第七讲精确农业与GIS、GPS

精确农业与GIS、GPS精确农业的早期研究与实践在发达国家始于八十年代初期，根据农田内小区作物产量和生长环境条件的显著时空差异性，提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，精确农业由此而发展起来。七十年代中期微电子技术的迅速实用化，推动了农业机械装备机电一体化和智能化监控技术、农田信息智能化采集与处理技术研究的发展。八十年代各发达国家对农业经营中必需兼顾“农业生产力、资源、环境问题”的广泛关切和有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力、减少环境污染的迫切需求，为“精确农业”技术体系的形成准备了条件。九十年代，尤其是海湾战争后GPS技术的民用化，推动了精确农业技术体系的广泛实践。使得近20年来，基于信息技术支持的农艺学、土壤学、植保科学、资源环境科学和智能化农业装备与田间信息采集技术、系统优化决策支持技术等，在GPS、GIS空间信息技术的支持下组装集成起来，形成了一个新的精确农业技术体系。一、精确农业的概念与特征（一）精确农业的概念来源:PrecisionAgriculture（精确、精细、精准）包括精确农作、精确养殖、精确加工等方面PrecisionFarming(精确农作)PrescriptionFarming（处方农作）Site-specificFarming(定位农作）概念:借助3S技术，尽可能的精细地掌握农业生产的环境条件，包括作物、土壤、气象等信息，用计算机管理决策系统（包括模拟模型、农业专家系统、决策支持系统等）对其进行处理分析，为制定农业生产管理措施提供定量决策建议并赋予定位实施。精确农作技术思想:基于田区差异的变量投入和最大收益田区差异：农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异信息变量投入：分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需变量投入，分为：人工投入、机械投入、自动控制最大收益：指生产力、生态、社会效益1、精确农业的雏型在所有农业耕地中存在土壤差异和产量差异，通过3S技术（GIS、RS、GPS）可以及时发现作物生长环境和收获产量实际分布的差异性，获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，并对这种差异性给予及时调控，即采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控。2、精确农业内涵利用3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术（DSS）为基础，定位、定量、定时地面向大田作物生产的精确农作技术，即把智能化农业装备与田间信息采集技术、系统优化决策支持技术，在全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）技术的支持下组装集成起来，形成完善的精确农业技术体系。3、精确农业外延精确农业技术思想，是信息技术和人工智能高新技术在大农业中的运用，精确农业技术不仅适用于种植业，也适用于养殖业和加工业，已扩展到设施园艺、集约养殖、产品加工及农业系统的精确经营管理等方面，从而形成完整的精确农业技术体系。其全部概念建筑在“空间差异”（SpatialVariability）的数据采集和处理上，其核心意图是实时测知作物（畜禽）个体或小群体或小地块生长或防疫的实际需要，从而及时确定对其针对性投入（肥、水、药、饲料等）的量、质和时机，改变传统农业大群体、大面积平均投入的作法，以获得最佳效果和最低代价。随着精确农业技术在不同农业产业领域的拓展，必将产生更为显著的社会、经济和生态效益。（二）精确农业的特征1、地域性2．综合性3．系统性4．渐进性（1）无任何现代装备、以传统农业技术为主的传统精确农业（2）以管理信息系统、专家咨询和简单机械化为主要装备的现代精确农业（3）以高度自动化、信息化技术为装备的智能精确农业此类精确农业全部采用变量投入(VRT)机械化设备、地理信息系统(GIS)提供决策基础、决策支持系统(DSS)辅助决策、GPS／DGPS定位、自动控制耕作或养殖等全过程。5．可操作性二、精确农业的支持技术1、3S技术2、决策支持技术（DSS）3、可变量投入系统（1）计算机(控制器)控制器包括计算机硬件和软件平台，是变量投入系统的核心部分，它完成信息处理和信息图生成等工作。计算机中存储着信息图、土壤、作物生长与产量、施用量的历史数据等，许多信息需及时更新。（2）GPS（3）传感器（4）可变量投入设备包括可变量耕作设备、可变量施肥设备、可变量播种设备、可变量喷雾设备、可变量灌溉设备等4、智能机械装备技术必须具备定位导航、实时监测、自动变量调节等功能。（1）在联合收割机上安装传感器在联合收割机上安装谷物产量、水分、温度、机器行走速度、工作幅宽等传感器，再与全球卫星定位导航技术设备配合，实现谷物收割过程的空间位置监测和数据采集、储存、计算、输出的结合。（2）在拖拉机上安装传感器在拖拉机上装配速度传感器、监控器等，可以对农业机械进行控制和按需自动的动态变量调节，实现变量投入。（3）在播种机械上安装传感器在播种机械采用土壤水分传感器使种子播在水分适宜的深度，利用土壤营养传感器、肥料营养传感器、流量计及变量装置建立投入肥料管理系统。（4）在耕地机械上安装传感器耕地机械装配土壤养分含量实时测试系统传感器，在耕作时进行实时测试，经过数据处理后，可以得到土壤养分含量分布图，根据具体情况进行土壤改良。（5）在喷药机上安装传感器在喷药机上安装病虫草害等信息采集传感器和控制器，视病虫草害程度变量唤洒农药，不仅可以减少对环境的污染，同时可以减少对人畜的危害。（6）在灌溉设备上安装传感器GPS传感技术GISRS人工采集田间状态图ESSSDSS农田对策图作业指令集ICS农机常规操作处方图自动信息采集前3S集成信息处理决策生成指令生成决策实施后3S集成GPS传感技术GISRS人工采集田间状态图ESSSDSS农田对策图作业指令集ICS农机常规操作处方图自动信息采集前3S集成信息处理决策生成指令生成决策实施GPS传感技术GISRS人工采集田间状态图ESSSDSS农田对策图作业指令集ICS农机常规操作处方图GPS传感技术GISRS人工采集田间状态图ESSSDSS农田对策图作业指令集ICS农机常规操作处方图GPS传感技术GISRS人工采集田间状态图ESSSDSSGPS传感技术GISRS人工采集田间状态图GPS传感技术GISRS人工采集田间状态图ESSSDSS农田对策图作业指令集ICS农机常规操作处方图自动信息采集前3S集成信息处理决策生成指令生成决策实施后3S集成三、精确农业技术实施过程精准农业的技术路线图（一）数据采集1．产量数据采集2．土壤数据采集土壤信息一般包括土壤含水量、土壤肥力、土壤有机质、土壤PH值、土壤压实、耕作层深度等，详细的土壤信息是开展精确农业工作的重要基础。3．作物营养监测方法4．土壤水分监测5．苗情、病虫草害数据采集6．其它数据采集还要获取近年来轮作情况、平均产量、耕作情况、施肥情况、作物品种、化肥、农药、气候条件等有关数据。这些数据将用于进行决策分析。YIELDWhatCausesYieldVariability?WeatherManagementVarietySoiltypeFertilityWeedsDiseasesSoilwaterInsectsHerbicideYIELDWhatCausesYieldVariability?WeatherManagementVarietySoiltypeFertilityWeedsDiseasesSoilwaterInsectsHerbicideYIELDWhatCausesYieldVariability?WeatherManagementVarietySoiltypeFertilityWeedsDiseasesSoilwaterInsectsHerbicideWhatCausesYieldVariability?WeatherManagementVarietySoiltypeFertilityWeedsDiseasesSoilwaterInsectsHerbicideMappingSPADvaluesYieldmonitor–sensorthatmeasuresgrainflowandmoisturecontentthroughacombineYieldMonitorGrainFlowSensorReal-TimeSensor/Sprayer:GreenSeeker（二）数据差异分析1、产量数据分布图2．土壤数据分布图3．苗情、病虫害分布图SoilpHMapMcGarveyField(Perry,Iowa)（三）处方生成精确农业技术是根据田间采集到的不均衡空间分布数据及有关作物其它信息，经过决策分析，来控制投入方式和施用量。决策分析是精确农业的核心，直接影响精确农业技术的实践效果。（四）控制实施精确农业技术的目的是科学管理田间小区，降低投入，提高生产效率。精确农业实现的关键是农业机械的变量控制，在3S技术支持下得到的信息经过一系列处理后，将会形成变量控制信息，最终控制农业机械，实施变量管理。1．智能农业机械是精确农业中进行控制实施的重要手段2．控制实施过程智能化农业机械主要由信息采集系统、决策判断系统和控制执行系统等3部分组成。利用各类传感器采集环境信息或作物信息，决策系统要先输入关于农艺、土壤、作物、管理等方面的数据作为进行系统决策的依据，将采集到的实时信息输入系统经过处理后作出决策，传输到智能化农业机械进行控制实施。例如，当驾驶拖拉机在田间喷施农药时，驾驶室中安装的监视器显示喷药处方图和拖拉机所在的位置。驾驶员监视行走轨迹的同时，数据处理器根据处方图上的喷药量，随时向喷药机下达命令，控制喷洒。四、精确农业技术的应用（一）精确农业技术的分类1．精确农作精确农作就是通常国外研究者所指的“PrecisionAgriculture”或“PrecisionFarming的含义。即实时测知作物个体或小群体或平方米尺度小地块生长的实际需要，而及时确定对其针对性投入(肥、水、药等)的量、质和时机。目前，美国、加拿大等许多农业发达国家的种植业生产实现了“精确农作”。2．精确林果业在果树生产中，精确化、集约化的管理越来越受到重视和推广。从施肥、浇水、用药等日常管理到收获，国外一些国家均达到了精确化管理。如与微喷一起使用的施肥、果实的大小与形状控制等等。在收获过程中，法国已研制出自动导向机器人，在收获前用微型摄像机对果树拍照，根据获取信息与存储信息比较，完成是否采摘与包裹。日本利用同样原理研制成功了柑橘和西红柿的自动采收机器人。国内如山东海阳引进以色列技术，建成了果树野外自动化控制微喷工程，采用微机控制，根据土壤吸水能力、苹果生产阶段和气候条件等因素，定时、定量、定位给果树供水。3．精确养殖与畜牧业4．精确设施农业所谓设施农业是指应用某些特制的设施来改变动植物生长发育的小气候，达到人为控制其生产效果的农业。设施农业主要有：设施种植业，如温室栽培、塑料大棚栽培、无土栽培等；设施畜牧业，如畜禽舍、养殖场及草场建设等。设施农业在国外发展较早，目前已达到相当高的水平，在欧洲，多数国家以温室生产为主，其中荷兰和英国的温室主要是玻璃温室，用来生产蔬菜和花卉，荷兰生产的蔬菜80％用于出口，花卉出口更占世界出口量的71％(1987)；日本利用温室栽培蔬菜及果树，技术十分发达，几乎所有蔬菜的生产很大程度上依赖于温室。（二）实施精确农业需要满足的条件1．农田大小农田大小的概念主要取决于外部环境，不同国家适于精确农业技术实践的农田大小不一样，一般需要一个全面的经济分析，可以计算出一个国家适于精确农业技术实践的最小农田范围。适于精确农业技术实践的最小面积约为85.6ha。2．农机化程度农田可大可小，但是农业作业若不是机械化，精确农业就难以实施。如联合收割机、播种机、施肥机、喷药机、喷灌机等。另外，还需要GIS、GPS（DGPS）；信息采集、分析设备；随农业机