章精确农业技术体系

1、第六章 精确农业及其技术体系内容一、精确农业的含义二、精确农业产生的背景三、精确农业发展现状四、精确农业的技术体系五、我国精确农业的现状和发展方向一、精确农业的含义PA(precision agriculture,或,precision farming,或处方农作,prescription farming,或英尺农作,farming-by-foot,或逐块区别管理,site specific management,或称变量投入技术,variable rate technology)精确农业是将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高科技与地理学、农业、生态学

2、、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，以实现对农作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相应的环境状况进行定期信息获取和动态分析，通过诊断和决策，制定实施计划，并在GPS和GIS集成系统支持下进行田间作业的信息化现代农业 具体含义：按照农业操作每一单元的具体条件,精细准确地调整各项农业管理措施,在每一生产环节上最大限度地优化各项农业投入,以获取最大经济效益和环境效益。二、精确农业产生的背景1、环境保护及节约能源要求 国际农业的发展经历了原始农业(游耕、游牧等)、传统农业和现代农业个主要发展阶段。 本世纪以来,石油农业的发展在

3、取得成就的同时,带来了严重的环境问题。对此,人们提出了一系列的替代农业对策,如回归型农业、生态农业、有机农业、集约农业、立体农业、持续型农业(持续农业、低投入农业)、生态经济农业、综合农业、精久农业等农业发展模式。 二、精确农业产生的背景随着农业机械化的实现及大功率拖拉机的使用，“石油农业等传统作业方式给环境、土壤、水质及植物本身造成了严重的危害，水源被污染，作物品质下降。化肥的应用引起了水土流失、土壤板结和酸碱性失衡，导致化肥与除草剂在土壤和地下水以及农产品中富集，使环境受到污染，并带来全球性环境恶化、资源日益短缺与生物多样性损失等诸多问题。传统的农业生产管理方式，已不再适应当今社会发展的要

4、求。 要寻找一种新的农业模式2、经济方面的问题 最近几年，西方一些国家的农业土地面积开垦量不断增加，而农产品价格却逐年下降。 原因：产品质量下降所至。基于欧洲农业交易市场的质量要求，农场经营者认为农产品质量对毛利率的增加是非常重要的。 应用精确农业技术对作物的准确投入、精确管理以及适时的检测可有效地提高产品的质量，从而获得较高的交易价格 3、用于精确农业研究与应用的条件日臻完善 GPS解密。GPS全球卫星定位系统最初用于军事、飞机及轮船导航，20世纪70年代后期开始转向民用。 定位技术及设备价格下降。由于用于GPS的卫星数量不断增加，定位技术及其设备租用价格大幅度下降，在农业生产中使用已不成问

5、题。随着技术的不断进步，其价格还会下降。 信息技术及其它电子技术的成熟。技术个人信息技术、互联网络技术、机载电子技术(执行元件的检测技术、传感器、变量控制等)的飞速发展以及集成块存储器存储能力、计算机数据处理能力的提高，均为精确农业技术研究和应用创造了必要的条件。 三、精确农业发展现状美国乔治华盛顿大学2000年曾发布了一份关于新兴科技的预测报告。报告中举出了在未来十年改变人类生活的十大高新技术,其中包括精确农业。 20世纪80年代末美国提出精确农业的概念,90年代初进入生产实际应用。这种农业生产模式就迅速在美国、英国、法国、德国、加拿大、日本、荷兰、以色列等国掀起研究和实施推广的浪潮 三、精

6、确农业发展现状美国国家研究院1997年已建议将精确农业的研究与发展纳入国家战略,欧洲各国也相继开始了精确农业的研究与实践。日本政府还专门启动了“21世纪农业机械紧急开发课题”的研究,也将精确农业的相关技术研究列入计划”。 1995年美国开始在联合收割机上装备全球卫星定位系统,通过电子传感器和卫星来定位,可以在一瞬间计算出收成量,在整个收获季节可以连续地记录下单位土地面积的产量及其它信息,如种子的湿度等。 1996年:北美约19%的300hm2以上规模的农场利用了GPS,到2000年达90%。目前北美已有2万台谷物联合收割机安装有产量传感器1994年美国精确农业的作业面积达到41万hm2,而19

7、98年则猛增到1000多万hm2,已有5%的农家实际引入了精确农业技术。预计2005年5000万hm2的玉米带可实现精确农业普及50%,而甜菜的普及率近期就可能达到50%。 1、 AFS（Advanced Farming System） 凯斯先进农作系统 AFS是美国Case IH公司开发的一个支持精细农业技术的先进农业管理系统。2、FieldStarAGCO农田之星系统 Fieldstar是英国Massey Ferguson公司研制开发的支持精细农业技术体系的一个农田信息管理系统。它利用先进的传感技术和GPS技术自动记录产量和其他有关数据，自动控制和优化实施播种、施肥和喷药作业。其最终目标是

8、获取最大利润，改善对环境的影响。 3、GreenStar John Deere绿色之星系统 GreenStar是美国John Deree公司研制开发的支持精细农业技术体系的一个农业管理系统。它能够“按需投入”实施农田作业，即在农田低产区避免过多的投入，而在高产区满足作物需求，以提高经济效益和环境效益为目的管理好作物生产。GreenStar分四个部分，即精细农作、农机管理、计划管理和农艺管理四、精确农业的技术体系技术之一：GPS全球定位系统技术之二：GIS地理信息系统技术之三：RS遥感系统技术之四：DSS决策支持系统技术之五：CDS信息采集与处理技术技术之六：智能化农业机械智能化（IAM）技术之

9、七：变率处理技术(VRT) 精确农业的优势(一)合理施用化肥,降低生产成本,减少环境污染 精确农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥,因此有明显的经济和环境效益。 (二)减少和节约水资源 目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏对灌溉水的利用率只有40%左右,精确农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分,可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术,使水的消耗量减少到最低程度,并能获取尽可能高的产量。 (三)节本增效,省工省时,优质高产。 精确农业采用精确播种,精确收获技术,并将精确种子工程与精确播种技术有机地结合起来,使农业低耗、优质、高效成为现实。在一般情况下,精确播种比传统播种增产18%30%,省工23个

10、。(四)使农作物的物质营养得到合理利用,保证了农产品的产质量 精确农业的技术路线通过全球卫星定位系统(GPS)确定农业作业者或农业机械在田间的瞬时位置；通过设置在田间不同位置的用途各异的传感器及监测系统随时随地采集田间数据(土质、性状、含水率、肥力、杂草量、病虫害和分布状况等)将这些数据输入地理信息系统(GIS)。结合事先储存在GIS中定期输入的或持久性数据、专家系统及其他决策支持系统，对信息进行加工处理，瞬间做出适当的农业作业决策再通过农业作业者或农业机械携带的计算机控制系统，自动控制其变量执行设备或元器件，实现对作物或目标区的变量投入和变量操作精细农业的思想体系 发达国家开始重视需要兼顾农

11、业生产力、资源、环境问题以及有效利用农业投入、节约成本、提高利润、提高农产品市场竞争力的要求，为精细农业技术体系的形成准备了思想基础。 思想体系的实践依据,约每15m2面积为一采样小区,测得平均单产为6.6t/hm2,图中不同颜色代表不同单产,最高单产为8t/hm2,最低单产为4t/hm2,小区单产差异达100%。该小区原预计目标产量为75t/hm2,但实际上只有69%的面积达到和超过了预期目标。造成这种差异的原因可能是:土质、土壤耕作层深度、病虫害、杂草状况不一致,土壤含水量不均匀,栽培技术不当,以及施肥和病虫害、草害防治不能按需实施定位调控等。正是基于对农田小区内作物生长情况和收获产量时间

12、和空间差异的认识，人们就提出“处方耕作”的思想。 技术之一：GPS全球定位系统GPS（Global positioning system）是一种高精度、全天候、全球性的无线电导航、定位、定时系统。系统组成： 包括24颗地球卫星组成的空间部分，地面监控部分以及和用户接收机3个主要部分组成。两大系统： 目前已建成投入运行的全球卫星定位系统有美国国防部建设的GPS系统和俄罗斯建设的GLONASS（Global avigation Satellite System）系统, 。GPS的作用GPS应用于导航1.船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管

13、理5.个人旅游及野外探险6.个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）GPS应用于授时校频 1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步 2.准确时间的授入 3.准确频率的授入GPS应用于高精度测量 1.各种等级的大地测量，控制测量 2.道路和各种线路放样 3.水下地形测量 4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 5.GIS应用 6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制 7.精细农业 美国海军核潜艇配备GPS的士兵GPS应用领域GPS导航的舰载飞弹车辆导航管理对航空器的定位及导航 农业监控生态研究给动物戴的GPS项圈自助旅游土地测量工程配备GPS的巡警土壤采样、苗情监测、距离测量及采样点导航

14、GPS在精确农业中的作用DGPS- (differential global positioning system)卫星部分的误差,主要是卫星星历误差、卫星钟误差和设备误差;信号在空间传播的误差;用户接收机的误差;人为的误差,为提高定位精度,现广泛采用一种DGPS,即差分GPS（DGPS（Differential GPS，DGPS）就是把一部地理位置已知的接收机作为基准站，由基准站确定所有视界以上卫星伪距的偏差值并发送改正值，由用户接收机接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。差分GPS发送改正的信息不同，包括位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、相位差分4种工作方式，其定位精度也不

15、相同。）接收机在精细农业中的作用：精确定位。农业机械可以将作物需要的肥料送到准确位置,也可以将农药喷洒到准确位置。田间作业自动导航测量地形起伏状况。它通过差分系统进行精确定位和高度测量,利用记录与显示联合收割机当前作业位置和土地单位面积的产量和微地形起伏状况。技术之二：GIS地理信息系统农田数据库管理 GIS主要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、生产条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等绘制作物产量分布图。农业专题地图分析。 通过提供的覆合叠加功能将不同农业专题数据组合在一起,形成新的数据集。例如,将土壤类型、地形

16、、作物覆盖数据采用覆合叠加,建立三者在空间上的联系,可以很容易分析出土壤类型、地形、作物覆盖之间的关系。 技术之二：GIS地理信息系统作为精确农业的核心组件：GIS将专家系统、决策支持系统等组合起来，作为容器的作用。GIS综合处理通过RS、GPS获得的环境及相关数据和各种环境监测数据。土壤速效氮的空间分布图 北京昌平精细农业示范区土地利用现状图、土壤采样布局图和示范区土地利用规划图技术之三：RS遥感系统（Remote SensingRS）遥感是精细农业技术体系中支持大面积快速获得田间数据的重要工具。遥感技术可以利用高分辨率（米级分辨率）传感器，在不同的作物生长期，实施全面监测，根据光谱信息，进

17、行空间定性、定位分析，为定位处方农作提供大量的田间时空变化信息 遥感技术可根据对遥感资料的解译,获得所研究区域内有关信息,具有宏观、快速、动态等特点遥感的主要机理 1、不同含水量的土壤具有不同的地表温度,因而具有不同的热红外特性和热辐射特性。 2、农作物不同生长期和不同生长情况均有不同的光谱反射曲线。 3、不同的物体，反射的光谱不同。遥感平台 （1）遥感车：225米 （2）气球：50100米 （3）飞机：15002500米 （4）卫星：900千米 2、遥感信息 （1）十米分辨率卫星遥感信息（SPOT）；（2）一米分辨率全色和四米分辨率多光谱卫星遥感信息； （3）航空像片 （4）225米高度地物

18、光谱仪获取的信息； （5）50100米多光谱相机获取的信息。 用于遥感的设备高分辨率商用卫星。由于美国政府放宽了对高分辨率卫星技术限制,自1997年开始,陆续发射一批高分辨率的商业卫星,而且,商业卫星影像首次突破了1m分辨率的界限。合成孔径雷达合成孔径雷达系统是一种相对较新的遥感数据获取系统,它的最大优势就是具有全天时、全天候以及能很好地反映结构信息的能力。分航空机载合成孔径雷达和星载雷达系统,它们主要包括俄罗斯的ALMAZ-1、欧共体的ERS-1和ERS-2、日本的JERS-1、美国和欧共体的SIR-C/X-SAR以及加拿大的RADARSAT等。1997年底,我国的卫星地面接收站将能接收所有

19、正在运行的雷达卫星数据。数字相机 数字相机是从轻型飞机上获取或收集资源信息的最新工具之一,与卫星影像和航空摄影相比,它可获得近似实时的数字影象航空录像自80年代以来,航空录像已经成为资源管理者的一个遥感手段。 优点：价格低廉。精准农业中RS系统的主要作用 遥感在精准农业中的主要用途：获取小区域长势与背景的差异，从而提供精准农业实施定位处方农作所需的信息。 利用遥感技术在作物生长不同阶段进行观测,获得不同时间序列的图像,农田管理者可以通过遥感提供的信息,及时发现作物生长出现的问题,采取针对措施进行田间管理(如施肥、喷施农药等)。管理者可以根据不同时间序列的遥感图像,了解不同生长阶段中作物的长势,

20、提前预测作物产量。 分。精准农业中RS系统的主要研究方向 （1）作物长势及其背景的监测：运用高分辨率（米级分辨率）传感器，在不同的作物生长期，实施全面监测，根据光谱信息，进行空间定性、定位分析，为定位处方农作提供依据； （2）应用多种遥感信息，分析叶绿素含量、叶绿素密度与干物质积累的关系；（3)运用多光谱遥感信息（红外波段），在有作物条件下监测土壤水分。技术之四：DSS决策支持系统利用GPS、RS获得的各种信息及GIS建立的数据库,针对小区内农作物生长环境和生长条件时间和空间上存在的差异,作出分布式投入决策,即生成田间投入处方图(treatment map)。 精细农业技术体系中，DSS根据作

21、物生长、作物栽培、经济分析、空间分析、时间序列分析、统计分析、趋势分析以及预测分析等模型，综合土壤、气候、资源、农用物资及作物生长有关的数据进行决策，结合农业专家知识，对不同的决策目标分别给出最优方案，用以指导田间操作。 技术之五：CDS信息采集与处理技术信息采集与处理技术是获取各种信息的重要手段。精细农业的实现首先在于认识农田小区内农作物生长环境和生长情况的差异,而这必须依赖于各种先进的传感器,如土壤容重、土壤坚实度、土壤含水量、土壤pH值、土壤肥力(N、P、K含量)、大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射、作物生长情况、作物产量等各种类型传感器。 (1)产量数据采集。带定位系统和产量测量的谷物

22、联合收割机,在收获的同时,每隔1.2秒记录当地的产量,记录数据以文本形式(经度、纬度、产量和谷物含水量)存储在磁卡中,然后读入计算机进行处理。 (2)土壤数据采集。土壤信息一般包括土壤含水量、土壤肥力、SOM、pH、土壤压实、耕作层深度等。利用GPS在田间定位,采集土样。仪器：土壤养分快速测试仪器、TDR技术的土壤水分测量仪器、基于MR技术的多光谱SOM测试仪器(3)苗情、病虫草害数据采集。利用机载GPS或人工携带GPS,在田间行走中随时可定位,记录位置,并记录作物长势或病虫草害的分布情况。近年来,由于NIR视觉技术、图象模式识别、多光谱识别技术的发展,有关苗情、杂草识别快速监测仪器不久将研制

23、出来,并投入使用。(4)其它数据采集。地形边缘测量,一般利用带GPS的机动车或人工携带GPS在田间边界循环行走一圈,就能将边界上的点记录下来,经过平滑形成边界图。另外,还要获取近年来轮作情况、平均产量、耕作和施肥情况,作物品种、化肥、农药、气候条件等有关数据。 土壤热特性测量方法土壤的含水率与电导率 技术之六：IAM智能化农业机械智能化农业机械IAM是实现精细农业的重要设备。智能化农业机械首先必须利用DGPS技术实现精确定位,然后必须根据田间处方图生成的智能控制软件,针对农田小区存在的差异自动执行分布式投入决策。各种智能化农业机械:带DGPS和产量传感器的联合收割机自动控制精度平地机自动控制精

24、密播种机自动控制施肥机自动控制施药机装备DGPS系、谷物流量传感器、田间信息管理系统、作业监控系统的联合收割机。 变量喷药机 根据处方图和DGPS定位，调节药量和雾滴大小。 杂草分布图播种密度图技术之七；变率处理技术(VRT) 变量投入技术VRT（Variable Rate Technology）是指安装有计算机、DGPS等先进设备的农机具，根据它所处的耕地位置自动调节物料箱里某种农业物料投入速率的一种技术。变率处理技术(VRT)精确农业的本质是对田间作物生产的非均匀的变动管理,针对大田内不同小区采用变率技术，实施物质的变量投入,从整体上降低物质消耗,发挥资源的最大潜力和效益,同时实现对环境的

25、保护。VRT的应用对象：小颗粒状或液体肥料、杀虫剂、种子、灌溉水或多至10余种化学物质混合而成的药剂等多种不同的物质。组成：变量投入系统通常主要包含流动作业机具、调节实际物流速率的控制器、定位系统在传统的机具上，操作者通常通过观察仪表板来控制物料的投入速率。而在集成有GPS和GIS的机具上，这种投入速率可以随机具的移动而自动地进行改变。 精准农业系统集成1、精准农业计算机控制系统集成 包括土壤信息和产量信息的空间定位、GIS与农作物专家系统耦合生成空间定位农作处方、以及土壤和产量信息的累积和农作处方更新。2、智能化农业机械系统集成 包括适合小麦、玉米的耕作、播种、喷药、灌溉、收获等农作机械的配

26、套、性能价格优化和智能化。精准农业系统集成实例:RDS模型 五、我国精确农业的现状和发展方向国内发展现状目前我国关于精确农业的研究和应用还处于起步阶段。精细农业的技术思想已开始在我国传播和引起科技和产业界的重视。北京和上海精细农业示范工程项目已开始启动实施。东北垦区近两年已分别引进了CASE和John Deere 公司生产的，带产量监视器的谷物联合收割机各一台，华南农大引进了一台带DGPS和 FieldStar 农田之星的Massey Fegurson 拖拉机，着手开展引进技术的试验研究。中国农业大学精细农业研究中心、中国农业科学院土肥所、浙江大学农业工程与食品科学学院、西北农林科技大学机电工

27、程学院、华南农业大学等单位，近两年来先后引进了DGPS、GIS、RS设备开展了有关的研究工作。相关的研究工作：农作物生长性状遥感监测、土壤养分和水分快速监测、作物生长模型、专家系统、决策支持系统、施肥、喷药、灌溉的智能化技术研究已经展开。我国精确农业的现状新疆和北京分别建立了用全球定位系统和遥感控制农业机械操作的实验地。国家在863计划中已列入了精确农业的内容,国家计委和北京市政府共同出资在北京搞精确农业示范区。中国科学院也把精确农业列入知识创新工程计划中国农业大学成立了“精细农业研究中心”,北京市、东北等地区正在准备进行精细农业的实践。 河北农大设立了精确农业专业我国推行精确农业的限制因素（

28、1)中国农田类型多样,分布零星。中国大部分农田处在丘陵地区,虽有大片的平原,但不多,主要集中在北方;南方农田分散在丘陵、山区或半山区间,田块破碎,高低不平,由拖拉机牵引及灌溉、翻耕、施肥于一体的联合作业机械在这样的地区很难实施。（2）农户组织松散，农户土地经营规模小,人均耕地数量少,很难实现某个作物的大面积种植。我国推行精确农业的限制因素(3)精确农业投资巨大。目前,中国农业基础薄弱,农村贫困,相当长的时期内仍然是小农经济占主导成分,这种情况下,高投入的精确农业在中国的绝大部分农业区还难以付诸实施。 (4)我国农业信息化水平有待于发展，相应的组件要进口，费用高，农业机械化水平低,一时很难全面推广精确农业技术。 (5)缺乏相应的配套政策来实行精确农业后解