《农业信息技术》课件-第八章 精确农业技术

农业信息技术第八章精确农业技术精确农业技术概述1全球卫星定位系统GPS2智能化农业机械装备技术34农业机器人第一节精确农业技术概述一、精确农业的概念二、精确农业的产生与发展三、精确农业技术体系四、精确农业关键技术五、精确农业发展的主要问题与发展方向第一节精确农业技术概述一、精确农业的概念精确农业（PrecisionAgriculture，简称PA）首先由美国农业科学工作者在20世纪90年代初倡导并实施的。在国外，与PrecisionAgriculture意义相近的词有PrecisionFarming、SiteSpecificCropManagement（简称SSCM）、PrescriptionFarming等。国内对其译文也不尽相同，如精确农业、精准农业、精细农业、精致农业、定位农业、农作物定位管理和处方农作等，其内涵都是一致的，是指精细、准确的农业。精确农业有广义和狭义之分。第一节精确农业技术概述一、精确农业的概念广义的精确农业（PrecisionAgriculture）又叫精准农业、精细农业。包含种植业、养殖业、农产品加工业，即所谓的大农业。包含精细农作（PrecisionFarming）、精确养殖（PrecisionFeeding）和精确加工（PrecisionProcessing）等方面，是指为了挖掘并谋求种植业和畜牧业利润最大化，所采取的精确投入的农业生产管理手段。第一节精确农业技术概述一、精确农业的概念狭义的精确农业是指单纯的种植业，即面向大田作物生产的“精确农作”（PrecisionFarming）技术，是基于农业信息技术与机械装备技术集成的现代农田“精耕细作”技术。所谓精确农业或精确农作是一种基于农田小区作物生长环境差异性实施变量投入的生产管理技术，能按照田间每一操作单元的具体条件精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最高产量和最大效益，同时保护农业生态环境和农业资源。精确农业的基本特征可以概括为：生产手段精细、资源投入精省、运作尺度精确、收获高产优质、经济高效安全。第一节精确农业技术概述一、精确农业的概念在这个基础上，可以把精确农业理解为：利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、决策支持系统（DSS）和变量控制技术（VRT）等现代高新技术，与农学、土壤、植保等学科相结合，获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待不同农田小区，按需实施定位调控的“处方农作”。众多学者对“精确农业”的概念表述有所不同，但都包含三个共同点：（1）基于作物及资源环境的时空差异特征；（2）以最小资源投入、最大农业收益和最小环境危害为目标；（3）以3S技术、信息技术、智能化技术等为技术支撑体系。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（一）精确农业思想的形成及其意义区域或田块尺度第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（一）精确农业思想的形成及其意义精确农业思想的形成第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况发达国家始于20世纪80年代初期。从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害防治的农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配方施肥与植保专家系统应用研究与实践中，揭示了农田内小区作物产量和生长环境条件呈现明显的时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”的精确农业技术思想，并受到广泛的重视。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况1992年美国明尼苏达大学开始使用“PrecisionAgriculture”一词，并为有关学校、公司和政府机构普遍接受。1993年美国开始试行精确农业。美国明尼苏达大学在明尼苏达汉斯卡农场实验证明，精确农业施肥量平均减少82kg/hm2。1995年美国明尼苏达州、华盛顿州开发了商品性变量投入技术（VRT——VariableRateTechnology）应用设备。可按不同位置喷洒不同剂量农药的变量植保设备，利用GIS和SSCM构成电子地图的种植业生产管理系统，利用传感器、GPS、GIS采集和处理空间数据并形成决策支持系统的成套设备等商品问世。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况1995年，装有空间定位和产量传感器的现代谷物联合收获机，在收获过程中自动生成以12～15m2为单元组成的农田小区产量分布图。1998年，拖拉机、播种机和施肥机上配备了电脑和GPS，可以实现变量播种和施肥，约2万台谷物联合收割机安装有产量传感器，并对甜菜、马铃薯、甘蔗、棉花等作物产量计量传感器进行了研究。2002年，美国有50％农场服务商提供使用GPS网格取样，有43％农场服务商提供基于控制器的变量施肥技术。美国约有30％马铃薯和甜菜、25％玉米、18％大豆和15％小麦面积实施了变量施肥技术，在东部玉米带广泛采用了石灰变量施用技术。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况2007年美国Purdue大学的调查结果表明，被调查者中有76％使用了某种精确农业技术，其中64％使用了GPS导航系统，20％使用了GIS和RS数据，不足10％使用了GPS自动驾驶系统和土壤电导率测定系统。在采用精确农业技术的农民中，约有60％实现盈利、10％亏本、30％保本。农场规模是决定是否采用精确农业技术的主要因素。年销售额高于10万美元的农场才是精确农业技术应用的主力军。由于目前精确农业技术体系的增产、节本和增效作用不够明显，美国农民对精确农业技术采纳率仍然不高，表明精确农业技术应用推广面临新的挑战。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况2000～2007年美国精准农业技术与服务普及变化情况（赵春江，2009）第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况

2007年美国精准农业变量施肥技术应用情况（赵春江，2009）第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况英国、德国、法国、荷兰、西班牙、澳大利亚、加拿大等国也已开展了精确农业技术研究与生产应用，一些著名大学相继设立了精确农业研究中心，开设有关课程。在环境压力和法规驱动下，为了降低地下水污染和空气污染，西欧和北欧等国家限制了单位农场氮磷化肥施用量，迫使农场主采纳变量施肥技术，将化肥使用到产量效应最高的地块，从而促进了精确农业变量技术的使用。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况在精确农业技术推广模式上，美国、欧洲等国家的研究推广部门、农资和农业装备提供商，通过定期和不定期举办精确农业技术学术研讨会和有关设备技术产品展览会，通过现场展示、产品产销和技术讲座等形式，展示最新和实用的精准农业技术信息。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况在优质稻米生产中，日本采用了精准施肥管理技术，通过减少施氮量降低稻米蛋白质含量，以改善稻米品质，并通过Quikbird卫星遥感监测小麦籽粒含水量，确定小麦适宜收获期，使小麦干燥费用降低30％以上。印度在各地建立了17个精确农业发展中心，开展精准农业技术应用示范工作，精确施肥技术使水稻施氮量减少40kg/ha。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（二）国外精确农业发展概况以美国为代表的有关国家，其精确农业发展集中于农田化精确农业研究与应用，以以色列、荷兰、日本等为代表的国家则以设施条件下的工厂化精确农业研究与应用为主。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（三）我国精确农业发展概况中国农业大学成立了精细农业研究中心北京国家农业信息化工程技术研究中心在北京小汤山建立了精准农业示范区中国科学院在上海奉贤县建立了上海精准农业试验示范基地上海气象局等也成立了精准农业技术公司并实施了上海精准农业示范工程项目中国科学院石家庄农业现代化研究所建立了栾城精准农业技术基础示范区黑龙江农垦总局在友谊农场开展了较大规模的精确农业技术研究和应用示范中国农业科学院在新疆生产建设兵团石河子市建立了精确农业示范研究和示范基地20世纪90年代中期开始精确农业技术引进、试验和示范工作。“九五”和“十五”以来第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（三）我国精确农业发展概况黑龙江友谊农场五分场二队精确农业技术装备第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（三）我国精确农业发展概况北京小汤山精准农业示范区第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（三）我国精确农业发展概况第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（三）我国精确农业发展概况浙江大学、西北农林科技大学、华南农业大学等机构也开始DGPS、GIS、RS等精确农业技术与设备的引进与研究工作。经过引进、开发和集成应用的试验示范，我国也积累了大量试验数据和经验，取得了不同程度的节水、省肥和省药效果。1999年国家发改委支持北京市、2001年农业部支持黑龙江农垦总局开展以技术引进为主的精确农业应用示范工程2003年科技部启动了国家863计划“数字农业技术研究与示范”重大专项“十一五”期间科技部又设置了国家863计划“精准农业技术与智能装备”重大专项。第一节精确农业技术概述二、精确农业的产生与发展（三）我国精确农业发展概况从10多年有关精确农业技术研究和推广的水平看，我国精确农业研究与应用尚处于初步尝试研究和应用示范阶段，与发达国家仍有较大差距。同时，根据我国国情和农情，当前精确农业研究与应用也面临诸多困难，如农民经济收入少、农业工程技术水平低、农业基础数据贫乏，成为制约我国精确农业研究和推广的主要障碍。第一节精确农业技术概述三、精确农业技术体系（一）精确农业技术实施流程带定位系统和产量传感器的联合收获机每秒自动采集田间定位及对应小区平均产量数据通过计算机处理，生成作物产量分布图根据田间地形、地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型，作物管理专家知识库等建立作物管理辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投入和精确农作管理第一节精确农业技术概述三、精确农业技术体系（一）精确农业技术实施流程精确农业技术实施流程示意图第一节精确农业技术概述三、精确农业技术体系（二）精确农业技术体系农田环境及作物长势监测(分布状态图生成)针对性投入决策生成(对策图生成)决策的实施(精确作业及ICS装备)大田气象气象仪器，RS决策支持系统(DSS包含专家系统和数值模拟)

灾害天气预报与减灾墒情水分传感器，GIS、GPS精确灌溉、变量供水系统肥料土肥速测仪，GIS、GPS精确施肥、变量施肥机农药疫情测报，GIS、GPS精确植保、变量施药机估产产量传感器，GIS、GPS精确收获、精确播种设施小气候光照、温度、湿度、风速、CO2传感及采集记录

墒情墒情传感系统设施专用ICS设备肥料作物营养监测系统农业机器人农药疫情监测系统

第一节精确农业技术概述三、精确农业技术体系（二）精确农业技术体系大田精确农作技术体系第一节精确农业技术概述四、精确农业关键技术全球定位系统（GPS）地理信息系统（GIS）遥感（RS）收获机械产量计量与产量分布图生成技术田间变量信息采集与处理技术作物生产管理决策支持系统变量控制技术（VRT）智能化变量农作机械第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（一）存在问题GPS定位准确度差，GIS软件复杂，产量计量不准，农户对精确农业技术难以掌握；已开发的多为谷物产量传感器，缺少棉花、果树、蔬菜等高附加值作物产量监视器，利用遥感技术管理作物生产尚不成熟；精确农业技术应用成本较高，网格土壤取样、产量计量、GPS接收、VRT使用等项目花费较大，可能超过精确施肥所节约的化肥成本，经济效益不明显。第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（一）存在问题近年来，国际上精确农业技术的推广应用处于徘徊期，普遍推广的还是一些单项技术，如DGPS定位下的精确播种、精确喷药等。澳大利亚精确农业研究中心的研究人员对基于产量变异和土壤养分变异的变量施肥技术的效果进行研究后认为，变量施肥并没有导致增产，只是降低了施肥量。从不同作物看，甜菜、烟草、甘蔗等品质要求较高对施肥量较敏感的作物，变量施肥效果较好。而其它大田作物的效果不确定性很大，即使显示纯效益的，其效益也有限。第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（一）存在问题所能考虑的农田变异的空间尺度太大，通常在1hm2以上支持精确农业实施的决策支持系统还没有完善精确农业技术体系未能达到预期的增产节本效果的原因第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（二）主攻重点农田信息采集、分析与处方图生成技术研究精确农业田间变量实施技术研究变量施肥技术研究变量施药技术研究作业导航技术研究农田信息快速高效采集技术研究基于GIS的农田信息管理技术研究基于地统计学的农田采样信息空间插值方法研究农学参数空间反演方法和遥感填图技术研究基于模型的变量决策分析技术研究变量作业处方生成技术研究第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（三）发展模式根据我国资源环境和农业生态环境安全需求，首先需要开展节水、节肥精确农业技术和病虫草害精确防治技术研究，开发先进适用肥、水、药精确施用技术体系。国外精确农业技术和产品主要面向大规模农场作业需求在我国需要降低精确农业技术应用的门槛，坚持KISS原则（keepingitsimpleandstupid），开发适合中国国情的低成本、简约化的实用和易用精准农业技术产品。第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（三）发展模式地区举例适宜发展模式大规模、高度机械化黑龙江、新疆垦区信息采集、信息处理和变量作业于一体的精确农业集成应用模式，实现化肥和农药的变量投入中等规模、一定机械化基础河南、河北和山东等粮食主产区精确农业单项技术的组合配套作业，形成适合当地条件的“套餐式”精确农业技术应用模式分散经营、机械化程度较低采用土壤信息快速采集技术产品和作物长势快速诊断仪器，利用遥感营养诊断和计算机网络技术，发布农田养分状况和水肥管理决策信息，实现在分散经营条件下的信息采集、决策和传递数字化，建立面向农户、地块、村镇和县域等不同层次的精确农业技术推广应用模式第一节精确农业技术概述五、精确农业发展的主要问题与发展方向（三）发展模式此外，我国需要积极开展精确设施农业、精确畜牧业、精确林果业生产技术研究和应用，构建我国五大作物、设施农业、主要果树、畜禽水产养殖等重点领域的精确作业系统。如应用无线射频识别（radiofrequencyidentification,RFID）技术、传感器技术、无线网络传输技术及PDA等技术，实时测量饲养对象的体型、体重、饲养环境等生产指标，调整饲料质量和数量，实现畜牧业养殖自动化。第二节全球卫星定位系统GPSGPS是缩写词NAVSTAR/GPS的简称，其含义是导航卫星测时和测距/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）是美国军方于20世纪70年代初开始研制并于90年代初完成投入运行的新一代卫星定位和导航系统，于1995年7月达到全部运行能力。GPS以全球覆盖、全天候、高精度、多功能、自动化、高效率、高效益等显著特点，实现三维连续导航定位、测速和授时，成为迄今最好的导航定位系统。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成二、GPS系统定位原理三、差分GPS定位原理四、其他卫星定位系统简介第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（一）导航卫星美国GPS系统定位卫星包括24颗地球卫星和3颗备用卫星。工作卫星均匀分布在6个相对于赤道的倾角为55°的近似圆形轨道面上，每个轨道面上都有4颗卫星，轨道面之间的夹角为60°，轨道平均高度约为20200km，属于高轨卫星系统。卫星运行周期约12小时。

GPS卫星分布第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（一）导航卫星

GPS卫星分布这样的定位卫星分布，使得在地球上任一位置的近地旷野的GPS接收机在昼夜任何时间、任何气象条件下最少能接受到4颗以上卫星的信号，通过测量每一卫星发出的信号到达接收机的传输时间推算距离，即可计算出接收机所在的地理空间位置。卫星轨道参数和时钟，由设于世界各大洲的5个地面监测站和设于其本土的1个地面主控站进行监测和控制。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（一）导航卫星GPS卫星构造示意图每颗卫星重774㎏，主体呈柱形，直径约1.5m，星体两侧装有2块双叶对日定向太阳电池帆板，由太阳能电池向卫星提供能源。卫星的电子系统包含导航电文存储器、高稳定度原子钟和L波段双频发射机等。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（二）地面站组

GPS地面站组的分布区域----地面控制部分第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（二）地面站组每个监控站设有一台四通道的用户接收机、一台原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站接收卫星的扩频信号，求出相对于原子钟的伪距和伪距差，检测出卫星的导航数据并将伪距、星历、气象数据、卫星状态数据等一并传送至主控站。

GPS地面站组成示意图第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（二）地面站组

GPS地面站组成示意图主控站设科罗拉多的范登堡空军基地，在负责对地面监控站的全面控制，接收到各监控站的卫星导航数据，进行数据偏差改正处理后编制导航电文，通过注入站将导航数据注入到卫星的导航处理系统，每颗卫星每天进行一次注入检验，以便调整偏离轨道的卫星按照预定轨道运行。同时，主控站在必要时启动备用卫星以代替失效的工作卫星。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（二）地面站组

GPS地面站组成示意图注入站主要设备包括2台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。在主控站的控制下，将主控站编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监控注入信息的正确性。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（三）用户接收机用户接收机的主要功能是接收卫星的信号并利用本机产生的伪随机编码取得距离观测量和导航电文，根据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息，计算接收机的位置，实现定位和导航。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（三）用户接收机GPS接收机结构示意图GPS接收机由天线、接收机、微处理机和输入输出部分组成，具有码的捕获、码的锁定、电文解调和位置计算等功能。第二节全球卫星定位系统GPS一、GPS系统组成（三）用户接收机分类标准使用要求载体用途通道数使用信号种类使用频率用户工作方式类别X型Y型Z型弹载机载舰载车载背负式袖珍式导航型测量型授时型单通道双通道多通道C/A码C/A码h和P码无码接收单频（L1）双频（L1/L2）多通道连续接收机单通道时序接收机双通道时序接收机单通道复用接收机双通道多路复用接收机X型适用于航天飞机Y型适用于军用飞机Z型提供给商船和民用飞机GPS接收机的分类第二节全球卫星定位系统GPS二、GPS系统定位原理GPS系统可以实现瞬间动态定位和导航。实时测得运动载体GPS信号接收天线的所在位置叫GPS动态定位。如果不仅测得运动载体的实时位置，而且测得运动载体的速度、时间和方位等状态参数，进而“引导”该运动载体准确驶向预定的目的位置，则称之为导航。第二节全球卫星定位系统GPS二、GPS系统定位原理GPS系统可以实现瞬间动态定位和导航。实时测得运动载体GPS信号接收天线的所在位置叫GPS动态定位。如果不仅测得运动载体的实时位置，而且测得运动载体的速度、时间和方位等状态参数，进而“引导”该运动载体准确驶向预定的目的位置，则称之为导航。第二节全球卫星定位系统GPS二、GPS系统定位原理采用被动测距法。用户接收机天线无须发送信号，而只需同时接收来自4颗不同卫星的导航定位信号，就可测得用户天线至卫星的距离或距离差，并利用已知的卫星在轨位置，在1秒内可推算出用户天线的三维位置。第二节全球卫星定位系统GPS二、GPS系统定位原理采用被动测距法。用户接收机天线无须发送信号，而只需同时接收来自4颗不同卫星的导航定位信号，就可测得用户天线至卫星的距离或距离差，并利用已知的卫星在轨位置，在1秒内可推算出用户天线的三维位置。第二节全球卫星定位系统GPS三、差分GPS定位原理GPS定位系统是美国研制的军用导航系统，虽已可供民用和其它国家使用，但为了美国国防安全的需要，它只开放了定位精度较低的粗码，并且可通过适当技术改变卫星星历数据，使定位精度人为降低，特别在战时可以通过提高定位误差来防御基于GPS导航武器的外来攻击，这就是所谓的“选择可用性”（SelectiveAvailability），简称为SA。虽然，美国已经于2000年5月关闭了SA，并致力于开发和使用区域关闭SA能力，但仍然可能受到SA的影响。有SA影响时，标准定位服务的水平定位精度为100m。利用差分GPS几乎可以完全消除“选择可用性”带来的影响。第二节全球卫星定位系统GPS三、差分GPS定位原理差分GPS（DifferentialGPS，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发送改正的信息位置差分伪距差分载波相位差分第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（一）前苏联/俄罗斯GLONASS系统全球轨道导航卫星系统（GlobalOrbitingNavigationSatelliteSystem，GLONASS），是前苏联为满足授时、海陆空定位与导航、大地测量与制图、生态监测研究等建立的，现由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道面上，轨道倾角为64.8°，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度1.9万km，运行周期11小时15分。Glonass系统运作示意图第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（一）前苏联/俄罗斯GLONASS系统该系统于20世纪70年代开始研制，1982年发射首颗卫星入轨，共发射了27颗卫星。由于卫星寿命和资金问题，最严重时曾只剩6颗卫星运行。2004年印度加入了GLONASS系统，计划联合发射18颗导航卫星。GLONASS系统的抗干扰能力比GPS好，但其单点定位精确度不及GPS系统。GLONASS提供标准精密导航信号，其水平定位精度为57～70m，垂直定位精度为70m，速度矢量测量精度15cm/s，时间测量精度在1mks。第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（二）伽利略（GALILEO）系统伽利略定位系统（GalileoPositioningSystem）是正在建造中的欧洲卫星导航系统，有“欧洲版GPS”之称，也是全球第4个可供民用的定位系统，预计2010年开始运行。伽利略系统共有30颗卫星，轨道高度2.3222万km，共有3个轨道面，轨道倾角56°，每个轨道有9颗卫星和1个备用卫星，卫星重量675kg。系统能为用户提供实时米级高精度定位信息，水平定位误差低于4m，垂直定位误差低于8m，适合于保障火车运行、导航汽车和飞机着陆的安全性。伽利略卫星星座第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（二）伽利略（GALILEO）系统伽利略卫星星座此外，“伽利略计划”中的欧洲地球同步卫星导航增强系统（EGNOS），是一个GPS广域差分增强系统，由全欧洲40多个地面站组网，改进GPS系统信号定位精度，并通过静地卫星转发给用户，用于增强卫星导航的精度。该系统加强了对挪威、瑞典等高纬度地区的信号覆盖，同时降低了对美国GPS系统的依赖。第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，包括“北斗一号”和“北斗二号”等2代系统，可提供高质量的定位、导航和授时服务。第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座“北斗一号”是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，由两颗工作卫星（北斗-1A和北斗-1B）和一颗备用卫星（北斗-1C）组成，为轨道高度为3.6万km的地球同步卫星，定点于80°、140°和110.5°。第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座该系统为二维有源定位系统，具有快速定位、实时导航、简短通信、精密授时等四大功能。定位精度20～100m，双向定时精度20ns，单项定时精度100ns。由于采用主动定位方式，用户隐蔽性差，同时对高程定位精度较低，无法满足三维定位需要。第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座“北斗二号”则是一个正在建设中的全球卫星导航系统，系统组成：空间段（5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星）地面段（主控站、注入站和监测站等若干个地面站）用户段（北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端）北斗二号工作示意图第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座北斗二号工作示意图2007年4月和2009年4月，我国先后成功发射两颗北斗导航卫星，包括一颗地球中圆轨道卫星和一颗地球同步静止轨道卫星，2010年1月17日北斗卫星导航系统第三颗组网卫星发射成功并定点。北斗卫星导航系统建设进入工程组网阶段，后续还将发射多颗北斗导航卫星。预计2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座北斗二号工作示意图中国北斗定位导航系统示意图第二节全球卫星定位系统GPS四、其他卫星定位系统简介（三）北斗卫星导航系统伽利略卫星星座北斗二号工作示意图北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北斗二号工作示意图第三节智能化农业机械装备技术伽利略卫星星座北斗二号工作示意图一、DGPS农机定位与导航要求与误差二、生成作物产量分布图的智能收获机三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械四、农机监控系统第三节智能化农业机械装备技术伽利略卫星星座北斗二号工作示意图一、DGPS农机定位与导航要求与误差P码定位误差为3～15mCA码无SA影响时定位误差4～50m带SA影响时定位误差为15～100m

农田作业位置分辨率要求变量施肥30m变量除草1m测产10m行栽10m构筑种床5cm避免喷药重叠10cm当前的DGPS系统可达到的精度为：采用载波相位定位测量时静态观测位置误差为1.5mm～1cm动态观测位置误差为0.5cm～5cm连续数据定位位置误差为50cm～2m采用编码测量时常规的GPS编码定位测量时位置误差为2～10m第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机在收获时，能够自动控制割茬高度、脱粒喂入量、收割台仿形、监测谷粒损失率，监测并记录收获时间、收获面积、收获总量等相关产量数据。第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（一）所用方法及装备瞬时t所测得单产瞬时t所测得谷物质量流量瞬时t谷物含水量（相对湿度）瞬时t收获机行驶速度瞬时t割幅宽度第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（一）所用方法及装备谷物联合收获机测产系统传感器DGPS接收装置GPS接收装置谷物湿度测量谷物密度测量谷物体积流量测量谷物损失测量转向角度测量距离/速度测量割幅测量第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（一）所用方法及装备美国CASEIH公司AFS系统组成第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（二）谷物体积流量测量传感器冲击式流量传感器射线式流量传感器第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（二）谷物体积流量测量传感器光电式容积流量传感器刮板轮式容积流量传感器第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（三）谷物质量流量测量传感器应变片参考质量谷物斗第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（四）谷物湿度测量传感器电容式谷物湿度传感器构造及其类型(a)平板式（b）套筒式第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（五）割幅宽度测量传感器超声波幅宽测量原理图第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（六）行驶速度传感器目前，行驶速度传感器多采用雷达和超声测速传感器。雷达利用微波，超声则利用高频声波，当波束射到地面反射后，被接收的电磁波的频率发生变化，由此可以测算出行驶速度。行驶速度也可由GPS定位系统信号计算，但其精度受GPS定位精度的影响。第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（七）行走距离传感器可直接测量出联合收割机的行驶距离，通过收割机实际收割幅宽和行走距离就可以计算出收割机的实际收割面积。在联合收割机非驱动轮上安装2个霍尔传感器和几个磁钢，记录轮子转动的脉冲数量，实现收割机行走距离测量：收割机行走距离(m)安装霍尔传感器轮子的半径(m)霍尔传感器输出的脉冲总数粘贴在轮子上的磁钢个数第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（八）收割台提升位置传感器收割机在地头转弯时或经过没有作物的田间作业通道时，收割台将停止工作而升高，由提升位置传感器发出信号，可以自动暂停作业面积的统计计量。第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（九）GPS定位系统联合收获机的田间定位系统卫星主控台DGPS接收器DGPS在线遥测参考站监控站第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（十）产量分布图的生成

AFS系统产量图生成软件数据流程图（张漫，2003）第三节智能化农业机械装备技术二、生成作物产量分布图的智能收获机（十）产量分布图的生成AFS系统绘制的小麦收获产量图（张漫，2003）第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（一）作物处方图的生成Fieldstar田间产量分布不均匀的诊断流程每当收获机绘出了产量分布图，就显示了田地各局部单产的差异。下一步的工作就是进行产量诊断，找出造成差异的主要原因，提出针对性纠正措施加以优化、量化生成处方图。第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（二）精确变量施肥机装备GPS的精确变量施肥机在田间作业的JohnDeere变量施肥播种机组第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（二）精确变量施肥机由GPS定位系统、嵌入式车载控制计算机、测速模块、阀控液压马达排肥控制模块、作业导航指示控制模块等组成。基于处方图的变量施肥作业控制系统第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（二）精确变量施肥机精确变量干粉混合施肥机构造示意图1.处理器2．田野地图3．电液阀4．商品肥料斗5．计量轮6．输送链7．混合搅龙8．注入泵9．微肥斗10．水平短搅龙11．竖直搅龙12．刮（浆）板13．分配头14．输送管15．文丘里管16．鼓风机17．空气多路歧管18．杆管19．喷嘴—反射管第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（三）精确变量喷药机械装备GPS的精确变量喷药机械流量及雾滴大小调节的变压控制器第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（三）精确变量喷药机械在田间作业的变量喷药机第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（四）精确变量灌溉控制系统自走式平移喷灌机与指针式圆形喷灌机第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（五）精确变量播种机变量施肥播种机的排肥驱动构造示意图第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（五）精确变量播种机CASE变量播种机组第三节智能化农业机械装备技术三、作物处方图的生成与智能变量控制农业机械（五）精确变量播种机变量施肥播种机作业第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统目前，农业机械及其电子监控系统已经实现了标准化、通用化和兼容化。如麦赛福格森公司的田野之星（Fieldstar）系统主要功能有产量分布图的生成和农机监控。Fieldstar除了用于MF40系列收获机之外，还可以成套或分部安装在普通收获机以及MF6100或8100系列拖拉机上田野之星机具监控系统1.GPS天线；2.差分天线；3.机具接口；4.机具界面；5.执行器和传感器；6.电子自动控制数据装置；7.通信单元；8.终端；9.校正信号接收第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统（一）显示项目Fieldstar系统可直接用手指点取触摸屏来选择。当精细农作的指令变更时，更新操作极为简单，所以，它可长期适用不会过时。拖拉机、农机的运行状态和功能参数可随时被监测、显示和记录下来。还可以计算、显示和记录运行效率和成本。并能把相应数据绘成图形，通过Fieldstar数据卡，可从农场计算机输入数据并显示作业计划。当它安装在联合收获机上仍可以显示对拖拉机周期服务之需求。第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统（二）系统的校准触摸“校准”开关之后屏幕自动出现数字键盘。触摸相应键即可方便地设置工作宽度和轮胎尺寸。当出现任何问题时，在屏幕下边将立即显示警告信息，如PTO（动力输出轴）转速过低等等。该部位还可显示GPS警告，甚至可以告诉你所处地块是否搞错了。第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统（三）精确定位显示田野地图用“十”字标指出你当前所处位置，并从产量分布图上得出采样位置。土壤采样也简便易行，节省费用。在确定了下一茬作物之后，驾驶员可在终端屏幕上显示有关田块的地图。由于拖拉机在田间的精确位置随即显示出来，故可手动或自动（取决于你是否拥有Fieldstar控制系统）改变机具田间运作或变更投入流量。第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统（四）农机具控制Fieldstar系统是智能化的而且能够自动识别拖拉机所挂接的机具。所挂接的机具有关信息能被存取，操作极为简便。Fieldstar还被设计成一种易于理解的农机具控制系统，它的连接只需经过一个插座。输入值可以自动根据事先在农场计算机上绘制的处方图而变化。购置一个机具控制盒，机具就可以根据终端显示的拖拉机在田野的位置进行手动调整。为了节约投资，你也可以直接使用Fieldstar终端进行机具调整，而无需购置上述机具控制盒。由于该系统是可编程的，故易于跟踪新技术的发展。对于新型机具亦可随时附加在Fieldstar终端上以便加以控制。第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统（四）农机具控制拖拉机/农业机械作业系统上的CAN总线通常农机监控系统采用CAN（controllerareanetwork，现场控制局域网络串行总线协议）标准总线设计将各种监控子系统集成和连接第三节智能化农业机械装备技术四、农机监控系统（五）标准的数据卡标准数据卡用于系统编程、常规记录和应用处理。该卡应用方便、成本低廉、数据存储极为安全。第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型二、农业机器人的组成三、设施农业生产机器人四、大田作物生产机器人五、精确养殖机器人第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性和奴隶性等7个特征的柔性机器。--森政弘与合田周平（1967年，日本）（一）机器人的概念和类型第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型（一）机器人的概念和类型功能机器人操作型机器人程控型机器人示教再现型机器人数控型机器人感觉控制型机器人适应控制型机器人学习控制型机器人智能机器人第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型（一）机器人的概念和类型机器人应用环境工业机器人特种机器人是一种用于搬运材料、部件、工具或其它装置的可重复编程的多功能操作机。第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型（二）农业机器人的概念及其特点农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备。能够部分模拟人类智能的农业机器人则成为智能型农业机器人。第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型（二）农业机器人的概念及其特点一般要求边作业边移动；作业路线不是连接出发点和终点的最短距离，而是有较长的距离及遍及整个田间地面的特点；工作条件变化较大，如气候变化、行走路线不平坦、倾斜，还要考虑稳定性问题；价格问题，农业机器人以个体经营为主，使用者经济实力较差，如果不是价格低就很难普及；使用者是农民，知识技术水平相对较低，因此要求农业机器人必须有高可靠性和操作方便性。农业机器人的特点：第四节农业机器人一、农业机器人的概念与类型（二）农业机器人的概念及其特点耕耘机器人施肥机器人除草机器人喷药机器人蔬菜嫁接机器人收割机器人水果采摘机器人林木修剪机器人果实分拣机器人在农业机器人研究方面，日本居于世界各国前列。现在已开发出来的农林业机器人有第四节农业机器人二、农业机器人的组成机械手（manipulator）末端执行器（end-effector）传感器和机器视觉（sensorandmachinevision）移动机构（travelingdevices）控制机构（controldevices）执行机构（actuator）农业机器人第四节农业机器人二、农业机器人的组成（一）机械手机械手是具有类似人类上肢功能，使工作对象能在空间内移动的机构，包括关节和杆件。机械手一般要有6个自由度。典型机械手（如图）直角坐标机械手圆柱机械手极坐标机械手多关节机械手冗余机械手第四节农业机器人二、农业机器人的组成（二）末端执行器末端执行器是指安装在机械手前段并直接与对象接触的部分，类似于人的手，或者手爪。手爪处理的对象包括果实、秧苗、子叶、嫩枝、动物等。第四节农业机器人二、农业机器人的组成（二）末端执行器力传感器扭矩传感器力扭矩传感器末端执行器处理对象时需要安装触觉传感器远近距离传感器力觉传感器接触传感器压觉传感器滑觉传感器接近传感器距离传感器第四节农业机器人二、农业机器人的组成（三）传感器和机器视觉距离传感器接近传感器接触传感器压觉传感器滑觉传感器力传感器成熟度传感器导向传感器与机器视觉第四节农业机器人二、农业机器人的组成（四）移动机构轮式轨道式履带式龙门式腿式农业生产系统机器人的移动机构第四节农业机器人二、农业机器人的组成（五）执行机构执行机构是按照电信号的指令，将电动、液压和气压等各种来源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的机构。电动执行机构液压执行机构气压执行机构主要包括第四节农业机器人三、设施农业生产机器人（一）蔬菜嫁接机器人日本研制出了一种嫁接机器人，其嫁接过程分切断、合位和接苗三个环节为全自动式，若本苗或嫁苗有缺苗时能自动判别，并跳过缺苗盆该机器人的嫁接成功率达97%，同时也大大提高了作业速度第四节农业机器人三、设施农业生产机器人（一）蔬菜嫁接机器人中国农业大学研制的2JSZ-600型蔬菜嫁接机器人，能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化作业，能在零点几秒时间内将砧木和接穗的切口结合为一体，提高了嫁接速度和嫁接成活率，适合于黄瓜、西瓜、甜瓜等幼苗贴接嫁接。第四节农业机器人三、设施农业生产机器人（二）菊花插枝剪切机器人日本在菊花大批量生产繁殖中，采用去叶生根移栽繁殖技术，特此开发了菊花插枝剪切机器人系统菊花插枝剪切机器人的流程图第四节农业机器人三、设施农业生产机器人（二）菊花插枝剪切机器人菊花插枝准备系统菊花插枝识别装置第四节农业机器人三、设施