精准农业介绍

第一节精准农业的发展历程与内涵一、精准农业的发展历程精准农业的兴起有两个主要背景:一是可持续农业为世人所接受，二是信息技术的快速发展及广泛应用，如全球定位系统`遥感、地理信息系统、人工智能等。前者导致人们发展农业的观念发生转变，后者使得这种观念转变成为可能。精准农业的设想与20世纪90年代初在美国进入实际应用，部分技术和设备已经成熟，已试验应用于小麦、玉米、大豆、甜菜和土豆的生产管理上，在英国、德国、法国、荷兰、西班牙、澳大利亚、加拿大等发达国家得到迅速发展。精准农业示范项目----智能节水系统(黑龙江）世界上每年都举办相当规模的“国际精准农作学术研讨会”和有关装备技术产品展览会，一些著名大学相继成立了精准农作研究中心，开设了有关博士、硕士的培训课程，不少发展中国家如巴西、马来西亚也在酝酿实施这一项目，归纳起来主要有两种典型形式：1、农田化精准农业实施形式以美国为代表－－－2、小型工厂化精准农业实施形式以以色列、荷兰、日本等为代表－－－2000年10月，在20世纪即将结束的时候，美国乔治.华盛顿大学发布了一份关于新兴科技的预测报告。报告中列出了在未来10年改变人类生活的十大高新技术，精准农业就是其中之一。欧美发达国家实施精准农业是在已有较高生产水平和巨额经济效益的前提下，将提高资源利用效率、降低生产成本和过量施用农化产品带来的污染风险作为主攻目标，而非追求最大生产能力或增加产量.国外精准农业发展可划分为三个阶段：1、无任何信息技术组成的传统方式(准备阶段和初级阶段)2、管理信息系统，专家咨询系统和简单机械化为主的类型(初级阶段)3、空间与信息技术的充分应用和全面自动化处理类型，包括自动数据收集，集成决策支持系统等技术支持系统(基本实现阶段)。精准农业技术在现代农业生产中的应用十分广泛。如根据土壤的需要使肥力的状况得到改善;根据病虫害的情况来调节农药喷洒量;不再耕种那些已经板结的土地;自动调节拖拉机的耕种深度等。

美国是率先实施精准农业的国家之一。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记录下每平方米土地的产量及其他信息，如种子的湿度等。将这些数据用专门的电脑软件经过计算机加以处理，农场就可以绘制出各地块产量的”数字地图”。经过逐年的实验对比，便能发现同一块地内肉眼所察觉不到的那些变化，这为以后选种和提高土地的收益率提供了科学根据。二、精准农业的组成与内涵精准农业作为当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的，根据空间差异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。－－－精准农业是信息技术和人工智能技术在优化管理适当尺度的农业生产系统上的集成应用。其技术思想的核心，是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，改变传统的农业大面积、大群体平均投入的资源浪费型作法、区别对待，按需实施定位调控，即“处方农作”。其操作过程一般包括以下4个阶段：随时间及空间变化采集数据，进行地面数据的统计和定量化及准确定位。根据数据绘制电子地图，并经加工、处理，形成管理设计执行图件。精确控制田间作业和生产系统监控及数字处理。对其执行效果进行分析、评价和汇总。其主要支持技术包括全球定位系（GPS）、地理信息系统（GIS）、传感器及监测系统、计算机控制器及变量执行设备。第二节精准农业的基本原理一、精确农业的基本原理精确农业作为一种管理战略，从实施过程角度看，由三部分组成：（a）在适当的规模和频率下，采集数据；（b）解释和分析这些数据；（c）在适当的规模和时空上实施管理决策，验证管理反映。精确农业最重要最有影响的部分是管理决策，如何解释并符全作物生产体系中的时空易变性。在“3S”技术的支持下，首先进行地面调查，获取影响作物生长的各种信息，如“土壤结构、地形、水分含量、病虫害等，进而根据每块农田不同的状况，按需实施微观控制。就是对大面积的土地通过遥感技术进行精确测量。测定出每一局部区域对水、肥及农药类型和数量的需求量，然后通过GPS技术，指挥自动化机械进行灌溉、施肥、杀虫等。从20世纪的80年代末起，欧美发达国家开始开发这项技术。据报道，目前美国已经将15%的土地开始使用精确农业的方法，提高经济效益在40%以上。我国是一个以农业为主的国家，不论是面对发达国家的挑战，还是我国农业经济新时期的发展需求，都要求我们必须在耕作技术方面提高效率、有所创新，以追求农业发展更高的经济效益。精确农业是针对集约化、规模化程度高的生产系统提出的，其边际效益与经营规模成正相关。规模较小的农场精细耕作程度较高，实施精确农业产业的效益也较低。美国、加拿大等一些规模较大、生产专业化水平较高的农场，一般有100h㎡以上的连片土地，耕作相对粗放，如果采取同一种投入水平，就会造成部分地块肥力投入不足而部分地块肥力投入过量。因此，规模较大的连片农场实施精确农业的效益比中小农场要大得多。精确农业是这样应用GPS技术的：把两台GPS接收机联机，其目的是消除美国SA政策的干扰，一台安装在已知坐标的地方，一台装在拖拉机或收割机等机械上，通过GPS接受机记录下各地方氮、磷、钾的缺少量及蔬菜、水稻、甘蔗、树林等的长势、成熟情况等的精确位置，并与计算机GIS系统连接起来合理安排农事（施肥量、收割、补种等）精准农业地理信息系统平台二、精确农业生产管理系统的支撑技术迄今，国内外关于精确农业的研究，基本上是利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、农田空间信息采集先进传感技术，作物生产管理辅助决策支持系统和智能化变量作业农业机械，进行作物生产的精细农作管理。包含如下技术内容：1）GPS和精准农业在2005年5月1日美国解除了SA对卫星的干扰，这使GPS的单点定位精度大大提高。经过全天测试结果证明定位精度可达到±25m，虽然对移动目标精度还可以进一步提高，但是这还是无法满足精确农业GPS的要求。因此在精确农业中必须使用GPS差分技术，这样精度可达到3～5m，若采用相位平滑伪距技术，精度可达到1～3m。GPS的瞬时定位功能是实现精确种植作业的关键技术之一，利用GPS确定作业者或机器的瞬时位置，以反映其动态变化。GPS在精确农业中的作用主要有三点：①用于田间地块土壤信息采样点位置坐标的获取。②用于农业机械在田间作业时的导航定位。③用于田间工作管理。精确农业对GPS也提出了相应的技术要求，主要有以下几个方面：①根据田间作业目标GPS定位精度要求不同，田间采样精度最高可以达到1～3m。②要求GPS定位坐标与田间作业区地理信息系统的坐标系统一致。③从信息系统数据库中提取田间管理实施要求，在屏幕上按设计航线导航，进行实时导航。不同的农田作业要求的位置精度不同，变量施肥要求30m、变量施用除草剂要求1m、测产要求10m、行栽要求10m、构筑种床要求5㎝、避免喷药重叠要求10㎝。差分全球定位系统DGPS（DifferentialGPS）的开发成功，使定位的精确度达到1m以内或更高。这个精确度对农场机械速度的实时性来讲是一巨大成就，它适应于田间作业机械的准确定位。在旋耕机、播种机、施肥喷药机、收割机等机具及机上安装GPS接受器，可以准确指示机具所在位置的坐标，使操作人员可以按计算机上GIS操作指示图进行定位点作业。2）遥感技术和精准农业

遥感是精确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，通过航空航天传感器接收地物电磁波，记录包括农作物在内的光谱特性，解释、分析这些信息可以获得许多重要数据，可以编制精确农业所需的专题图。

目前卫星遥感的几何分辨率可达o.61m×0.61m，获得信息的周期为3天；航空遥感的信息的分辨率可达0.05m×0.05m。遥感技术是获得农作物信息的重要手段。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。RS在精细农作管理中虽不是直接测量土壤水分、作物冠层营养水平、籽粒与干物质产量等信息，但可通过多光谱测量推断出结果。这种由测量引导推理，需利用数据分析工具寻求传感器与土壤或植物的相关关系，一旦这种关系建立起来，就可以对大面积的条件进行推理。通常RS数据图形可以是GIS的一个图层，作为补充实地采集的土壤肥力、杂草、病虫害等数据层，同时作些补充处理以使得RS图层与其他数据层的地理位置相一致。例子：卫星遥感烟叶种植过程系统烟叶是云南的经济支柱。农田区划土壤水分监测污染监测长势监测3）地理信息系统与精准农业GIS是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台。

GIS软件需要装载在适当性能的计算机上，如用于输入数据的扫描仪、数字化仪、读卡机和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪，并以不同格式将处理结果保存在存储介质中备用。GIS是以带有地理坐标特征的地理空间数据库为基础的系统，可以对大量图片形式的各种地理数据进行访问、储存、变换、空间分析等交互式处理。在精确农业中，地理信息系统的作用是将耕地边界坐标数据存入系统内，并以此作为基本框架，存入农田的基本性状数据，包括农田的气候、水文、土壤病虫草害及其它的有关信息，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，建成门类齐全的、图文并茂的信息系统，为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。地理信息系统还借助于决策支持系统，根据作物各个生长发育阶段的生长状况和环境条件情况，做出诊断，提出科学的农艺措施，形成GIS支持下的各种田间管理方案图。变量投入技术根据已作出的农艺措施，自动调节物料箱里的某种农业物料投入速率，可以应用的农业物料包括肥料、农药、种子、灌溉水或多种化学物质的混合物，做到对症下药和按需供给。产量监测提供决定性的反馈信息用以评价和调整下一作物生长周期的管理计划。决策支持系统就像经验模式一样的简单，比如说，如果土壤中的PH值小于某个临界值就要添加石灰一样。更复杂的决策支持系统要基于许多数据和作物模拟模型设计出各种天气情况下的管理决策意见。GIS生成的图表主要有土壤特性、微气象条件图、作物条件图和作物产量图等。专家系统与精准农业ES是生成农业种植技术或饲养技术的智能中枢，它由专家知识库管理系统和通用推理机构组成，运用智能知识和工程技术，总结和汇集生产中的新技术、新成果、新经验，形成专家智能软件。ES的核心是知识，即：“智能系统”（IntelligentSystem）。决策支持系统与精准农业决策支持系统（DSS）是精确农业的一个重要内容。DSS是在管理信息系统（MIS）和运筹学（OR）的基础上发展起来的计算机科学分支，实现了由计算机自动组织和协调多模型的运行、以及对数据库中数据的存取与处理，从而达到更高层次的辅助决策能力。精确农业技术体系中，DSS根据作物生长，作物栽培、经济分析、空间分析、时间顺序分析、统计分析、趋势分析以及预测分析等模型，从和土壤、气候、资源及作物生长有关的数据尽先决策，对不同的决策目标分别给出最优方案，用语指导田间操作。目前关于作物的模拟模型较多，如玉米光合生产模型（1965年），玉米面积与叶片角度对群体光和作用影响的模型（1967年），Charles-Edwarch的作物干物重分配模拟（1976年），Ritchie的蒸发模拟（1972年）Duncan的棉花模拟模型(1972年),Jones的大豆模型(1986年)以及水稻、玉米的模型等。农业专家系统以农业专家的经验、知识、技术为基础,建立知识库、推理机制,指导农业生产;但专家的知识\经验往往局限于一定地区、一定作物种类,在大范围内或当作物种类【品种】变换时,应用就有困难.因此建立一套有针对各地实际情况的、定时、定位的专家系统，并进行动态的维护，其意义和作用将非常深远。收获产量分级图技术与精准农业获取农作物小产区产量信息，建立小区产量空间分析图，是实施“精细农作”的起点,它是作物生长在众多环境因素中和农田生产管理措施影响下的结果,是作物生产过程中科学调控投入和指定管理决策措施的基础.某地棉花产量分级图某地小麦产量分级图产量分级图和土壤取样是实施PF(精确农业)的第一步.产量分级图的制作方法:是用一台带有产量记录系统和车辆定位系统的联合收割机收集数据,然后对数据进行处理，形成产量分析图MasseyFerguson公司是世界上生产商用产量分布联合收割机的第一公司.这种联合收割机装备有差分式全球定位系统(DGPS),使用安装在驾驶室顶的GPS接收机和位于发动机上方的差分天线进行定位.收割机输出的数据文件记录着的精度和纬度每变化1.2s为一点所对应的产量.可使用不同的地线技术[通常用克里格Kriging法]技术能够对这些数据进行处理,然后形成产量分析图.智能化处方农业农作机械新一代农业机械的装备技术的发展,与过去10多年来基于信息技术的作物生产管理决策支持系统的迅速发展,都是近五年来“精确农作”技术得以进入日益广泛实验实践的重要条件.虽然,迄今国外商品化的支持”精确农业”的若干种变量处方农业机械在生产和使用,其中较成功和效益较好的有施肥、喷药、播种和灌溉等农业机械。农田信息采集与技术处理农田信息采集是事实施确农业技术的基础工作和首要工作,是农田GIS和作物生产管理辅助决策系统的主要数据源和参数,它还是智能化农机具行为的基础依据.”精确农业”的技术思想就是要首先获取农田作物产量和成长条件的空间差异信息,利用采集到的作物生长条件的差异信息,来分析产量分级图显示的空间差异性的原因,以便指定有关耕作\施肥\植保\灌溉等分布式定位厨房决策.三、精准农业的主要理论1、精准农业与传统农业的区别精准农业实现在农业生产全过程中对作物及其生境全方位检测和调空的信