的能量来源从内部（如人体肌肉和动物）转向外部（如化石燃料和电力）。然而，这种转变需要相应的基础设施来确保能源供给源源不断。
- 数字设备：各种各样的数字工具通过将脑力劳动自动化或提高动力机械的精确度，协助人类改进诊断和决策。
- 人工智能机器人：人类依赖农业机器人通过人工智能完成诊断、决策和执行，这些机器人可以是固定的（如挤奶机器人）或移动的（如水果采摘机器人）。人类监控传感器并对机器人进行维护。这一类别包括最先进的自动化技术，其中一些尚未大规模应用或仍在开发之中。
图2 农业自动化的演变
遗憾的是，繁多的工具和技术让人眼花缭乱，导致文献中对农业自动化的定义并不统一，收集自动化数据的工作因此也并不顺利。11例如，一些人将农业自动化定义为机器人在没有人类干预的情况下自主导航，提供精确的信息以完善农业作业。16还有人将农业自动化定义为通过移动、自主和有决策能力的机电设备完成生产任务。17然而，这些定义都有明显的局限性，并没有涵盖自动化的方方面面和所有形式，自动挤奶机这样的固定设备就是一个例子。此外，这些的定义不仅排除了大多数实现农业作业自动化的动力机械，也排除了仅用于自动化诊断的数字化工具，如传感器。
图2以简化的形式呈现了自动化技术发展的真实历史，尽管各个技术类别之间可能存在重叠和模糊不清的灰色区域，这仍有助于突显本报告的侧重点和对农业自动化进行定义。农业自动化的概念体现在三个蓝色阴影框中，这正是本报告的重点内容。在此基础上，本报告将农业自动化定义为：
在农业作业中使用机械和设备，改进诊断、决策或执行，以降低农业劳动的繁重性，或提高农业作业的及时性，甚至于精准性。
根据这一定义，农业自动化包括精准农业，这是一种管理策略，通过收集、处理和分析数据改善管理决策（见术语表）。
从图2的第一个蓝色阴影框讲起，机动机械化包括由人类操作机器执行诸如耕地、灌溉和挤奶等任务。然而，人类会基于自己的观察或通过测量简单的参数来做出诊断，然后根据自身或他人的经验知识和可供参考的资料做出决策。图2的最后两个类别涵盖了数字自动化，这包括各种各样的工具、设备和软件，而且往往是多功能和跨学科的，使整个系统的资源管理高度优化、个性化和智能化，并且有很强的可预测性。18随着数字自动化技术（人工智能机器人）的发展，诊断、决策和执行三个阶段都可以实现自动化，而人的作用在很大程度上仅限于监控和维护自动化设备，水果采摘机就是一个例子，机械臂收到来自控制器的命令后，基于从传感器获得的信息，就会开始采摘水果。
这三个阶段相互衔接，自动化可以仅仅涉及其中一个阶段，当然也可以涉及任意两个阶段或者全部三个阶段。例如，诊断可以由传感器完成，而决策和执行完全依赖于人；或者诊断和决策都通过数字技术完成，而执行由人来完成。自动喷雾机器人是三个阶段完全自动化的例子，系统首先获得土壤肥力数据，然后决定该次的作业面积和施肥比率，最后按照既定的比率执行施肥。
