作物精准生产理论与技术

作物精准生产理论与技术廖树华[e-mail]内容:一、精准农业技术概要（PrecisionAgriculture）二、作物精准生产模型与设计理论1、作物系统过程的模型技术(ModelTechnology)2、智能化农业专家系统（ExpertSystem）3、作物知识模型(CropManagementKnowledgeModel)4、作物生产设计模型(DesignModelforCropProduction)三、田间信息实时采集技术（TechnologyforFieldInformationAcquisitiononReal-Time）“十一五”国家863重大项目“精准农业技术与装备”“精准农业技术与装备”项目分为以下几大部分（整个项目投入为0.56亿）：车载农田土壤信息快速获取关键技术与产品研发（350）；多平台作物生长信息快速获取关键技术与产品研发（350）；精准农业生产设计与管理决策模型技术研究（600）；农田作业机械智能导航控制技术与产品研发（350）；精准农业智能变量作业装备研究开发（1350）；精准农业技术集成平台研究与开发（600）；精准作业系统构建与应用示范（2000）。一、精准农业技术农学家在进行作物栽培模拟模型，作物管理与植保专家系统应用研究与实践中进一步揭示的农田内以米为单位的小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”而发展起来的；农业机械装备的机电一体化、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海湾战争后GPS、RS、GIS技术的民用化，使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，也推动了“精细农作”技术体系的广泛实践。迄今，国外关于PrecisionAgriculture的研究，基本上仍是集中于利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、作物管理决策支持系统（DSS）基础上的作物生产管理技术，即基于知识和信息技术为基础的现代农田“精耕细作”技术方面。因此，将PrecisionFarming译作“精细农作”，对引导当前的应用研究更能表达其明确的涵义。“精细农作”是基于现代电子信息技术、作物栽培管理辅助决策支持技术和农业工程装备技术等集成组装起来的作物生产精细经营技术。其主要目标是更好地利用耕地资源潜力，科学利用投入，提高产量，降低生产成本，减少农业活动带来的环境后果，实现作物生产系统的可持续发展。千百年来的作物生产实践，都是以地区或田块为基础，在区域或田块的尺度上，把耕地看作是具有作物均匀生长条件的对象进行管理，如利用统一的耕作、播种等农艺措施，满足于获得区域、农场或田块的平均产量的认识水平，很少顾及对农田整体或局部空间的盲目投入及过量施肥施药造成的环境后果。传统的农业技术推广模式，也是在区域尺度上进行实际上，即使在同一农田内，地表上、下影响作物生长条件和产量的明显时空分布差异性，包括农田内作物病、虫、草害总是先以斑块形式在小区发生，再逐步按时空变化蔓延的特性，早已为人们所认识。我国农民几千年来在小块土地上经过劳动密集的投入和积累的丰富生产管理经验而形成的“传统精耕细作”技术，也可以在小块农田内达到很好的经济产量，只是没有现代科学方法的定量研究和现代工程手段的支持来形成大规模的生产力。田区内产量上述明显的时空分布差异性，显示了农田资源利用存在的巨大潜力。同样地，农田内的土壤类型、肥力、墒情、苗情和病虫草害的分布，实际上也是很不均匀的。现代农学技术与电子信息技术的发展，为定量获取这些影响作物生长因素及最终收成的空间差异性信息，实施基于知识和现代科技的分布式调控，达到田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的经济产量成为可能。其实施过程可描述为：1)带定位系统和产量传感器的联合收获机每秒自动采集田间定位及小区平均产量数据；2)通过计算机处理，生成作物产量分布图；3)根据田间地形、地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，利用建立作物管理辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图；4)根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投入和精细农作管理。(一)全球卫星定位系统(GPS-GlobalPositioningSystem)全球卫星定位系统为实践农田作物生产的定位自动化精细管理提供了基本的条件。GPS的基本原理是易于理解的。该系统由包括24颗地球卫星组成的空间部分，由地面控制站和一组地面监测站组成的地面监控部分以及和用户接收机3个主要部分组成。目前已建成投入运行的全球卫星定位系统有美国国防部建设的GPS系统和俄罗斯建设的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）系统,两者原理相同，但利用了不同的时间标准和大地坐标系，均可提供全球卫星定位信息的免费服务。对于用户来说，只需要根据不同用途的要求，如同使用移动电话一样，购置用户接收机,享用不同方式的服务。用户具有必要的使用知识即可。GPS卫星GPS卫星是一组能发射精确的卫星轨道参数和时钟信号，在2万余km高空环绕地球运转的轨道卫星系统。这些信号穿越太空、电离层和大气层到达地面,被接收机接收，经过数字信号处理进行定位计算。空间卫星的布局，可以保证在地球表面任何地方、昼夜任何时间和任何气象条件下，接收机均可至少获得其中4颗以上卫星发出的定位定时信号。理论上只要用户能接收到4颗卫星信号，即可解算出用户所在的3维位置信息。当GPS卫星信号通过电离层和大气层传输时，会受到干扰和时间延迟，产生定位误差。美国提供的民用GPS接收机定位误差可达100米，实用的精确测量定位系统,还需要在地面设置校正定位误差的差分信号服务，使用差分定位系统（DGPS）。GPS产品为“精细农作”或其它农业应用选购GPS产品，需要有明确的应用目标和必要的知识支持，需注意主机与附件的合理配置，避免由于盲目性带来的损失;目前国外已有许多著名GPS公司进入中国市场。有的著名厂商，如美国Trimble公司和Ashtech公司已可专门提供支持“精细农作”的农用GPS产品，如Trimble的Ag132GPS接收机(二)地理信息系统与遥感技术地理信息系统(GIS-GeographicalInformationSystem)及支持地理空间数据采集、更新及遥远监测农田空间信息的遥感技术（RS-RemoteSensing）国外用于精细农作的带GPS的谷物联合收获机，可按每亩区分为约40-60个小区自动定位采集、计算单产数据，每一单产数据与对应的农田地理座标位置同步记录下来，进一步通过计算机处理生成小区产量分布图。为了分析产量空间差异性的原因，需要相应地对田间土壤、病虫、作物苗情等空间分布信息进行定位采集，经地理统计与空间信息处理技术，生成各种数据信息的空间分布图。并使这些基于同一农田不同类型的空间分布信息对应起来进行分析，提出按小区实施定位管理的处方决策方案。这些过程都可以通过地理信息系统协助来完成。地理信息系统（GIS）是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台。当然，GIS软件需要装载在适当性能的计算机上，并为计算机配置必要的扫描仪、数字化仪、读卡机等输入设备和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪等。GIS是以带有地理坐标特征的地理空间数据库为基础的系统。GIS中的数据可以被访问、变换、交互式处理。GIS从外部看，它表现为计算机软硬件系统，而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。在“精细农作”技术体系中，GIS主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。GIS表达地理空间信息采用栅格型和矢量型两种不同数据格式，原始采集的数据常用栅格式采集和存储，速度快；通过数据处理后形成的矢量型数据图形利于直观显示；由扫描仪或数字化仪输入的电子地图则直接转变为矢量图形显示。采用GIS建立空间图形的步骤通常是：①.用扫描仪、数字化仪输入基础地理信息建立农田电子地图或用DGPS帮助绘制农田地理图形；②.通过键盘输入定点采样数据或由产量监视器下载产量数据；③.在GIS支持下对数据进行平滑、统计或内插处理，生成不同层面的矢量型空间数据地理分布图形；④.选择颜色和图例以明晰表达各种空间信息分布图形；⑤.在作物生产决策支持系统和决策者的参与下生成不同类型的处方图形用于指导处方农作；⑥.在绘图仪、打印机上打印图形或存入相应介质中。目前，已有一批成熟先进的GIS软件在市场销售，国外软件大多也具有汉化功能，用户需要根据自己的应用要求选择合适的软件和配置相应的计算机硬件系统，并进行必要的应用软件开发以适应自己的应用要求。遥感技术（RemoteSensingRS）是未来精细农作技术体系中支持大面积快速获得田间数据的重要工具。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，RS技术在大面积农业资源监测、作物产量预测、农情预报等方面作出了重要贡献。遥感是用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分布信息。它具有广域、快速、可重复对同一地区获取时间序列信息的特点。RS是测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信息。每一地物反射和辐射的电磁波波长及能量都与其本身的固有特性及状态参数密切相关。装载于RS平台上的照象机或扫描式光电传感器获取的地物数字图象，含有丰富的反映地物性质与状态的不同电磁波谱能量，从中可提取辐射不同波长的地物信息，进行统计分析和地物模式识别。RS虽不直接测量土壤水份、植物冠层营养水平、籽粒与生物质产量等信息，但可通过多光谱测量推断出结果。用RS与GIS结合进行农田空间信息分析时，可按如下步骤：①.采集RS数据和处理成数据图象（由RS服务商提供）；仔细检查图象和分析统计数据；②.完成RS数据的地面核实；③.将RS和地面核实数据送入GIS系统；④.鉴别被测变量与作物条件的相互影响关系；⑤.根据所获信息对农田提出处方对策等。目前，由于卫星遥感数据尚达不到满足“精细农作”需求的空间分辨率，因而还未用于按小区进行作物生产的精细管理。基于遥感产业界对“精细农作”的商业兴趣，一系列的地球观测卫星将在近几年内发射，到2005年，将有超过40个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象，空间分辩率将达1～3米，多光谱图象分辩率预计可达3～15米，扫视区6～30km。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近3～5年内，在“精细农作”技术体系中扮演重要的角色。展望现代“精细农作”（PrecisionFarming―PF）的实践，在一些主要发达国家也不过只有六、七年的历史。迄今其技术体系仍然不十分完善，尚处于其发展的幼年时期。一个值得重视的趋势，是农业生产资料销售商和农业推广服务部门对提供精细农作技术服务日益增长的兴趣，如化肥和农药供应商同时为农户提供土壤空间信息采集、测土配方和机械化定位施肥、农田作物病虫害诊断和选用农药、实施机械化精细定位施药的综合服务；农机服务商为规模较小的农场提供收获、计量和产量分布信息采集服务；农业咨询商为农户提供基于信息的农田资源利用与农作物诊断，提供处方决策咨询服务等。二、作物精准生产模型与设计理论1、作物系统过程的模型技术系统动力学是由美国MIT的福雷斯特(J.W.Forester)于1950年提出，并应用于工业管理中。由于系统动力学在工业领域的成果应用，吸引生物学家和农学家将其应用到生命科学领域。系统可分开环系统(OpenSystem)和反馈系统(FeedbackSystem)。开环系统是指系统的输入决定系统的输出，而系统的输出对系统输入无任何影响。反馈系统就是系统的输出对系统输入有影响的系统，反馈系统又可分为负反馈系统和正反馈系统。反馈系统受它本身过去行为的影响，有一个闭合的回路结构