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摘要本文綜述了目前國外“精細農(nóng)業(yè)”實踐的主要目標及其技術(shù)思想的內(nèi)涵。著重圍繞其主要支持技術(shù)發(fā)展，討論了有關(guān)工程技術(shù)創(chuàng)新及推動我國開展試驗研究的問題。目前國外對這一技術(shù)體系的研究與實踐，主要仍集中在基于GPS和GIS技術(shù)應(yīng)用的作物生產(chǎn)系統(tǒng)精細管理方面，因此本文提出用“精細農(nóng)作”的譯名來表達當前研究目標的內(nèi)涵，希望引起學(xué)術(shù)界的討論。進入21世紀，基于知識和信息的“精細農(nóng)作”技術(shù)思想，必將擴展到大農(nóng)業(yè)經(jīng)營的各個領(lǐng)域，推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化與知識化，即進一步發(fā)展到設(shè)施園藝、工廠化養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品精細加工及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)精細經(jīng)營管理方面，逐步形成一個基于農(nóng)業(yè)生物科學(xué)、電子信息技術(shù)及工程裝備為主導(dǎo)的“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系，為建立優(yōu)質(zhì)、高效和可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：精細農(nóng)業(yè)精細農(nóng)作GPS和GIS工程技術(shù)創(chuàng)新

引言

近兩年來，我國科技界在研究推進新的農(nóng)業(yè)科技革命中，關(guān)于國外“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)的發(fā)展，引起了廣泛的關(guān)注。新聞媒體陸續(xù)有了一些報導(dǎo)，科技部在篩選“面向21世紀解決16億人口食物安全的關(guān)鍵技術(shù)”項目、組織S-863農(nóng)業(yè)高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展計劃研究以及農(nóng)業(yè)部948引進項目立項中，也受到了重視。有的單位已開展了有關(guān)研究和試驗示范工程準備工作,加強了和國外的學(xué)術(shù)交流與合作聯(lián)系，國內(nèi)學(xué)術(shù)交流也開始活躍。國外有關(guān)產(chǎn)業(yè)界開始向我國推薦其技術(shù)產(chǎn)品，密切關(guān)注中國走向21世紀實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化中這一巨大的潛在技術(shù)市場。可以預(yù)言：“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的試驗示范及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)研究，將在世紀之交成為推進我國新的農(nóng)業(yè)科技革命中的重要研究課題。信息技術(shù)革命為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展提供了新機遇，在開拓新的前沿科技應(yīng)用研究領(lǐng)域中，發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家的起跑線拉近了距離，時間上的差距在縮小。在某些重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)發(fā)展上的跨越，將是機遇性的挑戰(zhàn)。主席1998.9在安徽考察工作時的講話中指出：“現(xiàn)在一些發(fā)達國家，已經(jīng)把基因育種工程、電子信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)等高新技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。我們必需有緊迫感，盡快迎頭趕上”?！熬氜r(nóng)業(yè)”技術(shù)體系是?┭?、农业公H⒌繾佑胄畔⒖萍嫉榷嘀盅Э浦兜淖樽凹?，其应用研究发肇曍将带动一批直接面向农业生产者应用服务的道`有畔⒏咝錄際?，燃偤卫星定位系蛨觫地理信息系蛨觫?屑際醯吶┮滌τ?；农嚏毰息繝F儼杉瞧鰲⑴┨鋦鰲⑼練使芾懟⑴┮├謾⑽廴究刂頻仁視眉際鹺團┮倒套氨訃捌洳禱際醯難芯坑肟?，夺j貧夜謚逗托畔⒌拇撐┮迪執(zhí)?，具有赦j兜惱鉸孕砸庖濉?nbsp;“精細農(nóng)業(yè)”，即國際上已趨于共識的“PrecisionAgriculture”或“PrecisionFarming”學(xué)術(shù)名詞的中譯。國內(nèi)科技界及媒體報導(dǎo)中目前尚有各種不同的譯法和對其內(nèi)涵的理解。實際上，目前國外關(guān)于PrecisionFarming的研究，基本上仍是集中于利用3S空間信息技術(shù)和作物生產(chǎn)管理決策支持技術(shù)（DSS）為基礎(chǔ)的面向大田作物生產(chǎn)的精細農(nóng)作技術(shù)，即基于信息和先進技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)田“精耕細作”技術(shù)。因此，作者認為采用“精細農(nóng)作”譯名來表達當前這一技術(shù)思想的內(nèi)涵可能更為確切。“精細農(nóng)作”是直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者服務(wù)的技術(shù)，這一技術(shù)體系的早期研究與實踐，在發(fā)達國家始于八十年代初期從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害管理的農(nóng)學(xué)家在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家?低秤τ醚芯坑?xùn)V導(dǎo)薪徊澆沂鏡吶┨錟諦∏魑鋝亢蛻肪程跫拿饗允笨詹鉅煨?，磦蝤提除f宰魑鐫耘喙芾硎凳┒ㄎ?、笆[璞淞客度?，或称“处纺_┳鰲倍⒄蠱鵠吹模輝諗┮倒塘煊潁云呤甏釁諼⒌繾蛹際躚桿偈滌沒貧吶┮禱底氨傅幕繅惶寤?、智能化紘素茧H酰┨鐨畔⒅悄芑杉氪砑際躚芯康姆⒄?，加闪?xí)聳甏鞣⒋錒葉耘┮稻斜匭杓婀伺┮瞪?、自嚨A(chǔ)⒒肪澄侍獾墓惴汗厙瀉陀行Ю門┮低度?、阶暭硽⒈M⑻岣吲┮道?、提高农产品手C【赫圖跎倩肪澈蠊鈉惹行棖螅熬概┳鰲奔際跆逑檔男緯勺急噶頌跫?。篗逭秸驡PS技術(shù)的民用化，使得它在許多國民經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得迅速發(fā)展，也推動了“精細農(nóng)作”技術(shù)體系的廣泛實踐。使得近20年來，基于信息技術(shù)支持的作物科學(xué)、農(nóng)藝學(xué)、土壤學(xué)、植?？茖W(xué)、資源環(huán)境科學(xué)和智能化農(nóng)業(yè)裝備與田間信息采集技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化決策支持技術(shù)等，在GPS、GIS空間信息科技支持下組裝集成起來，形成和完善了一個新的精細農(nóng)作技術(shù)體系和開展了試驗實踐。迄今支持“精細農(nóng)作”示范應(yīng)用的基本技術(shù)手段已逐步研究開發(fā)出來，在示范應(yīng)用中預(yù)示了良好的發(fā)展前景。近五、六年來，已有數(shù)千計的研究成果，實驗報告見諸于國際學(xué)術(shù)會議或?qū)W術(shù)刊?錚幻磕甓季侔熳ㄌ狻骯示概┮笛躚刑只帷焙陀泄刈氨訃際醪氛故凈幔輝諭蛭仙柚糜卸喔鱟ㄌ饌罰梢約笆輩檠接泄匱芯糠⒄剮畔ⅲ幻饋⒂?、澳、紦砣国一些著名大学设立了“精细农业”研究中心，开设翑\泄夭┦?、硕蕢ㄐ究份^蚣芭嘌悼緯?；儒帰韩等国近年来银営繜槳展研究滚崿并得禂囂K棵藕拖喙仄笠檔拇罅χС幀9噬隙哉庖患際跆逑檔姆⒄骨繃壩τ們熬壩辛斯惴旱墓彩?，将成为侍m橢環(huán)⒄古┮蹈咝錄際跤τ醚芯康鬧匾翁狻?/P>

“精細農(nóng)作”技術(shù)思想的內(nèi)涵及其主要支持技術(shù)：

“精細農(nóng)作”技術(shù)思想的核心，是獲取農(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(jié)構(gòu)、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(shù)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)控的“處方農(nóng)作”。正是信息技術(shù)革命為這一技術(shù)思想的實踐，提供了先進的技術(shù)手段。千百年來的作物生產(chǎn)，都是以地區(qū)或田塊為基礎(chǔ)，在區(qū)域或田塊的尺度上，把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進行管理，如利用統(tǒng)一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農(nóng)藝措施，滿足于獲得區(qū)域、農(nóng)場或田塊的平均產(chǎn)量的認識水平，很少顧及對農(nóng)田的盲目投入及過量施肥施藥造成的環(huán)境后果。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣模式，也是在區(qū)域尺度上進行品種選擇、土肥監(jiān)測，通過地區(qū)試驗積累的適于當?shù)氐脑耘喙芾泶胧┫蜣r(nóng)戶推薦使用。實際上，即使在同一農(nóng)田內(nèi)，地表上、下影響作物生長條件和產(chǎn)量的明顯時空分布差異性，包括農(nóng)田內(nèi)作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在小區(qū)發(fā)生，再逐步按時空變化蔓延的特性，早已為人們所認識。幾世紀前，農(nóng)民把土地劃分為小田塊來耕作經(jīng)營，正是受到對作物生長環(huán)境和產(chǎn)量空間變異的感性知識的影響。我國農(nóng)民幾千年來在小塊土地上經(jīng)過勞動密集的投入和積累的豐富生產(chǎn)管理經(jīng)驗而形成的“傳統(tǒng)精耕細作”技術(shù)，也可以在小塊農(nóng)田內(nèi)達到很好的經(jīng)濟產(chǎn)量，只是沒有現(xiàn)代科學(xué)方法的定量研究和現(xiàn)代工程手段的支持來形成大規(guī)模的生產(chǎn)力。本世紀初期，科學(xué)家就研究報告過作物產(chǎn)量和田間土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田間分布具有明顯的差異性。1929年，Illinois大學(xué)C.M.Linsley和F.C.Bauer發(fā)表文章勸告農(nóng)戶應(yīng)繪制自己田區(qū)內(nèi)的土壤酸度分布圖和按小區(qū)需求使用石灰的建議。之后，一直都有關(guān)于農(nóng)田土壤和收獲量空間變異性研究的報導(dǎo)。八十年代以來，關(guān)于在農(nóng)田中實施土壤肥力、植保和作物生產(chǎn)定位管理（SiteSpecificCropManagement）的技術(shù)研究受到廣泛的重視。世界著名廠商先后向市場提供了裝有空間定位和產(chǎn)量傳感器的現(xiàn)代谷物聯(lián)合收獲機，已可以在收獲過程中自動生成以12-15m2為單元組成的農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量分布圖。多年的試驗實踐表明，田區(qū)內(nèi)小區(qū)平均產(chǎn)量的最大差異可以超過100％。由于作物生產(chǎn)還受到氣候變異的影響，經(jīng)連續(xù)多年對同一田區(qū)積累的數(shù)據(jù)表明，同一小區(qū)年際間的產(chǎn)量差異性也可能是十分明顯的。田區(qū)內(nèi)產(chǎn)量上述明顯的時空分布差異性，顯示了農(nóng)田資源利用存在的巨大潛力。現(xiàn)代農(nóng)學(xué)技術(shù)與電子信?⒓際醯姆⒄?，为定量获取諒T┯跋熳魑鍔蛩丶白鈧帳粘傻目占洳鉅煨孕畔ⅲ凳┗謚逗拖執(zhí)萍嫉姆植際降骺?，达到体|謐試辭繃Φ木飫煤突袢【】贍芨叩木貌砍晌贍堋M?是精細農(nóng)作技術(shù)思想的示意圖。其實施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器的聯(lián)合收獲機每秒自動采集田間定位及對應(yīng)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(yīng)的處方農(nóng)業(yè)機械按小區(qū)實施目標投入和精細農(nóng)作管理。上述精細農(nóng)作技術(shù)體系在許多發(fā)達國家的試驗和應(yīng)用表明，可以顯著節(jié)約投入，獲得良好的經(jīng)濟效益，受到農(nóng)戶的歡迎。

“精細農(nóng)作”是基于田間小區(qū)農(nóng)作條件的空間差異性，為實現(xiàn)優(yōu)化作物生產(chǎn)系統(tǒng)的目標而提出的。但工程支持技術(shù)的開發(fā)研究，對實現(xiàn)這一技術(shù)思想起著關(guān)鍵的作用。如：農(nóng)田信息采集與處方農(nóng)作的空間定位，需依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）；地理空間信息管理和數(shù)據(jù)處理，需要應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)；未來大量地理空間數(shù)據(jù)的更新，需要遙感技術(shù)(RS)的支持；作物產(chǎn)量計量與小區(qū)產(chǎn)量圖的生成需要能按秒記錄收獲機累計產(chǎn)量和對應(yīng)地理坐標位置的智能型收獲機械，以及計算機數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)量圖自動生成技術(shù)；田區(qū)空間變量信息的快速實時采集，需要研究基于新原理的傳感技術(shù)與信號處理技術(shù)；按小區(qū)實施自動處方農(nóng)作、調(diào)控目標投入需要變量處方農(nóng)業(yè)機械；制定科學(xué)的農(nóng)作處方需要計算機作物管理輔助決策支持系統(tǒng)的支持；作為一個能協(xié)調(diào)運作的智能化系統(tǒng)需要有高效的信息集成以及有關(guān)信息傳輸、標準化技術(shù)的研究等等。

迄今“精細農(nóng)業(yè)”在發(fā)達國家也不過五、六年的應(yīng)用試驗歷史，部分支持技術(shù)手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還比較薄弱?！熬氜r(nóng)作”應(yīng)用實踐可根據(jù)不同國家、不同地區(qū)的社會、經(jīng)濟條件，圍繞提高生產(chǎn)、節(jié)本增效、保護環(huán)境的目標，采用不同的技術(shù)組裝方式，逐步提高作物生產(chǎn)管理的科學(xué)化與精細化水平。其中，獲取農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量空間分布的差異性信息是實踐精細農(nóng)作的基礎(chǔ)。有了小區(qū)產(chǎn)量分布圖，農(nóng)戶既可以根據(jù)自己的經(jīng)驗知識，分析小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，選擇經(jīng)濟適用的對策，在現(xiàn)實可行條件下采取適當措施實施調(diào)控；也可以根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展的條件，利用先進的科技手段或智能化變量處方農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)控。建立一個完整的精細農(nóng)作技術(shù)體系，需要有多種技術(shù)知識和先進技術(shù)裝備的集成支持

圖1.精細農(nóng)作技術(shù)思想示意圖

（來源：MasseyFergusonInc.）

，這為農(nóng)業(yè)工程師提供了進行技術(shù)創(chuàng)新的機遇。

3.“精細農(nóng)作”技術(shù)發(fā)展與工程技術(shù)創(chuàng)新

3.13S技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究：

“精細農(nóng)作”中的定位信息采集與處方農(nóng)作實施，需要采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）。已經(jīng)建成投入運行的有美國GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)。美國GPS系統(tǒng)包括在離地球約20,000km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(shè)于世界各大洲的五個地面監(jiān)測站和設(shè)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地理空間位置。信號處理技術(shù)的發(fā)展，可使微弱的衛(wèi)星信號為便攜式或掌上型接收機的小型天線所接收。這是一個功能強大、對任何人、在全球任何地方都可以免費享用的空間信息資源。盡管美國政府對其GPS系統(tǒng)施加了“選擇可用性政策”(SA)的影響和衛(wèi)星信號在空間傳輸過程中發(fā)生的各種累積誤差，但技術(shù)上可通過差分誤差校正方式及信息處理技術(shù)使通用接收機的動態(tài)3維定位精度容易達到米級或分米級，測量型GPS接收機動態(tài)定位精度可達厘米級要求。近幾年來，GPS產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，若干大公司迅速涉足農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，提供了用于農(nóng)田測量、定位信息采集和與智能化農(nóng)業(yè)機械配套的DGPS產(chǎn)品。這類產(chǎn)品通常均具有12個可選擇的衛(wèi)星信號接收通道、動態(tài)條件下每秒能自動提供一個3維定位數(shù)據(jù)，動態(tài)定位精度一般可達分米和米級，并具有與計算機和農(nóng)機智能監(jiān)控裝置的通用標準接口。如美國Trimble公司Ag13212通道GPS接收機，可接收信標臺的地區(qū)性差分校正信號免費服務(wù)或獲得由近地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的廣域差分收費校正信號服務(wù)，提供可靠的分米級定位和0.1米/小時的速度測量精度。系統(tǒng)可用于農(nóng)田面積和周邊測量、引導(dǎo)田間變量信息定位采集、作物產(chǎn)量小區(qū)定位計量、變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械實施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供農(nóng)業(yè)機械田間導(dǎo)航信息等。配置這一系統(tǒng)需要考慮本地區(qū)可能提供的差分信號現(xiàn)有條件，或在缺乏上述服務(wù)條件下購置兩臺Ag132和配套通信電臺建立獨立的自用差分GPS系統(tǒng)，另還可配置必要的專用可選件如：基站附件、導(dǎo)航附件、背負式田間信息采集附件、掌上型計算機及必要的聯(lián)接信號電纜等。Ashtect公司的AgNavigator結(jié)構(gòu)設(shè)計有些不同，但功能大體相當。DGPS技術(shù)的迅速發(fā)展，使得近幾年來各國提供局域差分信號免費服務(wù)的信標站迅速建設(shè)起來，至1996年末，美國這類信標站的地區(qū)覆蓋范圍已接近國土的2/3。信標站差分信號服務(wù)半徑約計300km。我國在東南沿海原交通部也建立了近20個這類信標站。以近地衛(wèi)星作為星載GPS廣域差分信號服務(wù)系統(tǒng)在今后幾年內(nèi)也可望在我國部分地區(qū)相繼建立。在競爭中謀求信息高新技術(shù)產(chǎn)品市場的商業(yè)利益，將是今后GPS技術(shù)發(fā)展競爭的總趨勢。今年3月30日美國副總統(tǒng)戈爾在白宮新聞會上，宣布開放GPS衛(wèi)星的L2頻道并進一步開放L3頻道民用服務(wù)，這將大大有利于進一步改善GPS衛(wèi)星服務(wù)的精度和可靠性，使用戶獲得性能價格比更好的精確定位、定時技術(shù)服務(wù)。GPS用戶系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)簡單，小型化，操作方便，但技術(shù)含量高?，F(xiàn)有國外農(nóng)機廠商配套的GPS產(chǎn)品，大多采用OEM方式引進關(guān)鍵部件進行二次開發(fā)后嵌入于農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用系統(tǒng)中，可使性能價格比顯著改善。DGPS作為農(nóng)業(yè)空間信息管理的基礎(chǔ)設(shè)施，一旦建立起來，即不但可服務(wù)于“精細農(nóng)作”，也可用于農(nóng)村規(guī)劃、土地測量、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、作業(yè)調(diào)度中的定位服務(wù)，其農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的前景廣闊。地理信息系統(tǒng)（GIS）作為用于存儲、分析、處理和表達地理空間信息的計算機軟件平臺，技術(shù)上已經(jīng)成熟。它在“精細農(nóng)作”技術(shù)體系中主要用于建立農(nóng)田土地管理，土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量的空間分布等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間信息的地理統(tǒng)計處理、圖形轉(zhuǎn)換與表達等，為分?霾鉅煨院褪凳┑骺靨峁┐Ψ叫畔ⅰK扇胱魑鐫耘喙芾碭ㄖ霾咧С窒低?，与作五婜产管来冸称责GD餑P?、投葰妃除b治瞿D餑P禿橢悄芑┳髯蟻低騁黃穡⒃誥霾噠叩牟斡胂賂薟康目占洳鉅煨?，分西|頡⒆鞒穌鋃?、提出科学处穭Μ落蕶n紾IS支持下形成的田間作物管理處方圖，指導(dǎo)科學(xué)的調(diào)控操作。由于農(nóng)業(yè)活動涉及廣闊的地理空間和各種管理信息都有明顯的空間隨機分布特征，GIS在農(nóng)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用價值。在形成農(nóng)業(yè)空間信息地理圖形時，采樣密度、采樣成本與信息處理的方法如何能更準確反映參數(shù)的空間分布，仍然是尚待深入研究的課題。由于商用GIS系統(tǒng)的功能一般都照顧到各種類型用戶的需要，針對農(nóng)業(yè)資源信息管理和精細農(nóng)業(yè)實踐的需要和農(nóng)村用戶的特點，開發(fā)基于GIS設(shè)計規(guī)范的簡單實用、易于向基層農(nóng)村用戶推廣、界面友好的田間地理信息系統(tǒng)（FIS）已引起學(xué)術(shù)界的注意，值得我國農(nóng)業(yè)工程師進行創(chuàng)新研究。

遙感（RS）技術(shù)是未來精細農(nóng)作技術(shù)體系中獲得田間數(shù)據(jù)的重要來源。它可以提供大量的田間時空變化信息。近30多年來，RS技術(shù)在大面積作物產(chǎn)量預(yù)測，農(nóng)情宏觀預(yù)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，目前還未用于作物生產(chǎn)的精細管理。然而，遙感技術(shù)領(lǐng)域積累起來的農(nóng)田和作物多光譜圖象信息處理及成像技術(shù)、傳感技術(shù)和作物生產(chǎn)管理需求密切相關(guān)。RS獲得的時間序列圖象，可顯示出由于農(nóng)田土壤和作物特性的空間反射光譜變異性，提供農(nóng)田作物生長的時空變異性的信息，在一季節(jié)中不同時間采集的圖象，可用于確定作物長勢和條件的變化?；谶b感產(chǎn)業(yè)界對“精細農(nóng)作”的商業(yè)興趣，一系列的地球觀測衛(wèi)星將在近幾年內(nèi)發(fā)射，到2005年，將有超過40個這類衛(wèi)星提供服務(wù)。大部分這類衛(wèi)星采集的全色圖象，空間分辯率將達1～3米，多光譜圖象分辯率預(yù)計可達3～15米，掃視區(qū)6～30km。由于采用衛(wèi)星遙感比航空攝影的成本將低一半以上，衛(wèi)星遙感技術(shù)可預(yù)期在近3～5年內(nèi)，在“精細農(nóng)作”技術(shù)體系中扮演重要角色。農(nóng)業(yè)工程師應(yīng)該涉足這一領(lǐng)域，了解有關(guān)的知識，參與應(yīng)用研究，現(xiàn)在的RS軟件已可裝載在PC機上使用，性能價格比已可為普通用戶所接受。

3.2收獲機械產(chǎn)量計量與產(chǎn)量分布圖生成技術(shù)

作物產(chǎn)量是許多因素綜合影響形成的結(jié)果和評價種植管理水平的基礎(chǔ)?！熬氜r(nóng)作”技術(shù)思想也正是從獲得田間小區(qū)產(chǎn)量的差異性信息出發(fā)，分析原因，指導(dǎo)管理決策。在“精細農(nóng)業(yè)”研究發(fā)展中，雖然也有關(guān)于甜菜、土豆、甘蔗、牧草、棉花、水果等收獲機械產(chǎn)量計量及產(chǎn)量分布圖自動生成的試驗研究成果，但迄今已商品化的產(chǎn)品仍集中于谷類作物收獲機械方面。據(jù)報導(dǎo)，美國目前約有20個制造商供應(yīng)谷物聯(lián)合收獲機產(chǎn)量計量系統(tǒng)，1997年底，全國使用這一技術(shù)的聯(lián)合收獲機約17,000臺，其中約有一半帶GPS定位系統(tǒng)可支持產(chǎn)量分布圖自動生成。一個主要生產(chǎn)廠商宣稱，至2001年其生產(chǎn)的90%谷物聯(lián)合收獲機將裝備產(chǎn)量監(jiān)視器。迄今已進入商品化的這類產(chǎn)品主要是基于沖擊式-力傳感技術(shù)（如美國JohnDeree和CaseIH）、容積式光電計量技術(shù)（如英國RDS產(chǎn)品）和γ射線流量傳感技術(shù)（如MasseyFerguson產(chǎn)品）等。在谷物流量自動傳感過程中，還可同時測量凈糧含水量，在小區(qū)產(chǎn)量分布圖基礎(chǔ)上結(jié)合定位處方投入的成本分析直接顯示小區(qū)經(jīng)濟效益分布圖（GrossMarginVariabilityMap）?！熬氜r(nóng)作”體系中的產(chǎn)量圖自動生成技術(shù)，需要解決如下的科學(xué)技術(shù)問題：

流量傳感器的計量精度、穩(wěn)定性、通用性、標定簡便性的進一步改善；

產(chǎn)量計量中同時獲得收獲機的實際割幅和前進速度信息；

生成產(chǎn)量分布圖需要的空間分辨率不大于收獲機械工作幅寬的DGPS定位系統(tǒng)；

針對不同收獲機械建立谷物由割臺至流量測量點的谷物運移過程模型，以校正產(chǎn)量分布信息的動態(tài)誤差；

研究采集的定位數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)編碼格式與快速存儲傳輸方式。這些數(shù)據(jù)通常都是存儲在軟盤或IC智能卡中，能一次存儲至少一個作業(yè)班內(nèi)的全部數(shù)據(jù)，然后再傳入PC機進行處理和生成產(chǎn)量分布圖；

開發(fā)PC上進行產(chǎn)量分布圖生成的軟件，含文件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、誤差校正、數(shù)據(jù)圖形化、顯示方式等；

上述技術(shù)都還需要繼續(xù)完善。研究適于不同國家的農(nóng)業(yè)機械裝備、種植特點、適于不同作物和更為精確的上述各環(huán)節(jié)的智能化技術(shù)，仍然是農(nóng)業(yè)工程師面臨的挑戰(zhàn)。谷物聯(lián)合收獲機電子裝置，包括谷物產(chǎn)量自動計量和產(chǎn)量圖自動生成技術(shù)，是當代農(nóng)機研究的一個重要方向，也應(yīng)是我國農(nóng)機裝備機電一體化、信息化研究的優(yōu)先發(fā)展方向之一。對于改善易地收獲、農(nóng)機社會化服務(wù)，提高農(nóng)機作業(yè)信息化意識，促進作物生產(chǎn)科學(xué)管理，都有十分重要的現(xiàn)實意義，應(yīng)是世紀之交我國農(nóng)機技術(shù)創(chuàng)新的重要課題。3.3田間變量信息采集與處理技術(shù)

快速、有效采集和描述影響作物生長環(huán)境的空間變量信息，是實踐“精細農(nóng)作”的重要基礎(chǔ)。優(yōu)先需予考慮的主要是土壤含水量、肥力、SOM、土壤壓實、耕作層深度和作物病、蟲、草害及作物苗情分布信息采集等。目前田間信息快速采集技術(shù)的研究仍大大落后于支持精細農(nóng)作的其它技術(shù)發(fā)展，已成為國際上眾多單位攻關(guān)研究的重要課題。現(xiàn)有的土壤信息采集方法是基于定點采樣與實驗室分析相結(jié)合，耗資費時、空間尺度大、難于較精細地描述這些信息的空間變異性。技術(shù)創(chuàng)新的方向是研究開發(fā)可快速操作，有利于提高采樣密度，測量精度能滿足實際生產(chǎn)要求的新傳感技術(shù)和進一步改善空間分布信息的定量描述與近似處理方法。部分參數(shù)將可用掃描方式通過安裝于作業(yè)機械上的傳感器連續(xù)采集和進一步自動生成空間信息分布圖。已經(jīng)取得實用化或具有良好開發(fā)前景的成果，如：土壤含水量測量將在TDR成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，在開發(fā)經(jīng)濟實用的基于駐波比、頻域法原理、近紅外技術(shù)的快速測量儀方面拓寬研究領(lǐng)域。土壤主要肥力因素（N、P、K）測量儀器開發(fā)方面，基于傳統(tǒng)化學(xué)分析技術(shù)基礎(chǔ)上的快速肥力分析儀，目前國內(nèi)已有實用化產(chǎn)品投入使用，其穩(wěn)定性、操作性和測量精度雖然尚待改進，但對農(nóng)田主要肥力因素的快速近似測量具有實用價值；一?只誚焱餳際跬ü浣右睹娣瓷涔餛滋匭越信┨锏史柿λ嬌燜倨攔酪瞧饕言謔匝槭褂?，它与?屑際醯吶┮滌τ妹芮邢喙?，可翼嵿昏鉴相关茧H躚芯砍曬?；一种基诱O胱友≡癯⌒в騫埽↖SFET）集成元件的土壤主要礦物元素含量測量技術(shù)的研究在國外已取得進展，將是值得關(guān)注的技術(shù)突破性研究方向。土壤耕作層深度對評價土壤持水能力和指導(dǎo)定位處方耕作，確定播種深度、施肥用量密切相關(guān)，在美、加、澳等已經(jīng)開發(fā)出不接觸式、基于電磁場測量土壤電導(dǎo)率用于評價土層深度分布圖的儀器已試驗使用，可對指導(dǎo)定位處方深耕取得良好的經(jīng)濟效益；關(guān)于SOM傳感器，早在數(shù)年前已有報導(dǎo)，通過NIR原理研制的可用于田間在線測量的多光譜SOM測量儀已有商品化產(chǎn)品。在作物生長有關(guān)變量信息的采集方面，田間雜草識別是“精細農(nóng)業(yè)”支持技術(shù)中引起廣泛關(guān)注的領(lǐng)域。在雜草識別的光譜響應(yīng)特性方面已有許多研究成果及參考數(shù)據(jù)可供借鑒。其它田間作物變量傳感與空間信息處理技術(shù)方面的研究，將圍繞新的物理原理與數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用，如多光譜識別、NIR視角技術(shù)、圖象模式識別、人工智能方法（ANN、Fuzzy系統(tǒng)分析、ES應(yīng)用）、狀態(tài)空間分析、小波分析、卡爾曼濾波方法等。在實踐“精細農(nóng)作”方面，開發(fā)基于新的物?碓淼慕瓶燜儺畔⒉杉際跤敫納瓶占淶乩硇畔⒋矸椒?，葎蚧蕪娖技棍諉J媼俚募杈奕撾瘛?/P>

3.4智能型處方農(nóng)作機械

七十年代中期微電子應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，使得工業(yè)化國家的農(nóng)業(yè)機械進入到一個以迅速融合電子技術(shù)向機電一體化方向發(fā)展的新時期。農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計中，廣泛引入了微電子監(jiān)控技術(shù)用于作業(yè)工況監(jiān)測和控制。八十年代后期起，其監(jiān)控系統(tǒng)又迅速趨向智能化，由單元控制發(fā)展到分布式控制，由單機作業(yè)系統(tǒng)向與管理決策系統(tǒng)集成的方向發(fā)展。這新一代農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)的發(fā)展，與過去十多年來基于信息技術(shù)的作物生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)的迅速發(fā)展，都是近五年來“精細農(nóng)作”技術(shù)得以進入日益廣泛試驗實踐的重要條件。雖然，迄今支持“精細農(nóng)作”的若干主要農(nóng)機裝備，除了如前述帶產(chǎn)量圖自動生成的谷物收獲機以外，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，可自動選擇作物品種（二選一）、可按處方圖調(diào)節(jié)播量和播深的谷物精密播種機；可自動選擇調(diào)控兩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均已有商品化產(chǎn)品，并在繼續(xù)完善。拖拉機駕駛室已安裝智能化顯示器，在一個LED顯示屏上，可隨意調(diào)用各種圖形化可視界面,監(jiān)控機器各部分的工況和顯示處方作業(yè)和導(dǎo)航信息?，F(xiàn)代帶有多處理器的智能型農(nóng)業(yè)機械，已經(jīng)引用了工業(yè)部門中采?玫目刂破骶植客芟嘸際酰–AN），相互間采用光纜傳輸信息，建立了工業(yè)化設(shè)計標準。我國當今農(nóng)業(yè)機械技術(shù)水平從總體上看與發(fā)達國家落后了不止20年，需要在某些領(lǐng)域推動高新技術(shù)的應(yīng)用研究與實踐。開發(fā)適于我國國情的先進技術(shù)?！熬氜r(nóng)作”的示范試驗研究有可能成為農(nóng)業(yè)機械裝備領(lǐng)域應(yīng)用信息高新技術(shù)實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的切入點。3.5系統(tǒng)集成技術(shù)

“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系是一個集成系統(tǒng)，它涉及到多種學(xué)科知識的支持，需要學(xué)習(xí)應(yīng)用不同子系統(tǒng)已經(jīng)形成的硬、軟件設(shè)計規(guī)范、標準、數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議，應(yīng)用已有的單項技術(shù)成果，研究建立某些支持技術(shù)的新標準。近幾年來，國外研究實踐中已經(jīng)積累了一些進行“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系集成組裝的經(jīng)驗。我國科技工作者要研究這方面的進展，參與國際交流。作為工程師，要善于根據(jù)工程項目的整體目標，既能從具體技術(shù)角度去思考和研究問題，具有不斷突破現(xiàn)有解決實際問題的觀念與模式的創(chuàng)新意識；又能注意進行項目目標的整體評估，協(xié)調(diào)技術(shù)先進性與經(jīng)濟可行性的綜合優(yōu)化目標，提出推動技術(shù)進步的試驗實踐方案。

問題與思考

迄今，國際上關(guān)于“精細農(nóng)業(yè)”的研究仍處于發(fā)展的幼年時期，支持技術(shù)產(chǎn)品也尚待不斷深化研究。其革命性的意義是提出了一種經(jīng)營現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新技術(shù)思想并付諸于實踐，發(fā)展前景已在國際上具有廣泛的共識。1998.1美國副總統(tǒng)戈爾第一次提出要建立以1米分辯率的“數(shù)字地球”的概念，在地理信息學(xué)術(shù)界引起了廣泛的反響，它為認識世界科技進步對未來人類生存方式的影響提出了全新的觀念?！熬氜r(nóng)業(yè)”的實踐將在下一世紀開發(fā)“數(shù)字地球”的實踐中占有十分重要的地位。我國農(nóng)業(yè)仍處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的歷史過程中，全面實踐這一新技術(shù)體系的路程還很遙遠。但啟動這一新技術(shù)的示范與實踐研究，將有利與推動實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識化與信息化進程，改變傳統(tǒng)技術(shù)思想，追蹤科技進步，有利于推動基于信息和知識的農(nóng)用先進支持技術(shù)產(chǎn)品制造業(yè)、服務(wù)業(yè)的發(fā)展。在“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的實踐中，也將可開發(fā)出一系列適用新技術(shù)產(chǎn)品，為支持當前的“科技興農(nóng)”服務(wù)。在發(fā)展研究中，個人認為需要重視如下問題：4.1加強對國際有關(guān)研究發(fā)展信息和經(jīng)驗的研究。九十年代以來，國外許多單位已經(jīng)積累了一大批示范試驗數(shù)據(jù)與支持技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)研究成果。可以采取引進技術(shù)思想與部分裝備技術(shù)和自主創(chuàng)新相結(jié)合。找準切入點，注重其支持技術(shù)產(chǎn)品的國產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。“精細農(nóng)作”的技術(shù)思想在國際科技界共識的基礎(chǔ)上有其特定的涵義，即認識農(nóng)田內(nèi)小區(qū)產(chǎn)量和影響作物生長條件的空間差異性，實施定位處方農(nóng)作。它是適應(yīng)集約化、規(guī)?；潭雀叩淖魑锷a(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展目標而提出的，在我國可先在規(guī)?；r(nóng)場和農(nóng)業(yè)高新技術(shù)綜合開發(fā)試驗區(qū)，力求在農(nóng)田小區(qū)的尺度上進行研究與實踐。我國廣大農(nóng)村農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模小，生產(chǎn)手段仍較落后，實現(xiàn)廣域的農(nóng)田精細經(jīng)營尚需有較長的發(fā)展過程，有條件的地區(qū)可先以村片、農(nóng)田的尺度上對精細農(nóng)作的技術(shù)思想進行示范試驗研究，并應(yīng)結(jié)合農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣性試驗和農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)方式創(chuàng)新中，開拓出新的服務(wù)領(lǐng)域。這樣，既可以使我國的研究實踐與國際上的研究發(fā)展趨勢相接軌，又可以探索形成具有國情特色、有利于在農(nóng)村推廣的先進農(nóng)作技術(shù)體系。4.2在“精細農(nóng)作”試驗研究與實踐過程中，注意組裝一批基于信息和知識的單項適用先進技術(shù)支持當前的“科技興農(nóng)”。如：GPS、GIS技術(shù)用于農(nóng)田管理、節(jié)水灌溉、環(huán)境監(jiān)測的實用技術(shù)；面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者應(yīng)用的電子儀器、實用監(jiān)控設(shè)備；農(nóng)業(yè)裝備信息化技術(shù)；精細測土配方施肥、病蟲草害快速實用監(jiān)測技術(shù)；智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)的推廣及支持農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)體系的先進裝備技術(shù)與工具的開發(fā)等。4.3迄今國外進行的精細農(nóng)業(yè)（PrecisionAgriculture）的實踐，實際上是面向大田作物生產(chǎn)的精細農(nóng)作（PrecisionFarming）系統(tǒng)。實現(xiàn)基于信息和知識的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)精細經(jīng)營的技術(shù)思想，應(yīng)該擴展到種、養(yǎng)、加，產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的整個過程，即過渡到建立“精細農(nóng)業(yè)”的技術(shù)體系。實際上，“精細農(nóng)業(yè)”的技術(shù)思想，早在七十年代后期開始，已優(yōu)先在發(fā)達國家奶牛場根據(jù)奶牛產(chǎn)奶量定量配料系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣應(yīng)用。近十多年來，全自動化設(shè)施園藝業(yè)的發(fā)展和養(yǎng)殖業(yè)中動物生長預(yù)測模型與配料、環(huán)境調(diào)控自動化系統(tǒng)的結(jié)合，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后儲藏、保鮮、加工為達到高品質(zhì)、高附加值產(chǎn)品的過程中，都已吸收了電子信息科技前沿的成就?！熬氜r(nóng)業(yè)”的技術(shù)思想，尤應(yīng)在設(shè)施園藝，集約養(yǎng)殖，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)選、加工增值產(chǎn)業(yè)中先付諸實踐與推廣，這對我國目前處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整時期和開始重視強調(diào)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變中，依靠先進技術(shù)裝備和農(nóng)業(yè)精細經(jīng)營技術(shù)的支持，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收，具有重要的現(xiàn)實意義。4.4在試驗研究中加強多部門、多學(xué)科間的相互聯(lián)系，協(xié)同攻關(guān).發(fā)展學(xué)術(shù)討論交流，加強國際合作，重視應(yīng)用基礎(chǔ)研究。在高等農(nóng)業(yè)工程院系的學(xué)科建設(shè)與教學(xué)內(nèi)容改革中，要逐步創(chuàng)造條件開設(shè)有關(guān)GPS、GIS、RS應(yīng)用課程，加強必要的實驗研究設(shè)施與課程建設(shè)等。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“精細農(nóng)業(yè)研究中心“近二年多來已經(jīng)啟動了有關(guān)研究工作，內(nèi)容涉及DGPS、GIS農(nóng)業(yè)應(yīng)用，田間信息采集傳感技術(shù)，智能型農(nóng)業(yè)機械監(jiān)控技術(shù)，精細農(nóng)作技術(shù)的系統(tǒng)集成與發(fā)展戰(zhàn)略研究。與國外有關(guān)研究中心和企業(yè)界已建立了比較廣泛的聯(lián)系，積累了比較豐富的信息，我們愿意與國內(nèi)有關(guān)單位、企業(yè)發(fā)展合作，共同為推動我國農(nóng)業(yè)工程技術(shù)創(chuàng)新與“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)在我國的應(yīng)用示范與實踐作出貢獻。

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TheDevelopmentofPrecisionAgricultureand

InnovationofEngineeringTechnology

ResearchCentreforPrecisionAgriculture,ChinaAgriculturalUniversity

Abstract

Thispapersummarizesthetargetofrecentprecisionagricultureresearchanditstechnicalideasanddiscussesthedirectionoftechnicalinnovationforthesupporttechnologies.Someproposalsfortheappliedresearchinthecountryarepresented.Recentresearchonprecisionagricultureintheworldisstillconcentratedonprecisionfarmingforcropproduction.Theinterpretationofthephrase"precisionagriculture"intoChineseshallbeimplicatedintheSiteSpecificCropManagement.Followingtherapidapplicationofinformationtechnologyintotheagriculturalsector,theideas forprecisionmanagementofagriculturalresourcesandproductionwouldbeexpandedintoallfieldsofagriculturalsystem,suchas:precisionfacilitieshorticulture,precisionraising,precisionprocessingtokeephighproductivity,highefficiency,lowcostandlessenvironmentalpollutionaswellaswithhighvalue-addedtechnologyandsoon.Thenarealprecisionagriculturesystemwillbeestablishedtosupportoverallsustainableagriculturedevelopmentbasedonthenewinformationandbiologicaltechnologicalrevolution.

KeyWords:precisionagriculture,precisionfarming,GPS&GIS,engineeringtechnologiesinnovation