计算机在农业上的应用 计算机与精准农业

第六章 计算机技术与精准农业
精准农业要求实现3个精确
一是：定位的精确,精确确定灌溉、 施肥、杀虫等的地点; 二是：定量的精确,精确确定水、肥、 药、种子等的施用量; 三是：定时的精确,精确确定各种农 艺措施实施的时间。
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二、精准农业的产生背景和由来
1、对GPS和传感器采集的各种离散性空间数据进行空间
差值运算,形成田间状态图。如：土壤养分分布图、土壤 水分分布图、作物产量分布图等 2、对点、线、面不同类型的空间数据进行复合叠置,为决 策者提供数字化和可视化分析依据。 例如：不同作物由于其不同的生物特性对土壤类型、土 壤养分、耕作层深度、水分条件、光热条件、有效积温等 均有不同的要求,在进行作物种植规划和布局时,只需将上 述各专题图层利用GIS的叠加功能,就可以快速、准确地确 定出各种作物的最佳生物布局,如果再将市场、运输等社 会经济条件专题图与最佳生物布局图叠加,就可进一步规 划出作物的最佳经济布局。
传统农业一直忽视作物和资源环境的时空差异性,实行大田均
匀施肥、均匀灌溉、均匀喷药等统一的农艺措施。
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大田均匀一致农艺措施存在的 主要问题
1.浪费水、肥、土、药、光、热等农业资 源 ,增加了农业生产成本; 2.作物生产潜力不能得到最大发挥,降低了 作物产量和经济效益; 3.污染环境 ,尤其是超量使用化肥和农药造 成了严重的土壤污染和水质污染。
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（四）精准农业的支持技术
3、 遥感技术(Remote Sensing,RS)
RS是指利用遥感平台,携带各种传感器,远距离不接触目 标物体,根据接收物体反射或发射的电磁波判定、测量并分 析目标物体性质的一种现代化探测技术,包括信息的获取、 传输、处理和分析应用等内容。
然而在大规模经营和高度机械化的条件下，按照田间每一 操作单元的需求自动调整投入的实现则必须依赖信息和智 能化技术。
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（二）精准农业的由来
20世纪70年代以后，微电子技术迅速实用化而推动了 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，它为精准农业的 提供了技术设备上的积累。
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精准农业的要求
精准农业要求：
实时获取地块中每个小区(每1m2到每 100m2)土壤、水、农作物、光、热等信 息,诊断作物长势和产量在空间上差异的 原,并按每一个小区做出决策,精确地在每 一个小区进行施肥、灌溉、杀虫、除草、 播种、耕作、收获等。
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（二）精准农业的由来
20世纪90年代，发展最快、技术最为成熟的是精准农业。
精准农业发展的需求源自田间不同部位的土壤生产潜力和 实现最大生产潜力需要的投入存在着较大的差异，其核心 技术是信息技术和计算机自动变量控制技术。
在农业机械化完成以前，农民可以通过手工的方式来改变 农作管理方式，以克服田间的这种变异。比如，在有生产 潜力但土壤养分供应缺乏的地方可以多施一些相应的肥料， 在作物病虫为害严重的地方多喷洒杀虫剂等，这种操作完 全由人通过眼睛识别，而后进行手动操作。
– ⑵ 分布式投入
分布式投入实现农业资源潜力的均衡利用。其过程可以描述为： 农田空间变量数据采集与作物产量图生成→数据分析→信息处 理与经营管理决策→处方图生成→智能卡控制农业机械实施调 控投入。
– ⑶优化经营目标
优化经营目标,实施目标投入以获取高产为目标以适度投入,获 取最好经营利润为目标;以减少环境危害为目标。
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（四）精准农业的支持技术
1、地理信息系统(Global Position System,GPS)
GIS是一门研究计算机技术与空间地理分布数据结构的新兴边缘学 科,能用于有效地采集、存贮、管理、分析、描述和显示地球表面与空 间和地理分布有关的数据,可用于组织、分析和图示同一区域内各种类 型的空间信息资料,每一种信息可以组成一个GIS图层,不同图层的信息 资料也可通过分析组合成新的图层。
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中科院精准农业农田地理信息系统由农田信息采集模块、空间内 插模块、通用GIS功能模块、决策支持模块和数据库系统共同构成。
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GIS在精准农业中的应用
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现代精准农业之路
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美国天宝精准农业激光土地平整机
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精准农业拖拉机
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GIS在精准农业中的应用
3、利用GIS的缓冲区分析功能,能直观地显示分析灌排系 统的控制范围、水肥的有效渗透区域、病虫害的扩散范围 以及周围环境对作物生长的影响范围等。
4、利用GIS的路径分析功能,能够快捷地确定出农道、水 系、机井等各种农业基础设施的最佳空间布局和机械喷施 农药、化肥以及收获作物的最佳作业路线。
在此基础上，通过 GIS、GPS、RS和自动化控制技术 的应用，按照田间每一操作单元上的具体条件，相应调整 投入物资的施入量，达到减少浪费、增加收入和保护农业 资源和环境质量的目的，其基本过程是通过田间网格取样 和实验室分析，形成精准养分图，最后再制成可用于变量 管理的控制图。
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80 年代各Hale Waihona Puke Baidu达国家农业经营中出现了农业生产力提高 与资源紧缺和环境质量下降等一系列的矛盾，迫切要求 更有效利用各项投入、节约成本、提高利润、提高农产 品市场竞争力并减少环境污染等，这为精准农业的发展 提供了社会需求。
1991年第一次海湾战争以后，GPS 技术开始民用化， 这给农业精确定位管理（site-specific management） 的提供了可能性。
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（三）精准农业的技术体系
1、精准农业”的技术思想
– ⑴ 认识农田作物生长环境条件和产量的差异性
作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性是“精准农业” 技术研究发展的出发点和原动力,这些差异性显示了农业生产 的巨大潜力,如:田间条件和收获量的空间差异性;年间产量的时 间差异性;预测与实际产量的差异性。
三、精准农业的技术体系分类
1、基于3S技术的精准农业
又称为基于地图的精准农业（map-based approach），其核心技术 是地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感技术（RS） 和计算机自动控制系统。
精准农业的特点：
应用地理信息系统将已有的土壤和作物信息资料整理分 析，作为属性数据，并与矢量化地图数据一起制成具有实 效性和可操作性的田间管理信息系统。
第一节、精准农业概况
一、精准农业的概念
二、精准农业的产生背景和由来
– (一)产生背景 – （二）精准农业的由来 – （三）精准农业的技术体系 – （四）精准农业的支持技术
三、精准农业的技术体系分类
–(一)基于3S技术的精准农业 –(二)基于传感器的精准农业
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5、与专家系统和决策支持系统相结合,生成作物不同生育 阶段生长状况“诊断图” 和播种、施肥、除草、中耕、 灌溉、收获等管理措施的“实施计划” 。
6、利用GIS的数字高程模型计算作业区的面积、周长、 坡度、坡向、通视性等空间属性数值。
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二、全球卫星定位系统
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第二节、精准农业与3S技术
一、地理信息系统 二、全球卫星定位系统 三、遥感技术
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一、地理信息系统
GIS是专门用来存储、管理、分析空间数据的 一种技术体系。
与传统的信息管理系统(MIS)相比,GIS不仅 能够管理海量属性数据,更主要的是它能够实 现对空间数据的可视化贮存、查询、检索、分 析等。 GIS是精准农业的核心技术 ,在精准农业中的 具体应用如下：
GPS在精准农业中的主要作用:
1、精确定位水、肥、土等作物生长环境的空间分布。 2、精确定位作物长势和病、虫、草害的空间分布。 3、精确绘制作物产量分布图。 4、自动导航田间作业机械 ,实现变量施肥、灌溉、喷药等 作业。 为实现上述功能,需要将GPS接收机和田间变量信息采集仪 器、传感器以及农业机械有机的结合起来。
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三、精准农业的技术体系分类
2、基于传感器的精准农业(sensor-based approach)
是利用适时传感器，测定所需的特性，如土壤特性、 作物特性等，这些信息经过快速处理后，直接用于控制变 量管理机具，所以，这种操作不需要 GPS系统的支持， 也不需要 GIS 的支持。 目前，基于3S技术的精准农业应用更为普遍，主要原因 是田间实时传感器价格高、不太精确且可用性差。 另利用GIS结合GPS进行土壤取样、产量实时监视、遥感、 绘制土壤图等都极为方便，加上地统计学、作物模拟等方 法的发展，使得基于3S技术的精准农业应用更为普遍。 至目前，精准农业的研究任在对土壤养分的精准管理。 在除草剂、杀虫剂等施用方面也有一定程度的应用。
(一)产生背景
传统农业把耕地看作是具有作物均匀生长条件的对 象进行管理,采用统一的耕作、播种、灌溉、施肥、 喷药等农艺措施。实际上,同一农田内存在着明显的 时空差异性。 差异性体现在3个方面： – 第一,田间条件和收获量的空间差异 ; – 第二,年际间产量的时间差异; – 第三,预测和实际产量的差异。
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计算机在农业上的应用
周美兰
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第六章 计算机技术与精准农业
第一节、精准农业概况 第二节、精准农业与 3S技术 第三节、精准农业研究的回顾与展望
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精准农业
精准农业是基于作物和资源环境的时空 差异性,以最小投入、最大收益和最小环境 危害为目标,以管理信息系统(MIS)、计算机 技术、多媒体技术和大规模存储技术为基 础,以地理信息系统(GIS)、全球定位系统 (GPS)、遥感技术(RS) (简称“3S”技术)为 核心,以宽带网络为纽带,运用海量农业信息 对农业生产实行处方作业的一种全新农业 发展模式。
一、精准农业的概念
“精准农业”：
是国际上通用的“Precision Agriculture”或 Precision Farming”技术名词的译名,也称为“精细 农业”、“精确农业”和“精确农作”等. 精准农业的含义
是按照田间每一操作单元的环境条件和作物产量 的时空间差异性(Temporal and Spatial Variability) ,精细准确 地调整各种农艺措施 ,最大限度地优化各种投入(水、 肥、种子、农药等 )的量、质和时机 ,以期获得最 高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保 护土地等农业自然资源。 通俗的说,精准农业就是“Farming by the inch”, 即“寸土寸耕 ”、“处方作业 ”。
4、自动控制农业机械
带田间车辆定位系统和平均产量传感器及生成小区产量 分布图的谷物联合收割机与联合收割机和拖拉机配套的空 间定位与通信系统,自动控制精密播种机、自动控制施肥机, 自动控制施药机等。
5、 人工智能技术
包括专家系统、决策支持系统和模型模拟系统
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2、全球卫星定位系统(Global Position System,GPS)
GPS是以空间导航卫星网为基础的高精度、全天候、全 球性的无线电定位系统、导航系统和定时系统共同作用下 实现的空间导航定位系统,由空间部分、控制部分和用户 部分组成。GPS观测时间短,仪器重量轻,操作简便,具有统 一的坐标系统和时间系统,能提供连续、实时、高精度、 全天候的三维位置、三维速度和时间数据。