精确农业中变量施肥决策系统的设计与实现(硕士论文)200709

论文分类号TN911.2 单位代码 10183 密级内部研究生学号2200709吉林大学硕士学位论文精确农业中变量施肥决策系统的设计与实现The design and the realization of variable rate fertilization decision-making system in the precision agriculture作者姓名：李冬梅专业：信号与信息处理导师姓名及职称: 张书慧副教授论文起止年月：2001年9月至2003年3月- 1 -目录第一章绪论 (1)1.1本文研究的目的和意义 (4)1.2 精确农业在国内、外的研究现状和方法 (6)1.2.1 精确农业在国外的研究现状 (6)1.2.2 精确农业在国内的发展现状 (7)1.3 本文的研究内容及方法 (9)1.4本章小结 (10)第二章变量施肥决策系统的设计 (11)2.1变量施肥决策系统的总体设计 (11)2.2数据模块 (12)2.3施肥决策模块 (13)2.3.1化肥对作物的增产作用 (13)2.3.2常用的施肥方法 (14)2.3.3养分平衡施肥方法 (15)2.4地理信息系统模块 (18)2.4.1地理信息系统概述 (18)2.4.2 地理信息系统开发平台MapInfo (18)2.5本章小结 (19)第三章变量施肥决策模块设计 (20)3.1 Visual Basic6.0 (20)3.2数据统计及查询 (21)3.2.1德惠田块说明 (22)3.2.2德惠田块数据的操作 (24)3.3养分平衡施肥法决策模块设计 (27)3.4本章小结 (31)第四章神经网络决策模块设计 (32)4.1神经网络概述 (32)- 2 -4.2 BP网络的工作原理 (32)4.2.1BP网络算法 (34)4.2.2 BP网络设计原则： (35)4.3神经网络训练数据的实验研究 (37)4.4两种施肥决策方法的比较 (38)4.5本章小结 (41)第五章 VB与MapInfo的集成 (42)5.1地理信息系统 (42)5.2交互集成的技术原理 (42)5.3系统集成 (43)5.3.1系统集成要求 (43)5.3.2在VB下实现地图集成 (43)5.3.3地图的管理及功能实现 (46)5.4本章小结 (51)第六章全文总结 (52)6.1本文的主要结果 (52)6.2 变量施肥技术中还有待于解决的问题 (53)致谢 (54)参考文献 (55)摘要 (I)Abstract (I)- 3 -第一章绪论1.1本文研究的目的和意义精确农业(Precision agriculture，Precision farming，Precision farming，site specific crop management或者Prescription farming)是基于信息技术的作物生产管理系统，是现代电子信息技术、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起来的作物生产精确经营技术。

它是美国等经济发达国家继LISA(低投入可持续农业)后，为适应信息化社会发展要求对农业发展提出的一个新的课题，一种关于农业管理系统的战略思想，是信息科学技术在农业中的运用。

精确农业是一种以知识为基础的农业微观管理(micro-management)系统，是在现代信息技术、生物技术、种子工程、平衡施肥技术、新型灌溉技术、自动测试监控技术、机电技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的现代化农业[1]。

它以全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）技术和计算机自动控制系统（ICS）为基础建立起来的信息农业技术，它的技术核心是地理信息系统（GIS）的应用。

其内涵包括精确土壤测试技术、精确种子工程、精确平衡施肥技术、精确播种、精确灌溉技术、作物动态监测技术等。

近几年来，精确农业技术的研究与应用发展迅速，其主要目的是更好的利用耕地的资源潜力，科学的投入，提高作物产量，降低生产成本，减少农业活动带来的环境污染，实现农业生产的可持续发展。

精确农业与传统农业相比，主要有以下的特点：1)合理使用化肥，降低生产成本，减少环境污染。

精确农业采用因土、因作物、因时因地全面平衡施肥，能够大范围的改变传统农业中因为经验施肥而造成的三多三少 (化肥多,有机肥少；氮肥多,磷、钾肥少；三要素肥多,微量元素少)，氮、磷、钾等肥料比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。

2)减少和节约水资源。

目前传统农业因大水采用漫灌和沟渠渗漏的浇灌方法，- 4 -对灌溉水的利用率只有40%左右；精确农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分，可以通过滴灌、微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。

3)节省成本。

精确农业采用专家的决策系统对农田进行科学管理，因此，节省了人力物力，管理起来方便快捷，成果显著。

4)精确农业使农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量。

因为精确农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采取相应的措施。

精确农业的系统流程图如图1-1。

图1-1 精确农业的系统流程图精确农业是广泛应用现代信息技术的农业，它追求的最后目标是科学地- 5 -利用土地，合理地应用化肥、农药、水、种子和其他投入，在保护环境的同时增加农业生产,与传统农业相比最大的特点是：以高新技术和科学管理换取对自然资源的最大节约。

它是一项综合性很强的系统工程，是农业实现低耗、高效、优质、环保的根本途径，是世界农业发展的新趋势，也是我国农业迈向21世纪的最佳选择之一。

1.2 精确农业在国内、外的研究现状和方法1.2.1 精确农业在国外的研究现状精确农业在国外发达国家发展十分迅速，其应用已涉及到施肥、播种、耕作、水分管理等相关领域。

计算机和信息科学的发展为精确农业奠定了坚实的基础，加之对节约资源和保护环境的重视又进一步推动了精确农业的发展。

目前国外关于精确农业的研究应用，基本上还是集中于利用全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感技术RS等空间信息技术和作物生产管理决策支持技术（DSS）为基础的面向大田作物生产的“精细农作”技术[1]。

精确农业是最近几年来在美国、加拿大和欧盟一些发达国家发展起来的高新技术与农业生产相结合的新型农业模式。

根据信息可进行精确的土壤调查、合理施肥、作物估产、农业生态环境和土地合理利用等。

土壤调查和合理施肥可减少施肥量，减少浪费，减少投入，从而提高经济效益。

根据不同土壤、不同肥料类型和不同作物的施肥标准，推荐最佳的施肥方案，做到合理施肥。

进入90年代，精确农业中的变量施肥技术在欧美发达国家发展很快，已经初具规模。

美国自1995年以来，每年召开一次“信息农业学术研讨会”，重点讨论信息、GPS、GIS、自动控制等技术[2]。

目前已涉及到变量施肥、植物保护、精确播种、耕作和水分管理等各相关领域。

从国外精确农业的发展来看，变量施肥技术是首先发展且最为成熟的。

在这些国家的肥料施用中，通常是先进行精确的土壤调查，然后进行合理施肥、作物估产等一系列的生产步骤。

土壤调查和合理减少施肥、减少浪费、减少投入，从而提高经济效益。

根据不同土壤、不同肥料类型和不同作物的施肥标准，推荐最佳的施肥方案，做到合理施肥，作物估产。

不但能较为准- 6 -确检测产量，还能绘出产量分布图。

根据产量分布图也可以判断出对每一操作单元施用肥料的类型和用量[3]。

美国农业科技目前已经取得了许多突破性的重大的发展，现代信息技术和生物工程技术等高科技被广泛应用，美国农业正在发生新的革命性的变化。

以GPS为代表的高科技设备应用于农业生产，导致了精确农业的产生，大大提了农业生产水平。

据美国农业专家介绍，目前美国大约有20%的农民应用精确农业技术[4]，随着这种精确种植技术的全面推广，美国现代农业会再登上一个新的台阶。

在美国、英国、加拿大、澳大利亚等国有生产带DGPS定位系统和产量自动计量的谷物联合收割机[4]，机器在田间收获时以秒为单位存储空间位置和对应的小区平均产量信息，经过压缩后存入智能磁卡，再在计算机上读入磁卡数据，构建小区产量空间分布图，并与GIS平台相结合，进行空间图形的矢量化和数据处理后，生成可用于指导操作的小区产量分布矢量图。

据统计，1996年北美当时约19%的300公顷以上的规模化农场已经利用GPS，到2000年这一比例达90%[5]。

近几年来，在带产量传感器和DGPS的谷物联合收割技术已趋于成熟的基础上，欧美等国家已经开始对玉米、甜菜、土豆、甘蔗、棉花等联合收割机产量计量传感器的研究，并已经取得初步成果[5]。

另外还有，实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械，如安装有DGPS定位系统及处方图读入装置，可自动选择种子类型、按处方调节播种量的小麦精密播种机、自动施肥、施药机、可控水量的喷灌机等.这些产品目前正在继续完善中。

从大趋势看，精确农业将向着完全的时间和空间变量管理和决策支持方向发展。

随着相应技术的进一步发展，精确农业将很快从试验应用走向推广应用。

1.2.2 精确农业在国内的发展现状我国精确农业尚处于探索阶段，政府对精确农业工作十分重视，国家“十五”时期科技战略重点将以发展精确农业技术、提高农业生产水平最为重中之重[7]。

结合我国具体情况，已经开始研究发展适用的精确农业技术体系，我国- 7 -广大农业科技工作者积极投身这一农业前沿科技领域的研究，在精确农业技术的研究、示范推广中开展了卓有成效的工作。

目前，我国已有了自己的精确农业研究机构，即以中国工程院院士汪懋华为学科带头人的中国农业大学精确农业研究中心，该中心以在国际国内多种期刊和重大农业会议上发表了数篇论文，有力的推动了我国精确农业理论研究发展。

北京市已经开始一项名为“精确农业”的高科技农业示范工程，即利用卫星、遥感、计算机和自动遥控等高新技术于农业生产，以提高产量，降低能耗[6]。

这项国际先进的农田耕作技术成熟后将向全国推广，以解决我国地少人多的农业发展瓶颈的问题、减少污染和浪费，走农业持续发展的道路。

辽宁省用GIS地理信息系统进行了辽河平原农业生态管理的应用研究。

国家973项目“地球表面时空多变要素的定量遥感理论及应用”的科研人员于2000年10月至2001年5月冬小麦生长期间，在北京顺义地区开展大型星、机、地一体化定量遥感综合实验。

一些地区以将精确农业引入生产实践并取得了可观的经济效益，如新疆生产建设兵团从1996年开始实施精确农业措施，拓宽了致富路，该团十四连2000年棉花总产量达196万公斤，比1999年增产60万公斤[8]。

但是，我国各地的自然条件、社会经济条件差异明显，农业生产水平也有很大差距，但是从总体上看，我国的农业集约化水平较低，和发达国家比起来还有很大差距，如在土壤养分管理和施肥技术方面，我国与发达国家存在很大差距。