精細農(nóng)業(yè)與智能化農(nóng)業(yè)機械裝備

1、精精 細細 農(nóng)農(nóng) 業(yè)業(yè) 與與智能化農(nóng)業(yè)機械裝備智能化農(nóng)業(yè)機械裝備安徽農(nóng)業(yè)大學工學院安徽農(nóng)業(yè)大學工學院 王繼先王繼先二零一零年四月十九日二零一零年四月十九日1 1. 1. 精細農(nóng)業(yè)的基本概念精細農(nóng)業(yè)的基本概念 2. 2. 精細農(nóng)業(yè)前精細農(nóng)業(yè)前3 3S S簡介簡介 3. 3. 智能化農(nóng)業(yè)機械裝備智能化農(nóng)業(yè)機械裝備 4. 4. 結(jié)束語結(jié)束語2 1.1 1.1 精細農(nóng)業(yè)概念的引入背景與演變精細農(nóng)業(yè)概念的引入背景與演變; ; 1995年，前國家農(nóng)業(yè)部部長劉年，前國家農(nóng)業(yè)部部長劉 江同志率中國農(nóng)業(yè)代江同志率中國農(nóng)業(yè)代表團訪問美國時，與前美國農(nóng)業(yè)部部長會談曾提問：表團訪問美國時，與前美國農(nóng)業(yè)部部長會談曾提問

2、：未來未來2121世紀引起全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域重大裝備技術(shù)變革世紀引起全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域重大裝備技術(shù)變革將是什么？當時明確回答是將是什么？當時明確回答是：“ “ Precision Agriculture ” ” , , 在美國還有一種說法叫在美國還有一種說法叫 “ Precision Farming ”。 代表團代表團回來后，我國回來后，我國的新聞媒介便開始了的新聞媒介便開始了“精確農(nóng)業(yè)精確農(nóng)業(yè)”、“精準農(nóng)業(yè)精準農(nóng)業(yè)”的的宣傳。宣傳。 我國從事我國從事：“ Precision Agriculture ” 研究研究與與攻關(guān)的學科帶頭人是中國工程院院士、原國務院學位攻關(guān)的學科帶頭人是中國工程院院士、原

3、國務院學位委員會農(nóng)業(yè)工程學科評議組組長、中國農(nóng)業(yè)機委員會農(nóng)業(yè)工程學科評議組組長、中國農(nóng)業(yè)機3 械學會和中國農(nóng)業(yè)工程學會名譽理事長、世界械學會和中國農(nóng)業(yè)工程學會名譽理事長、世界糧農(nóng)組織農(nóng)業(yè)工程專家組專家、中國農(nóng)業(yè)大學糧農(nóng)組織農(nóng)業(yè)工程專家組專家、中國農(nóng)業(yè)大學教授汪懋華先生。多年來，他致力于該領(lǐng)域的教授汪懋華先生。多年來，他致力于該領(lǐng)域的宣傳、研究、攻關(guān)，每年多次出國專項考察，宣傳、研究、攻關(guān)，每年多次出國專項考察，指導培養(yǎng)碩士和博士研究生，倡導組建中國精指導培養(yǎng)碩士和博士研究生，倡導組建中國精細農(nóng)業(yè)工程示范研究基地。細農(nóng)業(yè)工程示范研究基地。 汪懋華先生認為：結(jié)合我國勞動人民千百年來汪懋華先生認為：

4、結(jié)合我國勞動人民千百年來精耕細作的優(yōu)良傳統(tǒng)，把精耕細作的優(yōu)良傳統(tǒng)，把：“ Precision Agriculture ” 翻譯翻譯成精細農(nóng)業(yè)更為合宜。所以本成精細農(nóng)業(yè)更為合宜。所以本次講座名稱為精細農(nóng)業(yè)與智能化農(nóng)業(yè)機械裝備。次講座名稱為精細農(nóng)業(yè)與智能化農(nóng)業(yè)機械裝備。4 1.2 1.2 精細農(nóng)業(yè)的重大意義精細農(nóng)業(yè)的重大意義; ; 20002000年前后在我國有無搞精細農(nóng)業(yè)的必年前后在我國有無搞精細農(nóng)業(yè)的必要，學術(shù)界還有一定的爭議。贊同者認要，學術(shù)界還有一定的爭議。贊同者認為：精細農(nóng)業(yè)集最先進的現(xiàn)代科學技術(shù)為：精細農(nóng)業(yè)集最先進的現(xiàn)代科學技術(shù)于一體，它的研究與推廣應用不僅會引于一體，它的研究與推廣應

5、用不僅會引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中重大革命，同時也會起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中重大革命，同時也會促進農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的重大變革，必將促促進農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的重大變革，必將促進我國的電子產(chǎn)業(yè)、計算機產(chǎn)業(yè)、信息進我國的電子產(chǎn)業(yè)、計算機產(chǎn)業(yè)、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和機械裝備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和技術(shù)產(chǎn)業(yè)和機械裝備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展。智能化農(nóng)業(yè)機械裝發(fā)展。智能化農(nóng)業(yè)機械裝 備是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的載體，它是知識經(jīng)備是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的載體，它是知識經(jīng)濟的產(chǎn)物，也是知識經(jīng)濟的具體體現(xiàn)。濟的產(chǎn)物，也是知識經(jīng)濟的具體體現(xiàn)。目前從國外引進一臺智能化農(nóng)業(yè)機械裝目前從國外引進一臺智能化農(nóng)業(yè)機械裝備，少則幾萬元、幾十萬元，多則一百備，少則幾萬元、幾十萬元，多則一百

6、多萬元。多萬元。 持不同觀點的人們認為：中國是一個發(fā)持不同觀點的人們認為：中國是一個發(fā)展中的國家，耕地少，人口多，資金缺展中的國家，耕地少，人口多，資金缺乏，目前用乏，目前用7%7%的土地養(yǎng)活的土地養(yǎng)活22%22%的人口已是的人口已是了不起的成就。精細農(nóng)業(yè)投入太大，暫了不起的成就。精細農(nóng)業(yè)投入太大，暫時還不符合中國國情。時還不符合中國國情。 我的觀點屬前者。當然搞精細農(nóng)業(yè)也不是我的觀點屬前者。當然搞精細農(nóng)業(yè)也不是搞群眾運動，全面展開。但是我們要投入搞群眾運動，全面展開。但是我們要投入一定的精力予以關(guān)注、投入一定的財力予一定的精力予以關(guān)注、投入一定的財力予以支持研究，開發(fā)具有我國知識產(chǎn)權(quán)并適以支

7、持研究，開發(fā)具有我國知識產(chǎn)權(quán)并適合我國國情的精細農(nóng)業(yè)智能化機械裝備。合我國國情的精細農(nóng)業(yè)智能化機械裝備。因為它必然代表了先進生產(chǎn)力的方向，具因為它必然代表了先進生產(chǎn)力的方向，具有重大的戰(zhàn)略意義。有重大的戰(zhàn)略意義。 我認為：持懷疑態(tài)度人的觀點也有其現(xiàn)實我認為：持懷疑態(tài)度人的觀點也有其現(xiàn)實的道理，但是眼前看得太多，應該看事物的道理，但是眼前看得太多，應該看事物的發(fā)展規(guī)律與發(fā)展前景的發(fā)展規(guī)律與發(fā)展前景 縱觀世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展史可見：縱觀世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展史可見：2020世紀世紀5050年年代前，第一、第二世界國家要從第三世界代前，第一、第二世界國家要從第三世界國家進口糧食和農(nóng)產(chǎn)品來維持他們國家人國家進口糧食

8、和農(nóng)產(chǎn)品來維持他們國家人民的生活；但是民的生活；但是2020世紀世紀5050年代以后，情況年代以后，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，第一、第二世界國家要向第發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，第一、第二世界國家要向第三世界國家出口大量的糧食和農(nóng)產(chǎn)品，當三世界國家出口大量的糧食和農(nóng)產(chǎn)品，當然這些國家人民的生活需要進口。然這些國家人民的生活需要進口。 然而，處于第一、第二世界的發(fā)達國家的然而，處于第一、第二世界的發(fā)達國家的耕地面積并無明顯增加，僅有耕地面積并無明顯增加，僅有35%35%的勞動的勞動力從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。也就是說在農(nóng)業(yè)資源沒有力從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。也就是說在農(nóng)業(yè)資源沒有增加、反而減少的情況下，為什么會出現(xiàn)增加、反而減少的情況下，為什么

9、會出現(xiàn)這樣的逆轉(zhuǎn)呢？他們主要是依靠科學技術(shù)，這樣的逆轉(zhuǎn)呢？他們主要是依靠科學技術(shù)，包括逐漸發(fā)展起來的精細農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，包括逐漸發(fā)展起來的精細農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，大大大大提高了勞動生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)資源的利用提高了勞動生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)資源的利用率、降低了生產(chǎn)成本、減少了化肥、農(nóng)藥、率、降低了生產(chǎn)成本、減少了化肥、農(nóng)藥、石油的投入，減輕了對環(huán)境的污染，達到石油的投入，減輕了對環(huán)境的污染，達到了經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的同步了經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的同步增長與可持續(xù)發(fā)展增長與可持續(xù)發(fā)展。 目前，我國化肥、農(nóng)藥有效利用率在目前，我國化肥、農(nóng)藥有效利用率在30%30%左右，天然降水的利用率不足左右，天然降水的

10、利用率不足35%35%，僅為，僅為發(fā)達國家水平的一半；而每公頃擁有的發(fā)達國家水平的一半；而每公頃擁有的農(nóng)業(yè)動力約為農(nóng)業(yè)動力約為1 1KWKW，相當于美國水平的相當于美國水平的2 2倍。我國的低產(chǎn)田占耕地總面積的倍。我國的低產(chǎn)田占耕地總面積的60%60%以以上，其單產(chǎn)僅為高產(chǎn)田的幾分之一；對上，其單產(chǎn)僅為高產(chǎn)田的幾分之一；對于中、高產(chǎn)田，或者即使是同一地塊里，于中、高產(chǎn)田，或者即使是同一地塊里，土壤的肥力、墑情、雜草、病蟲害、產(chǎn)土壤的肥力、墑情、雜草、病蟲害、產(chǎn)量等等在局部區(qū)域往往差異很大，并非量等等在局部區(qū)域往往差異很大，并非均勻一致均勻一致而傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械裝備的設(shè)計參數(shù)與考而傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械裝

11、備的設(shè)計參數(shù)與考核指標是以均勻一致性為準則的。耕深核指標是以均勻一致性為準則的。耕深要求均勻一致、肥料要求撒播均勻，播要求均勻一致、肥料要求撒播均勻，播種指標（播量、播深等）要求一致，農(nóng)種指標（播量、播深等）要求一致，農(nóng)藥、除草劑噴灑均勻，農(nóng)田灌溉均勻一藥、除草劑噴灑均勻，農(nóng)田灌溉均勻一致等等。以均勻一致的資源消耗投入到致等等。以均勻一致的資源消耗投入到實際差異懸殊的具體環(huán)境之中，要么造實際差異懸殊的具體環(huán)境之中，要么造成局部供應不足，土地、日光、空氣等成局部供應不足，土地、日光、空氣等資源不能充分發(fā)揮自身的最大功能；要資源不能充分發(fā)揮自身的最大功能；要么造成局部供應過剩，么造成局部供應過剩，

12、 最終造成資源的浪費和環(huán)境的污染，不最終造成資源的浪費和環(huán)境的污染，不能達到農(nóng)業(yè)作業(yè)最佳理想的目標。能達到農(nóng)業(yè)作業(yè)最佳理想的目標。 1.1.3 精細農(nóng)業(yè)的定義：精細農(nóng)業(yè)的定義： 精細農(nóng)業(yè)是一種戰(zhàn)略思想，是信息精細農(nóng)業(yè)是一種戰(zhàn)略思想，是信息和人工智能高新技術(shù)在大農(nóng)業(yè)中的和人工智能高新技術(shù)在大農(nóng)業(yè)中的微觀運用。它的全部概念建立在空微觀運用。它的全部概念建立在空間差異和時間差異的數(shù)據(jù)采集和處間差異和時間差異的數(shù)據(jù)采集和處理上，其核心意圖是實時測知作物理上，其核心意圖是實時測知作物（畜禽）（畜禽） 個體或小群體或小區(qū)地塊生長和防疫個體或小群體或小區(qū)地塊生長和防疫的實際需要，而及時確定針對性投入的實際需

13、要，而及時確定針對性投入（肥、水、藥飼料等）的量、質(zhì)和時（肥、水、藥飼料等）的量、質(zhì)和時機，一反傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積平均投入的機，一反傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積平均投入的作法，以求最佳效果和最低代價。作法，以求最佳效果和最低代價。 實行精細農(nóng)業(yè)可以在減少投入的情況實行精細農(nóng)業(yè)可以在減少投入的情況下增加（或維持）產(chǎn)量、提高品質(zhì)、下增加（或維持）產(chǎn)量、提高品質(zhì)、降低成本、節(jié)約資源、減少污染、保降低成本、節(jié)約資源、減少污染、保護生態(tài)。護生態(tài)。 1.4 1.4 精細農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系精細農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系: : 精細農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系：主要由前精細農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系：主要由前3S、后后3S和最后和最后1S組成。簡稱精細農(nóng)業(yè)組成。簡稱精

14、細農(nóng)業(yè)7S體系。體系。 前前3S：GPS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System) GIS地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng) (Geographical Information System) RSS遙感系統(tǒng)遙感系統(tǒng) (Remote Sensing System)后后3 3S S：ESES專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) (Expert System) SSSS模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng) (Simulation System) DSSDSS決策支持系統(tǒng)決策支持系統(tǒng) (Decision Support System) 最后最后1S： ICSICS智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng) (Intelligenc

15、e Control System) 前前3S3S的集成作用是及時采集田間信息，的集成作用是及時采集田間信息，經(jīng)過信息處理形成田間狀態(tài)圖，田間狀經(jīng)過信息處理形成田間狀態(tài)圖，田間狀態(tài)圖應能田間狀態(tài)（肥、水、病、蟲、態(tài)圖應能田間狀態(tài)（肥、水、病、蟲、產(chǎn)量）的斑塊狀不均勻分布。產(chǎn)量）的斑塊狀不均勻分布。 后后3S3S集成的作用是及時生成優(yōu)化的決策，集成的作用是及時生成優(yōu)化的決策，它的支持技術(shù)包括專家系統(tǒng)（知識模它的支持技術(shù)包括專家系統(tǒng)（知識模型）、模擬系統(tǒng)（數(shù)學模型）和決策支型）、模擬系統(tǒng)（數(shù)學模型）和決策支持系統(tǒng)（從多方案中優(yōu)化或綜合，作出持系統(tǒng)（從多方案中優(yōu)化或綜合，作出決策）。決策的表述形式可以

16、是田間對決策）。決策的表述形式可以是田間對策圖或指令策圖或指令I(lǐng)C 卡，卡，IC卡便于智能控制新型農(nóng)業(yè)裝備卡便于智能控制新型農(nóng)業(yè)裝備在田間作業(yè)時執(zhí)行，實現(xiàn)按需變量投在田間作業(yè)時執(zhí)行，實現(xiàn)按需變量投入的目的要求。入的目的要求。 最后最后1S ，ICS智能控制系統(tǒng)是智能化智能控制系統(tǒng)是智能化農(nóng)業(yè)機械裝備的控制指揮中心。由農(nóng)農(nóng)業(yè)機械裝備的控制指揮中心。由農(nóng)機操作者下達指令，從機操作者下達指令，從DGPS接受位接受位置信息，從置信息，從GIS中的執(zhí)行電子地圖提中的執(zhí)行電子地圖提取決策信息，取決策信息，也可以接受實時傳感器的信息，并將也可以接受實時傳感器的信息，并將它們轉(zhuǎn)化為向執(zhí)行器發(fā)出的控制信號，它們

17、轉(zhuǎn)化為向執(zhí)行器發(fā)出的控制信號，執(zhí)行設(shè)備在接受執(zhí)行設(shè)備在接受信號后通過液動、氣信號后通過液動、氣動或電動系統(tǒng)實現(xiàn)對作物的變量投入動或電動系統(tǒng)實現(xiàn)對作物的變量投入或作業(yè)操作調(diào)整。它還可以接受自執(zhí)或作業(yè)操作調(diào)整。它還可以接受自執(zhí)行設(shè)備傳來的反饋信號，對作物投入行設(shè)備傳來的反饋信號，對作物投入量進行微調(diào)并存檔備查。量進行微調(diào)并存檔備查。2.1 2.1 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) GPS GPS ； GPS 是縮寫詞是縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱，其的簡稱，其全部意義為：導航衛(wèi)星測時和測距全部意義為：導航衛(wèi)星測時和測距/全球定全球定位系統(tǒng)，即位系統(tǒng)，即 Navigation Satelite Tim

18、ing and Ranging / Global Positioning System. 2.1.1 2.1.1 導航衛(wèi)星：導航衛(wèi)星：24顆衛(wèi)星，分布在顆衛(wèi)星，分布在6個個軌道平面上，每個軌道上有軌道平面上，每個軌道上有4顆衛(wèi)星。在地顆衛(wèi)星。在地球上任意地方，至少同時可觀察到球上任意地方，至少同時可觀察到5顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。其中至少有其中至少有4顆在地平線顆在地平線7.50以上。以上。 衛(wèi)星軌道高度約衛(wèi)星軌道高度約2108321083kmkm，運行運行周期接近周期接近1212h h ，精確精確地說衛(wèi)星經(jīng)過地地說衛(wèi)星經(jīng)過地面上同一點上空的時間，每天提前面上同一點上空的時間，每天提前4 4 minm

19、in，衛(wèi)星衛(wèi)星時鐘日穩(wěn)定度達時鐘日穩(wěn)定度達1010-14-14 / / 日。日。 衛(wèi)星上的導航發(fā)射機向用戶播發(fā)衛(wèi)星上的導航發(fā)射機向用戶播發(fā)信號，采用雙頻方式信號，采用雙頻方式, , 頻率頻率1575.421575.42MHZMHZ和和1227.601227.60MHZMHZ。發(fā)射雙頻是發(fā)射雙頻是為了校正電離層產(chǎn)生的附加延時。為了校正電離層產(chǎn)生的附加延時。 2.1.2 2.1.2 地面站組地面站組: : 地面站組亦稱地面控地面站組亦稱地面控制部分，包括制部分，包括 4 4 個監(jiān)控站，個監(jiān)控站，1 1 個注入個注入站和站和 1 1個主控站。出于軍事目的，這些站個主控站。出于軍事目的，這些站全部設(shè)在

20、美國本土的空軍基地內(nèi)，進行導全部設(shè)在美國本土的空軍基地內(nèi)，進行導航衛(wèi)星的監(jiān)視和運行參數(shù)的修正控制。航衛(wèi)星的監(jiān)視和運行參數(shù)的修正控制。 2.1.3 2.1.3 用戶設(shè)備用戶設(shè)備: : 用戶設(shè)備是用戶設(shè)備是GPSGPS接收接收機，它的主要功能是接收導航衛(wèi)星播發(fā)的機，它的主要功能是接收導航衛(wèi)星播發(fā)的信號并利用本機產(chǎn)生的隨機編碼取得距離信號并利用本機產(chǎn)生的隨機編碼取得距離測量和導航電文，根據(jù)導航電文提供的衛(wèi)測量和導航電文，根據(jù)導航電文提供的衛(wèi)星位置星位置 和鐘差修正信息，計算顯示接收機的位和鐘差修正信息，計算顯示接收機的位置，這就是定位。置，這就是定位。 衛(wèi)星發(fā)射的信號包括衛(wèi)星發(fā)射的信號包括 P P

21、碼碼 和和 C / AC / A碼碼。 P P 碼為精密導航定位，為保密碼碼為精密導航定位，為保密碼，專供，專供美國軍方和特許用戶使用，屬精密定位美國軍方和特許用戶使用，屬精密定位業(yè)務，又記作業(yè)務，又記作PPSPPS業(yè)務；業(yè)務； C / AC / A碼供一般用戶使用碼供一般用戶使用，稱作標準定，稱作標準定位業(yè)務，又記作位業(yè)務，又記作SPSSPS業(yè)務。業(yè)務。 2.1.3 2.1.3 GPSGPS定位原理定位原理: : GPS接收機接收的衛(wèi)星導航電文中接收機接收的衛(wèi)星導航電文中有衛(wèi)星的空間坐標位置，兩兩衛(wèi)星間有衛(wèi)星的空間坐標位置，兩兩衛(wèi)星間的距離；接收機通過衛(wèi)星播發(fā)的信號的距離；接收機通過衛(wèi)星播發(fā)

22、的信號傳輸時間可以計算出接收機與各個衛(wèi)傳輸時間可以計算出接收機與各個衛(wèi)星間的距離，這樣已知條件具備，即星間的距離，這樣已知條件具備，即可計算出接收機位置坐標，以所處地可計算出接收機位置坐標，以所處地理位置經(jīng)、緯度顯示。理位置經(jīng)、緯度顯示。 2.1.4 2.1.4 美國政府美國政府GPSGPS工作衛(wèi)星的工作衛(wèi)星的SASA政策政策: : 由于由于GPSGPS全球定位系統(tǒng)是美國國防部研制開全球定位系統(tǒng)是美國國防部研制開發(fā)為美國陸、海、空三軍使用的導航系統(tǒng)。發(fā)為美國陸、海、空三軍使用的導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可以覆蓋全球的多維連續(xù)定位該系統(tǒng)具有可以覆蓋全球的多維連續(xù)定位能力，可以極大地提高軍隊的作戰(zhàn)能力。

23、能力，可以極大地提高軍隊的作戰(zhàn)能力。出于國家安全角度考慮，最關(guān)鍵的是信號出于國家安全角度考慮，最關(guān)鍵的是信號精度。精度。 P P碼（精碼）碼（精碼）目前可以提供目前可以提供1010m m的實時定位的實時定位精度，精度，C/AC/A碼（粗碼），碼（粗碼），可以提供幾十米可以提供幾十米 的實時定位精度。的實時定位精度。19831983年前年前C/AC/A碼水平定碼水平定位精度設(shè)在位精度設(shè)在500500m m，19831983年年6 6月宣布改為月宣布改為100100m m。一一旦美國軍隊遇到敵方使用的旦美國軍隊遇到敵方使用的GPSGPS輔助武器或戰(zhàn)術(shù)帶來明顯威脅，美國可輔助武器或戰(zhàn)術(shù)帶來明顯威脅，

24、美國可以提高引入的誤差，此時公開使用的以提高引入的誤差，此時公開使用的GPSGPS系統(tǒng)定位誤差可能大大超過和平時期標系統(tǒng)定位誤差可能大大超過和平時期標準定位業(yè)務的水平。這就是美國政府準定位業(yè)務的水平。這就是美國政府GPSGPS工作衛(wèi)星的工作衛(wèi)星的SASA政策，即政策，即“選擇可用性選擇可用性”政策（政策（Selective AvailabilitySelective Availability）。）。 2.1.5 2.1.5 差分差分GPSGPS（DGPSDifferential DGPSDifferential GPSGPS）: : 采用采用差分差分GPSGPS幾乎可以完全消除幾乎可以完全消除

25、“選擇可用選擇可用性性”帶來的誤差。此外差分技術(shù)不需要雙帶來的誤差。此外差分技術(shù)不需要雙頻卻能精確地作電離層補償，從而使定位頻卻能精確地作電離層補償，從而使定位精度超過單獨使用精密定位業(yè)務所得到的精度超過單獨使用精密定位業(yè)務所得到的精度。之所以能獲得這種效果，是因為精度。之所以能獲得這種效果，是因為“選擇可用性選擇可用性”和電離層帶來的誤差都是和電離層帶來的誤差都是緩慢變化的偏差，利用誤差在時間上和空緩慢變化的偏差，利用誤差在時間上和空間上的相關(guān)性就可以將它們校正掉。間上的相關(guān)性就可以將它們校正掉。 目前目前GPSGPS接收機多數(shù)具有接收機多數(shù)具有差分系統(tǒng)差分系統(tǒng)，除了接收衛(wèi)星信號外，它還接收

26、地面除了接收衛(wèi)星信號外，它還接收地面基準站的信號，通過差分計算處理，基準站的信號，通過差分計算處理，獲得高的定位精度。獲得高的定位精度。 美國政府允許這種差分工作的存在，美國政府允許這種差分工作的存在，因為局部區(qū)域的差分不會得造成對美因為局部區(qū)域的差分不會得造成對美國安全的威脅，再者美國軍方認為在國安全的威脅，再者美國軍方認為在必要時，它有能力摧毀差分系統(tǒng)的通必要時，它有能力摧毀差分系統(tǒng)的通訊能力。訊能力。 2.2.6 2.2.6 導航飛防導航飛防農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)GPSGPS應用實例：應用實例： 利用飛機噴灑農(nóng)藥利用飛機噴灑農(nóng)藥, ,一般飛行高度為一般飛行高度為730730m m，航線間隔航線間隔50

27、50m m，藥藥效覆蓋寬度正負效覆蓋寬度正負4040m m，常常用用“運五運五”飛機，飛行速度為飛機，飛行速度為200200K Km/h , m/h , 對于對于1010K Km m航航線，飛機只需線，飛機只需5 5 minmin左右，左右，加上加上飛機轉(zhuǎn)彎，飛一條航線約需飛機轉(zhuǎn)彎，飛一條航線約需78 78 minmin。 用用人工地標，地面工作人員需用人工地標，地面工作人員需用5050人；采人；采用用GPSGPS導航定位系統(tǒng)，可大大節(jié)約地面工作導航定位系統(tǒng)，可大大節(jié)約地面工作人員的需求量、節(jié)約成本、保證作業(yè)質(zhì)量。人員的需求量、節(jié)約成本、保證作業(yè)質(zhì)量。 2.2 2.2 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)

28、GISGIS： 19981998年，前美國副總統(tǒng)戈爾曾提出美年，前美國副總統(tǒng)戈爾曾提出美國大型科研計劃，建立數(shù)字化地球。這表國大型科研計劃，建立數(shù)字化地球。這表明美國的科研基礎(chǔ)已經(jīng)具備完成這一計劃明美國的科研基礎(chǔ)已經(jīng)具備完成這一計劃的能力。所謂數(shù)字化地球，就是將地球表的能力。所謂數(shù)字化地球，就是將地球表面、地表上方空間、地表以下的地理信息面、地表上方空間、地表以下的地理信息以數(shù)字的形式存貯于計算機系統(tǒng)之中，以以數(shù)字的形式存貯于計算機系統(tǒng)之中，以便今后決策和任務執(zhí)行中隨時調(diào)用。便今后決策和任務執(zhí)行中隨時調(diào)用。 地理信息是指表征地理諸要素的數(shù)量、質(zhì)地理信息是指表征地理諸要素的數(shù)量、質(zhì) 量分布特性、

29、相互聯(lián)系及其變化規(guī)律量分布特性、相互聯(lián)系及其變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像與圖形特征的總的數(shù)字、文字、圖像與圖形特征的總稱。其信息屬于空間信息，具有區(qū)域稱。其信息屬于空間信息，具有區(qū)域性、多維結(jié)構(gòu)牲。例如：在一個地面性、多維結(jié)構(gòu)牲。例如：在一個地面點上，可取高度、土壤肥力、作物產(chǎn)點上，可取高度、土壤肥力、作物產(chǎn)量、噪聲、污染、交通、通訊、電力量、噪聲、污染、交通、通訊、電力線、輸油輸氣管網(wǎng)等多種信息。地理線、輸油輸氣管網(wǎng)等多種信息。地理信息有明顯的時序特征，即動態(tài)變化信息有明顯的時序特征，即動態(tài)變化特征。特征。 2.2.1 2.2.1 地理登信息系統(tǒng)的分類：地理登信息系統(tǒng)的分類： 地理信息系統(tǒng)按其

30、內(nèi)容可分為：地理信息系統(tǒng)按其內(nèi)容可分為： 2.2.1.1 2.2.1.1 專題地理地理信息系統(tǒng)專題地理地理信息系統(tǒng): : 如水如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)信息系統(tǒng)、交通管理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)信息系統(tǒng)、交通管理信息系統(tǒng)、環(huán)境管理信息系統(tǒng)、城市地下管網(wǎng)管理信環(huán)境管理信息系統(tǒng)、城市地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)等。息系統(tǒng)等。 2.2.1.2 2.2.1.2 區(qū)域地理信息系統(tǒng)區(qū)域地理信息系統(tǒng): : 如加拿大如加拿大國家信息系統(tǒng)、中國京津唐區(qū)域開發(fā)信息國家信息系統(tǒng)、中國京津唐區(qū)域開發(fā)信息系統(tǒng)等。系統(tǒng)等。 2.2.1.3 2.2.1.3 地理信息系統(tǒng)工具（軟件

31、平地理信息系統(tǒng)工具（軟件平臺）：臺）：它是一種具有圖形、圖像數(shù)字化、它是一種具有圖形、圖像數(shù)字化、存貯管理、查詢檢索、分析處理和輸出功存貯管理、查詢檢索、分析處理和輸出功能的軟件包。能的軟件包。 2.2.2 2.2.2 地理信息系統(tǒng)的組成地理信息系統(tǒng)的組成: : 2.2.2.1 2.2.2.1 計算機硬件系統(tǒng)：計算機硬件系統(tǒng)：（1 1）包括計）包括計算機主機，提供存貯空間，對數(shù)據(jù)進行編算機主機，提供存貯空間，對數(shù)據(jù)進行編輯處理。（輯處理。（2 2）數(shù)字化儀可將地圖或遙感）數(shù)字化儀可將地圖或遙感圖像數(shù)字化后輸入計算機。圖像數(shù)字化后輸入計算機。3 3）繪圖儀。）繪圖儀。 和其它設(shè)備和其它設(shè)備,用來

32、表示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。用來表示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。（4）磁帶（盤）機，用于存貯大型數(shù)）磁帶（盤）機，用于存貯大型數(shù)據(jù)庫和程序。（據(jù)庫和程序。（5）顯示器，用戶通過）顯示器，用戶通過顯示器和終端控制計算機和外圍設(shè)備。顯示器和終端控制計算機和外圍設(shè)備。 2.2.2.2 計算機軟件系統(tǒng)：計算機軟件系計算機軟件系統(tǒng)：計算機軟件系統(tǒng)包括計算機通用程序、地理信息系統(tǒng)統(tǒng)包括計算機通用程序、地理信息系統(tǒng)軟件包（平臺）和應用分析軟件三部分軟件包（平臺）和應用分析軟件三部分組成。（組成。（1）計算機通用程序是計算機）計算機通用程序是計算機廠家提供的使用計算機的程序系統(tǒng)，包廠家提供的使用計算機的程序系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、括操作

33、系統(tǒng)、 匯編程序、論斷程序以用各種維護使匯編程序、論斷程序以用各種維護使用手冊。（用手冊。（2）地理信息系統(tǒng)軟件包）地理信息系統(tǒng)軟件包（平臺）一般包括五類基本模塊：即（平臺）一般包括五類基本模塊：即數(shù)據(jù)的輸入和校驗、數(shù)據(jù)的存貯和管數(shù)據(jù)的輸入和校驗、數(shù)據(jù)的存貯和管理、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)的顯示和輸出、理、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)的顯示和輸出、用戶接口等。（用戶接口等。（3）應用分析軟件是）應用分析軟件是系統(tǒng)開發(fā)人員根據(jù)地理信息專題或區(qū)系統(tǒng)開發(fā)人員根據(jù)地理信息專題或區(qū)域分析模型編制的程序，是系統(tǒng)功能域分析模型編制的程序，是系統(tǒng)功能的擴充和延伸。的擴充和延伸。 2.2.3 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)GIS軟件平臺：軟

34、件平臺： 目前世界上商用的目前世界上商用的GIS軟件已多達軟件已多達400多種。多種。它們大小不一，風格各異，占領(lǐng)著不同它們大小不一，風格各異，占領(lǐng)著不同應用市場。應用市場。 2.2.3.1 國外國外GIS軟件：（軟件：（1）ARC/INFO系系統(tǒng)：統(tǒng)：ARC/INFO是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所研是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所研制的地理信息系統(tǒng)軟件，它是世界上應制的地理信息系統(tǒng)軟件，它是世界上應用最廣泛的用最廣泛的GIS軟件之一。軟件之一。1991年，年， ARC/INFO系統(tǒng)進行了漢化處理，從此大系統(tǒng)進行了漢化處理，從此大量進入中國市場。量進入中國市場。 ARC/INFO 系統(tǒng)提供了用于地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)提供了

35、用于地理數(shù)據(jù)的自動輸入、處理、分析和顯示的強大功自動輸入、處理、分析和顯示的強大功能。目前已成功地應用于包括自然資源、能。目前已成功地應用于包括自然資源、農(nóng)業(yè)、自動制圖、設(shè)施管理、城市和區(qū)農(nóng)業(yè)、自動制圖、設(shè)施管理、城市和區(qū)域規(guī)劃、人口和商業(yè)管理、交通運輸、域規(guī)劃、人口和商業(yè)管理、交通運輸、石油和天然氣、教育、軍事等十大類別石油和天然氣、教育、軍事等十大類別的一百多個領(lǐng)域。（的一百多個領(lǐng)域。（2 2）澳大利亞的）澳大利亞的Genasys公司開發(fā)的公司開發(fā)的GISGIS軟件軟件GENAMAP。（3 3）美國）美國Mapinfo公司研制開發(fā)的公司研制開發(fā)的GISGIS軟件軟件Mapinfo。 2.2

36、.3.2 國內(nèi)國內(nèi)GIS平臺平臺: （1 1）北京大學與陜西三秦企業(yè)集團）北京大學與陜西三秦企業(yè)集團聯(lián)合研制的地理信息系統(tǒng)城市之星聯(lián)合研制的地理信息系統(tǒng)城市之星Citystar。 （2 2）武漢測繪科技大學武漢測繪科技大學GISGIS研究中心研究中心研制的地理信息系統(tǒng)軟件吉奧之星研制的地理信息系統(tǒng)軟件吉奧之星Geostar。 （3 3）中國地質(zhì)大學計算中心華地圖中國地質(zhì)大學計算中心華地圖形數(shù)據(jù)公司開發(fā)的地理信息系統(tǒng)軟件形數(shù)據(jù)公司開發(fā)的地理信息系統(tǒng)軟件MAP/GIS。 2.3 遙感系統(tǒng)遙感系統(tǒng)RSS： 2.3.1 2.3.1 遙感的基本概念遙感的基本概念: : 遙感的基本定遙感的基本定義是義是:

37、 :從遙遠的地方感覺一個物體的客觀存從遙遠的地方感覺一個物體的客觀存在，它是在人類生活領(lǐng)域內(nèi)廣泛存在的現(xiàn)在，它是在人類生活領(lǐng)域內(nèi)廣泛存在的現(xiàn)象。象。 從現(xiàn)代的科學定義來說，遙感就是在一定從現(xiàn)代的科學定義來說，遙感就是在一定距離之外，不與目標物體直接接觸，通過距離之外，不與目標物體直接接觸，通過傳感器收集被測目標所發(fā)射出來的電磁波傳感器收集被測目標所發(fā)射出來的電磁波能量而加以記錄，并形成圖像，以供有關(guān)能量而加以記錄，并形成圖像，以供有關(guān)專業(yè)信息的識別、分類和分析的一種科學專業(yè)信息的識別、分類和分析的一種科學技術(shù)。技術(shù)。 2.3.2 遙感系統(tǒng)的組成：遙感系統(tǒng)的組成： 一個完整的遙感系統(tǒng)應當由一個完

38、整的遙感系統(tǒng)應當由三部分組成：三部分組成：（1 1）傳感器（）傳感器（sensorsensor） （2 2）載體（）載體（carriercarrier） （3 3）指揮系統(tǒng)（）指揮系統(tǒng)（command systemcommand system） 一個人就是一個天然、完整的遙感系統(tǒng)，一個人就是一個天然、完整的遙感系統(tǒng)，眼睛是一對天然的傳感器，人的身體即眼睛是一對天然的傳感器，人的身體即為載體，人的大腦即為指揮系統(tǒng)。為載體，人的大腦即為指揮系統(tǒng)。 傳感器：傳感器：是收集目標物所反射或發(fā)射電是收集目標物所反射或發(fā)射電磁波信息的裝置。有照相機、攝像機、磁波信息的裝置。有照相機、攝像機、多波段光譜掃描儀

39、多波段光譜掃描儀（MSS）、紅外光譜儀紅外光譜儀等。等。 載體：載體：也稱平臺也稱平臺（plan form），它是負它是負載傳感器的工具。有支架、車輛、氣球、載傳感器的工具。有支架、車輛、氣球、飛機、衛(wèi)星等。飛機、衛(wèi)星等。 指揮系統(tǒng)指揮系統(tǒng)，就是指揮和控制傳感器與平就是指揮和控制傳感器與平臺并接收信息的指揮部，現(xiàn)代遙感指揮臺并接收信息的指揮部，現(xiàn)代遙感指揮系統(tǒng)一般均為計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)一般均為計算機系統(tǒng)。 2.3.3 透射特性（大氣窗口）：透射特性（大氣窗口）：遙感遙感信息，主要是利用傳感器，通過有關(guān)大信息，主要是利用傳感器，通過有關(guān)大氣窗口，在空中來獲取地球表面的地物氣窗口，在空中來獲取地球表

40、面的地物反射和發(fā)射的光譜信息。大氣窗口就是反射和發(fā)射的光譜信息。大氣窗口就是電磁波在通過大氣層的過程中，被吸收電磁波在通過大氣層的過程中，被吸收和散射的比例較小而透過率很高的波段，和散射的比例較小而透過率很高的波段，也就是電磁波在大氣中傳輸損耗率很小也就是電磁波在大氣中傳輸損耗率很小的波段。的波段。 目前使用七個窗口：遠紫外窗口目前使用七個窗口：遠紫外窗口0.150.20.150.2微米、可見光窗口微米、可見光窗口0.31.30.31.3微米、微米、近紅外窗口近紅外窗口 1.41.91.41.9微米、近紅外窗口微米、近紅外窗口2.053.02.053.0微米、微米、中紅外窗口中紅外窗口3.55

41、.53.55.5微米、遠紅外窗口微米、遠紅外窗口814814微米、微波窗口微米、微波窗口 1.5 1.5cmcm。 2.3.4 遙感圖像識別基礎(chǔ)遙感圖像識別基礎(chǔ): （1 1）地物識別：）地物識別： （2 2）作物種類識別：）作物種類識別： （3 3）作物長勢識別：）作物長勢識別： 2.3.5 遙感技術(shù)的應用遙感技術(shù)的應用: 應用領(lǐng)域；農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地質(zhì)、應用領(lǐng)域；農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地質(zhì)、礦產(chǎn)等資源的普查、研究，結(jié)合礦產(chǎn)等資源的普查、研究，結(jié)合GPS和和GIS的應用，可大大地提高普查效的應用，可大大地提高普查效率和精度。率和精度。 具體應用：土壤普查（類別、肥力、具體應用：土壤普查（類別、肥

42、力、含水量）、作物估產(chǎn)、自然災害的監(jiān)含水量）、作物估產(chǎn)、自然災害的監(jiān)測等。測等。3.智能化農(nóng)業(yè)機械裝備智能化農(nóng)業(yè)機械裝備 智能化農(nóng)業(yè)機械裝備是智能化農(nóng)業(yè)機械裝備是GPSGPS、GISGIS、RSSRSS、ESES、SSSS、DSS 6S DSS 6S 系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械裝備上的綜合應系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械裝備上的綜合應用。用。 3.1 3.1 DGPS DGPS 農(nóng)機的定位與導航農(nóng)機的定位與導航: : 農(nóng)業(yè)機械在田地中作業(yè)，不同的作業(yè)項目需求農(nóng)業(yè)機械在田地中作業(yè)，不同的作業(yè)項目需求的定位分辨力也不相同。變量施肥時的定位分辨力也不相同。變量施肥時3030m m，變變量施用除草劑量施用除草劑1 1 m m，測

43、測產(chǎn)產(chǎn)1010m m，筑筑埂埂5 5cmcm、噴噴灑灑農(nóng)藥重疊農(nóng)藥重疊1010cmcm。 當前當前DGPSDGPS系統(tǒng)可達精度如圖所示。系統(tǒng)可達精度如圖所示。 3.2 作物產(chǎn)量分布圖的生成：作物產(chǎn)量分布圖的生成： 2020世紀世紀9090年代后期，國際上先進的各種作年代后期，國際上先進的各種作物聯(lián)合收獲機，大多數(shù)都具有產(chǎn)量分布圖物聯(lián)合收獲機，大多數(shù)都具有產(chǎn)量分布圖自動生成功能。谷物聯(lián)合收獲機、棉花收自動生成功能。谷物聯(lián)合收獲機、棉花收獲機、馬鈴薯收獲機、花生收獲機等都裝獲機、馬鈴薯收獲機、花生收獲機等都裝備產(chǎn)量數(shù)字化自動生成系統(tǒng)。備產(chǎn)量數(shù)字化自動生成系統(tǒng)。 谷物聯(lián)合收獲機上的產(chǎn)量分布圖自動生成

44、谷物聯(lián)合收獲機上的產(chǎn)量分布圖自動生成系統(tǒng)研究相對較早，技術(shù)比較成熟。其測系統(tǒng)研究相對較早，技術(shù)比較成熟。其測產(chǎn)系統(tǒng)傳感器布置及定位系統(tǒng)如圖所示。產(chǎn)系統(tǒng)傳感器布置及定位系統(tǒng)如圖所示。 數(shù)字化產(chǎn)量分布圖是精細農(nóng)業(yè)的重要基數(shù)字化產(chǎn)量分布圖是精細農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)信息。產(chǎn)量分布圖綜合了田間空間參礎(chǔ)信息。產(chǎn)量分布圖綜合了田間空間參數(shù)變化的信息，諸如土壤類型、土壤濕數(shù)變化的信息，諸如土壤類型、土壤濕度、養(yǎng)分含量、及坡度等，故可用以確度、養(yǎng)分含量、及坡度等，故可用以確定田間地段作物均勻生長的條件并可分定田間地段作物均勻生長的條件并可分別確定各田塊各自所需的農(nóng)事操作。在別確定各田塊各自所需的農(nóng)事操作。在下一次收獲

45、時所得新的產(chǎn)量分布圖則可下一次收獲時所得新的產(chǎn)量分布圖則可顯示精細農(nóng)作的實際效果。顯示精細農(nóng)作的實際效果。 谷物聯(lián)合收獲機瞬時單產(chǎn)谷物聯(lián)合收獲機瞬時單產(chǎn)YG（t）的的測定：測定： YG(t)= =mG(t).（ 1 UG(t)）/（V(t)）.W(t)） YG(t)瞬時瞬時t t所測得單產(chǎn)；所測得單產(chǎn)； mG(t)瞬時瞬時t t所測得谷物質(zhì)量流量；所測得谷物質(zhì)量流量； UG(t)瞬時瞬時t t谷物含水量（相對濕度）；谷物含水量（相對濕度）； V(t)瞬時瞬時t t收獲機行駛速度；收獲機行駛速度； W(t)瞬時瞬時t t割幅寬度。割幅寬度。 割幅寬度割幅寬度W(t)W(t)的測量：利用超聲波測距

46、傳的測量：利用超聲波測距傳感器，割幅感器，割幅1.51.5m m時，分辨力為時，分辨力為1 1mmmm。 瞬時瞬時t t谷物質(zhì)量流量谷物質(zhì)量流量mG(t)可用谷物流可用谷物流量計測量。量計測量。 谷物含水量谷物含水量UG(t)可用谷物濕度計測可用谷物濕度計測得。得。 聯(lián)合收獲機收獲作業(yè)時，同步測得谷聯(lián)合收獲機收獲作業(yè)時，同步測得谷物的瞬時流量、含水量、聯(lián)合收獲機物的瞬時流量、含水量、聯(lián)合收獲機的瞬時速度和割幅，通過計算機數(shù)據(jù)的瞬時速度和割幅，通過計算機數(shù)據(jù)綜合處理，即可計算出田塊的瞬時產(chǎn)綜合處理，即可計算出田塊的瞬時產(chǎn)量。量。 3.3 作物處方圖的生成及智能型變量作物處方圖的生成及智能型變量控制農(nóng)業(yè)機械控制農(nóng)業(yè)機械: 3.3.1 精細種植的農(nóng)業(yè)機械體系精細種植的農(nóng)業(yè)機械體系: 每當收獲機繪制出產(chǎn)量分布圖，就顯示每當收獲機繪制出產(chǎn)量分布圖，就顯示了田間各局部單產(chǎn)的差異，下一步工作了田間各局部單產(chǎn)的差異，