精细农业与智能化农机装备

精细农业

与

智能化农业机械装备11.精细农业的基本概念2.精细农业前3S简介3.智能化农业机械装备4.结束语41.1精细农业概念的引入背景与演变;1995年，前国家农业部部长刘江同志率中国农业代表团访问美国时，与前美国农业部部长会谈曾提问：未来21世纪引起全球农业生产领域重大装备技术变革将是什么？当时明确回答是：“PrecisionAgriculture”,在美国还有一种说法叫“PrecisionFarming

”。代表团回来后，我国的新闻媒介便开始了“精确农业”、“精准农业”的宣传。我国从事：“PrecisionAgriculture”

研究与攻关的学科带头人是中国工程院院士、原国务院学位委员会农业工程学科评议组组长、中国农业机5械学会和中国农业工程学会名誉理事长、世界粮农组织农业工程专家组专家、中国农业大学教授汪懋华先生。多年来，他致力于该领域的宣传、研究、攻关，每年多次出国专项考察，指导培养硕士和博士研究生，倡导组建中国精细农业工程示范研究基地。汪懋华先生认为：结合我国劳动人民千百年来精耕细作的优良传统，把：“PrecisionAgriculture”

翻译成精细农业更为合宜。所以本次讲座名称为精细农业与智能化农业机械装备。61.2精细农业的重大意义;2000年前后在我国有无搞精细农业的必要，学术界还有一定的争议。赞同者认为：精细农业集最先进的现代科学技术于一体，它的研究与推广应用不仅会引起农业生产领域中重大革命，同时也会促进农业装备技术的重大变革，必将促进我国的电子产业、计算机产业、信息技术产业和机械装备产业的技术进步和发展。智能化农业机械装备是实现精细农业的载体，它是知识经济的产物，也是知识经济的具体体现。目前从国外引进一台智能化农业机械装备，少则几万元、几十万元，多则一百多万元。持不同观点的人们认为：中国是一个发展中的国家，耕地少，人口多，资金缺乏，目前用7%的土地养活22%的人口已是了不起的成就。精细农业投入太大，暂时还不符合中国国情。我的观点属前者。当然搞精细农业也不是搞群众运动，全面展开。但是我们要投入一定的精力予以关注、投入一定的财力予以支持研究，开发具有我国知识产权并适合我国国情的精细农业智能化机械装备。因为它必然代表了先进生产力的方向，具有重大的战略意义。我认为：持怀疑态度人的观点也有其现实的道理，但是眼前看得太多，应该看事物的发展规律与发展前景纵观世界农业的发展史可见：20世纪50年代前，第一、第二世界国家要从第三世界国家进口粮食和农产品来维持他们国家人民的生活；但是20世纪50年代以后，情况发生了逆转，第一、第二世界国家要向第三世界国家出口大量的粮食和农产品，当然这些国家人民的生活需要进口。然而，处于第一、第二世界的发达国家的耕地面积并无明显增加，仅有3~5%的劳动力从事农农业生产产。也就就是说在在农业资资源没有有增加、、反而减减少的情情况下，，为什么么会出现现这样的的逆转呢呢？他们们主要是是依靠科科学技术术，包括括逐渐发发展起来来的精细细农业工工程技术术，大大大提高了劳劳动生产产率和农农业资源源的利用用率、降降低了生生产成本本、减少少了化肥肥、农药药、石油油的投入入，减轻轻了对环环境的污污染，达达到了经经济效益益、社会会效益和和生态效效益的同同步增长长与可持持续发展展。目前前，，我我国国化化肥肥、、农农药药有有效效利利用用率率在在30%左左右右，，天天然然降降水水的的利利用用率率不不足足35%，，仅仅为为发发达达国国家家水水平平的的一一半半；；而而每每公公顷顷拥拥有有的的农农业业动动力力约约为为1KW，，相当当于于美美国国水水平平的的2倍倍。。我我国国的的低低产产田田占占耕耕地地总总面面积积的的60%以以上上，，其其单单产产仅仅为为高高产产田田的的几几分分之之一一；；对对于于中中、、高高产产田田，，或或者者即即使使是是同同一一地地块块里里，，土土壤壤的的肥肥力力、、墒墒情情、、杂杂草草、、病病虫虫害害、、产产量量等等等等在在局局部部区区域域往往往往差差异异很很大大，，并并非非均均匀匀一一致致而传传统统的的农农业业机机械械装装备备的的设设计计参参数数与与考考核核指指标标是是以以均均匀匀一一致致性性为为准准则则的的。。耕耕深深要要求求均均匀匀一一致致、、肥肥料料要要求求撒撒播播均均匀匀，，播播种种指指标标（（播播量量、、播播深深等等））要要求求一一致致，，农农药药、、除除草草剂剂喷喷洒洒均均匀匀，，农农田田灌灌溉溉均均匀匀一一致致等等等等。。以以均均匀匀一一致致的的资资源源消消耗耗投投入入到到实实际际差差异异悬悬殊殊的的具具体体环环境境之之中中，，要要么么造造成成局局部部供供应应不不足足，，土土地地、、日日光光、、空空气气等等资资源源不不能能充充分分发发挥挥自自身身的的最最大大功功能能；；要要么么造造成成局局部部供供应应过过剩剩，，最终终造造成成资资源源的的浪浪费费和和环环境境的的污污染染，，不不能能达达到到农农业业作作业业最最佳佳理理想想的的目目标标。。1.1.3精精细细农农业业的的定定义义：：精细细农农业业是是一一种种战战略略思思想想，，是是信信息息和和人人工工智智能能高高新新技技术术在在大大农农业业中中的的微微观观运运用用。。它它的的全全部部概概念念建建立立在在空空间间差差异异和和时时间间差差异异的的数数据据采采集集和和处处理理上上，，其其核核心心意意图图是是实实时时测测知知作作物物（（畜畜禽禽））个体体或或小小群群体体或或小小区区地地块块生生长长和和防防疫疫的的实实际际需需要要，，而而及及时时确确定定针针对对性性投投入入（（肥肥、、水水、、药药饲饲料料等等））的的量量、、质质和和时时机机，，一一反反传传统统农农业业大大面面积积平平均均投投入入的的作作法法，，以以求求最最佳佳效效果果和和最最低低代代价价。。实行行精精细细农农业业可可以以在在减减少少投投入入的的情情况况下下增增加加（（或或维维持持））产产量量、、提提高高品品质质、、降降低低成成本本、、节节约约资资源源、、减减少少污污染染、、保保护护生生态态。。1.4精精细细农农业业的的技技术术体体系系:精细细农农业业的的技技术术体体系系：：主主要要由由前前3S、、后3S和最最后后1S组成成。。简简称称精精细细农农业业7S体系系。。前3S：：GPS—全球球定定位位系系统统(GlobalPositioningSystem)GIS——地理理信信息息系系统统(GeographicalInformationSystem)RSS——遥感感系系统统(RemoteSensingSystem)后3S：：ES—专家家系系统统(ExpertSystem)SS—模拟拟系系统统(SimulationSystem)DSS—决策策支支持持系系统统(DecisionSupportSystem)最后后1S：：ICS—智能能控控制制系系统统(IntelligenceControlSystem)前3S的的集集成成作作用用是是及及时时采采集集田田间间信信息息，，经经过过信信息息处处理理形形成成田田间间状状态态图图，，田田间间状状态态图图应应能能田田间间状状态态（（肥肥、、水水、、病病、、虫虫、、产产量量））的的斑斑块块状状不不均均匀匀分分布布。。后3S集集成成的的作作用用是是及及时时生生成成优优化化的的决决策策，，它它的的支支持持技技术术包包括括专专家家系系统统（（知知识识模模型型））、、模模拟拟系系统统（（数数学学模模型型））和和决决策策支支持持系系统统（（从从多多方方案案中中优优化化或或综综合合，，作作出出决决策策））。。决决策策的的表表述述形形式式可可以以是是田田间间对对策策图图或或指指令令IC卡，，IC卡卡便便于于智智能能控控制制新新型型农农业业装装备备在在田田间间作作业业时时执执行行，，实实现现按按需需变变量量投投入入的的目目的的要要求求。。最后后1S，，ICS智智能能控控制制系系统统是是智智能能化化农农业业机机械械装装备备的的控控制制指指挥挥中中心心。。由由农农机机操操作作者者下下达达指指令令，，从从DGPS接接受受位位置置信信息息，，从从GIS中中的的执执行行电电子子地地图图提提取取决决策策信信息息，，也可可以以接接受受实实时时传传感感器器的的信信息息，，并并将将它它们们转转化化为为向向执执行行器器发发出出的的控控制制信信号号，，执执行行设设备备在在接接受受信号号后后通通过过液液动动、、气气动动或或电电动动系系统统实实现现对对作作物物的的变变量量投投入入或或作作业业操操作作调调整整。。它它还还可可以以接接受受自自执执行行设设备备传传来来的的反反馈馈信信号号，，对对作作物物投投入入量量进进行行微微调调并并存存档档备备查查。。2.1全全球定位位系统GPS；；GPS是缩写词词NAVSTAR/GPS的简称，，其全部部意义为为：导航航卫星测测时和测测距/全全球定位位系统，，即NavigationSateliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem.2.1.1导导航卫卫星：24颗卫卫星，分分布在6个轨道道平面上上，每个个轨道上上有4颗颗卫星。。在地球球上任意意地方，，至少同同时可观观察到5颗卫星星。其中中至少有有4颗在在地平线线7.50以上。卫星轨道道高度约约21083km，运行周期期接近12h，精确地说卫星星经过地地面上同同一点上上空的时时间，每每天提前前4min，，卫星时钟日稳稳定度达达10-14/日。。卫星上的的导航发发射机向向用户播播发信号号，采用用双频方方式,频率1575.42MHZ和1227.60MHZ。。发射双频频是为了了校正电电离层产产生的附附加延时时。2.1.2地地面站站组:地面站组组亦称地地面控制制部分，，包括4个个监控控站，1个个注入站站和1个主控控站。出出于军事事目的，，这些站站全部设设在美国国本土的的空军基基地内，，进行导导航卫星星的监视视和运行行参数的的修正控控制。2.1.3用用户设设备:用户设备备是GPS接收机，，它的主主要功能能是接收收导航卫卫星播发发的信号号并利用用本机产产生的随随机编码码取得距距离测量量和导航航电文，，根据导导航电文文提供的的卫星位位置和钟差修修正信息息，计算算显示接接收机的的位置，，这就是是定位。。卫星发射射的信号号包括P码和C/A码。P码为精密密导航定定位，为为保密码码，专供美美国军方方和特许许用户使使用，属属精密定定位业务务，又记记作PPS业务；C/A码供一般般用户使使用，称作标标准定位位业务，，又记作作SPS业务。2.1.3GPS定位原理理:GPS接收机接接收的卫卫星导航航电文中中有卫星星的空间间坐标位位置，两两两卫星星间的距距离；接接收机通通过卫星星播发的的信号传传输时间间可以计计算出接接收机与与各个卫卫星间的的距离，，这样已已知条件件具备，，即可计计算出接接收机位位置坐标标，以所所处地理理位置经经、纬度度显示。。2.1.4美美国政政府GPS工作卫星星的SA政策:由于GPS全球定位位系统是是美国国国防部研研制开发发为美国国陆、海海、空三三军使用用的导航航系统。。该系统统具有可可以覆盖盖全球的的多维连连续定位位能力，，可以极极大地提提高军队队的作战战能力。。出于国国家安全全角度考考虑，最最关键的的是信号号精度。。P码（精码码）目前可以以提供10m的实时定定位精度度，C/A码（粗码码），可以提供供几十米米的实时定定位精度度。1983年年前C/A码水平定定位精度度设在500m，1983年6月宣宣布改为为100m。一旦美国军军队遇到到敌方使使用的GPS辅助武器器或战术术带来明明显威胁胁，美国国可以提提高引入入的误差差，此时时公开使使用的GPS系统定位位误差可可能大大大超过和和平时期期标准定定位业务务的水平平。这就就是美国国政府GPS工作卫星星的SA政策，即即“选择择可用性性”政策策（SelectiveAvailability）。。2.1.5差差分GPS（（DGPS—DifferentialGPS）:采用差分GPS几乎可以以完全消消除“选选择可用用性”带带来的误误差。此此外差分分技术不不需要双双频却能能精确地地作电离离层补偿偿，从而而使定位位精度超超过单独独使用精精密定位位业务所所得到的的精度。。之所以以能获得得这种效效果，是是因为““选择可可用性””和电离离层带来来的误差差都是缓缓慢变化化的偏差差，利用用误差在在时间上上和空间间上的相相关性就就可以将将它们校校正掉。。目前GPS接收机多多数具有有差分系统统，除了接接收卫星星信号外外，它还还接收地地面基准准站的信信号，通通过差分分计算处处理，获获得高的的定位精精度。美国政府府允许这这种差分分工作的的存在，，因为局局部区域域的差分分不会得得造成对对美国安安全的威威胁，再再者美国国军方认认为在必必要时，，它有能能力摧毁毁差分系系统的通通讯能力力。2.2.6导导航飞飞防—农农业GPS应用实例例：利用飞机机喷洒农农药,一一般飞行行高度为为7~30m，航线间隔隔50m，药效覆盖宽宽度正负负40m，常用“运五五”飞机机，飞行行速度为为200Km/h,对于10Km航线，飞机机只需5min左右，加上飞机机转弯，，飞一条条航线约约需7~8min。。用人工地标标，地面面工作人人员需用用50人人；采用用GPS导航定位位系统，，可大大大节约地地面工作作人员的的需求量量、节约约成本、、保证作作业质量量。2.2地地理理信息系系统GIS：：1998年，前前美国副副总统戈戈尔曾提提出美国国大型科科研计划划，建立立数字化化地球。。这表明明美国的的科研基基础已经经具备完完成这一一计划的的能力。。所谓数数字化地地球，就就是将地地球表面面、地表表上方空空间、地地表以下下的地理理信息以以数字的的形式存存贮于计计算机系系统之中中，以便便今后决决策和任任务执行行中随时时调用。。地理信息息是指表表征地理理诸要素素的数量量、质量分布特特性、相相互联系系及其变变化规律律的数字字、文字字、图像像与图形形特征的的总称。。其信息息属于空空间信息息，具有有区域性性、多维维结构牲牲。例如如：在一一个地面面点上，，可取高高度、土土壤肥力力、作物物产量、、噪声、、污染、、交通、、通讯、、电力线线、输油油输气管管网等多多种信息息。地理理信息有有明显的的时序特特征，即即动态变变化特征征。2.2.1地地理登登信息系系统的分分类：地理信息息系统按按其内容容可分为为：2.2.1.1专专题地理理地理信信息系统统:如水资源源管理信信息系统统、矿产产资源信信息系统统、农业业估产信信息系统统、交通通管理信信息系统统、环境境管理信信息系统统、城市市地下管管网管理理信息系系统等。。2.2.1.2区域域地理信息系系统:如加拿大国家家信息系统、、中国京津唐唐区域开发信信息系统等。。2.2.1.3地理理信息系统工工具（软件平平台）：它是一种具有有图形、图像像数字化、存存贮管理、查查询检索、分分析处理和输输出功能的软软件包。2.2.2地地理信信息系统的组组成:2.2.2.1计算机机硬件系统：：（1）包括计计算机主机，，提供存贮空空间，对数据据进行编辑处处理。（2））数字化仪可可将地图或遥遥感图像数字字化后输入计计算机。3））绘图仪。和其它设备,用来表示数数据处理结果果。（4）磁磁带（盘）机机，用于存贮贮大型数据库库和程序。（（5）显示器器，用户通过过显示器和终终端控制计算算机和外围设设备。2.2.2.2计算算机软件系统统：计算机软软件系统包括括计算机通用用程序、地理理信息系统软软件包（平台台）和应用分分析软件三部部分组成。（（1）计算机机通用程序是是计算机厂家家提供的使用用计算机的程程序系统，包包括操作系统统、汇编程序、论论断程序以用用各种维护使使用手册。（（2）地理信信息系统软件件包（平台））一般包括五五类基本模块块：即数据的的输入和校验验、数据的存存贮和管理、、数据变换、、数据的显示示和输出、用用户接口等。。（3）应用用分析软件是是系统开发人人员根据地理理信息专题或或区域分析模模型编制的程程序，是系统统功能的扩充充和延伸。2.2.3地地理信息息系统GIS软件平台：目前世界上商商用的GIS软件已多达400多种。。它们大小不不一，风格各各异，占领着着不同应用市市场。2.2.3.1国外外GIS软件：（1）ARC/INFO系统：ARC/INFO是美国环境系系统研究所研研制的地理信信息系统软件件，它是世界界上应用最广广泛的GIS软件之一。1991年，，ARC/INFO系统进行了汉汉化处理，从从此大量进入入中国市场。。ARC/INFO系统提供了用用于地理数据据的自动输入入、处理、分分析和显示的的强大功能。。目前已成功功地应用于包包括自然资源源、农业、自自动制图、设设施管理、城城市和区域规规划、人口和和商业管理、、交通运输、、石油和天然然气、教育、、军事等十大大类别的一百百多个领域。。（2）澳大大利亚的Genasys公司开发的GIS软件GENAMAP。（3）美国国Mapinfo公司研制开发发的GIS软软件Mapinfo。2.2.3.2国内内GIS平台:（1）北京大大学与陕西三三秦企业集团团联合研制的的地理信息系系统城市之星星—Citystar。（2）武汉测绘科技技大学GIS研究中心研制制的地理信息息系统软件吉吉奥之星Geostar。（3）中国地质大学学计算中心华华地图形数据据公司开发的的地理信息系系统软件MAP/GIS。2.3遥遥感系统统RSS：2.3.1遥感的基本概概念:遥感的基本定定义是:从遥遥远的地方感感觉一个物体体的客观存在在，它是在人人类生活领域域内广泛存在在的现象。从现代的科学学定义来说，，遥感就是在在一定距离之之外，不与目目标物体直接接接触，通过过传感器收集集被测目标所所发射出来的的电磁波能量量而加以记录录，并形成图图像，以供有有关专业信息息的识别、分分类和分析的的一种科学技技术。2.3.2遥遥感系统统的组成：一个完整的遥遥感系统应当当由三部分组成：：（1）传感感器（sensor）（2）载体（（carrier）（3）指挥系系统（commandsystem））一个人就是一一个天然、完完整的遥感系系统，眼睛是是一对天然的的传感器，人人的身体即为为载体，人的的大脑即为指指挥系统。传感器：是收集目标物物所反射或发发射电磁波信信息的装置。。有照相机、、摄像机、多多波段光谱扫扫描仪（MSS）、红外光谱仪等等。载体：也称平台（planform），它是负载传感感器的工具。。有支架、车车辆、气球、、飞机、卫星星等。指挥系统，就是指挥和控控制传感器与与平台并接收收信息的指挥挥部，现代遥遥感指挥系统统一般均为计计算机系统。。2.3.3透透射特性性（大气窗口口）：遥感信息，主主要是利用传传感器，通过过有关大气窗窗口，在空中中来获取地球球表面的地物物反射和发射射的光谱信息息。大气窗口口就是电磁波波在通过大气气层的过程中中，被吸收和和散射的比例例较小而透过过率很高的波波段，也就是是电磁波在大大气中传输损损耗率很小的的波段。目前使用七个个窗口：远紫紫外窗口0.15~0.2微米、可可见光窗口0.3~1.3微米、近近红外窗口1.4~1.9微米、近近红外窗口2.05~3.0微米、、中红外窗口口3.5~5.5微米、、远红外窗口口8~14微微米、微波窗窗口>1.5cm。2.3.4遥感图像识别别基础:（1）地物识识别：（2）作物种种类识别：（3）作物长长势识别：2.3.5遥遥感技术术的应用:应用领域；农农业、林业、、水利、地质质、矿产等资资源的普查、、研究，结合合GPS和GIS的应用，可大大大地提高普普查效率和精精度。具体应用：土土壤普查（类类别、肥力、、含水量）、、作物估产、、自然灾害的的监测等。3.智能化农农业机械装备备智能化农业机机械装备是GPS、GIS、RSS、ES、SS、DSS6S系统在农业机机械装备上的的综合应用。。3.1DGPS农机的定位位与导航:农业机械在在田地中作作业，不同同的作业项项目需求的的定位分辨辨力也不相相同。变量量施肥时30m，变量施用除除草剂1m，测产10m，筑埂5cm、喷洒农药重叠叠10cm。当前DGPS系统可达精精度如图所所示。3.2作作物产量量分布图的的生成：20世纪90年代后后期，国际际上先进的的各种作物物联合收获获机，大多多数都具有有产量分布布图自动生生成功能。。谷物联合合收获机、、棉花收获获机、马铃铃薯收获机机、花生收收获机等都都装备产量量数字化自自动生成系系统。谷物联合收收获机上的的产量分布布图自动生生成系统研研究相对较较早，技术术比较成熟熟。其测产产系统传感感器布置及及定位系统统如图所示示。数字化产量量分布图是是精细农业业的重要基基础信息。。产量分布布图综合了了田间空间间参数变化化的信息，，诸如土壤壤类型、土土壤湿度、、养分含量量、及坡度度等，故可可用以确定定田间地段段作物均匀匀生长的条条件并可分分别确定各各田块各自自所需的农农事操作。。在下一次次收获时所所得新的产产量分布图图则可显示示精细农作作的实际效效果。谷物联合收收获机瞬时时单产YG（t））的测定：YG(t)=mG(t).（（1——UG(t)）/（V(t)）.W(t)））YG(t)—瞬时t所测得单产产；mG(t)—瞬时t所测得谷物物质量流量量；UG(t)—瞬时t谷物含水量量（相对湿湿度）；V(t)——瞬时t收获机行驶驶速度；W(t)——瞬时t割幅宽度。。割幅宽度W(t)的测量：利利用超声波波测距传感感器，割幅幅1.5m时，分辨力力为1mm。瞬时t谷物质量流流量mG(t)可用谷物流流量计测量量。谷物含水量量UG(t)可用谷物湿湿度计测得得。联合收获机机收获作业业时，同步步测得谷物物的瞬时流流量、含水水量、联合合收获机的的瞬时速度度和割幅，，通过计算算机数据综综合处理，，即可计算算出田块的的瞬时产量量。3.3作作物处方方图的生成成及智能型型变量控制制农业机械械:3.3.1精细细种植的农农业机械体体系:每当收获机机绘制出产产量分布图图，就显示示了田间各各局部单产产的差异，，下一步工工作就是要要进行产量量诊断，找找出造成