精確農(nóng)業(yè)概論-2016.5.5

1、精確農(nóng)業(yè)概論,生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,2024/3/26,,精確農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的背景精確農(nóng)業(yè)的原理及意義 精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系 精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展前景,第一章 精確農(nóng)業(yè)概述,,1 精確農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的背景,千百年來的作物栽培管理，都是在區(qū)域或田塊的尺度上進(jìn)行的，即把區(qū)域或田塊看作是具有均勻的作物生長條件進(jìn)行管理。但實(shí)際上，人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到，即使在同一農(nóng)田內(nèi)，地表上、下存在著作物產(chǎn)量和作物生長條件明顯的時(shí)空分布差異，農(nóng)田內(nèi)作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在

2、小區(qū)發(fā)生，再逐步按時(shí)空變化蔓延的。,,上世紀(jì)初期，科學(xué)家就研究報(bào)告過作物產(chǎn)量和田間土壤特性，如N、P、K、SOM含量、pH值等在田間分布具有明顯的差異性。如1929年，Illinois(伊利諾伊）大學(xué)C.M. Linsley和F.C. Bauer 發(fā)表文章勸告農(nóng)戶應(yīng)繪制自己田區(qū)內(nèi)的土壤酸度分布圖和按小區(qū)需求使用石灰。此后，一直都有關(guān)于農(nóng)田土壤和收獲量空間變異性研究的報(bào)道。田區(qū)內(nèi)作物產(chǎn)量及其因子明顯的時(shí)空分布差異性，預(yù)示了農(nóng)田資源利用存在

3、的巨大潛力。,,上世紀(jì)八十年代末，歐美一些發(fā)達(dá)國家為了醫(yī)治資源危機(jī)、能源危機(jī)、農(nóng)產(chǎn)品高成本和環(huán)境污染等石油農(nóng)業(yè)弊病，試圖尋求一種以提高資源利用效率、降低生產(chǎn)成本和減少因過量施用農(nóng)化產(chǎn)品而帶來的環(huán)境污染為主攻目標(biāo)的農(nóng)業(yè)替代模式，于是紛紛開展了精確農(nóng)作的研究和實(shí)踐。其思路是利用作物產(chǎn)量及其因子存在的空間差異，根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販y定的作物實(shí)際需要確定對(duì)作物的投入。,,能量消耗過多：美國農(nóng)業(yè)一年消耗的石油已經(jīng)達(dá)到6000多萬噸。如果全世界都象美國農(nóng)業(yè)

4、那樣消耗石油，全世界已探明的石油儲(chǔ)量也僅僅能夠使用13年。農(nóng)業(yè)成本提高：美國每生產(chǎn)1美元的農(nóng)產(chǎn)品，平均投資3美元。而鋼鐵工業(yè)每1美元的銷售額只要0.5美元。公害嚴(yán)重：大量化肥、殺蟲劑、殺菌劑、除草劑的施用，嚴(yán)重污染了土壤、大氣、水源和食品，產(chǎn)生了嚴(yán)重的公害。,石油農(nóng)業(yè)的弊端,,土壤破壞，表土流失：由于使用大馬力機(jī)械濫墾濫耕，使土壤流失加重。例如，美國200年前約有23厘米厚的表土，現(xiàn)在只剩下15厘米左右。大量的表層土壤已經(jīng)流失。由于

5、大量使用化肥，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，酸度增大，出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象。能量報(bào)酬低：近30年來，美國農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加1倍，而消耗的能量增加3倍。每消耗一個(gè)單位能量的礦物燃料，只能得到1/5的回報(bào)。,,現(xiàn)代農(nóng)學(xué)技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展，為定量獲取這些影響作物生長因素及最終收成的空間差異性信息，實(shí)施基于知識(shí)和現(xiàn)代科技的分布式調(diào)控，達(dá)到田區(qū)內(nèi)資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量成為可能。,,,,,,,隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，將可持續(xù)的觀念擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)

6、領(lǐng)域，日益為世人所接受；GPS、GIS、RS、AI等高新技術(shù)的產(chǎn)生并民用化，為精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了非常必要的技術(shù)基礎(chǔ)。,精確農(nóng)業(yè)興起主要背景,,精確農(nóng)業(yè)發(fā)展初期面臨的主要技術(shù)問題有： (1)動(dòng)態(tài)施肥機(jī)械技術(shù)； (2)土壤定位技術(shù)； (3)土壤單元的變量確定技術(shù)；(4)土壤肥力空間類型圖的問題。這些早期的技術(shù)難題隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、全球定位衛(wèi)星、地理信息系統(tǒng)軟件等技術(shù)的發(fā)展基本得以解決。,國外精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展概況,,根據(jù)信息技術(shù)應(yīng)

7、用水平與集成程度，西方精確農(nóng)業(yè)可劃分為代表不同發(fā)展階段的3種類型：(1)無任何信息技術(shù)（IT）組成的傳統(tǒng)方式（準(zhǔn)備和初級(jí)階段）；(2)管理信息系統(tǒng)（MIS）、專家咨詢系統(tǒng)（ES）和簡單機(jī)械化為主的類型(初步階段)；(3)空間信息技術(shù)的充分應(yīng)用和全面自動(dòng)化處理類型（基本實(shí)現(xiàn)階段），包括自動(dòng)數(shù)據(jù)收集、集成MIS/DSS等技術(shù)支持系統(tǒng)。,,尤其是在海灣戰(zhàn)爭后，GPS技術(shù)的民用化，使得在許多國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得迅速發(fā)展，也推動(dòng)了“精

8、確農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的廣泛實(shí)踐。 今天，精確農(nóng)業(yè)技術(shù)得到飛速發(fā)展并已在北美、歐洲和澳大利亞等獲得成功應(yīng)用，主要包括施肥、播種、耕作和水分管理等相關(guān)領(lǐng)域，以在施肥上的應(yīng)用最為成熟?；谶b感產(chǎn)業(yè)對(duì)精確農(nóng)業(yè)的商業(yè)興趣，一系列對(duì)地觀察衛(wèi)星在近幾年進(jìn)行了發(fā)射，到目前已有40多顆這樣的衛(wèi)星提供服務(wù)，這類衛(wèi)星采集的全色圖像，空間分辨率達(dá)1-3ｍ。可變量施用器VRA在一些發(fā)達(dá)國家的使用引起了人們極大的興趣。,,機(jī)器的設(shè)計(jì)者借助于3S等技術(shù)獲

9、取田間信息(包括土壤參數(shù)和病蟲害等情況),同時(shí)機(jī)器自動(dòng)控制農(nóng)藥、化肥和種子的最優(yōu)和最少的施入量,從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另一種稱為實(shí)時(shí)閉路循環(huán)系統(tǒng)機(jī)器,盡可能地?cái)[脫了對(duì)3S技術(shù)的依賴,田間信息直接由安在施用器上的探測設(shè)備獲取,立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并自動(dòng)控制農(nóng)藥、化肥和種子的施入量。這種機(jī)器很好地保證了所測田間信息與所采取技術(shù)措施在地點(diǎn)上的一致性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,特別是農(nóng)田土壤、作物苗情、病蟲草害信息實(shí)時(shí)快速采集技術(shù)的突破,農(nóng)業(yè)精確操作

10、也將愈益精細(xì)化。,,我國農(nóng)業(yè)具有精耕細(xì)作的優(yōu)良傳統(tǒng)。精耕細(xì)作就十分注意因時(shí)、因地、因作物制宜,了解作物生長與環(huán)境的關(guān)系。在農(nóng)業(yè)資源利用方面,我國農(nóng)業(yè)在精耕細(xì)作、多層次利用、生態(tài)農(nóng)業(yè)等高效利用農(nóng)業(yè)資源方面獨(dú)樹一幟。各地已總結(jié)出許多具有區(qū)域特色的耕作技術(shù)和農(nóng)業(yè)模式,如間、套連作的多熟制、基塘農(nóng)業(yè)、山地立體農(nóng)業(yè)、有機(jī)物還田等等。其技術(shù)在提高我國光能、土地、水、肥力等資源的利用率方面發(fā)揮作用。農(nóng)業(yè)新技術(shù)研究與開發(fā)也開始起步。例如,灌溉(如噴灌

11、、滴灌、微灌、滲灌、膜上灌等)、施肥(配方施肥、平衡施肥、復(fù)混肥技術(shù))、植保、水土保持(如坡地農(nóng)業(yè))等方面的先進(jìn)技術(shù)和措施已在研究或部分應(yīng)用之中,農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測技術(shù)也取得了較大的進(jìn)展,遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)成功地應(yīng)用于作物長勢、種植面積、產(chǎn)量、災(zāi)害、水土流失等方面的監(jiān)測。,國內(nèi)精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展概況,,國內(nèi)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)日益深入，主要包括啟發(fā)式專家系統(tǒng)、實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)、專家數(shù)據(jù)庫、模型專家系統(tǒng)、問題專用殼等5類。全國人工農(nóng)情信息網(wǎng)絡(luò)，為農(nóng)業(yè)決策部

12、門提供生產(chǎn)形勢和對(duì)策分析服務(wù)方面發(fā)揮著日益重要的作用。我國農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)正在邁出重要的一步。我國從20世紀(jì)80年代開始了RS和GIS在水稻、小麥、棉花、玉米等主要農(nóng)作物和雞、豬、牛的生產(chǎn)管理的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究。1991年，北京市政府撥款組成了“GPS導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)飛防中的應(yīng)用研究”課題組。1995年，進(jìn)行了為期5天的133萬hm2小麥衛(wèi)星導(dǎo)航飛防滅蚜，采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)差分衛(wèi)星定位導(dǎo)航(DGPS)技術(shù)，通過裝在地面和飛機(jī)上的衛(wèi)星信號(hào)

13、接收器，確定飛防區(qū)域的精確位置，從而避免了農(nóng)藥的重噴和涌噴，滅蚜率達(dá)到90%，并且節(jié)省了人工。,,2 精確農(nóng)業(yè)的原理及意義,精確農(nóng)業(yè)是運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等），實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對(duì)待，按需實(shí)施定位調(diào)控。,,精確農(nóng)業(yè)基本技術(shù)思想,,實(shí)施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器

14、的聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)采集田間定位及對(duì)應(yīng)小區(qū)平均產(chǎn)量數(shù)據(jù) → 通過計(jì)算機(jī)處理，生成作物產(chǎn)量分布圖 → 根據(jù)田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數(shù)的空間數(shù)據(jù)分布圖，作物生長發(fā)育模擬模型，投入、產(chǎn)出模擬模型，作物管理專家知識(shí)庫等建立作物管理輔助決策支持系統(tǒng)，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖 → 根據(jù)處方圖采用不同方法與手段或相應(yīng)的處方農(nóng)業(yè)機(jī)械按小區(qū)實(shí)施目標(biāo)投入和精確農(nóng)作管理。實(shí)行精確農(nóng)業(yè)技術(shù)可提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染。（在減

15、少投入的情況下）,,國外應(yīng)用情況,以色列目前實(shí)控面積2.78萬平方公里，其中2/3為丘陵和沙漠，氣候干燥，年平均降雨量約為300mm，平均淡水資源僅16億立方米，人均占有淡水資源不到300立方米，僅相當(dāng)于我國的1/8。從上世紀(jì)50年代至1995年，在沒有增加水資源利用 的條件下，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增長了12倍。,,荷蘭也是人多地少、農(nóng)業(yè)土地資源相當(dāng)貧乏的國家，經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為世界第三大農(nóng)產(chǎn)品出口國，農(nóng)產(chǎn)品出口創(chuàng)匯占全國出口創(chuàng)匯收入的1/4。

16、 以色列、荷蘭都是小國，但對(duì)世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)科技發(fā)展做出了舉世矚目的重大貢獻(xiàn)，尤其是大力推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技研究與科技創(chuàng)新。顯然，對(duì)于推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程的實(shí)踐都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。被認(rèn)為是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)在信息社會(huì)發(fā)展必然結(jié)果的精確農(nóng)業(yè)也是中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。,,精確農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)（與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比）,合理施用化肥，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染,精確農(nóng)業(yè)采用因土、因作物、因時(shí)全面平衡施肥，徹底扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中因經(jīng)驗(yàn)施肥

17、而造成的三多三少（化肥多，有機(jī)肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K肥比例失調(diào)的狀況，因此有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。,,減少和節(jié)約水資源,目前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)因大水漫灌和溝渠滲漏對(duì)灌溉水的利用率只有40％左右，精確農(nóng)業(yè)可由作物動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)定時(shí)定量供給水分，可通過滴灌微灌等一系列新型灌溉技術(shù)，使水的消耗量減少到最低程度，并能獲取盡可能高的產(chǎn)量。,,節(jié)本增效，省工省時(shí)，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),精確農(nóng)業(yè)采取精確播種，精確收獲技術(shù)，并將精確種子

18、工程與精確播種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，使農(nóng)業(yè)低耗、優(yōu)質(zhì)、高效成為現(xiàn)實(shí)。在一般情況下，精確播種比傳統(tǒng)播種增產(chǎn)18％~30％，省工2—3個(gè)。,,農(nóng)作物的物質(zhì)營養(yǎng)得到合理利用，保證了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,精確農(nóng)業(yè)通過采用先進(jìn)的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和控制，并根據(jù)其結(jié)果采用相應(yīng)的措施從而保證農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。 總之，精確農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，其最大的特點(diǎn)是以高新技術(shù)和科學(xué)管理換取對(duì)自然資源的最大節(jié)約。它是一項(xiàng)綜合性

19、很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，是農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的根本途徑。,,,冬小麥產(chǎn)量分布圖,谷物產(chǎn)量分布圖,水稻產(chǎn)量分布圖,,,,,,,播種過密？,排水問題？,雜草過多？,耕作策略不當(dāng)？,肥料施用不足？,品種不適合？,分析田間產(chǎn)量差異,不同年份土壤N含量變異圖,,,1999,1998,不同年份產(chǎn)量變異圖,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理是針對(duì)某一片土地的統(tǒng)一管理，而忽略了大多數(shù)土地都存在的空間差異，時(shí)間差異。以變量管理為核心的精確農(nóng)業(yè)采用產(chǎn)量圖、實(shí)時(shí)傳感器等手段

20、來監(jiān)測作物生長的土壤情況、作物生長情況、產(chǎn)量及其它各種耕作參數(shù)，并根據(jù)每一小區(qū)域間的這種反映著差異性的參數(shù)，通過預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的專家系統(tǒng)，得到對(duì)每一小區(qū)域間不同的對(duì)策，再通過變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這些對(duì)策，以求最佳效果最低代價(jià)。,3 精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系,,全球定位系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)遙感田間變量信息采集與處理技術(shù)作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)智能化處方農(nóng)作機(jī)械裝備技術(shù),精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系,,3.1全球定位系統(tǒng),精確農(nóng)業(yè)作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一

21、是確定作業(yè)者或機(jī)器的瞬時(shí)位置，并將此信息轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可接受的格式，這就需要利用全球定位系統(tǒng)（GPS）。美國GPS系統(tǒng)包括在離地球約20000km 高空近似圓形軌道上運(yùn)行的24顆地球衛(wèi)星，其軌道參數(shù)和時(shí)鐘，由設(shè)于世界各大洲的五個(gè)地面監(jiān)測站和設(shè)于其本土的一個(gè)地面控制站進(jìn)行監(jiān)測和控制。使得在近地曠野的GPS接收機(jī)在晝夜任何時(shí)間、任何氣象條件下最少能接受到4顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，通過測量每一衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的傳輸時(shí)間，即可計(jì)算出接收機(jī)所在的

22、地理空間位置。,,理論上只要用戶能接收到4顆衛(wèi)星信號(hào)，即可解算出用戶所在的3維位置（經(jīng)度、緯度和海拔高度）等定位信息和定時(shí)信息，并將此信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接受的格式。GPS有兩種接收模式：單一接收模式（single receiver mode）及用兩個(gè)接收器的差動(dòng)接收模式（differential mode），單一接收模式接收是最方便、最廉價(jià)的接收方式，但瞬時(shí)位置誤差高達(dá)100m，無法滿足精細(xì)農(nóng)業(yè)的需要。因此，為了提高GPS接收機(jī)的定位精

23、度，需要采用差分GPS(DGPS)系統(tǒng)，以便能滿足定位精度要求。,,差分GPS是將一臺(tái)GPS接收機(jī)安放在位置已精確確定的基準(zhǔn)站上，將這臺(tái)接收機(jī)接收的偽距觀測值與經(jīng)過計(jì)算得到精確距離值相比較，以求得GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻的偽距修正值。再將此修正值通過無線電臺(tái)（稱為差分臺(tái)）發(fā)播出去。飛機(jī)上的GPS接收機(jī)接收到來自差分臺(tái)的修正信號(hào)，用該偽距修正信號(hào)對(duì)其觀測值進(jìn)行修正，從而可以提高定位精度。差分GPS（DGPS）精度可達(dá)1ｍ。,,用一臺(tái)便攜式差

24、動(dòng)GPS接收器根據(jù)不同的作業(yè)工藝要求其位置分辨能力分別可達(dá)到：2.5ｍ、１ｍ、或１cm以下。不同的農(nóng)業(yè)作業(yè)工藝要求的位置分辨能力大致如下：變量施肥30m，變量施用除草劑1ｍ，測產(chǎn)10m，行栽10cm，構(gòu)筑種床5cm，避免噴藥重疊10cm，一臺(tái)便攜式DGPS接收器的價(jià)格大約為400～2000美元。,,3.2 地理信息系統(tǒng),地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟、硬件的支持下，對(duì)有關(guān)空間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行預(yù)處理、輸入、存

25、貯、查詢、檢索、運(yùn)算、分析、顯示、更新和提供應(yīng)用、研究，并處理各種空間實(shí)體及空間關(guān)系為主的技術(shù)系統(tǒng)。,,3.2 地理信息系統(tǒng),GIS可比做精確農(nóng)業(yè)的大腦。通過傳感器或監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)隨時(shí)輸入GIS，帶有持久性的數(shù)據(jù)可以一次事先存入或定期存入，專家系統(tǒng)及其它決策支持系統(tǒng)也事先存在GIS中。GIS對(duì)這些信息進(jìn)行加工處理，繪制信息電子地圖，做出決策，繪制作業(yè)執(zhí)行電子圖。再通過計(jì)算機(jī)控制器控制變量執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)投入量或作業(yè)操作的調(diào)整。,,3.

26、3 遙感,RS能為精確農(nóng)業(yè)提供農(nóng)田小區(qū)內(nèi)作物生長環(huán)境、生長狀況和空間變異信息的技術(shù)支持。近30多年來，RS技術(shù)在大面積作物產(chǎn)量預(yù)測，農(nóng)情宏觀預(yù)報(bào)等方面作出了重要貢獻(xiàn)。由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)目前尚達(dá)不到必要的空間分辨率和提供滿足農(nóng)作需要的實(shí)時(shí)性，目前還未大量用于作物生產(chǎn)的精確管理。但遙感技術(shù)領(lǐng)域積累起來的農(nóng)田和作物多光譜圖像信息處理及成像技術(shù)、傳感技術(shù)和作物生產(chǎn)管理需求密切相關(guān)。RS獲得的時(shí)間序列圖像，可顯示出由于農(nóng)田土壤和作物特性的空間反射光

27、譜變異性，提供農(nóng)田作物生長的時(shí)空變異性的信息，在同一季節(jié)中不同時(shí)間采集的圖像，可用于確定作物長勢和環(huán)境條件的變化。,,3.4 田間變量信息采集與處理技術(shù),快速、有效地采集和描述影響作物生長環(huán)境的空間變量信息，是實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。目前田間信息快速采集技術(shù)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于支持精確農(nóng)作的其它技術(shù)發(fā)展，已成為國際上眾多單位攻關(guān)研究的重要課題。已經(jīng)商品化的產(chǎn)品有土壤含水量快速測量儀、土壤快速肥力分析儀、基于近紅外技術(shù)通過間接葉面反射光譜特性

28、進(jìn)行農(nóng)田氮肥肥力水平快速評(píng)估儀、基于電磁場測量土壤電導(dǎo)率用于評(píng)價(jià)土層深度分布圖的儀器等。在實(shí)踐精確農(nóng)業(yè)方面，開發(fā)基于新的物理原理的近似快速信息采集技術(shù)與改善空間地理信息處理方法，仍然是精確農(nóng)作科技工作者面臨的艱巨任務(wù)。,,3.5 作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng),作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)主要包括支持作物生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)資源的數(shù)據(jù)庫；用于提供作物生長過程模擬、投入產(chǎn)出分析與模擬等模型的模型庫；支持模型計(jì)算的算法庫；提供作物生產(chǎn)管理知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)

29、的知識(shí)庫以及提供決策者參與的人機(jī)友好接口。,,3.6 智能化處方農(nóng)作機(jī)械裝備技術(shù),目前支持精確農(nóng)業(yè)的主要農(nóng)機(jī)裝備包括帶產(chǎn)量圖自動(dòng)生成的作物聯(lián)合收獲機(jī)和實(shí)施按處方圖進(jìn)行農(nóng)田投入調(diào)控的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械, 如安裝有DGPS定位系統(tǒng)及處方圖讀入裝置的，可按處方圖調(diào)節(jié)播量和播深的谷物精確變量播種機(jī)；可自動(dòng)選擇調(diào)控多種化肥配比的自動(dòng)定位施肥機(jī)和自控噴藥機(jī)；可分別控制噴水量的定位噴灌機(jī)等，這些機(jī)械均已有商品化產(chǎn)品，并在繼續(xù)完善。,,,精確農(nóng)業(yè)技術(shù)體系圖

30、,裝備有 GPS 的施肥機(jī),精確變量噴藥機(jī),精確變量噴藥機(jī),精密播種機(jī)示意圖,變量播種機(jī),,? 人工很昂貴 $7.25 / 小時(shí) 折合￥49.5 / 小時(shí)? 重復(fù)而又無聊!,,這些人在干什么?,除草\間苗,4 精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展前景,精確農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)學(xué)技術(shù)和電子信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它所提供的技術(shù)思想和思維方式，使人們對(duì)作物生產(chǎn)管理和農(nóng)業(yè)資源利用的觀念與模式將發(fā)生深刻的變革，它將預(yù)示著一場新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。精確農(nóng)業(yè)被

31、列為二十一世紀(jì)對(duì)人類生產(chǎn)和生活產(chǎn)生重大影響的十大科技之一，發(fā)展前景已在國際上具有廣泛的共識(shí)。精確農(nóng)作，即精確農(nóng)業(yè)，作為精確農(nóng)業(yè)的主體，將具有光明的發(fā)展前景。精確農(nóng)業(yè)在國外發(fā)達(dá)國家發(fā)展十分迅速，其應(yīng)用已涉及到施肥、播種、耕作、水分管理等相關(guān)領(lǐng)域。在美國、加拿大等國，精確農(nóng)業(yè)逐漸為各農(nóng)場經(jīng)營者了解和熟悉。,,美國農(nóng)民波特，每天駕駛飛機(jī)在農(nóng)田里工作，飛機(jī)上裝有一臺(tái)微型電腦，從電腦屏幕上他可以看到700公頃的玉米地和大豆地。波特打算再在飛機(jī)上

32、加裝一部價(jià)值3000美元的接收器，從而可使他在農(nóng)田工作時(shí)接收衛(wèi)星定位信號(hào)，以便清楚地知道自己所在的位置。另外，電腦接收到衛(wèi)星資料后，會(huì)計(jì)算出他的農(nóng)田所需的肥料數(shù)量，并據(jù)此自動(dòng)施肥，避免了不必要的浪費(fèi)。實(shí)際上，像波特這樣的農(nóng)民在美國有成千上萬個(gè)。將全球衛(wèi)星定位技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，主要是針對(duì)農(nóng)田因土壤肥力等因素的差異，而對(duì)種子、化肥、除草劑和殺蟲劑的施用量提出不同要求。,,1995年美國地球物理環(huán)境公司（GER）提出了地球資源觀測系統(tǒng)（Ear

33、th Resource Observation System，簡稱GEROS）計(jì)劃，發(fā)射小衛(wèi)星系列，以監(jiān)測農(nóng)業(yè)過程，對(duì)農(nóng)業(yè)提供信息服務(wù)。該計(jì)劃將采用6個(gè)載有16個(gè)波段、分辨率為10m的高光譜遙感衛(wèi)星，以獲得3-4天重復(fù)周期的農(nóng)業(yè)信息，每顆衛(wèi)星掃描帶寬為120km，主要裝有可見光，短波紅外兩種遙感器，從第三顆衛(wèi)星起，再裝上一臺(tái)熱紅外掃描儀以獲取地表溫度等信息。該計(jì)劃通過廣域網(wǎng)向農(nóng)戶提供耕作、作物長勢、施肥、灌溉、病蟲害等信息，以便農(nóng)戶及時(shí)

34、采取措施。,,總部設(shè)在波士頓的TASC/WSI公司對(duì)數(shù)字農(nóng)業(yè)十分重視，采用了航空多光譜系統(tǒng)為農(nóng)場主提供CD－ROM為載體的遙感信息，也可以開展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，每畝費(fèi)用約20美分。利用小型機(jī)載Kodak DC460 CCD ff機(jī)加上GPS和IMU像移補(bǔ)償裝置，進(jìn)行全色、彩色和彩紅外攝影。CCD相機(jī)為3K×2K尺寸，f=28mm。像素為9μm。每次飛行3.5小時(shí)，達(dá)到300公頃面積，經(jīng)48小時(shí)加工后將成品用CD-ROM形式向農(nóng)民提供（

35、幾何精度為0.2-1.0m）。農(nóng)業(yè)技術(shù)員和土壤員通過實(shí)地抽樣調(diào)查得到征兆圖，供采取對(duì)策和行動(dòng)使用。目前已在美國多個(gè)農(nóng)業(yè)為主的州里推廣使用。,,“資源21” 是一家從事數(shù)字農(nóng)業(yè)服務(wù)的公司的名字，計(jì)劃發(fā)射4顆農(nóng)業(yè)多光譜衛(wèi)星，10m分辨率，首先提供種植狀況的征候圖，再結(jié)合GIS技術(shù)提出診斷結(jié)果圖，最后根據(jù)決策支持系統(tǒng)制定行動(dòng)方案圖，農(nóng)場主將依據(jù)這些方案運(yùn)用GIS與GPS作出行動(dòng)。4顆衛(wèi)星的基本參數(shù)為：,重量500kg，三軸穩(wěn)定，地面分辨率10

36、m，短波紅外為20m。5波段多光譜遙感器：藍(lán)0.45-0.52μm ，信噪比119-49；綠0.52-0.60μm，信噪比140-50；紅0.63-068μm，信噪比123-36；近紅外0.77-0.90μm，信噪比171-52；短波紅外1.55-l.65μm，信噪比464-133。15.9°推掃式成像205km地面帶寬176GB數(shù)據(jù)存貯能力,,北美的精確農(nóng)業(yè)技術(shù)在施肥上的應(yīng)用最為成熟。在美國和加拿大的大型農(nóng)場上，農(nóng)場

37、主在農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)下，應(yīng)用GPS取樣器將田塊按坐標(biāo)取樣，約0.5-2公頃取一土壤樣品，分析各取樣單元格（田間操作單元）內(nèi)土壤理化性質(zhì)和各大、中、微量養(yǎng)分含量。應(yīng)用GPS和GIS技術(shù)，作成該地塊的地形圖、土壤圖、各年的土壤養(yǎng)分圖等。同時(shí)在聯(lián)合收獲機(jī)上裝上GPS接收器和產(chǎn)量測定儀，在收獲的同時(shí)每隔1.2秒GPS定點(diǎn)一次，同時(shí)記載當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)量。然后用GIS作成當(dāng)季產(chǎn)量圖。,,所有這些資料均用來作為下一年施肥種類和數(shù)量的決策參考。作施肥決

38、策時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有有關(guān)資料進(jìn)行分析，主要按照每一操作單元（0.5-2公頃）的養(yǎng)分狀況和上一季產(chǎn)量水平，參考其它因素，確定這一單元內(nèi)的各種養(yǎng)分施肥量，應(yīng)用GIS作成各種肥料施用的施肥操作指揮系統(tǒng)（GIS施肥操作圖層）。然后轉(zhuǎn)移到施肥機(jī)具上，指揮變量平衡施肥。變量施肥機(jī)有用傳統(tǒng)的施肥機(jī)改裝的一次作業(yè)施一種肥料的簡易型和新研制的大型多種肥料同時(shí)變量施肥的機(jī)具兩種類型。,,,地形圖,發(fā)達(dá)國家在大型拖拉機(jī)上配置GPS進(jìn)行耕作已較普遍，如英國夏

39、托斯農(nóng)場在聯(lián)合收割機(jī)上裝的GPS和產(chǎn)量測定儀，每隔1.2秒，GPS測量記錄一次。這樣，在收割完成的同時(shí)，就可以產(chǎn)生當(dāng)季準(zhǔn)確的產(chǎn)量分布圖。國際上幾個(gè)大型的農(nóng)機(jī)制造企業(yè)相繼生產(chǎn)出帶有GPS定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器的收割機(jī)與其它支持精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械，并研制開發(fā)了相應(yīng)的信息處理系統(tǒng)。其中具有代表性的有美國Case公司的AFS系統(tǒng)、JohnDeere公司的GreenStar系統(tǒng)、英國AGCO公司的Field Star系統(tǒng)等。,,Spray

40、ers/Nutrient Application,Planting& Seeding,Combines,中國是人口大國，資源相對(duì)貧乏，人口增長和土地資源減少的矛盾不可逆轉(zhuǎn)，為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平日益提高的要求，必須保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，解決問題的根本出路在于增效、挖潛。因此，實(shí)施精確農(nóng)作就顯得尤為必要。,,就我國農(nóng)業(yè)資源利用而言，我國化肥的生產(chǎn)量和施用量居世界首位，單位面積使用量是美國的2.6倍。但是，化肥農(nóng)藥利用效率很

41、低，氮為30%～35%，磷為10%～20%，鉀為35%～50%，農(nóng)藥利用率在30%左右，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。我國水資源嚴(yán)重匱乏，而降水利用率不足35%，只是發(fā)達(dá)國家的1/3。中低產(chǎn)田占耕地60%，其單產(chǎn)僅為高產(chǎn)田的幾分之一。同一田塊，土壤肥力、墑情、草害、蟲害、病害的不均勻性普遍存在，所以，實(shí)行精確農(nóng)業(yè)，潛力巨大。,,我國從20世紀(jì)80年代開始RS和GIS，以及水稻、小麥、棉花、玉米等主要農(nóng)作物和雞、豬、牛的生產(chǎn)管理的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用

42、研究，90年代部分成果達(dá)到應(yīng)用水平。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所應(yīng)用遙感和地理信息技術(shù)建立的“中國北方草地草畜平衡動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”使我國草地的資源管理由過去常規(guī)方法10年完成的工作量只需7年即可完成，經(jīng)3年運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)約經(jīng)費(fèi)1669萬元。,,1996年，“863”計(jì)劃批準(zhǔn)了北京農(nóng)林科學(xué)院、吉林大學(xué)和長春市農(nóng)科院、中科院合肥智能所分別承擔(dān)小麥、玉米、水稻3種作物的智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用示范工程，并相應(yīng)在北京市、吉林省、安徽省、云南省建立4個(gè)國家級(jí)智

43、能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用示范區(qū)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。其他一些系統(tǒng)的研究也取得了較好的成果，使系統(tǒng)能模仿農(nóng)業(yè)專家推理和給出決策咨詢，代替農(nóng)業(yè)專家走向田頭，進(jìn)入農(nóng)家，對(duì)于提高農(nóng)民素質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是貧困地區(qū)的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。,,北京精細(xì)農(nóng)業(yè)示范基地規(guī)劃,人才培養(yǎng)滯后，缺乏既精通農(nóng)業(yè)生物技術(shù)又熟悉計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的專家；信息標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，我國計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用信息管理目前還沒有完全做到標(biāo)準(zhǔn)化；三是技術(shù)不成熟。我國計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

44、專家系統(tǒng)的知識(shí)表述、推理等方面普遍存在不同程度的缺陷，并且整體功能單一，農(nóng)用實(shí)時(shí)控制處理開發(fā)成果少，應(yīng)用范圍窄，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測手段落后，速度慢，精度低。,我國精確農(nóng)業(yè)主要存在的問題,,我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的歷史過程中，全面實(shí)施精確農(nóng)業(yè)這一新的技術(shù)體系還不現(xiàn)實(shí)，但啟動(dòng)精確農(nóng)業(yè)技術(shù)的示范與實(shí)踐研究，將有利于推動(dòng)我國作物生產(chǎn)的知識(shí)化與信息化進(jìn)程。另外在作物栽培的局部環(huán)節(jié)引進(jìn)精確農(nóng)作技術(shù)思想，進(jìn)行精確化管理，也具有非常重要的意義

45、。,,社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面 技術(shù)方面 農(nóng)藝方面,,社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面,采用精確農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)將是阻礙其技術(shù)思想傳播和廣泛應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)性問題 增加了基本投入：先期投入大 ；小規(guī)模農(nóng)田復(fù)雜土壤地形與精確農(nóng)業(yè)作業(yè)規(guī)模之間的矛盾；小型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)與智能化技術(shù)成本之間的矛盾；當(dāng)?shù)貤l件下實(shí)施精確農(nóng)業(yè)的效益問題。 精確農(nóng)業(yè)要求的相關(guān)知識(shí)、技能和人才從事農(nóng)業(yè)方式仍是傳統(tǒng)方法，改變觀念 對(duì)操作人員要求高，要求接受大學(xué)、大專或?qū)ｉT教育,,技術(shù)方

46、面問題,智能機(jī)械傳感器全球定位系統(tǒng)軟件遙感,精確農(nóng)業(yè)是一個(gè)從田間信息獲取、信息處理到田間變量作業(yè)的完整流程。,,農(nóng)藝方面問題,缺少基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫有效信息缺乏（高質(zhì)量變化的信息）在作物生長階段獲得的信息較少未實(shí)施變量處方投入 不完整的或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（如產(chǎn)量圖） 缺少的權(quán)威的農(nóng)業(yè)咨詢機(jī)構(gòu) 使用新技術(shù)，采樣等數(shù)據(jù)管理與分析田間試驗(yàn), ……,,吉林省實(shí)施精確農(nóng)業(yè)——分步進(jìn)行,當(dāng)前基本現(xiàn)狀:生產(chǎn)方式 沒有完全實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化

47、，沒有能夠?qū)崿F(xiàn)變量投入的農(nóng)業(yè)機(jī)械。 生產(chǎn)模式 精確農(nóng)業(yè)是適度規(guī)模經(jīng)營的農(nóng)業(yè)，而我國目前多數(shù)地區(qū)實(shí)行家庭經(jīng)營小生產(chǎn)方式。勞動(dòng)力水平 老年人、婦女務(wù)農(nóng)，青壯年人進(jìn)城工作。生產(chǎn)力水平 平均收入較低，無力購買。在我省實(shí)施精確農(nóng)業(yè)還不能一步到位，以分步實(shí)施為宜。,吉林省采取分步實(shí)施精確農(nóng)業(yè)設(shè)想,第一步，采取手控變量投入技術(shù)。,完成實(shí)施項(xiàng)目：“手動(dòng)變量深施肥機(jī)的研制”,第二步，將3S技術(shù)和智能化機(jī)具結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量投入作業(yè)。,完成項(xiàng)目

48、： “精確農(nóng)業(yè)變量施肥技術(shù)研究”和“機(jī)械化精確施肥技術(shù)示范”子項(xiàng)。研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)變量施肥播種機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)示范。,第三步，開發(fā)無GPS定位的變量施肥機(jī)的定位系統(tǒng),完成項(xiàng)目吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（玉米）生產(chǎn)只能決策系統(tǒng)與裝備的研究”。申請(qǐng)專利“虛擬GPS精確農(nóng)業(yè)變量深施肥系統(tǒng)”。,傳感器,變量施肥機(jī),控制器,精確農(nóng)業(yè)新的作業(yè)模式,本章思考題,精確農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比較，有什么不同？精確農(nóng)業(yè)的支撐技術(shù)主要有哪些？探