精確農(nóng)業(yè)基本概述

...wd......wd......wd...概述1.1準確農(nóng)業(yè)的概念及核心思想準確農(nóng)業(yè)首先由美國農(nóng)業(yè)工作者于20世紀八十年代末、九十年代初倡導并實施的。概念：準確農(nóng)業(yè)〔PrecisionAgriculture，簡記PA，也可稱為精細農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)、處方農(nóng)作等等〕指的是借助3S技術、信息化技術、計算機管理決策系統(tǒng)等現(xiàn)代高新技術，掌握農(nóng)田作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素〔如土壤構造、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲害等〕在空間及時間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因并做出決策，根據(jù)時間、空間變異，定時、定位、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術與管理的系統(tǒng)。核心思想：是基于田間差異的變量投入和最大收益。1.2準確農(nóng)業(yè)的內(nèi)容1.準確種植：準確播種、準確施肥、準確灌溉、準確噴藥、準確收獲。2.設施農(nóng)業(yè)：設施園藝、準確養(yǎng)殖1.3準確農(nóng)業(yè)的一個應用實例－測土配方施肥測土配方施肥技術是指通過土壤測試，及時掌握土壤肥力狀況，按不同作物的需肥特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，實行肥料的適量配比，提高肥料養(yǎng)分利用率?！?〕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)域最正確施肥配方，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，哪些位置應該用怎樣的速率噴灑多少量的氮磷鉀等肥料?！?〕將地圖輸入進展施肥作業(yè)的拖拉機的電腦中，作業(yè)過程中，安裝在拖拉機的全球定位系統(tǒng)會隨時測出拖拉機的準確方位，然后由電腦根據(jù)數(shù)字地圖上的要求，自動控制拖拉機上的設備完成播種、施肥、灌溉和噴灑農(nóng)藥的工作。1.4準確農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)過程〔1〕獲得田間數(shù)據(jù)〔如土壤構造、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、時間、地點；〔3〕根據(jù)田間時間和空間數(shù)據(jù)做出作業(yè)處方圖；〔4〕利用相應的機器和設備來完成準確作業(yè)。1.5準確農(nóng)業(yè)的技術支撐1.5.13S技術〔1〕全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem簡稱GPS)準確種植作業(yè)的關鍵技術之一是確定作業(yè)者或機器的瞬時位置，并將此信息轉變成計算機可承受的格式，其中最好的系統(tǒng)就是GPS。但孤立的GPS接收器瞬時位置誤差可能高達100m，這已不能滿足準確種植的需要。但可采取差分修正方法。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：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，構筑種床5cm，防止噴藥重疊〔2〕地理信息系統(tǒng)(GeographiclnformationSystem簡稱GIS)GIS可比做準確農(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對這些信息進展加工處理，繪制信息電子地圖，做出決策，繪制作業(yè)執(zhí)行電子圖。再通過計算機控制器變量執(zhí)行設備，實現(xiàn)投入量或作業(yè)操作的調(diào)整?！?〕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)生不同響應的原理，識別地面上各類地物，具有遙遠感知事物的意思。也就是利用地面上空的飛機、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)及病蟲害預測等。1.5.2〔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，針對不同的應用目的，集成相應的知識和模型，給出具體的實施方案。決策支持系統(tǒng)大體可歸納為產(chǎn)前規(guī)劃評價、產(chǎn)中監(jiān)測與控制、產(chǎn)后分析與銷售管理等三大局部?！?〕專家系統(tǒng)〔ExperterSystem，簡稱ES〕〔3〕模擬系統(tǒng)〔SimulationSystem,簡稱SS〕1.5.3變量投入技術〔VariableRateTreatment，簡稱VRT〕；變量投入技術VRT〔VariableRateTechnology〕是精準農(nóng)業(yè)的關鍵技術之一，它是指安裝有計算機、GPS等先進設備的農(nóng)機具，根據(jù)它所處的耕地位置自動調(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。變量作業(yè)控制技術包括基于作業(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是建設在試驗分析根基上的，因此它與實際的農(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，應用現(xiàn)代傳感技術適時監(jiān)測作物〔或土壤〕的需肥量，然后適時控制機器進展變量作業(yè)，從而實現(xiàn)更精細的因時、因地、按需施肥，但這后一種變量作業(yè)技術需要具備能實時監(jiān)測作物需要或土壤成分或病蟲草害分布的技術與設備，有時要到達實用程度還有一定的困難。在現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)中,變量技術應用于農(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)準確農(nóng)業(yè)技術首先需要利用傳感器及監(jiān)測技術可以方便、準確、及時、完整地獲得當時當?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)律或其相互關系，迅速做出恰當?shù)墓芾頉Q策，進而控制對作物的投入或調(diào)整作業(yè)操作。因此傳感器技術起著重要的作用，特別是應用于實時檢測的生物狀態(tài)、土壤構造、氣象因素等傳感器技術是決定實現(xiàn)實時作業(yè)的關鍵。〔2〕智能控制系統(tǒng)〔IntelligenceControlSystem,簡稱ICS〕在無人干預的情況下能自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)控制目標的自動控制技術?？刂评碚撻_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〞的開展階段，已進入“大系統(tǒng)理論〞和“智能控制理論〞階段?！?〕智能化農(nóng)業(yè)機械裝備必須具備定位導航、實時監(jiān)測、自動變量調(diào)節(jié)等功能。-在耕地機械上安裝傳感器：耕地機械裝配土壤養(yǎng)分含量實時測試系統(tǒng)傳感器，在耕作時進展實時測試，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)具體情況進展土壤改進。-在播種機械上安裝(土壤水分/營養(yǎng)/肥料)傳感器：在播種機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、流量計及變量裝置建設投入肥料管理系統(tǒng)。-在噴藥機上安裝傳感器：在噴藥機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，同時可以減少對人畜的危害。-在灌溉設備上安裝傳感器-在聯(lián)合收割機上安裝傳感器：在聯(lián)合收割機上安裝谷物產(chǎn)量、水分、溫度、機器行走速度、工作幅寬等傳感器，再與全球衛(wèi)星定位導航技術設備配合，實現(xiàn)谷物收割過程的空間位置監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、儲存、計算、輸出的結合。1.5準確農(nóng)業(yè)的開展〔1〕在20世紀80年代美國提出準確農(nóng)業(yè)設想，其間微電子技術開展推動的智能化監(jiān)控技術的開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)構成了準確農(nóng)業(yè)早期技術根基?！?〕1990年海灣戰(zhàn)爭以后，美國將GPS(全球定位系統(tǒng))技術應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，標志著準確農(nóng)業(yè)技術體系的初步形成。1992年4月在美國召開第一次準確農(nóng)業(yè)學術研討會，由明尼蘇達大學土壤系程惠賢教授指導下提出PrecisionAgriculture一詞，準確農(nóng)業(yè)這一概念逐漸被人們所承受。〔3〕1993～1994年，美國明尼蘇達州農(nóng)場進展了準確農(nóng)業(yè)技術試驗，取得了巨大的成功，用GPS指導施肥的作物產(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)濟效益大大提高。精準農(nóng)業(yè)的試驗成功，使得其技術思想得到了廣泛開展，小麥、玉米、大豆等作物生產(chǎn)管理都開場應用準確農(nóng)業(yè)技術。〔4〕1995年美國一些地區(qū)農(nóng)場開場采用裝備了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的聯(lián)合收割機。此后，英國、德國、荷蘭、法國、加拿大、澳大利亞、巴西、日本等國家相繼開場實施精準農(nóng)業(yè)。到1998年末，在美國主要農(nóng)業(yè)區(qū)，采用這項集成技術的農(nóng)場，包括只采用一項組分技術的占農(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)和地型地貌準確地進展松土，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)星遙測技術的配合下，這套軟件能夠準確計算出不同地點的播種密度，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格標準的精細工藝，種葡萄一平方米只允許結4串，每串400克，每顆粒重12克，如此精細的種植使農(nóng)產(chǎn)品有較高的附加值?！?〕2000年以來，隨著網(wǎng)絡技術、信息技術的開展，準確農(nóng)業(yè)也進入了飛速開展階段，國外興旺國家已經(jīng)有了廣泛應用。國內(nèi)也取得了長足開展，但主要處于探索研究階段。應用較少。目前，我國已有了自己的準確農(nóng)業(yè)研究機構，即以中國工程院院士汪懋華為學科帶頭人的中國農(nóng)業(yè)大學精細農(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，有利地推動了我國精細農(nóng)業(yè)理論研究開展。目前正在從事GPS定位試驗、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“北京市精準農(nóng)業(yè)示范工程〞的實施。遼寧省用GIS地理信息系統(tǒng)進展下遼河平原農(nóng)業(yè)生態(tài)管理的應用研究；國家973工程“地球外表時空多變要素的定量遙感理論及應用〞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、地一體化定量遙感綜合試驗；一些地區(qū)已將準確農(nóng)業(yè)技術引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐并取得了可觀的經(jīng)濟效益。如新疆生產(chǎn)建設兵團一二七團從1996年開場就實施準確農(nóng)業(yè)技術措施，拓寬了團場經(jīng)濟開展致富路，該團十四連2000年棉花總產(chǎn)達196萬公斤，比1999年增加60萬公斤。可以預言：準確農(nóng)業(yè)技術的研究與實踐，將是世紀之交農(nóng)業(yè)高新技術應用研究的“熱門〞課題，并將推動下世紀初電子信息及人工智能高新技術集成應用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的高潮，引發(fā)農(nóng)業(yè)可持續(xù)開展的科技革命，值得我國科技界的高度重視.1.6開展準確農(nóng)業(yè)的意義〔1〕合理施用化肥，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)源污染精細農(nóng)業(yè)采用因土、因作物、因時全面平衡施肥，徹底扭轉傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中因經(jīng)歷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?！?〕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，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，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，并將精細種子工程與精細播種技術有機地結合起來，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)18％~30％，省工2—3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，對農(nóng)作物的生產(chǎn)過程進展動態(tài)監(jiān)測和控制，并根據(jù)其結果采取相應的措施。1.7我國開展準確農(nóng)業(yè)的必要性1.7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)整體開展水平與世界興旺國家有較大差距，其原因當然是多方面的，但農(nóng)業(yè)科技水平低則是重要因素之一。準確農(nóng)業(yè)是一種基于知識的農(nóng)業(yè)技術體系，是知識經(jīng)濟在農(nóng)業(yè)中的最好表達，也是農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系的主要組成局部，可以說是一次世界性農(nóng)業(yè)科技革命的歷史機遇。而歷史經(jīng)歷說明，在開拓新的前沿科技應用領域時，由于興旺國家和一些開展中國家的起跑線拉近了距離，開展中國家極有可能在某些領域?qū)崿F(xiàn)技術上的跨越。因此，重視這一世界前沿科技領域的研究，對于加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程、占領未來農(nóng)業(yè)領域競爭制高點都具有十分重要的意義。1.7我國入世后，興旺國家和地區(qū)的一些農(nóng)產(chǎn)品憑借其質(zhì)量和價格優(yōu)勢，將更多地進人中國農(nóng)產(chǎn)品市場，我國農(nóng)業(yè)面臨著更嚴峻的考驗，依靠科技進步，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)開展的當務之急。準確農(nóng)業(yè)是質(zhì)量效益型農(nóng)業(yè)，以優(yōu)質(zhì)高效為目標，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。如精細農(nóng)業(yè)研究領域的領先者美國方位特性技術開發(fā)集團公司(簡稱SST)是精細農(nóng)業(yè)所需的地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件的全球供給者，其開發(fā)的最新信息技術方位特性技術采用長勢特性技術的手段，可以標出地塊里任何一處的潛在利潤，幫助農(nóng)民在其農(nóng)田的任何局部作出最正確的管理決策，以獲取最大利潤。1.7