1、第六章精細農業與農業機械化新裝備機電工程學院農機系2009.10.1 概 述11 精細農業的基本概念21世紀，人類正在逐步進入知識經濟社會的大門。過去20多年來，信息技術的高速發展，已使它迅速滲透到國民經濟的各個部門，改變著人們的生活方式、工作方式和思維方式，引發許多傳統技術思想和觀念的革命。國際競爭，將更多地轉向以知識為基礎的科學技術與產業技術的競爭。農業是國民經濟的基礎產業，保障世界的食物安全和農業的可持續發展，是全球性的永恒主題。過去五十年，世界農業發生了重大變化。農業生產通過生物和農藝技術的進步和支持，以及將生物和農藝技術轉化為大規模生產力的現代農業工程技術、農業系統經營管理技術的不斷

2、改善，使得世界食品產量的增長，超過了人口的增長速度。上世紀后半期世界農業的高速發展，基本上是依靠生物遺傳育種技術的進步，耕地和灌溉面積的擴大，物理與化學產品投入的大量增加，機械動力與礦物能源大量投入的條件下獲得的。由此而引起的水土流失、生態環境惡化、生物多樣性損害等問題，已經引起國際社會的嚴重關切，并成為推動技術創新，實踐農業可持續發展的重要驅動力。改革開放以來，中國農業和農村經濟得到了飛速發展，但仍面臨嚴峻的挑戰。我國化肥的生產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，化肥農藥利用效率很低，我國化肥的利用率，氮為30%35%，磷為10%20%，鉀為35%50%，農藥利用率在

3、30%左右，對環境造成嚴重威脅。我國水資源嚴重匱乏，而降水利用率不足35%，只是發達國家的1/3，節水已成為一項緊迫而繁重的任務。我國每公頃耕地平均擁有農用動力1千瓦左右，相當于美國的2倍，然而我國的農業發展水平卻遠遠低于美國。我國農業應盡快實現從粗放經營到精細農作的轉變。農業科技發展綱要(20012010年)提出：“推進新的農業科技革命，實現傳統農業向現代農業的跨越”。“實現傳統農業向現代農業的跨越，盡快縮小與發達國家的差距，必然要在農業科學研究與技術開發上取得重大突破，促使先進適用技術及時充分地應用到農業生產中去，加速科學技術、特別是高新技術全面向農業滲透，大幅度提高農業科技整體水平，實現

4、農業生產力水平質的飛躍”。知識經濟時代，迅速發展與普及的計算機和信息技術將推動人們在科學利用資源潛力，發展節本增效生產方式，改善和保護生態環境，實現基于信息和知識的生產過程管理決策方面，突破許多傳統的模式和觀念。它對傳統產業的改造日益廣泛和深刻，對農業更有其特殊意義?；兽r藥的大量使用土地的污染、浪費！精細農業（Precision Agriculture 或 Precision Farming）是上世紀80年代末由美國、加拿大的一些農業科研部門提出的，目前，日本、英國、丹麥、中國等國也正在積極進行這方面的研究。美國國家研究委員會（National Research Council）為此曾專門立

5、項組織了一個由一批多學科著名專家組成的專家組對有關發展研究進行了評估，研究報告經過由美國科學院，工程院和醫學科學院院士組成的評估組進行審議后，于1997年發表了“Precision Agriculture in the 21st CenturyGeospatial and Information Technologies in Crop Management”研究專著，全面分析了美國農業面臨的壓力、信息技術為改善作物生產管理決策和改善經濟效益提供的巨大潛力，闡明了“精細農業”技術體系研究的發展現狀，面臨的問題及其支持技術產業化開發研究的機遇。1998年夏，日本政府撥?？钪С秩舾纱髮W進行“精細農

6、業”應用研究，日本農林水產省已與洋馬公司和久保田公司等企業合資成立了研究機構，開發利用衛星定位系統的農業機械技術。據測算：采用精細農業技術，可以節約30%以上的肥料和農藥，可使作物生產成本降低20%以上。在減少投入的情況下增加(或維持)產量，一是節約資源、降低成本，二是減少環境污染、保護生態環境。因此，實行精細農業技術成了近幾年興起的新熱點。遙感（RS）和地理信息系統（GIS）技術上世紀八十年代就已用于農業領域和發揮了良好作用。1993年，美國的全球定位系統（GPS）民用后，使這三項技術構成了一個相得益彰的完整體系，俗稱3S技術。它是利用RS作宏觀控制，GPS精確定位地面位點到米級，GIS將地

7、面信息（地形地貌、作物種類和長勢、土壤質地和養分水分狀況等）進行儲存、處理和輸出，再與地面的信息轉換、實時控制、地面導航等系統相配合，按區內要素的空間變量數據精確設定最佳耕作、施肥、播種、灌溉、噴藥等多種農事操作。傳統農業是以畝，甚至百畝為單位的地塊作為統一操作單元的，而同一地塊單元內的地形、土壤、作物生長狀況差異很大，3S技術則可將操作單元縮小到平方米，使傳統的粗放生產變為精細農作，可以顯著提高水、肥、藥的利用效率，以最經濟的投入獲得最佳產出及減少對環境的污染。精細農業技術不僅適用于種植業，也適用于畜牧業、園藝和林業。精細農業在美國和歐洲一些國家已進行試驗和推廣應用，并取得了顯著效果，以荷蘭

8、、以色列兩國為例，以色列目前實控面積2.78萬km2，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m3，人均占有淡水資源不到300m3，僅相當于我國的1/8。從50年代至1995年，在沒有增加水資源的條件下，農業產值增長了12倍；荷蘭也是人多地少、農業土地資源相當貧乏的國家，經過多年的發展，已成為世界第三大農產品出口國，農產品出口創匯占全國出口創匯收入的1/4。以色列、荷蘭都是小國，他們大力推動農業科技研究與科技創新，但對世界農業生產與農業科技發展做出了舉世矚目的重大貢獻。荷、以兩國在農業工程高新技術應用研究和農業工程設備產業發展方面的經驗，對于推動我國農

9、業科技現代化和農業科技創新工程的實踐都有重要現實意義。12 精細農業的技術思想精細農業技術思想的核心，是獲取農田小區作物產量和影響作物生長的環境因素（如土壤結構、地形、植物營養、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區產量差異的原因，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，區別對待，按需實施定位調控的“處方農作”，如圖1-1所示。圖1-1 精細農業基本技術思想上述精細農業技術體系在許多發達國家的試驗和應用表明，可以顯著提高耕地的生產潛力，節約良種、化肥農藥和能源投入，獲得良好的經濟效益，受到農戶的歡迎。產業界不斷向市場推出其支持技術產品，并建立提供精細農業社會化服務的新模

10、式。近年來，日本、韓國、巴西等國的試驗研究也有了快速發展。作為信息化時代的現代農田精耕細作技術，其應用實踐可根據不同國家、不同地區的社會、經濟條件，圍繞提高生產、節本增效、保護環境的目標，采用不同的技術組裝方式，逐步提高作物生產管理的科學化與精細化水平。獲取農田小區產量空間分布的差異性信息是實踐精細農業的基礎。有了小區產量分布圖，農戶即可以根據自己的經驗知識，分析小區產量差異的原因，選擇經濟適用的對策，在現實可行條件下采取適當措施實施調控；也可以根據技術經濟發展的條件，利用先進的科學手段或智能化變量處方農業機械實現生產過程的自動調控。綜上所述，精細農業與傳統農業相比，主要有以下特點：（1）合理

11、施用化肥，降低生產成本，減少環源污染精細農業采用因土、因作物、因時全面平衡施肥，徹底扭轉傳統農業中因經驗施肥而造成的三多三少（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肥比例失調的狀況，因此有明顯的經濟和環境效益。（2）減少和節約水資源目前傳統農業因大水漫灌和溝渠滲漏對灌溉水的利用率只有40左右，精細農業可由作物動態監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量。（3）節本增效，省工省時，優質高產精細農業采取精細播種，精細收獲技術，并將精細種子工程與精細播種技術有機地結合起來，使農業低耗、優質、高效

12、成為現實。在一般情況下，精細播種比傳統播種增產1830，省工23個。（4）農作物的物質營養得到合理利用，保證了農產品的產量和質量因為精細農業通過采用先進的現代化高新技術，對農作物的生產過程進行動態監測和控制，并根據其結果采取相應的措施。13 精細農業的技術支撐精細農業技術必須能隨時間及空間變化采集數據，根據數據繪制電子地圖，加工、處理，形成管理設計（或執行電子地圖），精確控制田間作業，并對精細農業的農業效果、經濟效益及環境效益進行評估。實現這些的關鍵技術是：全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）、農田空間信息采集傳感技術、作物生產管理輔助決策支持系統和智能化變量作業農

13、業機械等。 全球定位系統（Global Positioning System）精細農業技術體系的關鍵技術之一，是在作物生產管理中，根據農田小區產量和生長環境因素的空間差異性，通過空間信息的聚類處理后，實施定位處方農作。因此，進行以農田空間定位為基礎的作物小區平均產量和影響作物生長主要環境信息的采集與處理，是實施精細農業的基礎。90年代初全球衛星定位系統的完善，為實踐農田作物生產的定位精細管理提供了基本的條件。GPS的基本原理是易于理解的：該系統由包括24顆地球衛星組成的空間部分，由地面控制站和一組地面監測站組成的地面監控部分以及用戶接收機3個主要部分組成。目前已建成投人運行的全球衛星定位系統有

14、美國國防部建設的GPS系統和俄羅斯建設的GLONASS系統，兩者原理相同，但利用了不同的時間標準和大地坐標系，均可提供全球衛星定位信息的免費服務。對于用戶來說，只需要根據不同用途的要求，如同使用移動電話一樣，購置用戶接收機，可享用不同方式的服務，用戶具有必要的使用知識即可。 地理信息系統與地圖軟件(Geographic Information Systems and Mapping Software)地理信息系統(GIS)是一個應用軟件，是精細農業的大腦，是用于輸入、存儲、檢索、分析、處理和表達地理空間數據的計算機軟件平臺。它以帶有地理坐標特征的地理空間數據庫為基礎，將同一坐標位置的數值相互聯

15、系在一起。地理信息系統事先存入了專家系統等帶決策性系統及帶持久性的數據，并接收來自各類傳感器（變量耕地時實傳感器、變量施肥時實傳感器、變量栽種時實傳感器、變量中耕時實傳感器等）及監測系統（遙感、飛機照相等）的信息，GIS對這些數據進行組織、統計分析后，在一共同的坐標系統下顯示這些數據，從而繪制信息電子地圖，做出決策，繪制作業執行電子地圖，再通過計算機控制器控制變量執行設備，實現投入量或作業量的調整。在精細農業實踐中，GIS主要用于建立農田土地管理、土壤數據、自然條件、生產條件、作物苗情、病蟲草害發生發展趨勢、作物產量等的空間信息數據庫和進行空間信息的地理統計處理、圖形轉換與表達等，為分析差異性

16、和實施調控提供處方決策方案。在GIS中能夠生成多層農田空間信息分布圖，將其納入作物生產管理輔助決策支持系統，與作物生產管理與長勢預測模擬模型、投入產出分析模擬模型和智能化作物管理專家系統一起，并在決策者的參與下根據產量的空間差異性，分析原因、作出診斷、提出科學處方，落實到GIS支持下形成田間作物管理處方圖，分區指導科學的調控操作。 產量分布圖生成系統(Yield Mapping Systems)產量分布圖記錄作物收獲時產量的相對空間分布，收集基于地理位置的作物產量數據及濕度含量等特性值。它的結果可以明確地顯示在自然生長過程或農業實踐過程中產量變化的區域。在大多數管理決策中，產量是一個首要的因素

17、，需要精確的產量圖來確定空間處理方案。獲取農作物小區產量信息，建立小區產量空間分布圖，是實施精細農業的起點，它是作物生長在眾多環境因素和農田生產管理措施綜合影響下的結果，是實現作物生產過程中科學調控投入和制定管理決策措施的基礎。從1992年以來，谷物的產量圖是通過使用決定谷物的數量的流量傳感器與濕度傳感器以及記錄作物位置信息的GPS接收器繪制完成。帶DGPS和流量傳感器的聯合收割機在田間作業時，每秒給出收獲機在田間作業時DGPS天線所在地理位置的經、緯度坐標動態數據，同時流量傳感器每秒自動計量累計產量，根據作業幅寬換算為對應作業面積的單位面積產量，從而獲得對應小區的空間地理位置數據(經、緯度坐

18、標)和小區產量數據。這些原始數據記錄在PC卡中，轉移到計算機后，利用專用軟件生成產量分布圖。產量監測器測量潮濕的谷物流量、谷物的濕度、收獲的面積，從而得到修正濕度后每英畝的產量。因為這種大流量的測量是在聯合收割機的谷物清運系統內完成的，這樣，在收獲機處有一個從谷物被收割的位置到谷物被測量的位置的偏移，這個偏移導致了動態的不精確性。目前，隨后的數據處理設備還無法完全消除這種不精確性。通常認為大田塊修正偏差后的總產量數據比測量小的子田塊的結果準確。盡管谷物監測設備已廣泛使用，但仍需進一步改進以提高精確性以利于精細農業技術的推廣應用。迄今，用于小麥、玉米、水稻、大豆等主要作物的流量傳感器已有通用化產

19、品，其他如棉花、甜菜、馬鈴薯、甘蔗、牧草、水果等作物的產量傳感器近幾年已做了許多研究，有的已在試驗使用。產量分布圖揭示了農田內小區產量的差異性，下一步的工作就是要進行產量差異的診斷，找出造成差異的主要原因，提出技術上可行、按需投入的作業處方圖。農田產量差異診斷的步驟：首先根據經驗和歷史記錄進行分析，如農田形成的歷史、往年的病蟲草害、內外澇情等因素對產量差異的影響；如有必要，則進行對農田土壤物理特性分析、化驗土壤化學特性等。找到局部低產的原因之后，可根據專家經驗或作物生長模型提出解決方案并加以量化，以數據卡或處方圖的形式把指令傳遞給智能變量農業機械實施農田作業。 變量控制技術（Variable-

20、Rate Technologies） 變量控制技術VRT（Variable Rate Technologies）是指安裝有計算機、DGPS等先進設備的農機具可以根據它所處的耕地位置自動調節貨箱里某種農業物料投人速率的一種技術。作為精細農業技術的領頭羊，美國最早開始從事變量控制技術的概念與實踐研究。變量控制設備隨著空間位置變化而改變諸如種子、化肥、農藥等投入量。變量控制技術系統包括控制特定物質流速變化的儀器，或同步控制多種物質流速變化的儀器，使得處于行駛中的機械自動改變物質投入量，以達到預期效果。變量控制系統根據施用的物質和確定局部施用量的信息來源有不同的設計方法。當前變量控制技術系統有以下兩種

21、：（1）基于地圖的，需要一個GPS/DGPS地理信息定位系統和一個用于存貯施用計劃的命令單元，該施用計劃包含了田塊內每一位置的施用量期望值。（2）基于傳感器的，并不需要地理信息定位系統，但包括一個動態命令單元，在田塊內所到的每一位置通過實時地分析土壤傳感器與（或）作物傳感器的測量數據確定相應的施用量。變量控制技術是在20世紀80年代中期由美國工業界提出的。根據預先收集的數據如拍攝的土壤圖或柵格式土壤采樣，確定處方圖，然后在經濟型噴灑器上同步變化于氮、磷、鉀肥等的施用量。農業機械安裝了這種攜帶標準的液體混合器變量控制技術系統后，在運行中根據測得的土壤屬性，實時調整多種化肥施用量，達到最佳效果。目

22、前為止，經濟型噴灑器已在一定范圍內使用了基于傳感器的變量控制技術。用精細農業技術可以實現變量調整的內容包括：施肥量、除草劑或殺蟲劑施用量、農藥施用量、灌水量、耕地深度、播種量及密度和深度、中耕、產量策估等。變量控制技術采用了反應有機物、陽離子交換容量（CEC）、表土層深度、土壤濕度、土壤硝酸鹽含量、作物光譜反射系數的有成型產品的傳感器。倡導基于傳感器的實時變量控制技術的研究人員觀察發現：土壤和作物環境數據比目前的基于地圖的方法測得的數據變化快。從現在的局限于每秒一個樣品和一次控制變化的GPS/DGPS/GIS方法不能得到最佳的作物管理結果。根據土壤硝酸鹽和陽離子交換容量測量值施氮肥以及根據用光

23、譜反射系數得到的小麥含氮量施氮肥，這兩個變量控制技術例子是基于實時傳感技術而不是基于GPS/DGPS或GIS系統的。實時傳感變量控制技術有優于基于地圖技術變量控制技術之處。實時傳感是對感興趣的屬性的一種直接且連續的測量，這使用戶減少了一次特定的應用中未采樣的面積。在基于地圖的應用中，地圖通常是建立在有限個的采樣點上，這樣在估計采樣點之間的情況時就存在著潛在的誤差。另一種不確定性與GIS有關，主要是某地的樣品按當時的測量值標定成為地圖，而一段時間后再按圖作出的響應存在著時間上的不連續性。如土壤含氮量或害蟲分布等動態變量，在成圖與最后按圖作業這段時間間隔內，這些變量在數量與屬性分布上都會發生顯著的

24、變化。在農場，一些采用基于傳感的變量控制設備可以完成以下的農作：按土壤類型的不同變量施固態氨肥；按土壤不同的CEC與表土層深度改變種植密度；按土壤的有機組成的不同變量施除草劑；按土壤CEC的變化變量施催肥劑；按土壤CEC、表土層深度和硝酸鹽濃度在側施肥料時變量施氮肥?；诘貓D的變量控制技術系統不僅廣泛地用于農用拖拉機用來噴灑液體肥料、固態氨、除草劑及種子。而且也可用在樞軸式灌溉系統中控制水和肥料。在商用高懸浮式噴灑設備大量地噴灑磷肥、鉀肥和石灰時，常采用基于地圖的變量控制技術。因為高懸浮式噴灑設備的氣體的或液壓控制的系統需要額外的資金與維護費用，其應用成本比常規懸浮噴灑技術要高。典型的懸浮粒狀

25、肥料變量噴灑系統比非變量噴灑系統的成本要貴2到3美元每英畝。在拖拉機上安裝控制器，使之能實現變量控制技術的成本是非常小的。升級一個控制器使之能自動調整噴灑的速度是一個費用較小的技術方案，僅表現為一個軟硬件的接口。然而，用戶也必須有一只用于處理GIS數據及發送變量控制信號給其它控制單元的計算機，及一個GPS/DGPS接收器。技術上較成熟的生產企業能裝配這樣系統。在其它情況下，多種化學制品混合注射系統作為預裝單元與GIS/GPS/DGPS成一整體是一個更復雜和昂貴變量控制系統。不論農民采用哪種類型的變量控制系統，基于地圖的變量控制系統需要全面地考慮所有相關的成本，包括數據的獲取、用GIS及GPS/

26、DGPS創建及實施處方圖、及學習如何恰當地使用這種技術。獲取與解釋土壤測試信息的費用是一個限制特定地點實施基于地圖的變量控制技術的因素。為降低收集與分析的成本，通常土壤按每一個樣的比率采樣。在美國伊利諾斯州的一次測試中，2種柵格大小的化肥需求量與常規的施肥量進行對比，當柵格大小為時，所需的化肥量顯著減少，每英畝節省18美元，相比之下，當柵格大小為時，每英畝節省0.25美元。然而，在更小的柵格上收集樣品所需的費用遠遠超過了從化肥上節省下的費用。改進基于地圖的變量控制技術效率的一個關鍵在于發展既能節約成本的又有更高采樣密度傳感方法。 農業生物信息采集技術（Farming Data Acquired

27、 Technology）精細農業技術是一種以信息為基礎的農業管理系統，快速、有效采集和處理農田空間分布信息，是實踐精細農業的重要基礎。田間信息采集技術利用傳感器及監測系統來收集當時當地所需的各種數據，如土壤水分、土壤含N量、pH值、壓實、地表排水狀況、地下排水狀況、植冠溫度、雜草、蟲情、植物病情、拖拉機速度、降雨量、降雨強度等，再根據各因數在作物生長中的作用，由GIS系統迅速做出決策。實施地面傳感系統，需要開展一些的勘測土壤和作物生長過程的基礎性研究。在采樣密度達到一定的要求時，基于手工定點采樣與實驗室分析相結合，耗資費時、難于較精細地描述這些信息的空間變異性，傳感器則能自動收集土壤、作物、害

28、蟲數據，滿足密度要求。不同田區，其資源數據差異可能是非常明顯的，增加采樣數量將會更準確的反映田間數據屬性值的變化性。在一個土壤和作物參數采樣密度較高的田塊上，變量控制技術與作物模型的效果將會大大提高。從這個意義上說，擁有快速、高效的評估所測因素對作物產量產生影響的傳感器顯得尤為重要。目前需要從地面傳感器上得到的信息包括：土壤的有機組成、陽離子交換容量、硝酸鹽氮、土壤的壓實、土壤的質地、鹽度、雜草的檢測、作物收獲后殘余覆蓋情況等。這些參數及土壤PH值、磷肥與鉀肥利用率不能通過遙感技術獲得。并且應用實時的地面傳感器可以使種植者能根據定時采集的數據控制作物生長，這是航空或航天遙感做不到的。目前的傳感

29、器已經或正在向對土壤或作物生長環境條件的測量發展，包括土壤有機組成、土壤濕度、電導率、土壤養分等級、作物和雜草反射率。不間斷的實時的電氣化學的土壤化學成分傳感器現已可用于測量硝酸鹽含量和玉米側施肥料。實時聲學土壤質地傳感器及實時土壤壓實測試儀正在開發中。一些重要的實時指示值可能是由它們與其它變量的關系而不是測定值直接決定的，例如土壤電導率與同時測得的鹽分，土壤濕度、有機組成、陽離子交換容量、土壤類型與土壤質地測定值相關。最近，這方面的工作擴展到非鹽漬土法與能分離直接接觸電導率電化學測試成分法相結合。電導率成分分析方法被國外一些農機公司用來進行基于地理位置的數據采集及分析，及農作物的變量控制。用

30、電磁法測表層土壤電導率是粘粒含量、粘土層深度、土壤水分、水壓指數、生產率的一個指標，是產量監測的一個可靠的替代方法。對磷和鉀的測量，在農業行業中目前還沒有推薦使用的測量傳感器。有時，在變量控制技術首次應用的玉米種植區，磷和鉀的含量非常高，田地的可用性已遠遠超過了生產者種植當年或近幾年作物對田地的要求。在其它一些區域，如美國西部各州，土壤穩定成分含量較低是非常普遍的。對于這些類型的養分，非連續性養分測試成圖法有望做到在各個分散田地上收集與分析土壤樣品。國外正在開發能自動提取與分析土壤樣品的磷、鉀及其它養分的三個系統。如果可采用更多的數據采集與分析手段，信息的及時性與數量上都會有很大地加強。傳感器

31、將是精確施肥、精確除蟲及其它投入精確化所需的各項支持技術中的一個重要角色。在傳感器領域中的基礎研究是進一步理解各種區域性的生產系統中特定位置作物生長過程中發生的變化的基礎。目前田間信息快速采集技術的研究仍大大落后于支持精細農業的其它技術發展，已成為國際上眾多單位攻關研究的重要課題。 遙感技術(Remote Sensing)從遙遠的地方，如飛機或衛星上獲得信息，是精細農業一個潛在的重要的信息來源。遙感技術利用高分辨率傳感器，在不同的作物生長期，實施全面監測，根據光譜信息，進行空間定性、定位分析，為定位處方農作提供大量的田間時空變化信息。遙感技術被認為是作物管理信息的頗有價值的來源。過去的研究表明

32、：紅外航空圖像可用于檢測小麥及其它小粒谷類作物因病害而產生的長勢減弱。20世紀70年代，盡管有很多針對將衛星數據用于大面積作物的研究與開發評估報告，但對用于作物管理的應用卻研究較少。衛星數據沒有足夠的空間分辨率、時間頻率、合適的傳送時間以滿足農業生產的需要。另外，相關支持技術與基礎設施還不完善。1984年，研究人員描述了遙感在作物管理應用上的潛力，并強調關鍵在于提供足夠頻率覆蓋、快速的數據傳送、520m的空間分辨率以及將農藝的數據、氣象數據并入專家系統。1997年，在用遙感獲得關于確定并分析田塊內定點土壤時空變化的信息的潛力的回顧中，上述觀點得到確認。目前，有助于作物定點管理的技術遙感、全球定

33、位系統、產量監測系統與產量圖、地理信息系統、變量處理技術、計算機、電子通訊技術正被結合在一起。精細農業的快速發展重新激起了人們將遙感，尤其是航天遙感，用于作物定點管理的興趣。有人建議：盡管開發衛星的成本很高，衛星系統比航空圖像系統要合算，因為每個覆蓋單元衛星圖像的成本只有航空圖像的一半。遙感產品能在定點作物管理中扮演重要的角色，而且，在遙感信息的獲取、分析與分發上也有很大的市場潛力。也許，沒有其它任何一種遙感的應用需要如此頻繁地在如此大范圍的地域上獲取數據。目前應用熱紅外遙感、多譜段遙感、微波遙感對土壤水分的監測，以及應用近紅外多頻帶輻射儀測定作物氮素狀況和應用高分辨力光譜儀識別作物和雜草的技

34、術已經進入示范推廣階段。用戶也可以向衛星圖像服務部門購買特定地區某一時間的遙感圖像數據，在自己的用戶RS平臺上進行應用開發。 作物生產模型（Crop Production Modeling）為評估精細農業方法的效果，并提供準確評價的依據需要大范圍的精確反應空間差異的作物響應模型。已經有很多預測作物如何響應氣候、養分、水、光和其它條件的模型，而這些模型中的大多數只包括了精細農業應用中的一個空間變量。GIS能提供在大區域用反映連續變化條件的數據連續運行模型的方法。時間序列和其它一些時間分析法能幫助確定最后的產量?，F在模型的功能可能擴大到能描述空間效應，如沿著田塊的邊緣效應。然而，生態學和生物氣象學

35、的文獻資料表明一些精確反應空間差異的模型已發展到能預測每小時、每天、每年的土壤水分蒸發蒸騰損失總量和光合作用情況，一些按空間分布的水文學模型能預測表面和表面下的流量。中等規模的氣象模型能解決小到510km單元上的天氣預測。害蟲并不是平均分布在整個環境當中。對影響它們空間分布的因素有一定的理解后，可建立它們的空間分布及潛在的損失模型。能用GIS來表現這些因素的空間變化。與作物響應模型一樣，可以在整個田地上運行特定的蟲害模型，用GIS向模型輸入數據再顯示結果（松散聯合模型），或用GIS軟件創建精確反應空間差異的模型（緊密聯合模型）。GIS能為反映多因素效果建立基礎，如可將區域害蟲壓力模型的結果并入

36、一個系統產生基于局部變化情況的田間措施。作物生長模型能被用作按種植密度變化確定不同產量的輔助決策手段，這能幫助種植者按種植密度和各種土壤類型因素來決定何時在田間各個區域種植或補種作物。種植者所面臨的最困難的決定也許是不得不決定在一塊情況還不確定的田里補種作物。在一些作物種植區，地形因素能引起產量的巨大變化。地形元素，包括土壤質地、土壤有機組成及溫度，對有關作物生長的屬性都有影響。地形對排水與集水有影響，進而影響了作物生長處的土壤的濕度。抽樣土壤勘測沒有足夠的分辨率來識別這種變化，從而沒有足夠詳細的信息來做出精確的決策。即使是按有規律的柵格采樣，也可能會漏掉一些相關的土壤地形特征?；诘匦翁卣鞯?/p>

37、采樣密度比簡單的柵格更有效且有更大的信息含量。GIS使用戶能用攝影測繪方法（對航空像片進行相應的立體分析）創建與管理數字海拔圖或數字地形模型，并且用雷達測量或用田間裝置進行連續的三維坐標測量。精確的決策取決于對土壤屬性與從數字海拔圖或數字地形模型得到的表面形狀，如坡度、坡長、朝向、曲度、地勢、集水區及排水區之間聯系的理解。作物模型并不是解決問題的萬能藥。它們的功能只局限與對生物系統中各個部分的模擬。大多數已開發的作物或蟲害模型不是為管理空間與時間的差異而設計的。然而，目前作物模型仍是一個用來獲取對作物生產系統理性認識的重要工具。 決策支持系統(Decision Support Systems)

38、農業上決策支持系統（DSS）用來提供戰術的、戰略的及方針目標的決策支持。DSS是在管理信息系統和運籌學的基礎上發展起來的計算機科學分支，實現了由計算機自動組織和協調多模型的運行、以及對數據庫中數據的存取與處理，從而達到更高層次的輔助決策能力。決策支持系統包括模型庫、數據庫、知識庫、方法庫及其管理系統等，同時融合了良好的人機接口，使得模型運算、數據處理、專家知識以及在決策者的參與下建立起模型庫、數據庫與領域專家的有機聯系。圖1-3表示了一個簡單的DSS概念圖。由咨詢者提供數據，數據或是通過天氣預報獲得，或是通過一個傳感器的檢測獲得，然后，數據被分析并與適當的決策規則相聯系，最后得到一些事件來幫助

39、生產者做出決策。近幾年來，人工智能技術的最新成果，被引入決策支持系統，使系統的決策水平和決策自動化程度得到了提高。精細農業實踐中，DSS根據作物生長、作物栽培、經濟分析、空間分析、時間序列分析、統計分析、趨勢分析以及預測分析等模型，綜合土壤、氣候、資源、農用物資及作物生長有關的數據進行決策，結合農業專家知識，對不同的決策目標分別給出最優方案，用以指導田間操作。圖1-3 決策支持系統概念圖沿著決策支持系統的各步驟，信息看成從環境開始通過儀器或傳感器成為數據庫中的數據的流。數據形式的信息分析與處理后，或是存貯起來，或是作為決策過程的一部分傳給用戶。信息處理后產生一個決策，相應地產生一個行動，在相應

40、的環境內執行。當這個行動執行后，環境再次被監測，由此開始了新一輪的信息流。這樣，信息永不停息地在一個從檢測到行動的環中流向環境，又從環境流出到環中。一個決策支持系統中還包括了專家知識、管理模型、及時的數據來幫助生產者日常操作的和長期策略的決策。 發展DSS不是用來做單一的對策而是向決策者提供多種選擇。決策支持系統應被看成是有價值的戰略信息的來源。進入90年代，GIS（地理信息系統）、RS（遙感）等也被引入農業決策支持系統及精細農業的研究。國際上提出了基于模型和GIS或RS的農業決策支持系統。最近，美國佛羅里達大學研制了將作物模型與GIS相耦合的農業和環境地理信息系統的決策支持系統AE-GIS。

41、我國學者結合本國國情和區域自然條件開發的農田施肥、不同作物栽培管理、病蟲害預測預報、農田灌溉等農業專家系統等，圍繞實現作物高產、穩產、節本、高效的應用目標，已在生產應用中發揮了重要作用。然而，迄今進行的有關作物模擬模型、農業專家系統、決策支持系統的開發研究，主要還是基于農田或農場尺度上的作物生產管理決策支持技術，與精細農業思想的實踐要求尚有較大的距離。實施精細農業的作物生產管理輔助決策技術致力于根據農田小區作物產量和諸相關因素在農田內的空間差異性，實施分布式的處方農作。因而基于GPS、GIS作物生產管理智能化輔助決策支持系統，這已經成為精細農業支持技術領域的重要研究方向。 智能化變量農作機械（

42、Intelligent Farm Machinery）智能化變量農業機械是實踐精細農業的標志。迄今國外商品化的支持精細農業實踐的若干種變量農業機械己在生產和使用，其中較成功和效益較好的有施肥、噴藥、播種和灌溉等農業機械。變量施肥機可以根據事先繪制的施肥處方圖，對地塊中的肥料撒施量進行定位定量控制調整。例如美國AgChem儀器裝備公司生產的“SOILECTION”施肥系統可進行干式或液態肥料的撒施。它根據施肥處方圖，同時分別對磷肥、鉀肥和石灰的施用量進行調整。變量處方灌溉設備利用調整噴灌機械的行駛速度、噴口大小和噴水壓力等進行噴水量的控制。國外的自動灌溉系統裝有GPS和遙控裝置，利用通信網絡和辦

43、公室內的計算機相連，根據計算機內事先生成的變量處方圖，實施定位變量灌溉。例如美國愛達荷州阿伯丁的一個圓形變量噴灌系統，采用主從微處理器分布式控制，使得臂長達392米的噴灌機隨時調節噴灑流量，以適應農田小區因土壤質地、耕作層厚度、地形以及產量潛力不同對水分的不同要求。 智能化農業機械裝備技術由于微電子和計算機技術的迅速發展，現代農業機械已廣泛采用自動監測和自動控制技術，裝備有各種傳感器和由微處理器組成的監控器和顯示板。由于自動控制的需要，采用了機械、電子和液壓控制的先進技術，操作更為簡便。駕駛員可根據數據的顯示，適當調整作業的負荷和作業速度，使機組能在較佳的工況下運行。此外，由于采用多種先進傳感

44、技術和微處理器用以采集和處理各種數據，經過軟件的運算和處理，完成諸如作業面積、耗油率、產量計算、統計和友好的人機界面顯示等智能化功能。7.1 具有測產功能的谷物聯合收獲機圖7-1為帶有產量傳感器的聯合收割機。圖7-1 使用帶有產量傳感器的聯合收割機生成產量分布圖現代谷物聯合收獲機由于采用自動監測和自動控制技術，已具有以下幾個功能：割茬高度自動控制、脫粒喂入量自動控制、收割臺自動仿形、谷粒損失率監測和顯示等功能；自動監測并顯示作業速度、脫粒滾筒轉速等運行參數；故障診斷及報警；計算和統計作業面積、耗油率及產量等智能化功能。由于精細農作定位的要求，谷物聯合收獲機產品已裝有衛星定位系統接收機和能采集、

45、計算以及統計產量的各種傳感器，利用監測和處理的數據，可在專用計算機上利用軟件生成小區產量分布圖，并通過彩色顯示器向駕駛員顯示或由打印機打印出彩色產量分布圖，為實施精細變量處方農作打下基礎。傳統田間測產方法：單產量=總產重量/地塊畝數。精細農業田間測產方法：單產量=（谷物質量流量-水分含量+損失量）/（收割機行駛速度×割幅寬度）。結構原理 圖7-2 相應傳感器在谷物聯合收割機上的布置1   為測得上述數據，相應傳感器在聯合收割機上的布置如圖7-2所示。（a）沖擊式 (b)射線式 (c)光電容積式圖7-3測量凈谷粒的流量傳感器谷物聯合收獲機產量傳感器和部件裝

46、有產量傳感器等部件的谷物聯合收獲機，主要有DGPS接收、谷粒流量、谷粒濕度、作業行駛速度、收割臺提升位置等的傳感器、電子監控顯示器等。（l）谷粒流量傳感器用于測量凈谷粒的流量傳感器，多數安裝在凈糧升運器頂部通道，有沖擊式、射線式和光電容積式等3種常用類型（圖7-3），其中射線式測量精度較高，誤差可不大于1。它利用镅241同位素作為輻射源，射線向接受檢測器發出波束，穿越谷粒層，使落在射線檢測器上的輻射強度被衰減，從而監測谷粒在糧道內通過的數量，加上谷粒通過傳感器時的速度，便可轉換成為谷物的流量。（2）谷粒濕度傳感器由于單位體積谷粒質量隨其含水率變化，水分過高不利于儲存，必須進行烘干處理。公認的谷

47、粒標準含水率為，因而收獲時必須進行谷粒含水率測量，以便折算其在標準含水率下的谷粒質量。所以，在產量監測系統內包括一個谷粒濕度傳感器。濕度傳感器采用電容極板式，它安裝在凈糧升運系統靠近谷粒流量傳感器附近，利用高頻電流測量電容器兩平板間谷粒的介電常數，便可檢測谷粒的含水率。當然，在使用前，需用常規的谷粒濕度儀進行標定。（3）行駛速度傳感器計算谷物產量，必須監測聯合收獲機行駛速度。傳統的行駛速度靠測量驅動輪軸轉速和驅動輪直徑計算，但由于驅動輪與地面之間產生滑轉以及驅動輪直徑隨負荷質量大小而變化等因素，所得速度與真實行駛速度有一定的誤差。當前多采用雷達和超聲測速傳感器。雷達利用微波，超聲則利用高頻聲波

48、，當波束射到地面反射后被接收的波束頻率發生變化，由此便可測算出行駛速度。為避免由于地面有作物殘渣等影響測量精度，聯合收獲機常將傳感器安裝在收獲機機架靠近地面且在收獲機前輪壓過的平道上的位置上。行駛速度也可由GPS定位系統信號計算，但其精度受GPS定位精度的影響。（4）收割臺提升位置傳感器收獲機在地頭轉彎時或經過沒有作物的田間作業通道時，收割臺將停止工作而升高，由提升位置傳感器發出信號可以自動暫停作業面積的統計計算。（5）電子監控顯示器它安裝在駕駛室內，使駕駛員容易監控機器作業的狀態，它與計算產量的所有傳感器都有電路連接。顯示板附近還附有輸人鍵盤，需要時，駕駛員可以手動輸人或選定某些數據（如設定

49、割幅寬度等）和需要的某些標記（如“地塊 A ”、“北40”、“作業1”等）。顯示板上也可顯示谷粒含水率、瞬時產量、某塊地的平均產量、收割作業面積、行駛速度以及DGPS接收信號的質量等數據，供駕駛員參考。監控器還具有計算處理或儲存各種數據的功能。（6）GPS全球衛星定位系統為測量統計某一地塊各小區的產量，必須在收獲作業的同時，利用GPS定位系統同步監測田間各小區的位置。通用 GPS接收機可以每秒輸出1個3維定位信號，并按行駛距離為單位劃分田間小區及計算其產量，小區的田間位置必須同步由接收機輸人產量監控器。GPS可以通過差分信號進行校正以提高定位精度。產量圖的形成有了小區位置、谷粒流量、收割寬度和

50、行駛速度等數據以及單位換算和標定等系數，產量監控器可使用軟件計算統計瞬時產量，小區平均產量，每公頃平均產量等數據，這些數據可以寫入PIMCIA（國際協會個人計算機存儲卡）數據卡。產量數據的采集、存儲和生成產量分布圖的過程如圖7-4所示。操作員可將IC智能卡由產量監控器取出，插入到掌上或PC計算機的IC讀卡機槽內，計算機讀人數據后，可以通過專用的軟件匯總生成各種產量統計數據和數據庫，并可由彩色打印機打印出某一地塊各小區根據產量的高低，用不同顏色加以區分的彩色產量分布圖，也可以根據需要由統計和整理后的數據畫出某一地塊各小區不同產量的統計直方圖。圖7-4 生成產量圖時的數據傳送美國CASE2366谷

51、物聯合收割機AFS系統簡介(1)AFS系統工作原理凱斯2366軸流谷物收割機由DGPS、產量監測器、前進速度傳感器、凈糧升運器軸速傳感器、割臺高度電位器、谷物流量傳感器、谷物含水量傳感器和數據卡及圖形軟件等組成。谷物流量傳感器位于凈糧推運攪龍頂部。谷物進入升運器頂部時，在導流板引導下打擊傳感器的沖擊板，從產量監測器發出電信號。此信號的輸出和谷物流量成正比關系。由凈糧升運器軸速傳感器的輸出信號對流量傳感器的輸出信號進行校正和工作狀態限定。信號處理單元對前進速度傳感器、升運器軸速傳感器、谷物含水量傳感器、割臺高度電位器及谷物流量傳感器的輸出進行整合處理，測定機器行走距離、工作面積、瞬時谷物含水量和

52、瞬時作物流量。差分全球定位系統（DGPS）為這些信號提供重要的位置信息。所有這些信號傳遞到產量監測器，由系統軟件通過現場標定的方法有效地減少實測誤差，然后將數據記錄在數據卡上，得到對應每一空間位置所收獲的小區產量數據。在數據卡帶回辦公室后，即可在通用微機上利用專用數據軟件生成小區產量空間分布圖，用于產量分析并作為實施變量農作的基礎。(2)AFS系統收獲前及收獲中的設定對收割機的設定和AFS系統的設定，主要包括：設定日期和時間；選擇正確的聯合收割機類型；設定地塊，即給每個地塊一個特定的名稱；選擇要收獲的谷物的種類；設定割臺類型和寬度；設定數據單位，英制或公制；設置GPS采樣時間間隔；根據作物類型

53、設定割臺停止高度，因為收獲時，當割臺高度超過停止高度時，不計算產量和面積等。每天開始收割前，需要認真檢查上述的各種設定，任何一項設置出現錯誤都可能導致全天的收獲數據無效。例如，割臺寬度的設定，正常收割時為6米，如果前一天在最后的收割過程中，將割臺寬度調整為2米。而在第二天收割時沒有及時調整，這樣就導致了今天所有面積數據的錯誤。因為收割機是按照割臺寬度乘以行走距離來計算面積的。同時，要注意在收割某一地塊前，一定要設置割臺停止高度，因為割臺高度傳感器將相對于收割機的高度信號傳遞給產量監測器，以確定是否計算行走距離和面積。當收割某種作物時，要把割臺放在規定割茬的位置上，從駕駛室儀表上看到割臺高度所在

54、位置，以此高度作為割臺停止高度的設定，一旦割臺高度超過此值時，將不計算產量。(3)AFS收獲中的標定對AFS系統的標定包括對距離、面積、溫度、濕度和產量的標定。(a)距離標定 在收獲前，找一塊條件類似于將要收獲的土地進行距離標定。方法是首先用皮尺量出一定的距離，用標桿作好標記。用收割機測量，終端上顯示出測量距離，若測量距離與實際距離不相等，則在輸入實際距離后系統計算出一個校正系數。(b)面積標定因為在收割機進入地塊放下割臺或離開地塊升起割臺的過程中有少許誤差被計入，為了消除這些誤差，就要進行面積標定。面積標定的方法與距離標定類似，首先用皮尺或DGPS測定要收割區域的面積，等收割完成后，終端上會

55、顯示出測量面積，如果與實際面積不相等，在輸入實際距離后按“校準”按鈕，系統計算一個面積校正系數。(c) 溫度和含水量標定在聯合收割機的谷物含水量傳感器中安裝了溫度傳感器，是用來校正由于收獲作物時外界溫度變化對作物水分測量精度的影響。當收滿一個糧倉時，比較溫度傳感器得到的作物溫度與實際測量所得到的溫度，并將傳感器測量的溫度調整到實際溫度。為了提高谷作物的含水量測量精度，需用用一臺精度較高的谷物水分測試儀作為參考，對傳感器進行標定。凱斯產量監測器的校正實際上是在改變偏差百分數，產量監測器已經建立了各種作物的標準偏差值，如小麥和水稻為+2.0，大豆為+4.7，玉米為0.0，實際操作時將偏差百分數調整

56、到標準值的3%以內。在麥收實驗的含水量標定中，標定前測量值與實際值間的平均相對誤差為6.7%，而標定后在誤差驗證試驗中二者的相對誤差僅為0.235%，減小了6.465%。(d)重量標定將收獲的作物用標準計量秤稱量，然后將產量監測器顯示的谷物質量值調整到實際的質量值，使產量監測器達到最大精度。每次重量標定中的稱重次數應當進行3次以上, 每次的重量應在1400公斤以上。在標定重量時，對應每次稱重，要求聯合收割機的速度要有所變化，各次重量應相近，這樣標定結果才比較準確。 (4) 數據分析及處理CASE IH公司的Instant Yield Map數據處理軟件，可根據原始數據得到Raw Data Po

57、int, Grid Map, Smooth Grid Map和 Contour Plot三種產量分布圖，每種圖還可將產量分成不同的等級，這樣可以快速看出田間的情況并標出低產區域。例如麥收實驗中，地塊17的產量分布圖如圖7-5所示。  支持精細農作的變量處方農業機械由于精細農作應用技術的發展，目前國外已有多種商品化的變量處方投入的各類農業機械在生產和使用，其中較成功和效益較好的有施肥、噴藥和播種等農業機械。下面簡單介紹用于變量處方農作的農業機械技術發展情況。精細變量施肥機圖7-6 裝備有 GPS 的施肥機過量施用肥料和殺蟲劑不僅浪費，還將使農田受到污染，因而在精細農作中要通過電子地圖提

58、供的處方信息，對地塊中的肥料撒施量進行定位控制調整。國外已研制有監測土壤肥力的實時傳感器，它應用作業中切入的兩個圓盤犁刀之間加人電位差，使在兩個圓盤犁刀之間的土壤形成電磁場，由于電磁場的性質受土壤特性的影響，因而產生可以控制并調整肥料投人數量的信號，最終通過排肥管道的調節電磁閥門實現肥料的變量投入。土壤特性由土壤類型、有機物含量、土壤陽離子交換能力、土壤濕度和硝酸鹽的氮肥水平所組成。氮肥實時投入量的控制信號由傳感器輸出，加上農藝學的要求和產量目標綜合決定。美國AgChem儀器裝配公司生產的“SOILECTION”施肥系統可進行干式或液態肥料的撒施。它通過電子地圖內疊存的數據庫處方，可同時分別對磷肥、鉀肥和石灰的施用量進行調整。該設備用氣動或氣流方法可將干肥料噴撒到22 m的幅寬，并配備有4個分離的肥料倉，兩個為微型營養物或除草劑料倉，另兩個為化學品料罐，它可實時配制8種不同成份的混合肥料。圖7-6 為裝備有 GPS 的施肥機。圖7-7如圖