農(nóng)業(yè)機械化工程專業(yè)課程第六章精細農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)機械化新裝備

1、農(nóng)業(yè)機械化工程專業(yè)課程第六章精細農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)機械化新裝備機電工程學院農(nóng)機系2009.10.1 概 述11 精細農(nóng)業(yè)的基本概念21世紀，人類正在逐步進入知識經(jīng)濟社會的大門。過去20多年來，信息技術(shù)的高速發(fā)展，已使它迅速滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，改變著人們的生活方式、工作方式和思維方式，引發(fā)許多傳統(tǒng)技術(shù)思想和觀念的革命。國際競爭，將更多地轉(zhuǎn)向以知識為基礎的科學技術(shù)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的競爭。農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，保障世界的食物安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是全球性的永恒主題。過去五十年，世界農(nóng)業(yè)發(fā)生了重大變化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通過生物和農(nóng)藝技術(shù)的進步和支持，以及將生物和農(nóng)藝技術(shù)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)力的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)

2、系統(tǒng)經(jīng)營管理技術(shù)的不斷改善，使得世界食品產(chǎn)量的增長，超過了人口的增長速度。上世紀后半期世界農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，基本上是依靠生物遺傳育種技術(shù)的進步，耕地和灌溉面積的擴大，物理與化學產(chǎn)品投入的大量增加，機械動力與礦物能源大量投入的條件下獲得的。由此而引起的水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性損害等問題，已經(jīng)引起國際社會的嚴重關切，并成為推動技術(shù)創(chuàng)新，實踐農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動力。改革開放以來，中國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟得到了飛速發(fā)展，但仍面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。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)藥利用效率很低，我國化肥的利用率，氮為30%35%，磷為10%20%，鉀為35

3、%50%，農(nóng)藥利用率在30%左右，對環(huán)境造成嚴重威脅。我國水資源嚴重匱乏，而降水利用率不足35%，只是發(fā)達國家的1/3，節(jié)水已成為一項緊迫而繁重的任務。我國每公頃耕地平均擁有農(nóng)用動力1千瓦左右，相當于美國的2倍，然而我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平卻遠遠低于美國。我國農(nóng)業(yè)應盡快實現(xiàn)從粗放經(jīng)營到精細農(nóng)作的轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)科技發(fā)展綱要(20012010年)提出：“推進新的農(nóng)業(yè)科技革命，實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的跨越”?！皩崿F(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的跨越，盡快縮小與發(fā)達國家的差距，必然要在農(nóng)業(yè)科學研究與技術(shù)開發(fā)上取得重大突破，促使先進適用技術(shù)及時充分地應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中去，加速科學技術(shù)、特別是高新技術(shù)全面向農(nóng)業(yè)滲透，大幅度提高

4、農(nóng)業(yè)科技整體水平，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平質(zhì)的飛躍”。知識經(jīng)濟時代，迅速發(fā)展與普及的計算機和信息技術(shù)將推動人們在科學利用資源潛力，發(fā)展節(jié)本增效生產(chǎn)方式，改善和保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)基于信息和知識的生產(chǎn)過程管理決策方面，突破許多傳統(tǒng)的模式和觀念。它對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造日益廣泛和深刻，對農(nóng)業(yè)更有其特殊意義?；兽r(nóng)藥的大量使用土地的污染、浪費！精細農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture 或 Precision Farming）是上世紀80年代末由美國、加拿大的一些農(nóng)業(yè)科研部門提出的，目前，日本、英國、丹麥、中國等國也正在積極進行這方面的研究。美國國家研究委員會（National Research Cou

5、ncil）為此曾專門立項組織了一個由一批多學科著名專家組成的專家組對有關發(fā)展研究進行了評估，研究報告經(jīng)過由美國科學院，工程院和醫(yī)學科學院院士組成的評估組進行審議后，于1997年發(fā)表了“Precision Agriculture in the 21st CenturyGeospatial and Information Technologies in Crop Management”研究專著，全面分析了美國農(nóng)業(yè)面臨的壓力、信息技術(shù)為改善作物生產(chǎn)管理決策和改善經(jīng)濟效益提供的巨大潛力，闡明了“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系研究的發(fā)展現(xiàn)狀，面臨的問題及其支持技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究的機遇。1998年夏，日本政府撥?？钪?/p>

6、持若干大學進行“精細農(nóng)業(yè)”應用研究，日本農(nóng)林水產(chǎn)省已與洋馬公司和久保田公司等企業(yè)合資成立了研究機構(gòu)，開發(fā)利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械技術(shù)。據(jù)測算：采用精細農(nóng)業(yè)技術(shù)，可以節(jié)約30%以上的肥料和農(nóng)藥，可使作物生產(chǎn)成本降低20%以上。在減少投入的情況下增加(或維持)產(chǎn)量，一是節(jié)約資源、降低成本，二是減少環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境。因此，實行精細農(nóng)業(yè)技術(shù)成了近幾年興起的新熱點。遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)上世紀八十年代就已用于農(nóng)業(yè)領域和發(fā)揮了良好作用。1993年，美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）民用后，使這三項技術(shù)構(gòu)成了一個相得益彰的完整體系，俗稱3S技術(shù)。它是利用RS作宏觀控制，GPS精確定位地面

7、位點到米級，GIS將地面信息（地形地貌、作物種類和長勢、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分水分狀況等）進行儲存、處理和輸出，再與地面的信息轉(zhuǎn)換、實時控制、地面導航等系統(tǒng)相配合，按區(qū)內(nèi)要素的空間變量數(shù)據(jù)精確設定最佳耕作、施肥、播種、灌溉、噴藥等多種農(nóng)事操作。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是以畝，甚至百畝為單位的地塊作為統(tǒng)一操作單元的，而同一地塊單元內(nèi)的地形、土壤、作物生長狀況差異很大，3S技術(shù)則可將操作單元縮小到平方米，使傳統(tǒng)的粗放生產(chǎn)變?yōu)榫氜r(nóng)作，可以顯著提高水、肥、藥的利用效率，以最經(jīng)濟的投入獲得最佳產(chǎn)出及減少對環(huán)境的污染。精細農(nóng)業(yè)技術(shù)不僅適用于種植業(yè)，也適用于畜牧業(yè)、園藝和林業(yè)。精細農(nóng)業(yè)在美國和歐洲一些國家已進行試驗和推廣應用，并

8、取得了顯著效果，以荷蘭、以色列兩國為例，以色列目前實控面積2.78萬km2，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m3，人均占有淡水資源不到300m3，僅相當于我國的1/8。從50年代至1995年，在沒有增加水資源的條件下，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。以色列、荷蘭都是小國，他們大力推動農(nóng)業(yè)科技研究與科技創(chuàng)新，但對世界農(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。荷、以兩國在農(nóng)業(yè)工程高新技術(shù)應用研究和農(nóng)業(yè)工程設備產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面

9、的經(jīng)驗，對于推動我國農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程的實踐都有重要現(xiàn)實意義。12 精細農(nóng)業(yè)的技術(shù)思想精細農(nóng)業(yè)技術(shù)思想的核心，是獲取農(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）實際存在的空間和時間差異性信息，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)濟上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對待，按需實施定位調(diào)控的“處方農(nóng)作”，如圖1-1所示。圖1-1 精細農(nóng)業(yè)基本技術(shù)思想上述精細農(nóng)業(yè)技術(shù)體系在許多發(fā)達國家的試驗和應用表明，可以顯著提高耕地的生產(chǎn)潛力，節(jié)約良種、化肥農(nóng)藥和能源投入，獲得良好的經(jīng)濟效益，受到農(nóng)戶的歡迎。產(chǎn)業(yè)界不斷向市場推出其支持技術(shù)產(chǎn)品，并建立提供精

10、細農(nóng)業(yè)社會化服務的新模式。近年來，日本、韓國、巴西等國的試驗研究也有了快速發(fā)展。作為信息化時代的現(xiàn)代農(nóng)田精耕細作技術(shù)，其應用實踐可根據(jù)不同國家、不同地區(qū)的社會、經(jīng)濟條件，圍繞提高生產(chǎn)、節(jié)本增效、保護環(huán)境的目標，采用不同的技術(shù)組裝方式，逐步提高作物生產(chǎn)管理的科學化與精細化水平。獲取農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量空間分布的差異性信息是實踐精細農(nóng)業(yè)的基礎。有了小區(qū)產(chǎn)量分布圖，農(nóng)戶即可以根據(jù)自己的經(jīng)驗知識，分析小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，選擇經(jīng)濟適用的對策，在現(xiàn)實可行條件下采取適當措施實施調(diào)控；也可以根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展的條件，利用先進的科學手段或智能化變量處方農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)控。綜上所述，精細農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，主要

11、有以下特點：（1）合理施用化肥，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)源污染精細農(nóng)業(yè)采用因土、因作物、因時全面平衡施肥，徹底扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中因經(jīng)驗施肥而造成的三多三少（化肥多有機肥少；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)濟和環(huán)境效益。（2）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灌溉水的利用率只有40左右，精細農(nóng)業(yè)可由作物動態(tài)監(jiān)控技術(shù)定時定量供給水分，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。（3）節(jié)本增效，省工省時，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)精細農(nóng)業(yè)采取精細播種，精細收獲技術(shù)，并將精細種子工程與精細播種技術(shù)有機地結(jié)合起來，

12、使農(nóng)業(yè)低耗、優(yōu)質(zhì)、高效成為現(xiàn)實。在一般情況下，精細播種比傳統(tǒng)播種增產(chǎn)1830，省工23個。（4）農(nóng)作物的物質(zhì)營養(yǎng)得到合理利用，保證了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量因為精細農(nóng)業(yè)通過采用先進的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對農(nóng)作物的生產(chǎn)過程進行動態(tài)監(jiān)測和控制，并根據(jù)其結(jié)果采取相應的措施。13 精細農(nóng)業(yè)的技術(shù)支撐精細農(nóng)業(yè)技術(shù)必須能隨時間及空間變化采集數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制電子地圖，加工、處理，形成管理設計（或執(zhí)行電子地圖），精確控制田間作業(yè)，并對精細農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)效果、經(jīng)濟效益及環(huán)境效益進行評估。實現(xiàn)這些的關鍵技術(shù)是：全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）、農(nóng)田空間信息采集傳感技術(shù)、作物生產(chǎn)管理輔助決策支持

13、系統(tǒng)和智能化變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械等。 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）精細農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的關鍵技術(shù)之一，是在作物生產(chǎn)管理中，根據(jù)農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量和生長環(huán)境因素的空間差異性，通過空間信息的聚類處理后，實施定位處方農(nóng)作。因此，進行以農(nóng)田空間定位為基礎的作物小區(qū)平均產(chǎn)量和影響作物生長主要環(huán)境信息的采集與處理，是實施精細農(nóng)業(yè)的基礎。90年代初全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完善，為實踐農(nóng)田作物生產(chǎn)的定位精細管理提供了基本的條件。GPS的基本原理是易于理解的：該系統(tǒng)由包括24顆地球衛(wèi)星組成的空間部分，由地面控制站和一組地面監(jiān)測站組成的地面監(jiān)控部分以及用戶接收機3個主要部分組成。目前已建成投人運

14、行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國國防部建設的GPS系統(tǒng)和俄羅斯建設的GLONASS系統(tǒng)，兩者原理相同，但利用了不同的時間標準和大地坐標系，均可提供全球衛(wèi)星定位信息的免費服務。對于用戶來說，只需要根據(jù)不同用途的要求，如同使用移動電話一樣，購置用戶接收機，可享用不同方式的服務，用戶具有必要的使用知識即可。 地理信息系統(tǒng)與地圖軟件(Geographic Information Systems and Mapping Software)地理信息系統(tǒng)(GIS)是一個應用軟件，是精細農(nóng)業(yè)的大腦，是用于輸入、存儲、檢索、分析、處理和表達地理空間數(shù)據(jù)的計算機軟件平臺。它以帶有地理坐標特征的地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，將同

15、一坐標位置的數(shù)值相互聯(lián)系在一起。地理信息系統(tǒng)事先存入了專家系統(tǒng)等帶決策性系統(tǒng)及帶持久性的數(shù)據(jù)，并接收來自各類傳感器（變量耕地時實傳感器、變量施肥時實傳感器、變量栽種時實傳感器、變量中耕時實傳感器等）及監(jiān)測系統(tǒng)（遙感、飛機照相等）的信息，GIS對這些數(shù)據(jù)進行組織、統(tǒng)計分析后，在一共同的坐標系統(tǒng)下顯示這些數(shù)據(jù)，從而繪制信息電子地圖，做出決策，繪制作業(yè)執(zhí)行電子地圖，再通過計算機控制器控制變量執(zhí)行設備，實現(xiàn)投入量或作業(yè)量的調(diào)整。在精細農(nóng)業(yè)實踐中，GIS主要用于建立農(nóng)田土地管理、土壤數(shù)據(jù)、自然條件、生產(chǎn)條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間信息的地理統(tǒng)計處理、圖形轉(zhuǎn)換

16、與表達等，為分析差異性和實施調(diào)控提供處方?jīng)Q策方案。在GIS中能夠生成多層農(nóng)田空間信息分布圖，將其納入作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)，與作物生產(chǎn)管理與長勢預測模擬模型、投入產(chǎn)出分析模擬模型和智能化作物管理專家系統(tǒng)一起，并在決策者的參與下根據(jù)產(chǎn)量的空間差異性，分析原因、作出診斷、提出科學處方，落實到GIS支持下形成田間作物管理處方圖，分區(qū)指導科學的調(diào)控操作。 產(chǎn)量分布圖生成系統(tǒng)(Yield Mapping Systems)產(chǎn)量分布圖記錄作物收獲時產(chǎn)量的相對空間分布，收集基于地理位置的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)及濕度含量等特性值。它的結(jié)果可以明確地顯示在自然生長過程或農(nóng)業(yè)實踐過程中產(chǎn)量變化的區(qū)域。在大多數(shù)管理決策中

17、，產(chǎn)量是一個首要的因素，需要精確的產(chǎn)量圖來確定空間處理方案。獲取農(nóng)作物小區(qū)產(chǎn)量信息，建立小區(qū)產(chǎn)量空間分布圖，是實施精細農(nóng)業(yè)的起點，它是作物生長在眾多環(huán)境因素和農(nóng)田生產(chǎn)管理措施綜合影響下的結(jié)果，是實現(xiàn)作物生產(chǎn)過程中科學調(diào)控投入和制定管理決策措施的基礎。從1992年以來，谷物的產(chǎn)量圖是通過使用決定谷物的數(shù)量的流量傳感器與濕度傳感器以及記錄作物位置信息的GPS接收器繪制完成。帶DGPS和流量傳感器的聯(lián)合收割機在田間作業(yè)時，每秒給出收獲機在田間作業(yè)時DGPS天線所在地理位置的經(jīng)、緯度坐標動態(tài)數(shù)據(jù)，同時流量傳感器每秒自動計量累計產(chǎn)量，根據(jù)作業(yè)幅寬換算為對應作業(yè)面積的單位面積產(chǎn)量，從而獲得對應小區(qū)的空間地

18、理位置數(shù)據(jù)(經(jīng)、緯度坐標)和小區(qū)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。這些原始數(shù)據(jù)記錄在PC卡中，轉(zhuǎn)移到計算機后，利用專用軟件生成產(chǎn)量分布圖。產(chǎn)量監(jiān)測器測量潮濕的谷物流量、谷物的濕度、收獲的面積，從而得到修正濕度后每英畝的產(chǎn)量。因為這種大流量的測量是在聯(lián)合收割機的谷物清運系統(tǒng)內(nèi)完成的，這樣，在收獲機處有一個從谷物被收割的位置到谷物被測量的位置的偏移，這個偏移導致了動態(tài)的不精確性。目前，隨后的數(shù)據(jù)處理設備還無法完全消除這種不精確性。通常認為大田塊修正偏差后的總產(chǎn)量數(shù)據(jù)比測量小的子田塊的結(jié)果準確。盡管谷物監(jiān)測設備已廣泛使用，但仍需進一步改進以提高精確性以利于精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應用。迄今，用于小麥、玉米、水稻、大豆等主要作物的

19、流量傳感器已有通用化產(chǎn)品，其他如棉花、甜菜、馬鈴薯、甘蔗、牧草、水果等作物的產(chǎn)量傳感器近幾年已做了許多研究，有的已在試驗使用。產(chǎn)量分布圖揭示了農(nóng)田內(nèi)小區(qū)產(chǎn)量的差異性，下一步的工作就是要進行產(chǎn)量差異的診斷，找出造成差異的主要原因，提出技術(shù)上可行、按需投入的作業(yè)處方圖。農(nóng)田產(chǎn)量差異診斷的步驟：首先根據(jù)經(jīng)驗和歷史記錄進行分析，如農(nóng)田形成的歷史、往年的病蟲草害、內(nèi)外澇情等因素對產(chǎn)量差異的影響；如有必要，則進行對農(nóng)田土壤物理特性分析、化驗土壤化學特性等。找到局部低產(chǎn)的原因之后，可根據(jù)專家經(jīng)驗或作物生長模型提出解決方案并加以量化，以數(shù)據(jù)卡或處方圖的形式把指令傳遞給智能變量農(nóng)業(yè)機械實施農(nóng)田作業(yè)。 變量控制技

20、術(shù)（Variable-Rate Technologies） 變量控制技術(shù)VRT（Variable Rate Technologies）是指安裝有計算機、DGPS等先進設備的農(nóng)機具可以根據(jù)它所處的耕地位置自動調(diào)節(jié)貨箱里某種農(nóng)業(yè)物料投人速率的一種技術(shù)。作為精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的領頭羊，美國最早開始從事變量控制技術(shù)的概念與實踐研究。變量控制設備隨著空間位置變化而改變諸如種子、化肥、農(nóng)藥等投入量。變量控制技術(shù)系統(tǒng)包括控制特定物質(zhì)流速變化的儀器，或同步控制多種物質(zhì)流速變化的儀器，使得處于行駛中的機械自動改變物質(zhì)投入量，以達到預期效果。變量控制系統(tǒng)根據(jù)施用的物質(zhì)和確定局部施用量的信息來源有不同的設計方法。當前變量

21、控制技術(shù)系統(tǒng)有以下兩種：（1）基于地圖的，需要一個GPS/DGPS地理信息定位系統(tǒng)和一個用于存貯施用計劃的命令單元，該施用計劃包含了田塊內(nèi)每一位置的施用量期望值。（2）基于傳感器的，并不需要地理信息定位系統(tǒng)，但包括一個動態(tài)命令單元，在田塊內(nèi)所到的每一位置通過實時地分析土壤傳感器與（或）作物傳感器的測量數(shù)據(jù)確定相應的施用量。變量控制技術(shù)是在20世紀80年代中期由美國工業(yè)界提出的。根據(jù)預先收集的數(shù)據(jù)如拍攝的土壤圖或柵格式土壤采樣，確定處方圖，然后在經(jīng)濟型噴灑器上同步變化于氮、磷、鉀肥等的施用量。農(nóng)業(yè)機械安裝了這種攜帶標準的液體混合器變量控制技術(shù)系統(tǒng)后，在運行中根據(jù)測得的土壤屬性，實時調(diào)整多種化肥施

22、用量，達到最佳效果。目前為止，經(jīng)濟型噴灑器已在一定范圍內(nèi)使用了基于傳感器的變量控制技術(shù)。用精細農(nóng)業(yè)技術(shù)可以實現(xiàn)變量調(diào)整的內(nèi)容包括：施肥量、除草劑或殺蟲劑施用量、農(nóng)藥施用量、灌水量、耕地深度、播種量及密度和深度、中耕、產(chǎn)量策估等。變量控制技術(shù)采用了反應有機物、陽離子交換容量（CEC）、表土層深度、土壤濕度、土壤硝酸鹽含量、作物光譜反射系數(shù)的有成型產(chǎn)品的傳感器。倡導基于傳感器的實時變量控制技術(shù)的研究人員觀察發(fā)現(xiàn)：土壤和作物環(huán)境數(shù)據(jù)比目前的基于地圖的方法測得的數(shù)據(jù)變化快。從現(xiàn)在的局限于每秒一個樣品和一次控制變化的GPS/DGPS/GIS方法不能得到最佳的作物管理結(jié)果。根據(jù)土壤硝酸鹽和陽離子交換容量測

23、量值施氮肥以及根據(jù)用光譜反射系數(shù)得到的小麥含氮量施氮肥，這兩個變量控制技術(shù)例子是基于實時傳感技術(shù)而不是基于GPS/DGPS或GIS系統(tǒng)的。實時傳感變量控制技術(shù)有優(yōu)于基于地圖技術(shù)變量控制技術(shù)之處。實時傳感是對感興趣的屬性的一種直接且連續(xù)的測量，這使用戶減少了一次特定的應用中未采樣的面積。在基于地圖的應用中，地圖通常是建立在有限個的采樣點上，這樣在估計采樣點之間的情況時就存在著潛在的誤差。另一種不確定性與GIS有關，主要是某地的樣品按當時的測量值標定成為地圖，而一段時間后再按圖作出的響應存在著時間上的不連續(xù)性。如土壤含氮量或害蟲分布等動態(tài)變量，在成圖與最后按圖作業(yè)這段時間間隔內(nèi)，這些變量在數(shù)量與屬

24、性分布上都會發(fā)生顯著的變化。在農(nóng)場，一些采用基于傳感的變量控制設備可以完成以下的農(nóng)作：按土壤類型的不同變量施固態(tài)氨肥；按土壤不同的CEC與表土層深度改變種植密度；按土壤的有機組成的不同變量施除草劑；按土壤CEC的變化變量施催肥劑；按土壤CEC、表土層深度和硝酸鹽濃度在側(cè)施肥料時變量施氮肥?；诘貓D的變量控制技術(shù)系統(tǒng)不僅廣泛地用于農(nóng)用拖拉機用來噴灑液體肥料、固態(tài)氨、除草劑及種子。而且也可用在樞軸式灌溉系統(tǒng)中控制水和肥料。在商用高懸浮式噴灑設備大量地噴灑磷肥、鉀肥和石灰時，常采用基于地圖的變量控制技術(shù)。因為高懸浮式噴灑設備的氣體的或液壓控制的系統(tǒng)需要額外的資金與維護費用，其應用成本比常規(guī)懸浮噴灑技

25、術(shù)要高。典型的懸浮粒狀肥料變量噴灑系統(tǒng)比非變量噴灑系統(tǒng)的成本要貴2到3美元每英畝。在拖拉機上安裝控制器，使之能實現(xiàn)變量控制技術(shù)的成本是非常小的。升級一個控制器使之能自動調(diào)整噴灑的速度是一個費用較小的技術(shù)方案，僅表現(xiàn)為一個軟硬件的接口。然而，用戶也必須有一只用于處理GIS數(shù)據(jù)及發(fā)送變量控制信號給其它控制單元的計算機，及一個GPS/DGPS接收器。技術(shù)上較成熟的生產(chǎn)企業(yè)能裝配這樣系統(tǒng)。在其它情況下，多種化學制品混合注射系統(tǒng)作為預裝單元與GIS/GPS/DGPS成一整體是一個更復雜和昂貴變量控制系統(tǒng)。不論農(nóng)民采用哪種類型的變量控制系統(tǒng)，基于地圖的變量控制系統(tǒng)需要全面地考慮所有相關的成本，包括數(shù)據(jù)的獲

26、取、用GIS及GPS/DGPS創(chuàng)建及實施處方圖、及學習如何恰當?shù)厥褂眠@種技術(shù)。獲取與解釋土壤測試信息的費用是一個限制特定地點實施基于地圖的變量控制技術(shù)的因素。為降低收集與分析的成本，通常土壤按每2.5英畝一個樣的比率采樣。在美國伊利諾斯州的一次測試中，2種柵格大小的化肥需求量與常規(guī)的施肥量進行對比，當柵格大小為0.156英畝時，所需的化肥量顯著減少，每英畝節(jié)省18美元，相比之下，當柵格大小為2.5英畝時，每英畝節(jié)省0.25美元。然而，在更小的柵格上收集樣品所需的費用遠遠超過了從化肥上節(jié)省下的費用。改進基于地圖的變量控制技術(shù)效率的一個關鍵在于發(fā)展既能節(jié)約成本的又有更高采樣密度傳感方法。 農(nóng)業(yè)生物

27、信息采集技術(shù)（Farming Data Acquired Technology）精細農(nóng)業(yè)技術(shù)是一種以信息為基礎的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，快速、有效采集和處理農(nóng)田空間分布信息，是實踐精細農(nóng)業(yè)的重要基礎。田間信息采集技術(shù)利用傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)來收集當時當?shù)厮璧母鞣N數(shù)據(jù)，如土壤水分、土壤含N量、pH值、壓實、地表排水狀況、地下排水狀況、植冠溫度、雜草、蟲情、植物病情、拖拉機速度、降雨量、降雨強度等，再根據(jù)各因數(shù)在作物生長中的作用，由GIS系統(tǒng)迅速做出決策。實施地面?zhèn)鞲邢到y(tǒng)，需要開展一些的勘測土壤和作物生長過程的基礎性研究。在采樣密度達到一定的要求時，基于手工定點采樣與實驗室分析相結(jié)合，耗資費時、難于較精細地描

28、述這些信息的空間變異性，傳感器則能自動收集土壤、作物、害蟲數(shù)據(jù)，滿足密度要求。不同田區(qū)，其資源數(shù)據(jù)差異可能是非常明顯的，增加采樣數(shù)量將會更準確的反映田間數(shù)據(jù)屬性值的變化性。在一個土壤和作物參數(shù)采樣密度較高的田塊上，變量控制技術(shù)與作物模型的效果將會大大提高。從這個意義上說，擁有快速、高效的評估所測因素對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響的傳感器顯得尤為重要。目前需要從地面?zhèn)鞲衅魃系玫降男畔ǎ和寥赖挠袡C組成、陽離子交換容量、硝酸鹽氮、土壤的壓實、土壤的質(zhì)地、鹽度、雜草的檢測、作物收獲后殘余覆蓋情況等。這些參數(shù)及土壤PH值、磷肥與鉀肥利用率不能通過遙感技術(shù)獲得。并且應用實時的地面?zhèn)鞲衅骺梢允狗N植者能根據(jù)定時采集的

29、數(shù)據(jù)控制作物生長，這是航空或航天遙感做不到的。目前的傳感器已經(jīng)或正在向?qū)ν寥阑蜃魑锷L環(huán)境條件的測量發(fā)展，包括土壤有機組成、土壤濕度、電導率、土壤養(yǎng)分等級、作物和雜草反射率。不間斷的實時的電氣化學的土壤化學成分傳感器現(xiàn)已可用于測量硝酸鹽含量和玉米側(cè)施肥料。實時聲學土壤質(zhì)地傳感器及實時土壤壓實測試儀正在開發(fā)中。一些重要的實時指示值可能是由它們與其它變量的關系而不是測定值直接決定的，例如土壤電導率與同時測得的鹽分，土壤濕度、有機組成、陽離子交換容量、土壤類型與土壤質(zhì)地測定值相關。最近，這方面的工作擴展到非鹽漬土法與能分離直接接觸電導率電化學測試成分法相結(jié)合。電導率成分分析方法被國外一些農(nóng)機公司用來

30、進行基于地理位置的數(shù)據(jù)采集及分析，及農(nóng)作物的變量控制。用電磁法測表層土壤電導率是粘粒含量、粘土層深度、土壤水分、水壓指數(shù)、生產(chǎn)率的一個指標，是產(chǎn)量監(jiān)測的一個可靠的替代方法。對磷和鉀的測量，在農(nóng)業(yè)行業(yè)中目前還沒有推薦使用的測量傳感器。有時，在變量控制技術(shù)首次應用的玉米種植區(qū)，磷和鉀的含量非常高，田地的可用性已遠遠超過了生產(chǎn)者種植當年或近幾年作物對田地的要求。在其它一些區(qū)域，如美國西部各州，土壤穩(wěn)定成分含量較低是非常普遍的。對于這些類型的養(yǎng)分，非連續(xù)性養(yǎng)分測試成圖法有望做到在各個分散田地上收集與分析土壤樣品。國外正在開發(fā)能自動提取與分析土壤樣品的磷、鉀及其它養(yǎng)分的三個系統(tǒng)。如果可采用更多的數(shù)據(jù)采集

31、與分析手段，信息的及時性與數(shù)量上都會有很大地加強。傳感器將是精確施肥、精確除蟲及其它投入精確化所需的各項支持技術(shù)中的一個重要角色。在傳感器領域中的基礎研究是進一步理解各種區(qū)域性的生產(chǎn)系統(tǒng)中特定位置作物生長過程中發(fā)生的變化的基礎。目前田間信息快速采集技術(shù)的研究仍大大落后于支持精細農(nóng)業(yè)的其它技術(shù)發(fā)展，已成為國際上眾多單位攻關研究的重要課題。 遙感技術(shù)(Remote Sensing)從遙遠的地方，如飛機或衛(wèi)星上獲得信息，是精細農(nóng)業(yè)一個潛在的重要的信息來源。遙感技術(shù)利用高分辨率傳感器，在不同的作物生長期，實施全面監(jiān)測，根據(jù)光譜信息，進行空間定性、定位分析，為定位處方農(nóng)作提供大量的田間時空變化信息。遙感

32、技術(shù)被認為是作物管理信息的頗有價值的來源。過去的研究表明：紅外航空圖像可用于檢測小麥及其它小粒谷類作物因病害而產(chǎn)生的長勢減弱。20世紀70年代，盡管有很多針對將衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于大面積作物的研究與開發(fā)評估報告，但對用于作物管理的應用卻研究較少。衛(wèi)星數(shù)據(jù)沒有足夠的空間分辨率、時間頻率、合適的傳送時間以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。另外，相關支持技術(shù)與基礎設施還不完善。1984年，研究人員描述了遙感在作物管理應用上的潛力，并強調(diào)關鍵在于提供足夠頻率覆蓋、快速的數(shù)據(jù)傳送、520m的空間分辨率以及將農(nóng)藝的數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)并入專家系統(tǒng)。1997年，在用遙感獲得關于確定并分析田塊內(nèi)定點土壤時空變化的信息的潛力的回顧中，上述

33、觀點得到確認。目前，有助于作物定點管理的技術(shù)遙感、全球定位系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)與產(chǎn)量圖、地理信息系統(tǒng)、變量處理技術(shù)、計算機、電子通訊技術(shù)正被結(jié)合在一起。精細農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展重新激起了人們將遙感，尤其是航天遙感，用于作物定點管理的興趣。有人建議：盡管開發(fā)衛(wèi)星的成本很高，衛(wèi)星系統(tǒng)比航空圖像系統(tǒng)要合算，因為每個覆蓋單元衛(wèi)星圖像的成本只有航空圖像的一半。遙感產(chǎn)品能在定點作物管理中扮演重要的角色，而且，在遙感信息的獲取、分析與分發(fā)上也有很大的市場潛力。也許，沒有其它任何一種遙感的應用需要如此頻繁地在如此大范圍的地域上獲取數(shù)據(jù)。目前應用熱紅外遙感、多譜段遙感、微波遙感對土壤水分的監(jiān)測，以及應用近紅外多頻帶輻射

34、儀測定作物氮素狀況和應用高分辨力光譜儀識別作物和雜草的技術(shù)已經(jīng)進入示范推廣階段。用戶也可以向衛(wèi)星圖像服務部門購買特定地區(qū)某一時間的遙感圖像數(shù)據(jù)，在自己的用戶RS平臺上進行應用開發(fā)。 作物生產(chǎn)模型（Crop Production Modeling）為評估精細農(nóng)業(yè)方法的效果，并提供準確評價的依據(jù)需要大范圍的精確反應空間差異的作物響應模型。已經(jīng)有很多預測作物如何響應氣候、養(yǎng)分、水、光和其它條件的模型，而這些模型中的大多數(shù)只包括了精細農(nóng)業(yè)應用中的一個空間變量。GIS能提供在大區(qū)域用反映連續(xù)變化條件的數(shù)據(jù)連續(xù)運行模型的方法。時間序列和其它一些時間分析法能幫助確定最后的產(chǎn)量。現(xiàn)在模型的功能可能擴大到能描述

35、空間效應，如沿著田塊的邊緣效應。然而，生態(tài)學和生物氣象學的文獻資料表明一些精確反應空間差異的模型已發(fā)展到能預測每小時、每天、每年的土壤水分蒸發(fā)蒸騰損失總量和光合作用情況，一些按空間分布的水文學模型能預測表面和表面下的流量。中等規(guī)模的氣象模型能解決小到510km單元上的天氣預測。害蟲并不是平均分布在整個環(huán)境當中。對影響它們空間分布的因素有一定的理解后，可建立它們的空間分布及潛在的損失模型。能用GIS來表現(xiàn)這些因素的空間變化。與作物響應模型一樣，可以在整個田地上運行特定的蟲害模型，用GIS向模型輸入數(shù)據(jù)再顯示結(jié)果（松散聯(lián)合模型），或用GIS軟件創(chuàng)建精確反應空間差異的模型（緊密聯(lián)合模型）。GIS能為

36、反映多因素效果建立基礎，如可將區(qū)域害蟲壓力模型的結(jié)果并入一個系統(tǒng)產(chǎn)生基于局部變化情況的田間措施。作物生長模型能被用作按種植密度變化確定不同產(chǎn)量的輔助決策手段，這能幫助種植者按種植密度和各種土壤類型因素來決定何時在田間各個區(qū)域種植或補種作物。種植者所面臨的最困難的決定也許是不得不決定在一塊情況還不確定的田里補種作物。在一些作物種植區(qū)，地形因素能引起產(chǎn)量的巨大變化。地形元素，包括土壤質(zhì)地、土壤有機組成及溫度，對有關作物生長的屬性都有影響。地形對排水與集水有影響，進而影響了作物生長處的土壤的濕度。抽樣土壤勘測沒有足夠的分辨率來識別這種變化，從而沒有足夠詳細的信息來做出精確的決策。即使是按有規(guī)律的柵格

37、采樣，也可能會漏掉一些相關的土壤地形特征?；诘匦翁卣鞯牟蓸用芏缺群唵蔚臇鸥窀行矣懈蟮男畔⒑?。GIS使用戶能用攝影測繪方法（對航空像片進行相應的立體分析）創(chuàng)建與管理數(shù)字海拔圖或數(shù)字地形模型，并且用雷達測量或用田間裝置進行連續(xù)的三維坐標測量。精確的決策取決于對土壤屬性與從數(shù)字海拔圖或數(shù)字地形模型得到的表面形狀，如坡度、坡長、朝向、曲度、地勢、集水區(qū)及排水區(qū)之間聯(lián)系的理解。作物模型并不是解決問題的萬能藥。它們的功能只局限與對生物系統(tǒng)中各個部分的模擬。大多數(shù)已開發(fā)的作物或蟲害模型不是為管理空間與時間的差異而設計的。然而，目前作物模型仍是一個用來獲取對作物生產(chǎn)系統(tǒng)理性認識的重要工具。 決策支持

38、系統(tǒng)(Decision Support Systems)農(nóng)業(yè)上決策支持系統(tǒng)（DSS）用來提供戰(zhàn)術(shù)的、戰(zhàn)略的及方針目標的決策支持。DSS是在管理信息系統(tǒng)和運籌學的基礎上發(fā)展起來的計算機科學分支，實現(xiàn)了由計算機自動組織和協(xié)調(diào)多模型的運行、以及對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取與處理，從而達到更高層次的輔助決策能力。決策支持系統(tǒng)包括模型庫、數(shù)據(jù)庫、知識庫、方法庫及其管理系統(tǒng)等，同時融合了良好的人機接口，使得模型運算、數(shù)據(jù)處理、專家知識以及在決策者的參與下建立起模型庫、數(shù)據(jù)庫與領域?qū)＜业挠袡C聯(lián)系。圖1-3表示了一個簡單的DSS概念圖。由咨詢者提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)或是通過天氣預報獲得，或是通過一個傳感器的檢測獲得，然后，數(shù)

39、據(jù)被分析并與適當?shù)臎Q策規(guī)則相聯(lián)系，最后得到一些事件來幫助生產(chǎn)者做出決策。近幾年來，人工智能技術(shù)的最新成果，被引入決策支持系統(tǒng)，使系統(tǒng)的決策水平和決策自動化程度得到了提高。精細農(nóng)業(yè)實踐中，DSS根據(jù)作物生長、作物栽培、經(jīng)濟分析、空間分析、時間序列分析、統(tǒng)計分析、趨勢分析以及預測分析等模型，綜合土壤、氣候、資源、農(nóng)用物資及作物生長有關的數(shù)據(jù)進行決策，結(jié)合農(nóng)業(yè)專家知識，對不同的決策目標分別給出最優(yōu)方案，用以指導田間操作。圖1-3 決策支持系統(tǒng)概念圖沿著決策支持系統(tǒng)的各步驟，信息看成從環(huán)境開始通過儀器或傳感器成為數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的流。數(shù)據(jù)形式的信息分析與處理后，或是存貯起來，或是作為決策過程的一部分傳給

40、用戶。信息處理后產(chǎn)生一個決策，相應地產(chǎn)生一個行動，在相應的環(huán)境內(nèi)執(zhí)行。當這個行動執(zhí)行后，環(huán)境再次被監(jiān)測，由此開始了新一輪的信息流。這樣，信息永不停息地在一個從檢測到行動的環(huán)中流向環(huán)境，又從環(huán)境流出到環(huán)中。一個決策支持系統(tǒng)中還包括了專家知識、管理模型、及時的數(shù)據(jù)來幫助生產(chǎn)者日常操作的和長期策略的決策。 發(fā)展DSS不是用來做單一的對策而是向決策者提供多種選擇。決策支持系統(tǒng)應被看成是有價值的戰(zhàn)略信息的來源。進入90年代，GIS（地理信息系統(tǒng)）、RS（遙感）等也被引入農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)及精細農(nóng)業(yè)的研究。國際上提出了基于模型和GIS或RS的農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)。最近，美國佛羅里達大學研制了將作物模型與GIS相

41、耦合的農(nóng)業(yè)和環(huán)境地理信息系統(tǒng)的決策支持系統(tǒng)AE-GIS。我國學者結(jié)合本國國情和區(qū)域自然條件開發(fā)的農(nóng)田施肥、不同作物栽培管理、病蟲害預測預報、農(nóng)田灌溉等農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)等，圍繞實現(xiàn)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)本、高效的應用目標，已在生產(chǎn)應用中發(fā)揮了重要作用。然而，迄今進行的有關作物模擬模型、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)的開發(fā)研究，主要還是基于農(nóng)田或農(nóng)場尺度上的作物生產(chǎn)管理決策支持技術(shù)，與精細農(nóng)業(yè)思想的實踐要求尚有較大的距離。實施精細農(nóng)業(yè)的作物生產(chǎn)管理輔助決策技術(shù)致力于根據(jù)農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和諸相關因素在農(nóng)田內(nèi)的空間差異性，實施分布式的處方農(nóng)作。因而基于GPS、GIS作物生產(chǎn)管理智能化輔助決策支持系統(tǒng)，這已經(jīng)成為精

42、細農(nóng)業(yè)支持技術(shù)領域的重要研究方向。 智能化變量農(nóng)作機械（Intelligent Farm Machinery）智能化變量農(nóng)業(yè)機械是實踐精細農(nóng)業(yè)的標志。迄今國外商品化的支持精細農(nóng)業(yè)實踐的若干種變量農(nóng)業(yè)機械己在生產(chǎn)和使用，其中較成功和效益較好的有施肥、噴藥、播種和灌溉等農(nóng)業(yè)機械。變量施肥機可以根據(jù)事先繪制的施肥處方圖，對地塊中的肥料撒施量進行定位定量控制調(diào)整。例如美國AgChem儀器裝備公司生產(chǎn)的“SOILECTION”施肥系統(tǒng)可進行干式或液態(tài)肥料的撒施。它根據(jù)施肥處方圖，同時分別對磷肥、鉀肥和石灰的施用量進行調(diào)整。變量處方灌溉設備利用調(diào)整噴灌機械的行駛速度、噴口大小和噴水壓力等進行噴水量的控制。

43、國外的自動灌溉系統(tǒng)裝有GPS和遙控裝置，利用通信網(wǎng)絡和辦公室內(nèi)的計算機相連，根據(jù)計算機內(nèi)事先生成的變量處方圖，實施定位變量灌溉。例如美國愛達荷州阿伯丁的一個圓形變量噴灌系統(tǒng)，采用主從微處理器分布式控制，使得臂長達392米的噴灌機隨時調(diào)節(jié)噴灑流量，以適應農(nóng)田小區(qū)因土壤質(zhì)地、耕作層厚度、地形以及產(chǎn)量潛力不同對水分的不同要求。 智能化農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)由于微電子和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械已廣泛采用自動監(jiān)測和自動控制技術(shù)，裝備有各種傳感器和由微處理器組成的監(jiān)控器和顯示板。由于自動控制的需要，采用了機械、電子和液壓控制的先進技術(shù)，操作更為簡便。駕駛員可根據(jù)數(shù)據(jù)的顯示，適當調(diào)整作業(yè)的負荷和作業(yè)速度

44、，使機組能在較佳的工況下運行。此外，由于采用多種先進傳感技術(shù)和微處理器用以采集和處理各種數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件的運算和處理，完成諸如作業(yè)面積、耗油率、產(chǎn)量計算、統(tǒng)計和友好的人機界面顯示等智能化功能。7.1 具有測產(chǎn)功能的谷物聯(lián)合收獲機圖7-1為帶有產(chǎn)量傳感器的聯(lián)合收割機。圖7-1 使用帶有產(chǎn)量傳感器的聯(lián)合收割機生成產(chǎn)量分布圖現(xiàn)代谷物聯(lián)合收獲機由于采用自動監(jiān)測和自動控制技術(shù)，已具有以下幾個功能：割茬高度自動控制、脫粒喂入量自動控制、收割臺自動仿形、谷粒損失率監(jiān)測和顯示等功能；自動監(jiān)測并顯示作業(yè)速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速等運行參數(shù)；故障診斷及報警；計算和統(tǒng)計作業(yè)面積、耗油率及產(chǎn)量等智能化功能。由于精細農(nóng)作定位的要

45、求，谷物聯(lián)合收獲機產(chǎn)品已裝有衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機和能采集、計算以及統(tǒng)計產(chǎn)量的各種傳感器，利用監(jiān)測和處理的數(shù)據(jù)，可在專用計算機上利用軟件生成小區(qū)產(chǎn)量分布圖，并通過彩色顯示器向駕駛員顯示或由打印機打印出彩色產(chǎn)量分布圖，為實施精細變量處方農(nóng)作打下基礎。傳統(tǒng)田間測產(chǎn)方法：單產(chǎn)量=總產(chǎn)重量/地塊畝數(shù)。精細農(nóng)業(yè)田間測產(chǎn)方法：單產(chǎn)量=（谷物質(zhì)量流量-水分含量+損失量）/（收割機行駛速度×割幅寬度）。結(jié)構(gòu)原理 圖7-2 相應傳感器在谷物聯(lián)合收割機上的布置1   DGPS接收裝置; 2.GPS接收裝置; 3.谷物濕度測量; 4.谷物密度測量; 5.谷物體積流量測量; 6.谷

46、物損失測量; 7.轉(zhuǎn)向角度測量; 8.距離/速度測量; 9.割幅測量為測得上述數(shù)據(jù)，相應傳感器在聯(lián)合收割機上的布置如圖7-2所示。（a）沖擊式 (b)射線式 (c)光電容積式圖7-3測量凈谷粒的流量傳感器谷物聯(lián)合收獲機產(chǎn)量傳感器和部件裝有產(chǎn)量傳感器等部件的谷物聯(lián)合收獲機，主要有DGPS接收、谷粒流量、谷粒濕度、作業(yè)行駛速度、收割臺提升位置等的傳感器、電子監(jiān)控顯示器等。（l）谷粒流量傳感器用于測量凈谷粒的流量傳感器，多數(shù)安裝在凈糧升運器頂部通道，有沖擊式、射線式和光電容積式等3種常用類型（圖7-3），其中射線式測量精度較高，誤差可不大于1。它利用镅241同位素作為輻射源，射線向接受檢測器發(fā)出波束

47、，穿越谷粒層，使落在射線檢測器上的輻射強度被衰減，從而監(jiān)測谷粒在糧道內(nèi)通過的數(shù)量，加上谷粒通過傳感器時的速度，便可轉(zhuǎn)換成為谷物的流量。（2）谷粒濕度傳感器由于單位體積谷粒質(zhì)量隨其含水率變化，水分過高不利于儲存，必須進行烘干處理。公認的谷粒標準含水率為15.5，因而收獲時必須進行谷粒含水率測量，以便折算其在標準含水率下的谷粒質(zhì)量。所以，在產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)包括一個谷粒濕度傳感器。濕度傳感器采用電容極板式，它安裝在凈糧升運系統(tǒng)靠近谷粒流量傳感器附近，利用高頻電流測量電容器兩平板間谷粒的介電常數(shù)，便可檢測谷粒的含水率。當然，在使用前，需用常規(guī)的谷粒濕度儀進行標定。（3）行駛速度傳感器計算谷物產(chǎn)量，必須監(jiān)

48、測聯(lián)合收獲機行駛速度。傳統(tǒng)的行駛速度靠測量驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)速和驅(qū)動輪直徑計算，但由于驅(qū)動輪與地面之間產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)以及驅(qū)動輪直徑隨負荷質(zhì)量大小而變化等因素，所得速度與真實行駛速度有一定的誤差。當前多采用雷達和超聲測速傳感器。雷達利用微波，超聲則利用高頻聲波，當波束射到地面反射后被接收的波束頻率發(fā)生變化，由此便可測算出行駛速度。為避免由于地面有作物殘渣等影響測量精度，聯(lián)合收獲機常將傳感器安裝在收獲機機架靠近地面且在收獲機前輪壓過的平道上的位置上。行駛速度也可由GPS定位系統(tǒng)信號計算，但其精度受GPS定位精度的影響。（4）收割臺提升位置傳感器收獲機在地頭轉(zhuǎn)彎時或經(jīng)過沒有作物的田間作業(yè)通道時，收割臺將停止工作而

49、升高，由提升位置傳感器發(fā)出信號可以自動暫停作業(yè)面積的統(tǒng)計計算。（5）電子監(jiān)控顯示器它安裝在駕駛室內(nèi)，使駕駛員容易監(jiān)控機器作業(yè)的狀態(tài)，它與計算產(chǎn)量的所有傳感器都有電路連接。顯示板附近還附有輸人鍵盤，需要時，駕駛員可以手動輸人或選定某些數(shù)據(jù)（如設定割幅寬度等）和需要的某些標記（如“地塊 A ”、“北40”、“作業(yè)1”等）。顯示板上也可顯示谷粒含水率、瞬時產(chǎn)量、某塊地的平均產(chǎn)量、收割作業(yè)面積、行駛速度以及DGPS接收信號的質(zhì)量等數(shù)據(jù)，供駕駛員參考。監(jiān)控器還具有計算處理或儲存各種數(shù)據(jù)的功能。（6）GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)為測量統(tǒng)計某一地塊各小區(qū)的產(chǎn)量，必須在收獲作業(yè)的同時，利用GPS定位系統(tǒng)同步監(jiān)測田間

50、各小區(qū)的位置。通用 GPS接收機可以每秒輸出1個3維定位信號，并按行駛距離為單位劃分田間小區(qū)及計算其產(chǎn)量，小區(qū)的田間位置必須同步由接收機輸人產(chǎn)量監(jiān)控器。GPS可以通過差分信號進行校正以提高定位精度。產(chǎn)量圖的形成有了小區(qū)位置、谷粒流量、收割寬度和行駛速度等數(shù)據(jù)以及單位換算和標定等系數(shù)，產(chǎn)量監(jiān)控器可使用軟件計算統(tǒng)計瞬時產(chǎn)量，小區(qū)平均產(chǎn)量，每公頃平均產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以寫入PIMCIA（國際協(xié)會個人計算機存儲卡）數(shù)據(jù)卡。產(chǎn)量數(shù)據(jù)的采集、存儲和生成產(chǎn)量分布圖的過程如圖7-4所示。操作員可將IC智能卡由產(chǎn)量監(jiān)控器取出，插入到掌上或PC計算機的IC讀卡機槽內(nèi)，計算機讀人數(shù)據(jù)后，可以通過專用的軟件匯總生

51、成各種產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫，并可由彩色打印機打印出某一地塊各小區(qū)根據(jù)產(chǎn)量的高低，用不同顏色加以區(qū)分的彩色產(chǎn)量分布圖，也可以根據(jù)需要由統(tǒng)計和整理后的數(shù)據(jù)畫出某一地塊各小區(qū)不同產(chǎn)量的統(tǒng)計直方圖。圖7-4 生成產(chǎn)量圖時的數(shù)據(jù)傳送美國CASE2366谷物聯(lián)合收割機AFS系統(tǒng)簡介(1)AFS系統(tǒng)工作原理凱斯2366軸流谷物收割機由DGPS、產(chǎn)量監(jiān)測器、前進速度傳感器、凈糧升運器軸速傳感器、割臺高度電位器、谷物流量傳感器、谷物含水量傳感器和數(shù)據(jù)卡及圖形軟件等組成。谷物流量傳感器位于凈糧推運攪龍頂部。谷物進入升運器頂部時，在導流板引導下打擊傳感器的沖擊板，從產(chǎn)量監(jiān)測器發(fā)出電信號。此信號的輸出和谷物流量成正比

52、關系。由凈糧升運器軸速傳感器的輸出信號對流量傳感器的輸出信號進行校正和工作狀態(tài)限定。信號處理單元對前進速度傳感器、升運器軸速傳感器、谷物含水量傳感器、割臺高度電位器及谷物流量傳感器的輸出進行整合處理，測定機器行走距離、工作面積、瞬時谷物含水量和瞬時作物流量。差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）為這些信號提供重要的位置信息。所有這些信號傳遞到產(chǎn)量監(jiān)測器，由系統(tǒng)軟件通過現(xiàn)場標定的方法有效地減少實測誤差，然后將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)卡上，得到對應每一空間位置所收獲的小區(qū)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)卡帶回辦公室后，即可在通用微機上利用專用數(shù)據(jù)軟件生成小區(qū)產(chǎn)量空間分布圖，用于產(chǎn)量分析并作為實施變量農(nóng)作的基礎。(2)AFS系統(tǒng)收獲前

53、及收獲中的設定對收割機的設定和AFS系統(tǒng)的設定，主要包括：設定日期和時間；選擇正確的聯(lián)合收割機類型；設定地塊，即給每個地塊一個特定的名稱；選擇要收獲的谷物的種類；設定割臺類型和寬度；設定數(shù)據(jù)單位，英制或公制；設置GPS采樣時間間隔；根據(jù)作物類型設定割臺停止高度，因為收獲時，當割臺高度超過停止高度時，不計算產(chǎn)量和面積等。每天開始收割前，需要認真檢查上述的各種設定，任何一項設置出現(xiàn)錯誤都可能導致全天的收獲數(shù)據(jù)無效。例如，割臺寬度的設定，正常收割時為6米，如果前一天在最后的收割過程中，將割臺寬度調(diào)整為2米。而在第二天收割時沒有及時調(diào)整，這樣就導致了今天所有面積數(shù)據(jù)的錯誤。因為收割機是按照割臺寬度乘以

54、行走距離來計算面積的。同時，要注意在收割某一地塊前，一定要設置割臺停止高度，因為割臺高度傳感器將相對于收割機的高度信號傳遞給產(chǎn)量監(jiān)測器，以確定是否計算行走距離和面積。當收割某種作物時，要把割臺放在規(guī)定割茬的位置上，從駕駛室儀表上看到割臺高度所在位置，以此高度作為割臺停止高度的設定，一旦割臺高度超過此值時，將不計算產(chǎn)量。(3)AFS收獲中的標定對AFS系統(tǒng)的標定包括對距離、面積、溫度、濕度和產(chǎn)量的標定。(a)距離標定 在收獲前，找一塊條件類似于將要收獲的土地進行距離標定。方法是首先用皮尺量出一定的距離，用標桿作好標記。用收割機測量，終端上顯示出測量距離，若測量距離與實際距離不相等，則在輸入實際距

55、離后系統(tǒng)計算出一個校正系數(shù)。(b)面積標定因為在收割機進入地塊放下割臺或離開地塊升起割臺的過程中有少許誤差被計入，為了消除這些誤差，就要進行面積標定。面積標定的方法與距離標定類似，首先用皮尺或DGPS測定要收割區(qū)域的面積，等收割完成后，終端上會顯示出測量面積，如果與實際面積不相等，在輸入實際距離后按“校準”按鈕，系統(tǒng)計算一個面積校正系數(shù)。(c) 溫度和含水量標定在聯(lián)合收割機的谷物含水量傳感器中安裝了溫度傳感器，是用來校正由于收獲作物時外界溫度變化對作物水分測量精度的影響。當收滿一個糧倉時，比較溫度傳感器得到的作物溫度與實際測量所得到的溫度，并將傳感器測量的溫度調(diào)整到實際溫度。為了提高谷作物的含

56、水量測量精度，需用用一臺精度較高的谷物水分測試儀作為參考，對傳感器進行標定。凱斯產(chǎn)量監(jiān)測器的校正實際上是在改變偏差百分數(shù)，產(chǎn)量監(jiān)測器已經(jīng)建立了各種作物的標準偏差值，如小麥和水稻為+2.0，大豆為+4.7，玉米為0.0，實際操作時將偏差百分數(shù)調(diào)整到標準值的3%以內(nèi)。在麥收實驗的含水量標定中，標定前測量值與實際值間的平均相對誤差為6.7%，而標定后在誤差驗證試驗中二者的相對誤差僅為0.235%，減小了6.465%。(d)重量標定將收獲的作物用標準計量秤稱量，然后將產(chǎn)量監(jiān)測器顯示的谷物質(zhì)量值調(diào)整到實際的質(zhì)量值，使產(chǎn)量監(jiān)測器達到最大精度。每次重量標定中的稱重次數(shù)應當進行3次以上, 每次的重量應在140

57、0公斤以上。在標定重量時，對應每次稱重，要求聯(lián)合收割機的速度要有所變化，各次重量應相近，這樣標定結(jié)果才比較準確。 (4) 數(shù)據(jù)分析及處理CASE IH公司的Instant Yield Map數(shù)據(jù)處理軟件，可根據(jù)原始數(shù)據(jù)得到Raw Data Point, Grid Map, Smooth Grid Map和 Contour Plot三種產(chǎn)量分布圖，每種圖還可將產(chǎn)量分成不同的等級，這樣可以快速看出田間的情況并標出低產(chǎn)區(qū)域。例如麥收實驗中，地塊17的產(chǎn)量分布圖如圖7-5所示。  7.2支持精細農(nóng)作的變量處方農(nóng)業(yè)機械由于精細農(nóng)作應用技術(shù)的發(fā)展，目前國外已有多種商品化的變量處方投入的各類農(nóng)業(yè)機

58、械在生產(chǎn)和使用，其中較成功和效益較好的有施肥、噴藥和播種等農(nóng)業(yè)機械。下面簡單介紹用于變量處方農(nóng)作的農(nóng)業(yè)機械技術(shù)發(fā)展情況。精細變量施肥機圖7-6 裝備有 GPS 的施肥機過量施用肥料和殺蟲劑不僅浪費，還將使農(nóng)田受到污染，因而在精細農(nóng)作中要通過電子地圖提供的處方信息，對地塊中的肥料撒施量進行定位控制調(diào)整。國外已研制有監(jiān)測土壤肥力的實時傳感器，它應用作業(yè)中切入的兩個圓盤犁刀之間加人電位差，使在兩個圓盤犁刀之間的土壤形成電磁場，由于電磁場的性質(zhì)受土壤特性的影響，因而產(chǎn)生可以控制并調(diào)整肥料投人數(shù)量的信號，最終通過排肥管道的調(diào)節(jié)電磁閥門實現(xiàn)肥料的變量投入。土壤特性由土壤類型、有機物含量、土壤陽離子交換能力、土壤濕度和硝酸鹽的氮肥水平所組成。氮肥實時投入量的控制信號由傳感器輸出，加上農(nóng)藝學的要求和產(chǎn)量目標綜合決定。美國AgChem儀器裝配公司生產(chǎn)的“SOILECTION