精確農(nóng)業(yè)基本概述

。第一章 概 述1.1 精確農(nóng)業(yè)的概念及核心思想精確農(nóng)業(yè)首先由美國農(nóng)業(yè)工作者于 20世紀(jì)八十年代末、九十年代初倡導(dǎo)并實(shí)施的。概念：精確農(nóng)業(yè)（PrecisionAgriculture ，簡記PA，也可稱為精細(xì)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、處方農(nóng)作等等）指的是借助 3S技術(shù)、信息化技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理決策系統(tǒng)等現(xiàn)代高新技術(shù)，掌握農(nóng)田作物產(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、病蟲害等）在空間及時(shí)間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因并做出決策，根據(jù)時(shí)間、空間變異，定時(shí)、定位、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。核心思想：是基于田間差異的變量投入和最大收益。1.2精確農(nóng)業(yè)的內(nèi)容精確種植：精確播種、精確施肥、精確灌溉、精確噴藥、精確收獲。設(shè)施農(nóng)業(yè)：設(shè)施園藝、精確養(yǎng)殖1.3精確農(nóng)業(yè)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例－測土配方施肥測土配方施肥技術(shù)是指通過土壤測試，及時(shí)掌握土壤肥力狀況，按不同作物的需肥特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，實(shí)行肥料的適量配比，提高肥料養(yǎng)分利用率。1）劃分農(nóng)田區(qū)域，提取土壤樣品，分析土壤成分；2）根據(jù)土壤成分、往年產(chǎn)量等數(shù)據(jù)確定區(qū)域最佳施肥配方，利用遙感圖像、GIS軟件繪制反映農(nóng)田空間變異施肥配方的數(shù)字地圖；這張地圖的目的是要說明，哪些位置應(yīng)該用怎樣的速率噴灑多少量的氮磷鉀等肥料。3）將地圖輸入進(jìn)行施肥作業(yè)的拖拉機(jī)的電腦中，作業(yè)過程中，安裝在拖拉機(jī)的全球定位系統(tǒng)會隨時(shí)測出拖拉機(jī)的準(zhǔn)確方位，然后由電腦根據(jù)數(shù)字地圖上的要求，自動(dòng)控制拖拉機(jī)上的設(shè)備完成播種、施肥、灌溉和噴灑農(nóng)藥的工作。1.4 精確農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)過程1）獲得田間數(shù)據(jù)（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害、歷史產(chǎn)量等）；2）利用決策支持系統(tǒng)作出作業(yè)決策，決定投入量、時(shí)間、地點(diǎn)；3）根據(jù)田間時(shí)間和空間數(shù)據(jù)做出作業(yè)處方圖；4）利用相應(yīng)的機(jī)器和設(shè)備來完成精確作業(yè)。。1。1.5 精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)支撐 技術(shù)（1）全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem 簡稱GPS)精確種植作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一是確定作業(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，其中最好的系統(tǒng)就是 GPS。但孤立的GPS接收器瞬時(shí)位置誤差可能高達(dá) 100m，這已不能滿足精確種植的需要。但可采取差分修正辦法。用一臺便攜式差分 GPS接收器(DGPS——differentialglobalpositioningsystem) 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)：2.5m，1m以下，或1cm以下(這里指的是水平精度，垂直誤差要比這大 1.5～5倍，在繪制地貌電子地圖時(shí)要涉及垂直位置精度)。不同的農(nóng)藝作業(yè)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。大多數(shù)農(nóng)田作業(yè)要求用實(shí)時(shí)差分 GPS接收器(RT—DGPS)。（2）地理信息系統(tǒng)(GeographiclnformationSystem 簡稱GIS)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)也可事先存在GIS中。GIS對這些信息進(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）遙感系統(tǒng)（RemoteSensing簡稱RS）遙感是利用遙感器從空中來探測地面物體性質(zhì)的，它根據(jù)不同物體對波譜產(chǎn)生不同響應(yīng)的原理，識別地面上各類地物，具有遙遠(yuǎn)感知事物的意思。也就是利用地面上空的飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的遙感器收集地面數(shù)據(jù)資料，并從中獲取信息，經(jīng)記錄、傳送、分析和判讀來識別地物。利用遙感圖像可以獲得農(nóng)業(yè)資源分布、監(jiān)測、農(nóng)作物估產(chǎn)及病蟲害預(yù)測等。 作物生產(chǎn)管理決策支持技術(shù)（1）決策支持系統(tǒng)（DecisionSupportSystem ，簡稱DSS)；決策支持系統(tǒng)就是利用已有的信息，針對不同的應(yīng)用目的，集成相應(yīng)的知識和模型，給出具體的實(shí)施方案。決策支持系統(tǒng)大體可歸納為產(chǎn)前規(guī)劃評價(jià)、產(chǎn)中監(jiān)測與控制、產(chǎn)后分析與銷售管理等三大部分。（2）專家系統(tǒng) （ExperterSystem，簡稱ES）。2。（3）模擬系統(tǒng)（SimulationSystem, 簡稱SS） 變量投入技術(shù)（VariableRateTreatment ，簡稱VRT）；變量投入技術(shù)VRT（Variable RateTechnology）是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是指安裝有計(jì)算機(jī)、GPS等先進(jìn)設(shè)備的農(nóng)機(jī)具，根據(jù)它所處的耕地位置自動(dòng)調(diào)節(jié)物料罐（箱）里某種農(nóng)業(yè)物料投入速率的一種技術(shù)。變量作業(yè)控制技術(shù)包括基于作業(yè)處方圖（Map-based）的 VRT和基于傳感器Sensor-based）的VRT。依據(jù)作業(yè)處方圖的變量作業(yè)技術(shù)為得到作業(yè)處方圖，首先必須全面獲取作物產(chǎn)量、土壤參數(shù)等的時(shí)空變異信息，接著還要根據(jù)植物生長模型以及氣象等環(huán)境條件，預(yù)測作業(yè)的發(fā)芽率、長勢以及養(yǎng)分需求，然后綜合上兩步的分析結(jié)果，再利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和決策支持系統(tǒng)（DDS），就可最終得到所期望的作業(yè)處方圖。由于這張?zhí)幏綀D是建立在試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上的，因此它與實(shí)際的農(nóng)田需要（例如施肥需求量）總是存在一定差異。因此，人們期望如果在條件允許的情況下，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)適時(shí)監(jiān)測作物（或土壤）的需肥量，然后適時(shí)控制機(jī)器進(jìn)行變量作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的因時(shí)、因地、按需施肥，但這后一種變量作業(yè)技術(shù)需要具備能實(shí)時(shí)監(jiān)測作物需要或土壤成分或病蟲草害分布的技術(shù)與設(shè)備，有時(shí)要達(dá)到實(shí)用程度還有一定的困難。在現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)中,變量技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物的播種、施肥、灌溉等環(huán)節(jié)。1）農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)精確農(nóng)業(yè)技術(shù)首先需要利用傳感器及監(jiān)測技術(shù)可以方便、準(zhǔn)確、及時(shí)、完整地獲得當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐谋匾獢?shù)據(jù)，再根據(jù)各因素在控制作物生長中的作用規(guī)律或其相互關(guān)系，迅速做出恰當(dāng)?shù)墓芾頉Q策，進(jìn)而控制對作物的投入或調(diào)整作業(yè)操作。因此傳感器技術(shù)起著重要的作用，特別是應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測的生物狀態(tài)、土壤結(jié)構(gòu)、氣象因素等傳感器技術(shù)是決定實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)作業(yè)的關(guān)鍵。（2）智能控制系統(tǒng)（IntelligenceControlSystem, 簡稱ICS）在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。 控制理論發(fā)展至今已有100多年的歷史，經(jīng)歷了“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”的發(fā)展階段，已進(jìn)入“大系統(tǒng)理論”和“智能控制理論”階段。（3）智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備必須具備定位導(dǎo)航、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)變量調(diào)節(jié)等功能。在耕地機(jī)械上安裝傳感器：耕地機(jī)械裝配土壤養(yǎng)分含量實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)傳感器，在耕作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可以得到土壤養(yǎng)分含量分布圖，根據(jù)具體情況進(jìn)行土壤改良。在播種機(jī)械上安裝(土壤水分/營養(yǎng)/肥料)傳感器：在播種機(jī)械采用土壤水分傳感器使種子播在水分適宜的深度，利用土壤營養(yǎng)傳感器、肥料營養(yǎng)傳感器、流量計(jì)及變量裝置建立投入肥料管理系統(tǒng)。在噴藥機(jī)上安裝傳感器：在噴藥機(jī)上安裝病蟲草害等信息采集傳感器和控制器，視病蟲草害程度變量喚灑農(nóng)藥，不僅可以減少對環(huán)境的污染，同時(shí)可以減少對人畜的危害。在灌溉設(shè)備上安裝傳感器在聯(lián)合收割機(jī)上安裝傳感器：在聯(lián)合收割機(jī)上安裝谷物產(chǎn)量、水分、溫度、機(jī)器行走速度、工作幅寬等傳感器，再與全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)設(shè)備配合，實(shí)現(xiàn)谷物收割過程的空間位置監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、儲存、計(jì)算、輸出的結(jié)合。。3。1.5精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展（1）在20世紀(jì)80年代美國提出精確農(nóng)業(yè)構(gòu)想，其間微電子技術(shù)發(fā)展推動(dòng)的智能化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展以及作物生長模擬、栽培管理、測土配方施肥等農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)構(gòu)成了精確農(nóng)業(yè)早期技術(shù)基礎(chǔ)。（2）1990年海灣戰(zhàn)爭以后，美國將GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，標(biāo)志著精確農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的初步形成。1992年4月在美國召開第一次精確農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)研討會，由明尼蘇達(dá)大學(xué)土壤系程惠賢教授指導(dǎo)下提出 PrecisionAgriculture 一詞，精確農(nóng)業(yè)這一概念逐漸被人們所接受。（3）1993～1994年，美國明尼蘇達(dá)州農(nóng)場進(jìn)行了精確農(nóng)業(yè)技術(shù)試驗(yàn)，取得了巨大的成功，用GPS指導(dǎo)施肥的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)平衡施肥作物產(chǎn)量提高 30％左右，而且減少了化肥施用總量，經(jīng)濟(jì)效益大大提高。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的試驗(yàn)成功，使得其技術(shù)思想得到了廣泛發(fā)展，小麥、玉米、大豆等作物生產(chǎn)管理都開始應(yīng)用精確農(nóng)業(yè)技術(shù)。（4）1995年美國一些地區(qū)農(nóng)場開始采用裝備了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的聯(lián)合收割機(jī)。此后，英國、德國、荷蘭、法國、加拿大、澳大利亞、巴西、日本等國家相繼開始實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。到1998年末，在美國主要農(nóng)業(yè)區(qū)，采用這項(xiàng)集成技術(shù)的農(nóng)場，包括只采用一項(xiàng)組分技術(shù)的占農(nóng)場總數(shù)的20％以上。聯(lián)邦德國農(nóng)業(yè)研究所最近在馬格德堡推出一種高精度犁，這種新型犁能根據(jù)不同土質(zhì)和地型地貌精確地進(jìn)行松土，德國農(nóng)業(yè)和土地利用研究中心特別研制了一套播種軟件，在衛(wèi)星遙測技術(shù)的配合下，這套軟件能夠精確計(jì)算出不同地點(diǎn)的播種密度，使得高精度犁更加適合于開溝播種。在日本，農(nóng)民從品種選育到不同生長期的管理都有一套嚴(yán)格規(guī)范的精細(xì)工藝，種葡萄一平方米只允許結(jié)4串，每串400克，每顆粒重12克，如此精細(xì)的種植使農(nóng)產(chǎn)品有較高的附加值。5）2000年以來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，精確農(nóng)業(yè)也進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)也取得了長足發(fā)展，但主要處于探索研究階段。應(yīng)用較少。目前，我國已有了自己的精確農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)，即以中國工程院院士汪懋華為學(xué)科帶頭人的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心，該中心已在國際國內(nèi)多種期刊和重大農(nóng)業(yè)會議上發(fā)表了數(shù)篇論文，有利地推動(dòng)了我國精細(xì)農(nóng)業(yè)理論研究發(fā)展。目前正在從事 GPS定位試驗(yàn)、谷物產(chǎn)量傳感器、土壤水分測試和水果圖像分級等方面的研究，并參與了 “北京市精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范工程 ”的實(shí)施。遼寧省用 GIS地理信息系統(tǒng)進(jìn)行下遼河平原農(nóng)業(yè)生態(tài)管理的應(yīng)用研究；國家 973項(xiàng)目“地球表面時(shí)空多變要素的定量遙感理論及應(yīng)用 ”的科研人員于2000年10月至2001年5月小麥生長期間，在北京順義地區(qū)開展大型星、 機(jī)、地一體化定量遙感綜合試驗(yàn)；一些地區(qū)已將精確農(nóng)業(yè)技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。如新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)一二七團(tuán)從1996年開始就實(shí)施精確農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，拓寬了團(tuán)場經(jīng)濟(jì)發(fā)展致富路，該團(tuán)十四連 2000年棉花總產(chǎn)達(dá) 196萬公斤，比 1999年增加60萬公斤?？梢灶A(yù)言：精確農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究與實(shí)踐，將是世紀(jì)之交農(nóng)業(yè)高新技術(shù)。4。應(yīng)用研究的“熱門”課題，并將推動(dòng)下世紀(jì)初電子信息及人工智能高新技術(shù)集成應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的高潮，引發(fā)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科技革命，值得我國科技界的高度重視 .1.6 發(fā)展精確農(nóng)業(yè)的意義（1）合理施用化肥，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)源污染精細(xì)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。（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(xì)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。（3）節(jié)本增效，省工省時(shí)，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)精細(xì)農(nóng)業(yè)采取精細(xì)播種，精細(xì)收獲技術(shù)，并將精細(xì)種子工程與精細(xì)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，精細(xì)播種比傳統(tǒng)播種增產(chǎn) 18％~30％，省工2—3個(gè)。（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?yàn)榫?xì)農(nóng)業(yè)通過采用先進(jìn)的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對農(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)果采取相應(yīng)的措施。1.7 我國發(fā)展精確農(nóng)業(yè)的必要性精確農(nóng)業(yè)為縮短我國農(nóng)業(yè)與世界發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平差距，以高科技帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了機(jī)遇目前，我國農(nóng)業(yè)正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡階段，農(nóng)業(yè)整體發(fā)展水平與世界發(fā)達(dá)國家有較大差距，其原因當(dāng)然是多方面的，但農(nóng)業(yè)科技水平低則是重要因素之一。精確農(nóng)業(yè)是一種基于知識的農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，是知識經(jīng)濟(jì)在農(nóng)業(yè)中的最好體現(xiàn)，也是農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系的主要組成部分，可以說是一次世界性農(nóng)業(yè)科技革命的歷史機(jī)遇。而歷史經(jīng)驗(yàn)表明，在開拓新的前沿科技應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，由于發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家的起跑線拉近了距離，發(fā)展中國家極有可能在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)上的跨越。因此，重視這一世界前沿科技領(lǐng)域的研究，對于加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程、占領(lǐng)未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域競爭制高點(diǎn)都具有十分重要的意義。 發(fā)展精確農(nóng)業(yè)是增強(qiáng)我國農(nóng)產(chǎn)品競爭力，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的需要我國入世后，發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的一些農(nóng)產(chǎn)品憑借其質(zhì)量和價(jià)格優(yōu)勢，將更多地進(jìn)人中國農(nóng)產(chǎn)品市場，我國農(nóng)業(yè)面臨著更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，依靠科技進(jìn)步，努力降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。。5。精確農(nóng)業(yè)是質(zhì)量效益型農(nóng)業(yè)，以優(yōu)質(zhì)高效為目標(biāo)，重視農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，追求以最少的投入獲得優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)出和高效益。如精細(xì)農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的領(lǐng)先者美國方位特性技術(shù)開發(fā)集團(tuán)公司 (簡稱SST)是精細(xì)農(nóng)業(yè)所需的地理信息系統(tǒng) (GIS)軟件的全球供應(yīng)者，其開發(fā)的最新信息技術(shù)方位特性技術(shù)采用長勢特性技術(shù)的手段，可以標(biāo)出地塊里任何一處的潛在利潤，幫助農(nóng)民在其農(nóng)田的任何部分作出最佳的管理決策，以獲取最大利潤。 發(fā)展精確農(nóng)業(yè)是我國有效利用生態(tài)資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要我國是世界上人口最多的國家，但自然資源稟賦狀況較差且惡化趨勢嚴(yán)重，如人均耕地占有量逐年下降，近10年人均占