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“精准农业”在黑龙江农垦农业生产的应用系列讲座收藏

“精准农业”在黑龙江农垦农业生产的应用系列讲座
王智敏 教授
黑龙江八一农垦大学工程学院
“精准农业”技术是农业工作者近来谈论较多的热门话题，也是黑龙江农垦面向21世纪现代化农业技术发展趋势。在发展、应用这项技术之前，应对如下问题有所了解：
● 是否决定采用“精准农业”技术措施；
● 采用“精准农业”技术措施该从何做起；
● “精准农业”技术需要那些硬件设备；
● 如何利用软件处理有关信息；
● 建立一个完善的“精准农业”技术体系需要多长时间。
对以上问题的正确回答，只有通过对“精准农业”技术、效益和局限性的全面了解，才能作出恰当的选择。为使广大农垦农业工作者和读者了解，在黑龙江农垦能发展应用“精准农业”技术，作者将在“现代化农业”杂志上进行系列介绍，供广大读者参考。
第一讲 概述“精准农业”技术
“精准农业”这个技术术语，在言谈、文章中使用越来越频繁，不同人对其有不同的理解。简单的一种说法是精耕细作、准确定位的进行农业生产操作、管理的现代农业技术。“精准农业”技术是在定位的基础上，根据土壤特性和作物生长发育需要，管理每一项作物生产的各种物资投放─肥料、除莠剂、杀虫剂、种子等，为**大限度的发挥产量潜力，做到即满足作物生产的要求，又减少浪费，增加利润，同时，保护生态环境质量。“精准农业”是应用高新技术和设备，通过卫星定位系统，电子技术和传感器技术以及高级软件，处理农田条件及作物生长所需，进行应用农业物资的投放和管理。
“精准农业”技术实施的管理目标，是管理小块农田，也就是把大块农田分为若干较小面积单位，作为分开管理单元。在管理单元的一小块农田中具有基本相同的土壤和作物生长特性，依此作为农业物资投放的决策依据，制定农业生产管理措施，使用先进的农业机械自动控制进行田间作业。农业物资（种子、化肥、农药等）在田间投放必须考虑如下因素：
●适时投放，即何时应该投放何种农用物资；
●适量投放，依据土壤和作物特性，进行适量投放，即满足要求，又不浪费物资。每个
管理单元投量基本是常数，但是，作为大块农田就可能有较大差异性，因此，就大块田地来说又是变量投放，做到适时变量调节，适量投放农用物资。
●定位投放，投放物资位置要正确。我们祖先在管理的小块农田，进行精耕细作时，可
以通过良好记忆，进行农用物资定位投放是可以做到。但是，现在进行大面积农田生产作业时，必须依靠先进测量仪器设备和先进农业机械，实现定位测量和投放物资。比较理想的定位方式是采用全球卫星定位系统，确定投放地空间位置，利用先进的农业机械，进行距离和深度的定位投放物资。
实施“精准农业”的目的是要获取**佳效益，是要在不增加工作量、风险和成本的基础上增加收入，或者在增加投入后，获取更大的经济效益，保持良好环境。在大块的农田中，如果收获产量差异越大，说明地块产量潜力较大，增益效果可能越显著，否则增益效果不大。一块农田如果收获产量差异不大，说明土壤和作物特性差异很小，均匀投放物资可以收到同样利润，没有必要投资再搞“精准农业”。如果一块农田的收获产量差异较大，说明增加收入有潜力，可以投资实施“精准农业”技术。“精准农业”的潜力表现在：同样水平的投入，简单的再分配情况下，获取比较大的经济收益；或者减少投入的情况下，获取相同的收益或较大的收益。
“精准农业”中应用核心技术是定位系统、产量监测及绘制产量图、土壤化验分析、利用高级软件处理信息、决策农业技术措施、农业机械在定位的基础上进行变量调节和操作等。全球定位系统是用于“精准农业”技术措施的全过程，数据采集、农业技术措施的制定等都与定位联系一起；实施“精准农业”第一步是产量监测及绘制产量图，是以产量图分析差异，优化作物管理措施；其次是土壤化验分析，处理从农田中采集的定点数据，挖掘提高产量潜力；然后，应用高级软件处理所取信息，进行管理和分析来自不同资源的数据，从数据管理和分析中，决策农业措施，作为农业机械操作和调节的基础；**后，使用带有定位和自动控制装置的农业机械实现定位、变量投放物资自动控制操作。
经过多年的循环操作，不断取得数据，进行分析，修正决策，确定**佳的农业生产管理措施及其物料投放方案，即获得**佳经济效益，又保护好环境质量。这个过程一般需要经过5年以上的实践，逐渐形成**佳的“精准农业”体系，在实施过程中不断总结经验教训，改进、完善农业措施，真正做到优质、高效益，使黑龙江农垦农业生产快速、稳定地持续发展。
第二讲 全球卫星定位系统在“精准农业”中的应用
定位系统是识别和记录一个物体或人的位置的一种方法。地面定位系统是实施“精准农业 ”的基础，可帮助农民准确的识别和记录农田中 拖拉机、 联合收割机、田间调察装备或车辆的位置。地面定位方法较多，其中之一是全球卫星定位系统的应用，由于全球卫星定位系统的民用，使“精准农业”的实施才变成现实。目前，美国（GPS）和俄罗斯（GLONASS）两个国家建立了卫星地面定位系统，都是处于军事目的研究建立的，能决定世界上陆地、海上、空中任何地方的某一个位置。两个系统是相当类似的。
“GPS”全球卫星定位系统，是美国国防部研究建立的一代全球卫星导航系统，始于是20世纪80年代初期，是24小时全球定位系统。起初是用于海军导航，现已向民用开放，用于工业、商业或民用。这套设备能在任何天气情况下，全天24小时自由使用。GPS能使陆地、海上和空中运输更加安全和有效，它地可靠精度对“精准农业”更为适用。
GPS系统的卫星发出的电波（时间、位置）讯号，在向地面传送过程由于某些原因，将造成电波信号传递中的误差，使得定位精度不高。民用接收器定位精度在100米以上，这对“精准农业“操作是不够的，我们必须修正地面定位精度，这种方法叫做差别校正。使用差别校正技术改变GPS传递过程的误差，就是差别纠正全球卫星定位系统（DGPS）。
差别校正是采用位于地球已知位置上静止的GPS接收器，常称为基地。基地接收器是一个高质量的能跟踪全部可视卫星，且有一定计算能力的GPS接收器，当基地接收器接收到可见卫星信息，经过计算得出一个距离误差，也称为差别校正距离。差别校正是基地接收每个可见卫星信号计算得到的，利用无线电信号发给附近地区移动目标的差分接收器（DGPS），就可以实时修正该GPS接收器所接收卫星的数据，消除了GPS系统误差，改变了移动接收器的位置精度。
使用DGPS操作系统，移动GPS接收器与基地接收器必须在同一时间接收同一颗卫的信号。卫星不断的运动，基地测定的差别校正信息也总是变化的，因此，计算得出的差别校正信息必须即时记录，以备后用。同时，要将差别校正信息立即用无线电发出到移动目标DGPS接收器，做到及时修正定位。
实时DGPS的差别校正信息传递有多种方式，可根据当地具体情况选用，黑龙江农垦用基地无线电台发射信号，建立地面纠偏站，较为合适。
基地GPS接收器收到可见卫星信号，经过计算得出的差别校正信息，利用基地无线电台及时将差别校正信息传播给移动目标的DGPS接收器，对移动目标的位置进行修正，确定移动目标的确切位置。DGPS在“精准农业”中是全过程使用的，是实施“精准农业”的基础，主要用于定位和导航两个方面。
DGPS的定位功能用于：绘制地形图、产量图、田间管理调查、土壤取样等；绘制地形图时，农民带着便携式DGPS接收器和手提式计算机等设备，沿田边走过或开车走过，农田边界数据记录在计算机内，数据经过处理可在计算机屏幕显示地形图；绘制收获产量图时，标注出与产量相一致的地理位置；田间管理调查时，用地形图和带着便携式DGPS接收器，进行检查虫害、病害、杂草等情况时，用DGPS记录相应的地理位置；土壤取样时，在拖拉机上装有DGPS接收器，利用带有DGPS的计算机显示地形图，识别取样点的地理位置，当拖拉机到达取样点，绕机器周围取几个点的土样，并装入标出相应地理位置的土壤代中，带回到土壤化验室进行化验分析。
DGPS定位系统的导航功能：主要应用于农业机械田间作业和管理的导航，定位系统与田间管理措施决策系统结合，制定自动控制程序，用于农业机械田间作业时导航、自动控制农业机械进行变量调节投放物料。
总之，DGPS是实现“精准农业”不可少的定位、导航系统，DGPS的定位精度在1米之内，可以满足“精准农业”要求。
第三讲 谷物产量监测及绘制产量图
谷物产量是表明农民经济收益的重要标志，测量谷物产量也是实施“精准农业”的基础工作。对地块内谷物产量差异影响的分析，从中找出发挥谷物产量潜力的有效农业措施，实施“精准农业”是从这里开始。比较谷物产量差异有不同的衡量单位标准，我们常用总局级、分局级、农场级、连队级、地块级等等，“精准农业”是以地块内的谷物产量差异进行比较，可称之地块内级，地块内不同位置由于肥力不同等因素，可能造成产量差异较大，说明地块具有更大的产量潜力。
过去农场提出的进行“测产施肥”，计算产量多以地块的平均产量来衡量水平高低，以此为根据挖掘产量潜力，实施化肥也是地块平均投入，那么在地块内已经获得高产量的位置，肥料可能过剩，造成经济损失，由于多余的化肥流失，又污染环境；而在产量低的位置，可能发生肥料缺少，肥力不足，影响产量潜力的发挥，减少经济收入。如果把测量谷物产量的计算单位精确到平方米，进行瞬时产量监测，就更接近作物生长实际。以此为据，按着作物生长发育需要进行施肥，即满足要求又减少浪费，增加收入，避免污染环境。这种做法称做“测产施肥”更为准确。提高谷物产量测量精度的同时，必须记录相应的地理位置，为下一步作业提供可重复的位置依据。测量谷物产量不实施“精准农业”的主要目的，主要目的是创**佳经济效益。通过测量谷物产量，挖掘产量潜力，采取有效农业措施，创**佳经济效益，保护环境，使农业可持续发展。
瞬时测产时是在定位的条件下对谷物流量、含水量、机器行走速度、工作幅宽、机器的地理位置进行测量和显示，并做记录以备后用。
测定瞬时测产时使用的主要设备包括：与谷物联合收割机型号匹配的谷物产量监测器、流量传感器、湿度传感器、速度传感器、割幅传感器、DGPS接收器等。谷物产量监测器具有记录、计算、显示功能。能储存田间采集的资料数据，计算并显示平均产量、总产量、作业面积、谷物含水量等。
产量监测作业时，带有DGPS系统和产量监测装置的谷物联合收割机进行收割作业，将有关数据处理采集储存、计算、显示，每天作业结束，驾驶员从监测器中取出数据卡。数据卡通过转换器与计算机连接，应用高级软件就可以对采集的数据进行处理。经过计算机处理绘制产量图或产量表格，作为制定农业生产措施的依据。
产量图是连续地记录进入谷物联合收割机粮箱内的谷物流量，同时与地块中的实际收获位置相结合的地块产量图，在图上以不同颜色显示不同的产量值，从不同颜色分布可以看出产量差异。在产量表格上可以看出经度、纬度、产量、含水量等一系列数据。
对取得的数据资料进行分析处理，找出产量潜力。分析的基本方法是：第一步根据经验和历史纪录进行分析，如往年的病虫害、内外涝情、气候条件、自然灾害等因素对产量的影响；第二步进行田间土壤物理特性和化学特性进行分析。经过综合分析后，找出影响产量差异原因及产量潜力，利用已有的经验、资料找出发挥产量潜力的因素，制定农业管理技术措施，作为下一个农业生产层序的开始。
“精准农业”的全过程的第一步是改进作物栽培技术措施，发挥产量潜力，争取收益达到**大。第二步是收益的**佳化，有了产量潜力的分析，制定响应措施，经过几年实践，找出产量发展趋势的规律，进行产量预测，提出决策措施，进行投入试验，在试验中进行微量调节，找出**佳的经济效益农业管理措施，形成完善的“精准农业”技术措施。
第四讲 土壤取样化验与分析
实施“精准农业”技术基础准备工作，除了产量监测和绘制产量图外，另一项重要工作就是土壤化验与分析。目前，土壤化验方法还是采用田间定位取样到化验室进行化验。土壤化验与分析的目的是找出土壤肥力与生产目标潜力之间的关系，找出土壤性质与作物产量的关系，挖掘作物生长**大潜力。
土壤化验与分析内容包括：土壤肥力、土壤类型及其他因素。土壤肥力要化验氮、磷、钾的含量；副营养物质钙、镁、硫的含量；微量元素硼、氯、铜、铁、锰、钼、锌等含量；土壤类型分析；土壤PH值的测定；土壤其它因素的测定分析，如：有机质含量、土壤中含砂量和粘土含量、土壤结构密度和多孔性、地块坡度和地形、排水性能和排灌系统、耕层深度、耕作制度等等。对化验结果与产量测定联系一起进行全面、综合分析，找出影响产量潜力的因素，为制定农业技术措施提供科学数据依据。要求土壤取样分析数据必须准确，否则“精准农业”就没有实际意义。
取样间隔时间视具体情况确定，应考虑土壤类型、土壤营养水平、灌溉条件、轮作制度等等，如果土壤肥力水平高，取样间隔时间可长一些，如果土壤肥力水平低，每2年应取样化验一次。在每年的春、秋季取样为好，夏季土壤状况变化大，不易取样化验。每年取样应在几日内完成，而且每年都在同一季节内取样。每次取样位置应相同，进行连续性分析，找出变化规律。不同耕作制度的取样方法不同，犁耕地，在耕层取样；免翻地分层取样。为使取样具有准确的代表性，取样应避免在地边、靠近沙石公路旁、狭窄的地带取样。
土壤取样时必须定位取样，取样方法可视情况而定。取样程序大致如下：
● 准备取土样工具和容器；
● 定点取样，装袋贴上标签；
● 化验准备，混合均匀；
● 化验记录，储存数据；
● 绘制土壤分层图。
土壤分层图上形成不规则的小面积，通常认为每一个小面积土壤养分一样。土壤取样、化验必须提高准确性和可靠性，否则，无任何价值，将造成经济损失。因此，做到定点取样、多点取样，利用计算机在电子地图上记录结果，为土壤管理提供参考数据。
一块地的土壤化验结果，可能有两种情况，没有差异性或有差异性，如果没有差异性，就不必采用变量投入，或者说不用实施“精准农业”技术；如果有差异性，可采用变量投入技术，在充分发挥作物产量潜力的条件下，按着作物生长发育要求进行定点投入肥料、微量元素等，改进农业技术管理措施，为作物生长创造良好环境条件。按需精确投入农用物资（化肥、种子等），做到即不浪费农用物资，又保护环境，使农业可持续稳定地增长。
第五讲 以地图为基础的变量投入技术
“精准农业”技术的一个特点，就是大量信息是在产量监测和土壤测量的过程采集的，是决策农业技术措施的基本依据，必须借助计算机及其相应的软件工具进行处理，应用全过程。也正是由于计算机和系统软件的发展才使“精准农业”技术成为现实的可能。需要一个数据库系统，具有输入、储存、再现功能，并且能将数据库和地理位置或地图的坐标联系起来。将数值─产量值、土壤养分值、土壤类型值等与地标连接起来。
“精准农业”技术的变量投入执行时有两种方法，其一，是以地图为基础的变量投入；其二，是以传感器为基础的变量投入。目前，比较成熟的技术是以地图为基础的变量投入，市场有产品销售，该系统能确定机器在田间的位置，并且显示此点的投入量；操作者能观察地图上投入物料的变化情况，并且可以进行调节。地图系统的特点是调查工作与施用是分开进行的，而且在不同机器上进行；取样调查与投入有较长时间差，信息准确可靠；操作人员可以预知投入变化率，在实施预调时有思想准备，做到及时调控；在作业之前装到机器上的物料数量是已知的，按需要量加料，免去“过多”或“过少”。以传感器为基础的变量投入，目前尚缺少适用的传感器。
应用计算机及其软件，进行产量图和土壤图绘制以及变量投入农业措施的制定，有两种方法，一是自己动手操作；二是雇用专业技术人员，将采集的有关数据提供给雇用者，由他再提供给你变量投入技术措施的编辑软件。两种方法各有利弊，可视具体情况选择。该项技术本身就要求由熟练的专家去使用，垦区要推广应用“精准农业”技术，首先必须培训技术人员，要能熟练的掌握操作方法，应该培养一些专家。
前面讲过监测产量和绘制产量图以及土壤取样分析和绘制土壤图，是实施“精准农业”技术的两项基础准备工作，是决策变量投入的依据。通过产量图，找出地块内的产量是否有差异性，如果产量存在差异性，就要分析产生产量差异的原因，可从自然环境、气候变化、自然灾害等方面查找，重要的还必须从土壤取样分析中查找。根据农业专家系统提供的当地产量潜力，从上述原因分析中确定农业措施和化肥、种子的投入种类、数量和地点，以地图为基础编制实施软件，以数据卡的形式输出。将此卡插入拖拉机上相应的监控器内，便可按着预先编制的程序进行变量自动控制。
实施播种、施肥的拖拉机机组进行田间作业时，拖拉机驾驶室内设有定位功能的监控器和测速传感器等，播种、施肥机装有变量调节执行机构，监控器与执行机构用光缆连接。作业中操作人员通过监视器荧光屏察看机组的位置、参数和有关变量数据。按着同理，可实施田间管理的操作。目前，成熟技术是播种和施肥的变量调节，比较适合农垦，其它农田管理技术尚在试验推广应用，不断发展完善。
第六讲 结束语
“精准农业”技术，目前主要是用于施肥，播种前除草剂的施用，其它方面的应用有待于研究开发，不断提高完善。未来的发展方向：
● 播种：播种深度选择、一块田内种多种作物；
● 耕作：用土壤坚实度传感器，测定后控制耕作深度；
● 厩肥的施用：利用土壤营养、肥料营养传感器、流量计及变量投入厩肥管理系统；
● 杂草、害虫的管理；
● 作物诊断系统：病害、养分缺乏的影响识别方法；
● 水和灌溉管理系统：土壤湿度传感器的开发，变量洒水技术。
将来需要进一步扩大变量控制领域，如：作物生长过程模式，在耕作之前，在计算机上模拟各种管理决策模型，确定**佳效益模型，采用变量投入实现目标；标准化管理，设备标准化、标准连接、通用、电源标准化、信息管理标准化，硬件标准化、通用，软件标准化。
实施“精准农业”技术管理措施必须有附加管理信息，否则不能发挥其技术本身的效益。使用变量投入，不是所有农场或每块田地都可能获得效益。要经过试验，而且，避免几种作物轮作，必须慎重从事。
实施“精准农业”管理措施，要经过如下过程：
第一年，了解情况：采集信息、投入技术。进行产量监测和绘制产量图、土壤取样化验
分析，取得信息，分析影响产量的原因。
第二年，试验、验证：在第一年结果分析的基础上，决策下年管理方法，如果是肥料因
素影响产量，可变量投入肥料。年终再总结分析，找出变化规律，将影响产量因素找准。
第三年，根据产量设计投肥方法：两年的分析，找出土壤特性与产量的比例关系，根据
农业专家系统，决策变量实施方法，进行不同施肥方法试验，年终再总结，分析问题，找出规律性变化。
经过几年的实践，发现问题，还要不断实践，总结提高，直至建立一套标准化农艺过程。三年的实验是花了学费，获取知识和实践经验的过程。
参考资料：
1、The Precision ─ Farming Guide For Agriculturists John Deere Pvblishing
2、王智敏等 “精准农业”在黑龙江垦区的应用前景 现代化农业 1998年 第七期



发表于 @ 2008年06月25日 19:44:00 |点击数（）

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