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行管理。但實際上，人們早已認識到，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，再逐步按時空變化蔓延的。,,上世紀初期，科學家就研究報告過作物產(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C.M. Linsley和F.C. Bauer 發(fā)表文章勸告農(nóng)戶應繪制自己田區(qū)內(nèi)的土壤酸度分布圖和按小區(qū)需求使用石灰。此后，一直都有關于農(nóng)田土壤和收獲量空間變異性研究的報道。田區(qū)內(nèi)作物產(chǎn)量及其因子明顯的時空分布差異性，預示了農(nóng)田資源利用存在

3、的巨大潛力。,,上世紀八十年代末，歐美一些發(fā)達國家為了醫(yī)治資源危機、能源危機、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)當時當?shù)販y定的作物實際需要確定對作物的投入。,,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。公害嚴重：大量化肥、殺蟲劑、殺菌劑、除草劑的施用，嚴重污染了土壤、大氣、水源和食品，產(chǎn)生了嚴重的公害。,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，破壞了土壤結構，酸度增大，出現(xiàn)板結現(xiàn)象。能量報酬低：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。每消耗一個單位能量的礦物燃料，只能得到1/5的回報。,,現(xiàn)代農(nóng)學技術與電子信息技術的發(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，實施基于知識和現(xiàn)代科技的分布式調(diào)控，達到田區(qū)內(nèi)資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經(jīng)濟產(chǎn)量成為可能。,,,,,,,隨著人們環(huán)境保護意識的日益增強，將可持續(xù)的觀念擴展到農(nóng)業(yè)

6、領域，日益為世人所接受；GPS、GIS、RS、AI等高新技術的產(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基礎。,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問題有： (1)動態(tài)施肥機械技術； (2)土壤定位技術； (3)土壤單元的變量確定技術；(4)土壤肥力空間類型圖的問題。這些早期的技術難題隨著計算機硬件技術、全球定位衛(wèi)星、地理信息系統(tǒng)軟件等技術的發(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)信息技術應

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（IT）組成的傳統(tǒng)方式（準備和初級階段）；(2)管理信息系統(tǒng)（MIS）、專家咨詢系統(tǒng)（ES）和簡單機械化為主的類型(初步階段)；(3)空間信息技術的充分應用和全面自動化處理類型（基本實現(xiàn)階段），包括自動數(shù)據(jù)收集、集成MIS/DSS等技術支持系統(tǒng)。,,尤其是在海灣戰(zhàn)爭后，GPS技術的民用化，使得在許多國民經(jīng)濟領域的應用研究獲得迅速發(fā)展，也推動了“精

8、確農(nóng)業(yè)”技術體系的廣泛實踐。 今天，精確農(nóng)業(yè)技術得到飛速發(fā)展并已在北美、歐洲和澳大利亞等獲得成功應用，主要包括施肥、播種、耕作和水分管理等相關領域，以在施肥上的應用最為成熟。基于遙感產(chǎn)業(yè)對精確農(nóng)業(yè)的商業(yè)興趣，一系列對地觀察衛(wèi)星在近幾年進行了發(fā)射，到目前已有40多顆這樣的衛(wèi)星提供服務，這類衛(wèi)星采集的全色圖像，空間分辨率達1-3ｍ。可變量施用器VRA在一些發(fā)達國家的使用引起了人們極大的興趣。,,機器的設計者借助于3S等技術獲

9、取田間信息(包括土壤參數(shù)和病蟲害等情況),同時機器自動控制農(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)濟效益。另一種稱為實時閉路循環(huán)系統(tǒng)機器,盡可能地擺脫了對3S技術的依賴,田間信息直接由安在施用器上的探測設備獲取,立即對數(shù)據(jù)進行分析并自動控制農(nóng)藥、化肥和種子的施入量。這種機器很好地保證了所測田間信息與所采取技術措施在地點上的一致性。隨著技術的不斷進步,特別是農(nóng)田土壤、作物苗情、病蟲草害信息實時快速采集技術的突破,農(nóng)業(yè)精確操作

10、也將愈益精細化。,,我國農(nóng)業(yè)具有精耕細作的優(yōu)良傳統(tǒng)。精耕細作就十分注意因時、因地、因作物制宜,了解作物生長與環(huán)境的關系。在農(nóng)業(yè)資源利用方面,我國農(nóng)業(yè)在精耕細作、多層次利用、生態(tài)農(nóng)業(yè)等高效利用農(nóng)業(yè)資源方面獨樹一幟。各地已總結出許多具有區(qū)域特色的耕作技術和農(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)、有機物還田等等。其技術在提高我國光能、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、復混肥技術)、植保、水土保持(如坡地農(nóng)業(yè))等方面的先進技術和措施已在研究或部分應用之中,農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測技術也取得了較大的進展,遙感與地理信息系統(tǒng)技術成功地應用于作物長勢、種植面積、產(chǎn)量、災害、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)、實時專家系統(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，為農(nóng)業(yè)決策部

12、門提供生產(chǎn)形勢和對策分析服務方面發(fā)揮著日益重要的作用。我國農(nóng)業(yè)信息化建設正在邁出重要的一步。我國從20世紀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)的應用研究。1991年，北京市政府撥款組成了“GPS導航技術在農(nóng)業(yè)飛防中的應用研究”課題組。1995年，進行了為期5天的133萬hm2小麥衛(wèi)星導航飛防滅蚜，采用先進的實時差分衛(wèi)星定位導航(DGPS)技術，通過裝在地面和飛機上的衛(wèi)星信號

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)是運用現(xiàn)代信息技術獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結構、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。,,精確農(nóng)業(yè)基本技術思想,,實施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器

14、的聯(lián)合收獲機自動采集田間定位及對應小區(qū)平均產(chǎn)量數(shù)據(jù) → 通過計算機處理，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的處方農(nóng)業(yè)機械按小區(qū)實施目標投入和精確農(nóng)作管理。實行精確農(nóng)業(yè)技術可提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染。（在減

15、少投入的情況下）,,國外應用情況,以色列目前實控面積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，僅相當于我國的1/8。從上世紀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，尤其是大力推動農(nóng)業(yè)科技研究與科技創(chuàng)新。顯然，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的現(xiàn)實意義。被認為是21世紀農(nóng)業(yè)在信息社會發(fā)展必然結果的精確農(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（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

17、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，精確農(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),精確農(nóng)業(yè)采取精確播種，精確收獲技術，并將精確種子

18、工程與精確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，精確播種比傳統(tǒng)播種增產(chǎn)18％~30％，省工2—3個。,,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)通過采用先進的現(xiàn)代化高新技術，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)其結果采用相應的措施從而保證農(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，其最大的特點是以高新技術和科學管理換取對自然資源的最大節(jié)約。它是一項綜合性

19、很強的系統(tǒng)工程，是農(nóng)業(yè)實現(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？,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、實時傳感器等手段

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)，通過預先存儲在計算機的專家系統(tǒng)，得到對每一小區(qū)域間不同的對策，再通過變量執(zhí)行機構實現(xiàn)這些對策，以求最佳效果最低代價。,3 精確農(nóng)業(yè)的技術體系,,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)作機械裝備技術,精確農(nóng)業(yè)的技術體系,,3.1全球定位系統(tǒng),精確農(nóng)業(yè)作業(yè)的關鍵技術之一

21、是確定作業(yè)者或機器的瞬時位置，并將此信息轉(zhuǎn)變成計算機可接受的格式，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行的24顆地球衛(wèi)星，其軌道參數(shù)和時鐘，由設于世界各大洲的五個地面監(jiān)測站和設于其本土的一個地面控制站進行監(jiān)測和控制。使得在近地曠野的GPS接收機在晝夜任何時間、任何氣象條件下最少能接受到4顆以上衛(wèi)星的信號，通過測量每一衛(wèi)星發(fā)出的信號到達接收機的傳輸時間，即可計算出接收機所在的

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，即可解算出用戶所在的3維位置（經(jīng)度、緯度和海拔高度）等定位信息和定時信息，并將此信息轉(zhuǎn)換成計算機可接受的格式。GPS有兩種接收模式：單一接收模式（single receiver mode）及用兩個接收器的差動接收模式（differential mode），單一接收模式接收是最方便、最廉價的接收方式，但瞬時位置誤差高達100m，無法滿足精細農(nóng)業(yè)的需要。因此，為了提高GPS接收機的定位精

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GPS接收機安放在位置已精確確定的基準站上，將這臺接收機接收的偽距觀測值與經(jīng)過計算得到精確距離值相比較，以求得GPS接收機在某一時刻的偽距修正值。再將此修正值通過無線電臺（稱為差分臺）發(fā)播出去。飛機上的GPS接收機接收到來自差分臺的修正信號，用該偽距修正信號對其觀測值進行修正，從而可以提高定位精度。差分GPS（DGPS）精度可達1ｍ。,,用一臺便攜式差

24、動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，構筑種床5cm，避免噴藥重疊10cm，一臺便攜式DGPS接收器的價格大約為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，在計算機軟、硬件的支持下，對有關空間數(shù)據(jù)按地理坐標或空間位置進行預處理、輸入、存

25、貯、查詢、檢索、運算、分析、顯示、更新和提供應用、研究，并處理各種空間實體及空間關系為主的技術系統(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對這些信息進行加工處理，繪制信息電子地圖，做出決策，繪制作業(yè)執(zhí)行電子圖。再通過計算機控制器控制變量執(zhí)行設備，實現(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支持。近30多年來，RS技術在大面積作物產(chǎn)量預測，農(nóng)情宏觀預報等方面作出了重要貢獻。由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)目前尚達不到必要的空間分辨率和提供滿足農(nóng)作需要的實時性，目前還未大量用于作物生產(chǎn)的精確管理。但遙感技術領域積累起來的農(nóng)田和作物多光譜圖像信息處理及成像技術、傳感技術和作物生產(chǎn)管理需求密切相關。RS獲得的時間序列圖像，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)田作物生長的時空變異性的信息，在同一季節(jié)中不同時間采集的圖像，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,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，是實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的重要基礎。目前田間信息快速采集技術的研究遠遠落后于支持精確農(nóng)作的其它技術發(fā)展，已成為國際上眾多單位攻關研究的重要課題。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、基于近紅外技術通過間接葉面反射光譜特性

28、進行農(nóng)田氮肥肥力水平快速評估儀、基于電磁場測量土壤電導率用于評價土層深度分布圖的儀器等。在實踐精確農(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。,,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；支持模型計算的算法庫；提供作物生產(chǎn)管理知識和經(jīng)驗

29、的知識庫以及提供決策者參與的人機友好接口。,,3.6 智能化處方農(nóng)作機械裝備技術,目前支持精確農(nóng)業(yè)的主要農(nóng)機裝備包括帶產(chǎn)量圖自動生成的作物聯(lián)合收獲機和實施按處方圖進行農(nóng)田投入調(diào)控的智能化農(nóng)業(yè)機械, 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；可自動選擇調(diào)控多種化肥配比的自動定位施肥機和自控噴藥機；可分別控制噴水量的定位噴灌機等，這些機械均已有商品化產(chǎn)品，并在繼續(xù)完善。,,,精確農(nóng)業(yè)技術體系圖

30、,裝備有 GPS 的施肥機,精確變量噴藥機,精確變量噴藥機,精密播種機示意圖,變量播種機,,? 人工很昂貴 $7.25 / 小時 折合￥49.5 / 小時? 重復而又無聊!,,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)學技術和電子信息技術結合的產(chǎn)物，它所提供的技術思想和思維方式，使人們對作物生產(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，它將預示著一場新的農(nóng)業(yè)技術革命。精確農(nóng)業(yè)被

31、列為二十一世紀對人類生產(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。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)達國家發(fā)展十分迅速，其應用已涉及到施肥、播種、耕作、水分管理等相關領域。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，每天駕駛飛機在農(nóng)田里工作，飛機上裝有一臺微型電腦，從電腦屏幕上他可以看到700公頃的玉米地和大豆地。波特打算再在飛機上

32、加裝一部價值3000美元的接收器，從而可使他在農(nóng)田工作時接收衛(wèi)星定位信號，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，會計算出他的農(nóng)田所需的肥料數(shù)量，并據(jù)此自動施肥，避免了不必要的浪費。實際上，像波特這樣的農(nóng)民在美國有成千上萬個。將全球衛(wèi)星定位技術用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，主要是針對農(nóng)田因土壤肥力等因素的差異，而對種子、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）計劃，發(fā)射小衛(wèi)星系列，以監(jiān)測農(nóng)業(yè)過程，對農(nóng)業(yè)提供信息服務。該計劃將采用6個載有16個波段、分辨率為10m的高光譜遙感衛(wèi)星，以獲得3-4天重復周期的農(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，再裝上一臺熱紅外掃描儀以獲取地表溫度等信息。該計劃通過廣域網(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

34、采取措施。,,總部設在波士頓的TASC/WSI公司對數(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)絡服務，每畝費用約20美分。利用小型機載Kodak DC460 CCD ff機加上GPS和IMU像移補償裝置，進行全色、彩色和彩紅外攝影。CCD相機為3K×2K尺寸，f=28mm。像素為9μm。每次飛行3.5小時，達到300公頃面積，經(jīng)48小時加工后將成品用CD-ROM形式向農(nóng)民提供（

35、幾何精度為0.2-1.0m）。農(nóng)業(yè)技術員和土壤員通過實地抽樣調(diào)查得到征兆圖，供采取對策和行動使用。目前已在美國多個農(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)服務的公司的名字，計劃發(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，再結合GIS技術提出診斷結果圖，最后根據(jù)決策支持系統(tǒng)制定行動方案圖，農(nóng)場主將依據(jù)這些方案運用GIS與GPS作出行動。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)技術在施肥上的應用最為成熟。在美國和加拿大的大型農(nóng)場上，農(nóng)場

37、主在農(nóng)業(yè)技術人員的指導下，應用GPS取樣器將田塊按坐標取樣，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。應用GPS和GIS技術，作成該地塊的地形圖、土壤圖、各年的土壤養(yǎng)分圖等。同時在聯(lián)合收獲機上裝上GPS接收器和產(chǎn)量測定儀，在收獲的同時每隔1.2秒GPS定點一次，同時記載當時當?shù)氐漠a(chǎn)量。然后用GIS作成當季產(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，調(diào)用數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有有關資料進行分析，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)移到施肥機具上，指揮變量平衡施肥。變量施肥機有用傳統(tǒng)的施肥機改裝的一次作業(yè)施一種肥料的簡易型和新研制的大型多種肥料同時變量施肥的機具兩種類型。,,,地形圖,發(fā)達國家在大型拖拉機上配置GPS進行耕作已較普遍，如英國夏

39、托斯農(nóng)場在聯(lián)合收割機上裝的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，就可以產(chǎn)生當季準確的產(chǎn)量分布圖。國際上幾個大型的農(nóng)機制造企業(yè)相繼生產(chǎn)出帶有GPS定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器的收割機與其它支持精細農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化農(nóng)業(yè)機械，并研制開發(fā)了相應的信息處理系統(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。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，實行精確農(nóng)業(yè)，潛力巨大。,,我國從20世紀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)的應用

42、研究，90年代部分成果達到應用水平。中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所應用遙感和地理信息技術建立的“中國北方草地草畜平衡動態(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年運轉(zhuǎn)，節(jié)約經(jīng)費1669萬元。,,1996年，“863”計劃批準了北京農(nóng)林科學院、吉林大學和長春市農(nóng)科院、中科院合肥智能所分別承擔小麥、玉米、水稻3種作物的智能化農(nóng)業(yè)信息技術應用示范工程，并相應在北京市、吉林省、安徽省、云南省建立4個國家級智

43、能化農(nóng)業(yè)信息技術應用示范區(qū)，取得了明顯的經(jīng)濟效益。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，進入農(nóng)家，對于提高農(nóng)民素質(zhì)，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是貧困地區(qū)的農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。,,北京精細農(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)生物技術又熟悉計算機技術和信息技術的專家；信息標準不統(tǒng)一，我國計算機農(nóng)業(yè)應用信息管理目前還沒有完全做到標準化；三是技術不成熟。我國計算機農(nóng)業(yè)應用

44、專家系統(tǒng)的知識表述、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)用實時控制處理開發(fā)成果少，應用范圍窄，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，全面實施精確農(nóng)業(yè)這一新的技術體系還不現(xiàn)實，但啟動精確農(nóng)業(yè)技術的示范與實踐研究，將有利于推動我國作物生產(chǎn)的知識化與信息化進程。另外在作物栽培的局部環(huán)節(jié)引進精確農(nóng)作技術思想，進行精確化管理，也具有非常重要的意義

45、。,,社會經(jīng)濟方面 技術方面 農(nóng)藝方面,,社會經(jīng)濟方面,采用精確農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟回報將是阻礙其技術思想傳播和廣泛應用面臨的挑戰(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)機械作業(yè)與智能化技術成本之間的矛盾；當?shù)貤l件下實施精確農(nóng)業(yè)的效益問題。 精確農(nóng)業(yè)要求的相關知識、技能和人才從事農(nóng)業(yè)方式仍是傳統(tǒng)方法，改變觀念 對操作人員要求高，要求接受大學、大?；?qū)ｉT教育,,技術方

46、面問題,智能機械傳感器全球定位系統(tǒng)軟件遙感,精確農(nóng)業(yè)是一個從田間信息獲取、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施變量處方投入 不完整的或錯誤數(shù)據(jù)（如產(chǎn)量圖） 缺少的權威的農(nóng)業(yè)咨詢機構 使用新技術，采樣等數(shù)據(jù)管理與分析田間試驗, ……,,吉林省實施精確農(nóng)業(yè)——分步進行,當前基本現(xiàn)狀:生產(chǎn)方式 沒有完全實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化

47、，沒有能夠?qū)崿F(xiàn)變量投入的農(nóng)業(yè)機械。 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)實行家庭經(jīng)營小生產(chǎn)方式。勞動力水平 老年人、婦女務農(nóng)，青壯年人進城工作。生產(chǎn)力水平 平均收入較低，無力購買。在我省實施精確農(nóng)業(yè)還不能一步到位，以分步實施為宜。,吉林省采取分步實施精確農(nóng)業(yè)設想,第一步，采取手控變量投入技術。,完成實施項目：“手動變量深施肥機的研制”,第二步，將3S技術和智能化機具結合實現(xiàn)自動變量投入作業(yè)。,完成項目

48、： “精確農(nóng)業(yè)變量施肥技術研究”和“機械化精確施肥技術示范”子項。研制出具有自主知識產(chǎn)權的自動變量施肥播種機并進行試驗示范。,第三步，開發(fā)無GPS定位的變量施肥機的定位系統(tǒng),完成項目吉林省科技發(fā)展計劃項目“精準農(nóng)業(yè)（玉米）生產(chǎn)只能決策系統(tǒng)與裝備的研究”。申請專利“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,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)的支撐技術主要有哪些？探