精确农业的现状及发展趋势的研究
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精确农业的现状及发展趋势的研究
肖志刚， 张曙光， 么永强， 李 雁
（河北农业大学 机电工程学院， 河北 保定 " ） % ! " " ! 摘要： 阐明了精确农业的概念和及其技术体系： 全球定位系统 + 、 地理信 息系统 + 、 遥感技术 . 、 生物技 术、 作物生产 管理专 , ( ( ( 家决策系统、 自动化、 智能化的农业机械操作 技术。介绍 了世界精 确农业的 现状。着重阐 明了中国 精确农业 的现状 及存 在的问 题， 指出了中国精确农业发展的思路。 关 键 词： 精确农业； 现状； 发展趋势 文献标识码： /
计算机辅助农业 （ ） 等。传统农业把作 物当作均匀生长的对象进行管理， 如统 一耕作、 播种、 灌溉、 施 肥、 1 2 M J A ? 4 @ : < = 4 = 6 : @ M < ; 5 喷药等， 满足于调控区域平均产量， 却很少考虑在整片 农田中 的盲目 投入及 过量施 肥、 施 药造成 的生产 成本增 加和环境 污染 后果。传统农业的管理是针对某一片土地的统一管 理， 而忽略了大多数土地都存在的空间差异 （ ） 。精确农业 ( : ? < : 3 C : @ < : G < 3 < ? J E 则考虑了在同一块农田上各小区之间土壤肥力、 质地、 含水量 、 有机质等条件 的差异以及 杂草、 虫害、 病害发生的 不均匀性， 进 而对耕作、 施肥、 播种、 灌溉 、 喷药等作业根据当时当 地的具 体情况 进行控 制， 以收到更 好效果。 其技术 体系的 基本内涵 是将 全球定位系统 （+ ） 、 地理信 息系统 （+ ） 、 遥感技术 （. ） 、 计算机 技术、 通讯和 网络技 术、 自动化 技术等高 新技术 与地理 学、 , ( ( ( 农学、 生态学、 植物生理学、 土壤学、 气象学等基础学 科有机 地结合 起来。实 施在农 业生产过 程中对 农作物、 土 壤从宏观 到微 观的实时监测， 以实现对农作物生长发育状 况、 病虫害、 水 肥状 况以及 相应 的环 境进行 定期 信息获 取， 生成 动态空 间信 息系 统； 对农业生产 中的现象、 过程进行模拟， 达到合理利用 农业资 源， 降低生产 成本， 改善 生态环 境， 提 高农作 物产量 和质量， 保 证农业的可持续发展的目的。精确农业以大田耕 作为基础， 从耕地、 播种、 灌 溉、 施 肥、 中 耕、 田 间管理、 植物保护、 产量 预测到 收获、 保存、 管理的全过程实现精确化、 网络化和智能化， 全部应 用遥感、 遥测、 遥控、 计算 机等先进技 术， 以 实现农业生 产的信
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精确农业随着经济的发展和环境污染问题的 日益严重， 在 高科技 发展到 一定阶段 产生的。 发达国 家的精 确农业 在某些 方面已趋成熟， 但还没有形成完整的实用体系。中国的精确农业起步较晚， 基本上处于实验和试点阶段。
! 精确农业
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［ ， ］ ! ’ 精确农业 （ ） 或称精准农 业， 有 的还称为 数字农 业 （P ） 、 信息农 业、 , @ 4 8 < D < 2 ; : 5 @ < 8 A 3 ? A @ 4或, @ 4 8 < D < 2 ; 6 : @ M < ; 5 < 5 < ? : 3 6 : @ M < ; 5
物生产管理的数据资源的数据库； 作物生产管理知识、 经验的集合知 识库； 基 于数据、 模型、 知识库的 推理程序； 人机交 互界面 程序等。最终生成田间调控的决策以供实施。 智能化的农业机械操作技术 # 农业机 械装备 迅速趋 向自动 化和智能 化， 已由单 元控制 ! " # " 9 自动化 、 :世纪; :年代后期， 发展到分布式控制， 由单机作业系统向管理决策系统集成的方面发展。带有计算机、 、 ’ ) % ’ ( %及各种检测 仪器和计量 仪器的 农业机械， 如收割机、 播种机、 施肥机、 喷药机、 喷灌机等， 除具备一般的 农业功能之外， 还具有智能化变量操作和绘图功能。
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收稿日期： ’ " " & # " & # ’ ’ 作者简介： 肖志刚 （ ， 男， 河北省容城县人， 在读硕士研究生， 讲师， 从事电路课教学和人工智能研究 O ! Q % " #）
增刊
肖志刚等： 精确农业的现状及发展趋势的研究
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息驱动、 科学经营、 知识管理、 合理作业。近年来， 精确农业的新理念已 开始渗透到 设施种植、 精确 园艺、 精确养殖、 精确加 工、 精确经营与管理等方面。 ! " # 精确农业的技术体系 精确农业技术是在所有农业耕地中及时发现作物 生长环 境和收 获产量 实际分 布的空间 差异性 和时间 差异， 及对 这种差 异性的及时调控。通过$ （& ） 、 地理信息系统 （’ ） 和全球定位系统 （’ ） ， 可以及时发现田 块内、 田块与田块 %技术即遥感 % ( % ) % 之间的差异性， 进而根据优化经营目标， 实施目标投入和 田区内 资源潜 力的均 衡利用。精 确农业 主要借 助于 $ %技术 对农业 生产的资源环境、 生态状况、 气象和生物性灾害等进行有效 测报， 指导人们根 据各种变异 情况实时实 地采取相 应的农事操 作， 变过去凭经验进行农事操作为智能化的 科学管理， 以提高农业的稳定性和可控程度。精确农业技术体 系包括以下几个方面： （’ ） 全球定位技术 （’ ） 在精确 农业中主要 应用于以 下 $个方 面： （ ） 智 能化 ! " # " ! 全球定 位系统 ) % * + , * + / 0 1 0 + 2 0 2 / / 1 5 6 ! . 3 4 农业机械作业的实时动态定位， 并可根据管理信息系统发出的指令， 实现在田间的 精确到位。 （ ） 农 业信息采集 样点定位， 即 # 在农田设置的数据采集点、 自动或人工数据采集点和环境监测点均需 ’ （ ） 遥 感信息 ’ 即对遥 感信息 ) %定位数据。 $ ) %定位， 中的特征点用 ’ 以便于与 ’ 所 以人们越来 越重视差 分 ’ ) %采集定位数据， ( %配套应用。由于 ’ ) %存 在较大的误 差， ) %的研 究。差分 ’ （7 ） 可以有效减少卫星钟差、 星历误差、 电离层和对流层延迟等误差， 使得定位精度大幅度提 高。 ) % ’ ) % （’ ） 地理信息系统 （’ 是实现精确农业的核心系统， 管理精确 农业所有数 据。 ! " # " # 地理信 息系统 ( % * + , * + / 0 1 0 + 2 0 2 / / 1 5 6） . 3 4 通过 ’ 包括图形和图像， 也可以实现各 ’ ( %技 术是以地理空间数据为核心， ( %可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数 据， 种地理空间分析， 进行空间图形的矢量化和聚类处理后， 经决策生成可 用于指导 操作的小区 产量分布 矢量图。’ ( %不但 用来 管理农业空间数据， 还必须提供分析工具、 参与分析 过程、 显示与输出分析的结果等。 （& ）& （& ） 是精确农业技术体系中获得田间数据 的重要来 源。农业现代 化的进程要 求组织 ! " # " $ 遥感技术 % % 5 6 + 1 5 / 5 2 / 0 2 3 集约化生产， 要求摸清农业资源的现状， 监测其变 化并预 测发展 趋势。遥感 技术固 有的快 捷、 客观、 经济等 优越性， 使 其成为 农业生产管理和决策的最好手段。遥感技术在精确农业中 将发挥信息采集与动 态监测的优 势。气象卫星 可提供每天 的天气 状况信息， 加上测雨雷达， 可进行降雨预报。高分辨的陆地 遥感卫星、 海洋遥 感卫星也可 对农、 林、 牧 及沿海养殖 业、 远 洋捕捞 业提供及时的信息与预报。 ! " # " 8 作物生 产管理专家决策系统 它的核心内容是用 于提供 作物生 长过程 模拟、 投入产 出分析 与模拟 的模型 库； 支持作
精确农业的现状及发展趋势的研究
肖志刚， 张曙光， 么永强， 李 雁
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计算机辅助农业 （ ） 等。传统农业把作 物当作均匀生长的对象进行管理， 如统 一耕作、 播种、 灌溉、 施 肥、 1 2 M J A ? 4 @ : < = 4 = 6 : @ M < ; 5 喷药等， 满足于调控区域平均产量， 却很少考虑在整片 农田中 的盲目 投入及 过量施 肥、 施 药造成 的生产 成本增 加和环境 污染 后果。传统农业的管理是针对某一片土地的统一管 理， 而忽略了大多数土地都存在的空间差异 （ ） 。精确农业 ( : ? < : 3 C : @ < : G < 3 < ? J E 则考虑了在同一块农田上各小区之间土壤肥力、 质地、 含水量 、 有机质等条件 的差异以及 杂草、 虫害、 病害发生的 不均匀性， 进 而对耕作、 施肥、 播种、 灌溉 、 喷药等作业根据当时当 地的具 体情况 进行控 制， 以收到更 好效果。 其技术 体系的 基本内涵 是将 全球定位系统 （+ ） 、 地理信 息系统 （+ ） 、 遥感技术 （. ） 、 计算机 技术、 通讯和 网络技 术、 自动化 技术等高 新技术 与地理 学、 , ( ( ( 农学、 生态学、 植物生理学、 土壤学、 气象学等基础学 科有机 地结合 起来。实 施在农 业生产过 程中对 农作物、 土 壤从宏观 到微 观的实时监测， 以实现对农作物生长发育状 况、 病虫害、 水 肥状 况以及 相应 的环 境进行 定期 信息获 取， 生成 动态空 间信 息系 统； 对农业生产 中的现象、 过程进行模拟， 达到合理利用 农业资 源， 降低生产 成本， 改善 生态环 境， 提 高农作 物产量 和质量， 保 证农业的可持续发展的目的。精确农业以大田耕 作为基础， 从耕地、 播种、 灌 溉、 施 肥、 中 耕、 田 间管理、 植物保护、 产量 预测到 收获、 保存、 管理的全过程实现精确化、 网络化和智能化， 全部应 用遥感、 遥测、 遥控、 计算 机等先进技 术， 以 实现农业生 产的信
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物生产管理的数据资源的数据库； 作物生产管理知识、 经验的集合知 识库； 基 于数据、 模型、 知识库的 推理程序； 人机交 互界面 程序等。最终生成田间调控的决策以供实施。 智能化的农业机械操作技术 # 农业机 械装备 迅速趋 向自动 化和智能 化， 已由单 元控制 ! " # " 9 自动化 、 :世纪; :年代后期， 发展到分布式控制， 由单机作业系统向管理决策系统集成的方面发展。带有计算机、 、 ’ ) % ’ ( %及各种检测 仪器和计量 仪器的 农业机械， 如收割机、 播种机、 施肥机、 喷药机、 喷灌机等， 除具备一般的 农业功能之外， 还具有智能化变量操作和绘图功能。
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息驱动、 科学经营、 知识管理、 合理作业。近年来， 精确农业的新理念已 开始渗透到 设施种植、 精确 园艺、 精确养殖、 精确加 工、 精确经营与管理等方面。 ! " # 精确农业的技术体系 精确农业技术是在所有农业耕地中及时发现作物 生长环 境和收 获产量 实际分 布的空间 差异性 和时间 差异， 及对 这种差 异性的及时调控。通过$ （& ） 、 地理信息系统 （’ ） 和全球定位系统 （’ ） ， 可以及时发现田 块内、 田块与田块 %技术即遥感 % ( % ) % 之间的差异性， 进而根据优化经营目标， 实施目标投入和 田区内 资源潜 力的均 衡利用。精 确农业 主要借 助于 $ %技术 对农业 生产的资源环境、 生态状况、 气象和生物性灾害等进行有效 测报， 指导人们根 据各种变异 情况实时实 地采取相 应的农事操 作， 变过去凭经验进行农事操作为智能化的 科学管理， 以提高农业的稳定性和可控程度。精确农业技术体 系包括以下几个方面： （’ ） 全球定位技术 （’ ） 在精确 农业中主要 应用于以 下 $个方 面： （ ） 智 能化 ! " # " ! 全球定 位系统 ) % * + , * + / 0 1 0 + 2 0 2 / / 1 5 6 ! . 3 4 农业机械作业的实时动态定位， 并可根据管理信息系统发出的指令， 实现在田间的 精确到位。 （ ） 农 业信息采集 样点定位， 即 # 在农田设置的数据采集点、 自动或人工数据采集点和环境监测点均需 ’ （ ） 遥 感信息 ’ 即对遥 感信息 ) %定位数据。 $ ) %定位， 中的特征点用 ’ 以便于与 ’ 所 以人们越来 越重视差 分 ’ ) %采集定位数据， ( %配套应用。由于 ’ ) %存 在较大的误 差， ) %的研 究。差分 ’ （7 ） 可以有效减少卫星钟差、 星历误差、 电离层和对流层延迟等误差， 使得定位精度大幅度提 高。 ) % ’ ) % （’ ） 地理信息系统 （’ 是实现精确农业的核心系统， 管理精确 农业所有数 据。 ! " # " # 地理信 息系统 ( % * + , * + / 0 1 0 + 2 0 2 / / 1 5 6） . 3 4 通过 ’ 包括图形和图像， 也可以实现各 ’ ( %技 术是以地理空间数据为核心， ( %可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数 据， 种地理空间分析， 进行空间图形的矢量化和聚类处理后， 经决策生成可 用于指导 操作的小区 产量分布 矢量图。’ ( %不但 用来 管理农业空间数据， 还必须提供分析工具、 参与分析 过程、 显示与输出分析的结果等。 （& ）& （& ） 是精确农业技术体系中获得田间数据 的重要来 源。农业现代 化的进程要 求组织 ! " # " $ 遥感技术 % % 5 6 + 1 5 / 5 2 / 0 2 3 集约化生产， 要求摸清农业资源的现状， 监测其变 化并预 测发展 趋势。遥感 技术固 有的快 捷、 客观、 经济等 优越性， 使 其成为 农业生产管理和决策的最好手段。遥感技术在精确农业中 将发挥信息采集与动 态监测的优 势。气象卫星 可提供每天 的天气 状况信息， 加上测雨雷达， 可进行降雨预报。高分辨的陆地 遥感卫星、 海洋遥 感卫星也可 对农、 林、 牧 及沿海养殖 业、 远 洋捕捞 业提供及时的信息与预报。 ! " # " 8 作物生 产管理专家决策系统 它的核心内容是用 于提供 作物生 长过程 模拟、 投入产 出分析 与模拟 的模型 库； 支持作