精准农业——未来农业发展的方向  

                      吉林大学  王洁    

                             序

 以下为我在某媒体《经纬纵横专栏》的讲课材料，愿与大家在科学网分享！

希望给广大的读者与观众带来更多的益处与启迪，谢谢！

一．什么是精准农业？  

   精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的、根据空间变异定位、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.  

   基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。

 精准农业的技术是一项系统工程, 精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，其核心技术是地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。

精准农业系统是一个综合性很强的复杂系统，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。    

二．精准农业的技术构成

   具体由十个系统组成： 由全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。

   其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精准农业并不过分强调高产，而主要是强调效益。它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。

三  主要技术模块

1.全球定位系统

 广泛采用了GPS系统用于信息获取和实施的准确定位。为了提高精度广泛采用了 DGPS（Differential Global Positioning System）技术，即所谓“差分校正全球卫星定位技术”。它的特点是定位精度高，根据不同的目的可自由选择不同 精度的GPS系统。

  2.地理信息系统（GIS）

   精准农业离不开 GIS（GeographicalInformation System）的技术支持，它是构成农作物精准管理空间信息数据库的有力工具，田间信息通过GIS系统予以表达和处理，是精准农业实施的重要。

   GIS技术优势在于它的集地理数据采集、存储、管理、分析、三维可视化显示与输出于一体的数据流程，在于它的空间分析、预测预报和辅助决策的能力。

   地理信息系统从外部来看它表现为计算机软件系统，而其内涵是计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的，高度信息化的地理系统。

3、遥感系统（RS）

遥感技术（Remote Sensing）是精准农业田间信息获取的关键技术，为精准农业提供农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异信息的技术要求。  

  定义：不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标地物的属性

  空间特性：视域范围大，具有宏观特性。

  光谱特性：探测的波段从可见光向两侧延伸，扩大了地物特性的研究范围。

  时相特性：周期成像，有利于进行动态研究和环境监测。

特点：大面积的同步观测、时效性、数据的综合性和可比性、经济性。

4、作物生产管理专家决策系统

  它的核心内容是用于提供作物生长过程模拟、投入产出分析与模拟的模型库；支持作物生产管理的数据资源的数据库；作物生产管理知识、经验 的集合知识库；基于数据、模型、知识库的推理程序；人机交互界面程序等。

5、田间肥力、墒情、苗情、杂草及病虫害监测及信息采集处理技术设备

 如田间信息适时采集传感器与数据处理方法。

6、带GPS系统的智能化农业机械装备技术

 如带产量传 感器及小区产量生成图的收获机械；自动控制精密播种、施肥、洒药机械等等。

                     GPS----全球定位系统

   GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系统是一下三个部分组成：

l GPS卫星星座（空间部分）

l 地面监控系统（地面控制部分）

l GPS信号接收机（用户设备部分）

应用特点：定位精度高，观测时间短，测站空间无需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，功能多、应用广。

7.“3S”整体集成模式

7.1  “3S”整体集成模式

  以GIS为中心的集成方式（目的，非同步数据处理）通过利用GIS作为集成系统的中心平台，对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存储和集成管理。

  以GPS/RS为中心的集成方式（目的：同步数据处理。通过RS和GPS提供的实时动态空间信息）结合GIS的数据库和分析功能，为动态管理、实时动态空间信息，结合GIS的数据库和分析功能，为动态管理，实时决策提空在线空间信息支持服务。该模式要求集成多种信息采集和信息处理平台，同时需要实时通信支持。实现代价高。

7.2  3S技术的应用

                     GPS在精准农业中的应用

l 智能化农业机械作业的动态定位

根据管理信息系统发出的指令，实施田间耕作、播种、施肥、灌溉、排水、喷药和收获的精确地位。

l 农业信息采集样点定位  在农田设置的数据采集点自动或人工数据采集点和环境监测点均需GPS定位数据，以便形成数字信息进行存储与共享。

l 遥感信息GPS定位 对遥感信息中的特征点用GPS采集定位数据，以便于与GIS配套应用。

l 在防虫治病方面：包括分析病虫害发生的空间动态；评估其发生的适宜生活环境及影响因子；监测、预测病虫害发生趋势等，通过结合网络、数据库、模型库、专家系统等

l 水利资源管理方面

GIS 主要用于在水资源管理决策管理决策支持系统、区域水资源管理

、地下水资源管理和水资源保护。

l 农业生产中施肥管理

应用相关的地理信息系统软件，可以建立用于精确农业变量施肥的田间土壤养分信息数据库及田间施肥管理方式。根据土壤采样数据生成田间施肥管理方式。根据土壤采样数据生成田间土壤养分分布图。据此可以了解田间土壤养分差异，并根据该差异进行变量施肥决策和变量施肥作业。

                   RS在精准农业中的作用

1.作物长势监测和大面积农业估产 作物遥感检测是利用遥感数据对作物的实时苗情、环境动态和分布状况进行宏观的估测，及时了解作物的分布状况、生长状况、肥水行情以及病虫害动态，便于采取各种管理措施，为作物生产管理者或管理决策者提供及时准确的数据信息平台。

2  提供大量数据源  在精准农业系统中 遥感（特别是高光谱遥感）将为精准农业实施提供大量的田间时空变化信息，遥感技术将成为监测土壤和作物养分变化，水分胁迫和病虫害等的主要数据库源。

3 用于灾害遥感监测和损失评估

 例如：从1995年开始，我国就开始了利用卫星等资料进行黄淮平原地区旱灾监测的业务化运行工作，到1999年旱灾监测由监测黄淮海平原地区扩展到全国冬小麦主产区。

                    GPS在农业中的应用（案例分析）

  在播种之前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有 GPS接收机和计算机，计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时，GPS接收机把样品采集 点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出 一幅土壤样品点位分布图。

2.监测作物产量

    在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统。对不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器 记录下玉米所接穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。

3 合理施肥，精确农业管理

   依据农田土壤养分含量分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器，在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地的各点施肥，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量 分布图控制。

在作物生长期的管理中，利用遥感图象并结合GPS可绘出作物色彩变化图。利用GPS定位采集一定数量 的土壤及作物样品进行分析，可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。 这样可以做到精确地对作物生长进行管理。

在传统的条播机的基础上，通过控制播种机槽轮的转速，从而达到变量投放化肥或种子，这就是变量施肥播种机。在正常情况，变量施肥播种机主要是由GPS、变量控制器、田间计算机、播种机、液压马达等构成。变量施肥播种机的工作过程如下：将有施肥处方图信息(数据卡)输入(插入)田间计算机。该播种机可以在行驶过程中通过计算机将GPS系统的处方图与位置信息相匹配，从而获得当前位置的播种量和施肥量，然后，向液压马达发出控制指令，马达在得到控制指令后。带动播种机的槽轮动作控制播种机的播种量和施肥量。

4. GPS与精准灌溉

  精确灌溉既能满足作物生长过程中对灌水时间、灌水量、灌水位置、灌水成分的精确要求，又能按照田间的每个操作单元的具体条件，精细准确地调整农业用水管理措施，最大限度地提高水的利用效率和利用率。在田间运用GPS土地参数采样器采集植物生长的环境参数，如土壤湿度、地温等，通过GPS中心控制基站利用专家系统进行植物分析，可以调控植物生长环境，精确凋控节水灌溉系统.

5.在无人驾驶拖拉机上的应用

    无人驾驶拖拉机是由固定操作站控制的无人驾驶农业机械，它在GPS卫星全球定位系统或者在田问附近地面系统的导航下开展作业。通过自动导航系统，拖拉机在无人驾驶的情况下，能够沿着直线和不规则的曲线自动行驶，这种技术目前在欧美国家正在得到快速推广应用。前两年，中国科学技术协会在北京宣布，我国首次研究成功无人驾驶拖拉机，实现了拖拉机在田问作业条件下的自动导航和地头转向控制，这项技术对我国现代农业的发展具有重要现实意义。无人驾驶拖拉机——更多更广泛的智能化农业机械，随着GPS的广泛应用和各种新技术的集成，必将走进农业生产一线。

6.在病虫害防治中的应用

（1）定位功能的应用

   在勘查工作通过综合应用GPS和GIS两项先进技术，可望准确划定害虫宜发区及作物病害的准确位置、地形地貌，为飞机及人工防治时精准施药，高效防治，减少环境污染提供科学依据，从而使飞机治虫及其他工作彻底摆脱了依靠地面人工信号的历史。由于很多害虫属于迁飞类害虫，对于其迁飞路径，GPS的位置实时回传功能可以对确定其迁飞路径及科学的综合防治提供及时的准确的数据。

（2）测面积功能的应用

    通过GPS与GIS的结合，可准确测量出病虫害发生区域的面积，为合理喷药提供科学依据，对灾害评估及病虫害防治测报工作的科学管理起着重要作用。

                     基于GPS的变量喷洒农药技术

7.在变量播种中的应用

    土壤类型、养分、墒情和地形在田间分布存在差异, 为了达到整块农田出苗整齐、茁壮生长的目的, 需要在行进间, 根据播种处方图随时调整下种量和播种深度。播种机的位置信息由卫星接收机获取后, 被传输至移动处理器, 处理器读取播种处方图信息, 通过液压系统控制播种机的下种量和播种深度, 实现行进间变量播种作业。

8.GPS技术用于森林防火

  利用实时差分GPS技术,美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室共同制定了"FRIREFLY"计划。它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和GPS接收机，使用这些机载设备来确定火灾位置，并迅速向地面站报告。另一计划是使用直升飞机或轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据，在飞机降落后对数据进行处理并把火灾的周边绘成图形，以便进一步采取消除森林火灾的措施。

后续讨论部分（待续）