精确农业概论,生物与农业工程学院,2018/10/25,精确农业产生的背景 精确农业的原理及意义 精确农业的技术体系 精确农业的发展前景,第一章 精确农业概述,1 精确农业产生的背景,千百年来的作物栽培管理，都是在区域或田块的尺度上进行的，即把区域或田块看作是具有均匀的作物生长条件进行管理。但实际上，人们早已认识到，即使在同一农田内，地表上、下存在着作物产量和作物生长条件明显的时空分布差异，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。,上世纪初期，科学家就研究报告过作物产量和田间土壤特性，如N、P、K、SOM含量、pH值等在田间分布具有明显的差异性。如1929年，Illinois(伊利诺伊）大学C.M. Linsley和F.C. Bauer 发表文章劝告农户应绘制自己田区内的土壤酸度分布图和按小区需求使用石灰。此后，一直都有关于农田土壤和收获量空间变异性研究的报道。田区内作物产量及其因子明显的时空分布差异性，预示了农田资源利用存在的巨大潜力。,上世纪八十年代末，欧美一些发达国家为了医治资源危机、能源危机、农产品高成本和环境污染等石油农业弊病，试图寻求一种以提高资源利用效率、降低生产成本和减少因过量施用农化产品而带来的环境污染为主攻目标的农业替代模式，于是纷纷开展了精确农作的研究和实践。其思路是利用作物产量及其因子存在的空间差异，根据当时当地测定的作物实际需要确定对作物的投入。,能量消耗过多：美国农业一年消耗的石油已经达到6000多万吨。如果全世界都象美国农业那样消耗石油，全世界已探明的石油储量也仅仅能够使用13年。 农业成本提高：美国每生产1美元的农产品，平均投资3美元。而钢铁工业每1美元的销售额只要0.5美元。 公害严重：大量化肥、杀虫剂、杀菌剂、除草剂的施用，严重污染了土壤、大气、水源和食品，产生了严重的公害。,石油农业的弊端,土壤破坏，表土流失：由于使用大马力机械滥垦滥耕，使土壤流失加重。例如，美国200年前约有23厘米厚的表土，现在只剩下15厘米左右。大量的表层土壤已经流失。由于大量使用化肥，破坏了土壤结构，酸度增大，出现板结现象。 能量报酬低：近30年来，美国农业产量增加1倍，而消耗的能量增加3倍。每消耗一个单位能量的矿物燃料，只能得到1/5的回报。,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。,随着人们环境保护意识的日益增强，将可持续的观念扩展到农业领域，日益为世人所接受； GPS、GIS、RS、AI等高新技术的产生并民用化，为精确农业的发展提供了非常必要的技术基础。,精确农业兴起主要背景,精确农业发展初期面临的主要技术问题有：(1)动态施肥机械技术；(2)土壤定位技术；(3)土壤单元的变量确定技术； (4)土壤肥力空间类型图的问题。这些早期的技术难题随着计算机硬件技术、全球定位卫星、地理信息系统软件等技术的发展基本得以解决。,国外精确农业的发展概况,根据信息技术应用水平与集成程度，西方精确农业可划分为代表不同发展阶段的3种类型： (1)无任何信息技术（IT）组成的传统方式（准备和初级阶段）； (2)管理信息系统（MIS）、专家咨询系统（ES）和简单机械化为主的类型(初步阶段)； (3)空间信息技术的充分应用和全面自动化处理类型（基本实现阶段），包括自动数据收集、集成MIS/DSS等技术支持系统。,尤其是在海湾战争后，GPS技术的民用化，使得在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，也推动了“精确农业”技术体系的广泛实践。今天，精确农业技术得到飞速发展并已在北美、欧洲和澳大利亚等获得成功应用，主要包括施肥、播种、耕作和水分管理等相关领域，以在施肥上的应用最为成熟。基于遥感产业对精确农业的商业兴趣，一系列对地观察卫星在近几年进行了发射，到目前已有40多颗这样的卫星提供服务，这类卫星采集的全色图像，空间分辨率达1-3。可变量施用器VRA在一些发达国家的使用引起了人们极大的兴趣。,机器的设计者借助于3S等技术获取田间信息(包括土壤参数和病虫害等情况),同时机器自动控制农药、化肥和种子的最优和最少的施入量,从而获得巨大的经济效益。另一种称为实时闭路循环系统机器,尽可能地摆脱了对3S技术的依赖,田间信息直接由安在施用器上的探测设备获取,立即对数据进行分析并自动控制农药、化肥和种子的施入量。这种机器很好地保证了所测田间信息与所采取技术措施在地点上的一致性。随着技术的不断进步,特别是农田土壤、作物苗情、病虫草害信息实时快速采集技术的突破,农业精确操作也将愈益精细化。,我国农业具有精耕细作的优良传统。精耕细作就十分注意因时、因地、因作物制宜,了解作物生长与环境的关系。在农业资源利用方面,我国农业在精耕细作、多层次利用、生态农业等高效利用农业资源方面独树一帜。各地已总结出许多具有区域特色的耕作技术和农业模式,如间、套连作的多熟制、基塘农业、山地立体农业、有机物还田等等。其技术在提高我国光能、土地、水、肥力等资源的利用率方面发挥作用。农业新技术研究与开发也开始起步。 例如,灌溉(如喷灌、滴灌、微灌、渗灌、膜上灌等)、施肥(配方施肥、平衡施肥、复混肥技术)、植保、水土保持(如坡地农业)等方面的先进技术和措施已在研究或部分应用之中,农业资源监测技术也取得了较大的进展,遥感与地理信息系统技术成功地应用于作物长势、种植面积、产量、灾害、水土流失等方面的监测。,国内精确农业的发展概况,国内农业专家系统日益深入，主要包括启发式专家系统、实时专家系统、专家数据库、模型专家系统、问题专用壳等5类。全国人工农情信息网络，为农业决策部门提供生产形势和对策分析服务方面发挥着日益重要的作用。我国农业信息化建设正在迈出重要的一步。 我国从20世纪80年代开始了RS和GIS在水稻、小麦、棉花、玉米等主要农作物和鸡、猪、牛的生产管理的农业专家系统的应用研究。1991年，北京市政府拨款组成了“GPS导航技术在农业飞防中的应用研究”课题组。1995年，进行了为期5天的133万hm2小麦卫星导航飞防灭蚜，采用先进的实时差分卫星定位导航(DGPS)技术，通过装在地面和飞机上的卫星信号接收器，确定飞防区域的精确位置，从而避免了农药的重喷和涌喷，灭蚜率达到90%，并且节省了人工。,2 精确农业的原理及意义,精确农业是运用现代信息技术获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等），实际存在的空间和时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控。,精确农业基本技术思想,实施过程可描述为：带定位系统和产量传感器的联合收获机自动采集田间定位及对应小区平均产量数据 通过计算机处理，生成作物产量分布图 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，作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型，作物管理专家知识库等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 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确农作管理。 实行精确农业技术可提高资源利用率、降低生产成本、减少环境污染。（在减少投入的情况下）,国外应用情况,以色列目前实控面积2.78万平方公里，其中2/3为丘陵和沙漠，气候干燥，年平均降雨量约为300mm，平均淡水资源仅16亿立方米，人均占有淡水资源不到300立方米，仅相当于我国的1/8。从上世纪50年代至1995年，在没有增加水资源利用 的条件下，农业产值增长了12倍。,荷兰也是人多地少、农业土地资源相当贫乏的国家，经过多年的发展，已成为世界第三大农产品出口国，农产品出口创汇占全国出口创汇收入的1/4。以色列、荷兰都是小国，但对世界农业生产与农业科技发展做出了举世瞩目的重大贡献，尤其是大力推动农业科技研究与科技创新。显然，对于推动我国农业科技现代化和农业科技创新工程的实践都有重要的现实意义。被认为是21世纪农业在信息社会发展必然结果的精确农业也是中国农业发展的必由之路。,精确农业的特点（与传统农业相比）,合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染,精确农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥，彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K肥比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。,减少和节约水资源,目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏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。,节本增效，省工省时，优质高产,精确农业采取精确播种，精确收获技术，并将精确种子工程与精确播种技术有机地结合起来，使农业低耗、优质、高效成为现实。在一般情况下，精确播种比传统播种增产1830，省工23个。,农作物的物质营养得到合理利用，保证了农作物的产量和质量,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，并根据其结果采用相应的措施从而保证农作物产量和质量。总之，精确农业与传统农业相比，其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。,冬小麦产量分布图,谷物产量分布图,水稻产量分布图,播种过密？,排水问题？,杂草过多？,耕作策略不当？,肥料施用不足？,品种不适合？,分析田间产量差异,不同年份土壤N含量变异图,1999,1998,不同年份产量变异图,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，时间差异。以变量管理为核心的精确农业采用产量图、实时传感器等手段来监测作物生长的土壤情况、作物生长情况、产量及其它各种耕作参数，并根据每一小区域间的这种反映着差异性的参数，通过预先存储在计算机的专家系统，得到对每一小区域间不同的对策，再通过变量执行机构实现这些对策，以求最佳效果最低代价。,3 精确农业的技术体系,全球定位系统 地理信息系统 遥感 田间变量信息采集与处理技术 作物生产管理辅助决策支持系统 智能化处方农作机械装备技术,精确农业的技术体系,3.1全球定位系统,精确农业作业的关键技术之一是确定作业者或机器的瞬时位置，并将此信息转变成计算机可接受的格式，这就需要利用全球定位系统（GPS）。美国GPS系统包括在离地球约20000km 高空近似圆形轨道上运行的24颗地球卫星，其轨道参数和时钟，由设于世界各大洲的五个地面监测站和设于其本土的一个地面控制站进行监测和控制。使得在近地旷野的GPS接收机在昼夜任何时间、任何气象条件下最少能接受到4颗以上卫星的信号，通过测量每一卫星发出的信号到达接收机的传输时间，即可计算出接收机所在的地理空间位置。,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（经度、纬度和海拔高度）等定位信息和定时信息，并将此信息转换成计算机可接受的格式。GPS有两种接收模式：单一接收模式（single receiver mode）及用两个接收器的差动接收模式（differential mode），单一接收模式接收是最方便、最廉价的接收方式，但瞬时位置误差高达100m，无法满足精细农业的需要。因此，为了提高GPS接收机的定位精度，需要采用差分GPS(DGPS)系统，以便能满足定位精度要求。,差分GPS是将一台GPS接收机安放在位置已精确确定的基准站上，将这台接收机接收的伪距观测值与经过计算得到精确距离值相比较，以求得GPS接收机在某一时刻的伪距修正值。再将此修正值通过无线电台（称为差分台）发播出去。飞机上的GPS接收机接收到来自差分台的修正信号，用该伪距修正信号对其观测值进行修正，从而可以提高定位精度。差分GPS（DGPS）精度可达1。,