精準農(nóng)業(yè)介紹

第一節(jié)精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程與內(nèi)涵一、精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程精準農(nóng)業(yè)的興起有兩個主要背景:一是可持續(xù)農(nóng)業(yè)為世人所接受，二是信息技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，如全球定位系統(tǒng)`遙感、地理信息系統(tǒng)、人工智能等。前者導致人們發(fā)展農(nóng)業(yè)的觀念發(fā)生轉(zhuǎn)變，后者使得這種觀念轉(zhuǎn)變成為可能。精準農(nóng)業(yè)的設(shè)想與20世紀90年代初在美國進入實際應(yīng)用，部分技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)成熟，已試驗應(yīng)用于小麥、玉米、大豆、甜菜和土豆的生產(chǎn)管理上，在英國、德國、法國、荷蘭、西班牙、澳大利亞、加拿大等發(fā)達國家得到迅速發(fā)展。精準農(nóng)業(yè)示范項目----智能節(jié)水系統(tǒng)(黑龍江）世界上每年都舉辦相當規(guī)模的“國際精準農(nóng)作學術(shù)研討會”和有關(guān)裝備技術(shù)產(chǎn)品展覽會，一些著名大學相繼成立了精準農(nóng)作研究中心，開設(shè)了有關(guān)博士、碩士的培訓課程，不少發(fā)展中國家如巴西、馬來西亞也在醞釀實施這一項目，歸納起來主要有兩種典型形式：1、農(nóng)田化精準農(nóng)業(yè)實施形式以美國為代表－－－2、小型工廠化精準農(nóng)業(yè)實施形式以以色列、荷蘭、日本等為代表－－－2000年10月，在20世紀即將結(jié)束的時候，美國喬治.華盛頓大學發(fā)布了一份關(guān)于新興科技的預(yù)測報告。報告中列出了在未來10年改變?nèi)祟惿畹氖蟾咝录夹g(shù)，精準農(nóng)業(yè)就是其中之一。歐美發(fā)達國家實施精準農(nóng)業(yè)是在已有較高生產(chǎn)水平和巨額經(jīng)濟效益的前提下，將提高資源利用效率、降低生產(chǎn)成本和過量施用農(nóng)化產(chǎn)品帶來的污染風險作為主攻目標，而非追求最大生產(chǎn)能力或增加產(chǎn)量.國外精準農(nóng)業(yè)發(fā)展可劃分為三個階段：1、無任何信息技術(shù)組成的傳統(tǒng)方式(準備階段和初級階段)2、管理信息系統(tǒng)，專家咨詢系統(tǒng)和簡單機械化為主的類型(初級階段)3、空間與信息技術(shù)的充分應(yīng)用和全面自動化處理類型，包括自動數(shù)據(jù)收集，集成決策支持系統(tǒng)等技術(shù)支持系統(tǒng)(基本實現(xiàn)階段)。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛。如根據(jù)土壤的需要使肥力的狀況得到改善;根據(jù)病蟲害的情況來調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑量;不再耕種那些已經(jīng)板結(jié)的土地;自動調(diào)節(jié)拖拉機的耕種深度等。

美國是率先實施精準農(nóng)業(yè)的國家之一。1995年，美國開始在聯(lián)合收割機上裝備全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過電子傳感衛(wèi)星來定位，可以在一瞬間計算出收成量，在整個收獲季節(jié)可以連續(xù)記錄下每平方米土地的產(chǎn)量及其他信息，如種子的濕度等。將這些數(shù)據(jù)用專門的電腦軟件經(jīng)過計算機加以處理，農(nóng)場就可以繪制出各地塊產(chǎn)量的”數(shù)字地圖”。經(jīng)過逐年的實驗對比，便能發(fā)現(xiàn)同一塊地內(nèi)肉眼所察覺不到的那些變化，這為以后選種和提高土地的收益率提供了科學根據(jù)。二、精準農(nóng)業(yè)的組成與內(nèi)涵精準農(nóng)業(yè)作為當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的，根據(jù)空間差異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。－－－精準農(nóng)業(yè)是信息技術(shù)和人工智能技術(shù)在優(yōu)化管理適當尺度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)上的集成應(yīng)用。其技術(shù)思想的核心，是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素(如土壤結(jié)構(gòu)、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上有效的調(diào)控措施，改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大面積、大群體平均投入的資源浪費型作法、區(qū)別對待，按需實施定位調(diào)控，即“處方農(nóng)作”。其操作過程一般包括以下4個階段：隨時間及空間變化采集數(shù)據(jù)，進行地面數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和定量化及準確定位。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制電子地圖，并經(jīng)加工、處理，形成管理設(shè)計執(zhí)行圖件。精確控制田間作業(yè)和生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控及數(shù)字處理。對其執(zhí)行效果進行分析、評價和匯總。其主要支持技術(shù)包括全球定位系（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)、計算機控制器及變量執(zhí)行設(shè)備。第二節(jié)精準農(nóng)業(yè)的基本原理一、精確農(nóng)業(yè)的基本原理精確農(nóng)業(yè)作為一種管理戰(zhàn)略，從實施過程角度看，由三部分組成：（a）在適當?shù)囊?guī)模和頻率下，采集數(shù)據(jù)；（b）解釋和分析這些數(shù)據(jù)；（c）在適當?shù)囊?guī)模和時空上實施管理決策，驗證管理反映。精確農(nóng)業(yè)最重要最有影響的部分是管理決策，如何解釋并符全作物生產(chǎn)體系中的時空易變性。在“3S”技術(shù)的支持下，首先進行地面調(diào)查，獲取影響作物生長的各種信息，如“土壤結(jié)構(gòu)、地形、水分含量、病蟲害等，進而根據(jù)每塊農(nóng)田不同的狀況，按需實施微觀控制。就是對大面積的土地通過遙感技術(shù)進行精確測量。測定出每一局部區(qū)域?qū)λ?、肥及農(nóng)藥類型和數(shù)量的需求量，然后通過GPS技術(shù)，指揮自動化機械進行灌溉、施肥、殺蟲等。從20世紀的80年代末起，歐美發(fā)達國家開始開發(fā)這項技術(shù)。據(jù)報道，目前美國已經(jīng)將15%的土地開始使用精確農(nóng)業(yè)的方法，提高經(jīng)濟效益在40%以上。我國是一個以農(nóng)業(yè)為主的國家，不論是面對發(fā)達國家的挑戰(zhàn)，還是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟新時期的發(fā)展需求，都要求我們必須在耕作技術(shù)方面提高效率、有所創(chuàng)新，以追求農(nóng)業(yè)發(fā)展更高的經(jīng)濟效益。精確農(nóng)業(yè)是針對集約化、規(guī)模化程度高的生產(chǎn)系統(tǒng)提出的，其邊際效益與經(jīng)營規(guī)模成正相關(guān)。規(guī)模較小的農(nóng)場精細耕作程度較高，實施精確農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的效益也較低。美國、加拿大等一些規(guī)模較大、生產(chǎn)專業(yè)化水平較高的農(nóng)場，一般有100h㎡以上的連片土地，耕作相對粗放，如果采取同一種投入水平，就會造成部分地塊肥力投入不足而部分地塊肥力投入過量。因此，規(guī)模較大的連片農(nóng)場實施精確農(nóng)業(yè)的效益比中小農(nóng)場要大得多。精確農(nóng)業(yè)是這樣應(yīng)用GPS技術(shù)的：把兩臺GPS接收機聯(lián)機，其目的是消除美國SA政策的干擾，一臺安裝在已知坐標的地方，一臺裝在拖拉機或收割機等機械上，通過GPS接受機記錄下各地方氮、磷、鉀的缺少量及蔬菜、水稻、甘蔗、樹林等的長勢、成熟情況等的精確位置，并與計算機GIS系統(tǒng)連接起來合理安排農(nóng)事（施肥量、收割、補種等）精準農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)平臺二、精確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的支撐技術(shù)迄今，國內(nèi)外關(guān)于精確農(nóng)業(yè)的研究，基本上是利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）、農(nóng)田空間信息采集先進傳感技術(shù)，作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)和智能化變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械，進行作物生產(chǎn)的精細農(nóng)作管理。包含如下技術(shù)內(nèi)容：1）GPS和精準農(nóng)業(yè)在2005年5月1日美國解除了SA對衛(wèi)星的干擾，這使GPS的單點定位精度大大提高。經(jīng)過全天測試結(jié)果證明定位精度可達到±25m，雖然對移動目標精度還可以進一步提高，但是這還是無法滿足精確農(nóng)業(yè)GPS的要求。因此在精確農(nóng)業(yè)中必須使用GPS差分技術(shù)，這樣精度可達到3～5m，若采用相位平滑偽距技術(shù)，精度可達到1～3m。GPS的瞬時定位功能是實現(xiàn)精確種植作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用GPS確定作業(yè)者或機器的瞬時位置，以反映其動態(tài)變化。GPS在精確農(nóng)業(yè)中的作用主要有三點：①用于田間地塊土壤信息采樣點位置坐標的獲取。②用于農(nóng)業(yè)機械在田間作業(yè)時的導航定位。③用于田間工作管理。精確農(nóng)業(yè)對GPS也提出了相應(yīng)的技術(shù)要求，主要有以下幾個方面：①根據(jù)田間作業(yè)目標GPS定位精度要求不同，田間采樣精度最高可以達到1～3m。②要求GPS定位坐標與田間作業(yè)區(qū)地理信息系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)一致。③從信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取田間管理實施要求，在屏幕上按設(shè)計航線導航，進行實時導航。不同的農(nóng)田作業(yè)要求的位置精度不同，變量施肥要求30m、變量施用除草劑要求1m、測產(chǎn)要求10m、行栽要求10m、構(gòu)筑種床要求5㎝、避免噴藥重疊要求10㎝。差分全球定位系統(tǒng)DGPS（DifferentialGPS）的開發(fā)成功，使定位的精確度達到1m以內(nèi)或更高。這個精確度對農(nóng)場機械速度的實時性來講是一巨大成就，它適應(yīng)于田間作業(yè)機械的準確定位。在旋耕機、播種機、施肥噴藥機、收割機等機具及機上安裝GPS接受器，可以準確指示機具所在位置的坐標，使操作人員可以按計算機上GIS操作指示圖進行定位點作業(yè)。2）遙感技術(shù)和精準農(nóng)業(yè)

遙感是精確農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中支持大面積快速獲得田間數(shù)據(jù)的重要工具，通過航空航天傳感器接收地物電磁波，記錄包括農(nóng)作物在內(nèi)的光譜特性，解釋、分析這些信息可以獲得許多重要數(shù)據(jù)，可以編制精確農(nóng)業(yè)所需的專題圖。

目前衛(wèi)星遙感的幾何分辨率可達o.61m×0.61m，獲得信息的周期為3天；航空遙感的信息的分辨率可達0.05m×0.05m。遙感技術(shù)是獲得農(nóng)作物信息的重要手段。遙感技術(shù)可以利用高分辨率（米級分辨率）傳感器，在不同的作物生長期，實施全面監(jiān)測，根據(jù)光譜信息，進行空間定性、定位分析，為定位處方農(nóng)作提供大量的田間時空變化信息。RS在精細農(nóng)作管理中雖不是直接測量土壤水分、作物冠層營養(yǎng)水平、籽粒與干物質(zhì)產(chǎn)量等信息，但可通過多光譜測量推斷出結(jié)果。這種由測量引導推理，需利用數(shù)據(jù)分析工具尋求傳感器與土壤或植物的相關(guān)關(guān)系，一旦這種關(guān)系建立起來，就可以對大面積的條件進行推理。通常RS數(shù)據(jù)圖形可以是GIS的一個圖層，作為補充實地采集的土壤肥力、雜草、病蟲害等數(shù)據(jù)層，同時作些補充處理以使得RS圖層與其他數(shù)據(jù)層的地理位置相一致。例子：衛(wèi)星遙感煙葉種植過程系統(tǒng)煙葉是云南的經(jīng)濟支柱。農(nóng)田區(qū)劃土壤水分監(jiān)測污染監(jiān)測長勢監(jiān)測3）地理信息系統(tǒng)與精準農(nóng)業(yè)GIS是一個用于輸入、存儲、檢索、分析、處理和表達地理空間數(shù)據(jù)的計算機軟件平臺。

GIS軟件需要裝載在適當性能的計算機上，如用于輸入數(shù)據(jù)的掃描儀、數(shù)字化儀、讀卡機和用于輸出和顯示結(jié)果的計算機顯示器、彩色打印機或繪圖儀，并以不同格式將處理結(jié)果保存在存儲介質(zhì)中備用。GIS是以帶有地理坐標特征的地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，可以對大量圖片形式的各種地理數(shù)據(jù)進行訪問、儲存、變換、空間分析等交互式處理。在精確農(nóng)業(yè)中，地理信息系統(tǒng)的作用是將耕地邊界坐標數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)內(nèi)，并以此作為基本框架，存入農(nóng)田的基本性狀數(shù)據(jù)，包括農(nóng)田的氣候、水文、土壤病蟲草害及其它的有關(guān)信息，建立農(nóng)田土地管理、土壤數(shù)據(jù)、自然條件、生產(chǎn)條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間信息的地理統(tǒng)計處理、圖形轉(zhuǎn)換與表達等，建成門類齊全的、圖文并茂的信息系統(tǒng)，為分析差異性和實施調(diào)控提供處方?jīng)Q策方案。地理信息系統(tǒng)還借助于決策支持系統(tǒng)，根據(jù)作物各個生長發(fā)育階段的生長狀況和環(huán)境條件情況，做出診斷，提出科學的農(nóng)藝措施，形成GIS支持下的各種田間管理方案圖。變量投入技術(shù)根據(jù)已作出的農(nóng)藝措施，自動調(diào)節(jié)物料箱里的某種農(nóng)業(yè)物料投入速率，可以應(yīng)用的農(nóng)業(yè)物料包括肥料、農(nóng)藥、種子、灌溉水或多種化學物質(zhì)的混合物，做到對癥下藥和按需供給。產(chǎn)量監(jiān)測提供決定性的反饋信息用以評價和調(diào)整下一作物生長周期的管理計劃。決策支持系統(tǒng)就像經(jīng)驗?zāi)Ｊ揭粯拥暮唵?，比如說，如果土壤中的PH值小于某個臨界值就要添加石灰一樣。更復雜的決策支持系統(tǒng)要基于許多數(shù)據(jù)和作物模擬模型設(shè)計出各種天氣情況下的管理決策意見。GIS生成的圖表主要有土壤特性、微氣象條件圖、作物條件圖和作物產(chǎn)量圖等。專家系統(tǒng)與精準農(nóng)業(yè)ES是生成農(nóng)業(yè)種植技術(shù)或飼養(yǎng)技術(shù)的智能中樞，它由專家知識庫管理系統(tǒng)和通用推理機構(gòu)組成，運用智能知識和工程技術(shù)，總結(jié)和匯集生產(chǎn)中的新技術(shù)、新成果、新經(jīng)驗，形成專家智能軟件。ES的核心是知識，即：“智能系統(tǒng)”（IntelligentSystem）。決策支持系統(tǒng)與精準農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)（DSS）是精確農(nóng)業(yè)的一個重要內(nèi)容。DSS是在管理信息系統(tǒng)（MIS）和運籌學（OR）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機科學分支，實現(xiàn)了由計算機自動組織和協(xié)調(diào)多模型的運行、以及對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取與處理，從而達到更高層次的輔助決策能力。精確農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中，DSS根據(jù)作物生長，作物栽培、經(jīng)濟分析、空間分析、時間順序分析、統(tǒng)計分析、趨勢分析以及預(yù)測分析等模型，從和土壤、氣候、資源及作物生長有關(guān)的數(shù)據(jù)盡先決策，對不同的決策目標分別給出最優(yōu)方案，用語指導田間操作。目前關(guān)于作物的模擬模型較多，如玉米光合生產(chǎn)模型（1965年），玉米面積與葉片角度對群體光和作用影響的模型（1967年），Charles-Edwarch的作物干物重分配模擬（1976年），Ritchie的蒸發(fā)模擬（1972年）Duncan的棉花模擬模型(1972年),Jones的大豆模型(1986年)以及水稻、玉米的模型等。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)專家的經(jīng)驗、知識、技術(shù)為基礎(chǔ),建立知識庫、推理機制,指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn);但專家的知識\經(jīng)驗往往局限于一定地區(qū)、一定作物種類,在大范圍內(nèi)或當作物種類【品種】變換時,應(yīng)用就有困難.因此建立一套有針對各地實際情況的、定時、定位的專家系統(tǒng)，并進行動態(tài)的維護，其意義和作用將非常深遠。收獲產(chǎn)量分級圖技術(shù)與精準農(nóng)業(yè)獲取農(nóng)作物小產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量信息，建立小區(qū)產(chǎn)量空間分析圖，是實施“精細農(nóng)作”的起點,它是作物生長在眾多環(huán)境因素中和農(nóng)田生產(chǎn)管理措施影響下的結(jié)果,是作物生產(chǎn)過程中科學調(diào)控投入和指定管理決策措施的基礎(chǔ).某地棉花產(chǎn)量分級圖某地小麥產(chǎn)量分級圖產(chǎn)量分級圖和土壤取樣是實施PF(精確農(nóng)業(yè))的第一步.產(chǎn)量分級圖的制作方法:是用一臺帶有產(chǎn)量記錄系統(tǒng)和車輛定位系統(tǒng)的聯(lián)合收割機收集數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)進行處理，形成產(chǎn)量分析圖MasseyFerguson公司是世界上生產(chǎn)商用產(chǎn)量分布聯(lián)合收割機的第一公司.這種聯(lián)合收割機裝備有差分式全球定位系統(tǒng)(DGPS),使用安裝在駕駛室頂?shù)腉PS接收機和位于發(fā)動機上方的差分天線進行定位.收割機輸出的數(shù)據(jù)文件記錄著的精度和緯度每變化1.2s為一點所對應(yīng)的產(chǎn)量.可使用不同的地線技術(shù)[通常用克里格Kriging法]技術(shù)能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進行處理,然后形成產(chǎn)量分析圖.智能化處方農(nóng)業(yè)農(nóng)作機械新一代農(nóng)業(yè)機械的裝備技術(shù)的發(fā)展,與過去10多年來基于信息技術(shù)的作物生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)的迅速發(fā)展,都是近五年來“精確農(nóng)作”技術(shù)得以進入日益廣泛實驗實踐的重要條件.雖然,迄今國外商品化的支持”精確農(nóng)業(yè)”的若干種變量處方農(nóng)業(yè)機械在生產(chǎn)和使用,其中較成功和效益較好的有施肥、噴藥、播種和灌溉等農(nóng)業(yè)機械。農(nóng)田信息采集與技術(shù)處理農(nóng)田信息采集是事實施確農(nóng)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)工作和首要工作,是農(nóng)田GIS和作物生產(chǎn)管理輔助決策系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源和參數(shù),它還是智能化農(nóng)機具行為的基礎(chǔ)依據(jù).”精確農(nóng)業(yè)”的技術(shù)思想就是要首先獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量和成長條件的空間差異信息,利用采集到的作物生長條件的差異信息,來分析產(chǎn)量分級圖顯示的空間差異性的原因,以便指定有關(guān)耕作\施肥\植保\灌溉等分布式定位廚房決策.三、精準農(nóng)業(yè)的主要理論1、精準農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的區(qū)別精準農(nóng)業(yè)實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程中對作物及其生境全方位檢測和調(diào)空的信