文|齊明 沈陽(yáng)軍區(qū)直屬農(nóng)副業(yè)基地管理局/宋良圖 中國(guó)科學(xué)院智能機(jī)械研究所/齊清文 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/蒙繼華 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所

東北地區(qū)機(jī)械化條件下的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐

文|齊明 沈陽(yáng)軍區(qū)直屬農(nóng)副業(yè)基地管理局/宋良圖 中國(guó)科學(xué)院智能機(jī)械研究所/齊清文 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/蒙繼華 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所

東北地區(qū)是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，近幾年通過(guò)引進(jìn)國(guó)際上先進(jìn)的大馬力農(nóng)業(yè)機(jī)械，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)，奠定了發(fā)展規(guī)?；筠r(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。但目前東北地區(qū)普遍存在的問(wèn)題是，在引進(jìn)國(guó)際上先進(jìn)的大馬力機(jī)械的同時(shí)并沒有引進(jìn)或建立一套相應(yīng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依然施行的是機(jī)械化條件下的粗放管理模式。如何發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，發(fā)揮大馬力機(jī)械的優(yōu)勢(shì)，是東北地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要研究課題。

一、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)概述

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠品種更新和耕地面積的擴(kuò)大外，主要是通過(guò)化肥、農(nóng)藥等化學(xué)品和礦物能源的大量投入獲得的。由此帶來(lái)的水土流失、土壤生產(chǎn)力下降、農(nóng)產(chǎn)品和地下水污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注，也由此推動(dòng)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究和應(yīng)用。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)（RS、GIS、GPS）、作物栽培管理技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)等一系列高新技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式和管理模式，其核心思想是對(duì)田塊劃分為更小的網(wǎng)格單元，以網(wǎng)格為單位，獲取農(nóng)田網(wǎng)格小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異信息，通過(guò)分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，并依據(jù)農(nóng)業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和模型，制定網(wǎng)格級(jí)的農(nóng)藝管理方案，對(duì)作物栽培管理實(shí)施定位、按需變量投入的管理模式，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積平均投入的資源浪費(fèi)做法，最終實(shí)現(xiàn)均衡增產(chǎn)。精準(zhǔn)變量作業(yè)包括精確變量播種、施肥、噴灑農(nóng)藥和精確變量灌溉等作業(yè)環(huán)節(jié)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)多模塊綜合的應(yīng)用系統(tǒng)，主要是通過(guò)研究快速高效獲取農(nóng)業(yè)信息的方法、建立用于農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的決策系統(tǒng)和模型，開發(fā)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械智能控制裝備，最終滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代管理要求。

二、東北發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的意義

東北地區(qū)是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，國(guó)家發(fā)改委和農(nóng)業(yè)部2010年11月聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于加快轉(zhuǎn)變東北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的指導(dǎo)意見》提出：到2015年,東北地區(qū)糧食綜合生產(chǎn)能力穩(wěn)定在1億噸以上，農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率達(dá)到60%；到2020年，東北地區(qū)農(nóng)業(yè)土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展取得顯著成效。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化，發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)。近年來(lái)東北地區(qū)以大力提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平為突破口，推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展。以黑龍江省為例，2012年全省農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化水平已躍上90%臺(tái)階，達(dá)到91.67%，位居全國(guó)第一。全省農(nóng)機(jī)總動(dòng)力達(dá)到4552.9萬(wàn)千瓦，大馬力、高性能拖拉機(jī)增幅尤高，全省100馬力以上拖拉機(jī)已達(dá)20104臺(tái)，同比增長(zhǎng)21.8%。全省耕地機(jī)械化程度已達(dá)98.8%、播種機(jī)械化程度已達(dá)94.1%、收獲機(jī)械化程度已達(dá)70.1%。農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展為東北地區(qū)的規(guī)?；筠r(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前東北地區(qū)通過(guò)引進(jìn)國(guó)際上先進(jìn)的大馬力農(nóng)業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn),在此過(guò)程中東北農(nóng)業(yè)普遍存在的一個(gè)問(wèn)題就是在引進(jìn)國(guó)際上先進(jìn)的大馬力機(jī)械的同時(shí)并沒有引進(jìn)或建立一套相適應(yīng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，因此當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依然施行的是機(jī)械化條件下的粗放管理模式。如何在機(jī)械化條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的精準(zhǔn)作業(yè)管理模式，是當(dāng)前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要研究課題。

三、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地的基本情況

為了分析東北地區(qū)現(xiàn)行生產(chǎn)條件下實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要性，試驗(yàn)選擇黑龍江省嫩江縣雙山鎮(zhèn)某農(nóng)場(chǎng)作為試驗(yàn)基地。首先對(duì)試驗(yàn)基地特定地塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立農(nóng)田網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)（全球唯一編碼的1秒級(jí)19米×19米網(wǎng)格），再采集網(wǎng)格級(jí)的各項(xiàng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后在GIS平臺(tái)上對(duì)各項(xiàng)農(nóng)業(yè)因子進(jìn)行疊加分析、空間統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，以分析該網(wǎng)格分辨率基礎(chǔ)上的空間差距性。

對(duì)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)田塊級(jí)的土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，不同田塊之間的氮、磷、鉀含量存在著明顯的差異，其中氮的最高含量和最低含量之間相差2.22倍，磷含量的最高與最低之間相差16.36倍，鉀含量的最高與最低之間相差2.99倍。

農(nóng)田內(nèi)部同樣也存在著明顯的微地形、土壤質(zhì)地和土壤肥力的差異性，造成作物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量等指標(biāo)的明顯差異。如圖2所示，以某一試驗(yàn)田地塊19米×19米網(wǎng)格尺度上的測(cè)試結(jié)果：地勢(shì)是東南低、西北高，東南部生物量在全地塊最低，而西北部地勢(shì)較高，生物量較高，可看出每個(gè)單因子存在著明顯的空間差異。

通過(guò)農(nóng)田土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)和作物生長(zhǎng)情況的空間差異分析，可以看出無(wú)論是不同的地塊還是同一地塊內(nèi)部，都存在時(shí)空差異性。因此，忽視這種差異性而不加區(qū)別地按同一種模式進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)管理是不科學(xué)的。發(fā)展精確農(nóng)業(yè)，其核心思想就是根據(jù)精確定位測(cè)得地塊內(nèi)各小區(qū)影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素的空間和時(shí)間差異性信息，分析影響小區(qū)作物產(chǎn)量差異的原因，根據(jù)小區(qū)作物的不同需求，精確投入種子、肥料、農(nóng)藥等，以獲得最佳產(chǎn)出，同時(shí)避免因?qū)r(nóng)田的盲目投入所造成的浪費(fèi)和過(guò)量施肥、施藥造成的環(huán)境污染。

圖1 遙感監(jiān)測(cè)農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量差異

圖2 網(wǎng)格化的田塊生物量空間分布

四、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成方案

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成主要是針對(duì)示范基地進(jìn)口大馬力作業(yè)機(jī)械精準(zhǔn)作業(yè)需要，通過(guò)集成應(yīng)用遙感技術(shù)和多種感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)農(nóng)田土壤養(yǎng)分，獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素實(shí)際存在的時(shí)空差異信息，建立農(nóng)業(yè)決策模型和農(nóng)田網(wǎng)格變量處方圖，研制智能控制系統(tǒng)和裝備，對(duì)示范基地試驗(yàn)區(qū)作物實(shí)施定位、按需變量投入的精確管理模式。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要包括以下幾部分。

1.土壤信息感知系統(tǒng)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)離不開信息獲取傳感器及其系統(tǒng)，研制適合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的傳感器及集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。目前直接能用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的多種主要土壤元素集成檢測(cè)傳感器在國(guó)內(nèi)還未見報(bào)道。而對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的量化作業(yè)則需要一種多元素的在線快速檢測(cè)系統(tǒng)，與其他信息獲取方法配合使用，提高檢測(cè)精度和效率。因此機(jī)載土壤多元素移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的基礎(chǔ)配置。此外，衛(wèi)星遙感在大規(guī)模農(nóng)田信息高效獲取方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過(guò)發(fā)展多源遙感數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在農(nóng)田開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，在時(shí)間、空間與光譜維上提供了滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)可高效進(jìn)行農(nóng)田播種適宜性評(píng)價(jià)、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、作物養(yǎng)分狀況評(píng)價(jià)、土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)、作物成熟期預(yù)測(cè)等決策分析。

2.基于GIS的高分辨農(nóng)田網(wǎng)格處方圖生成系統(tǒng)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的農(nóng)田差異信息需建立網(wǎng)格級(jí)農(nóng)田數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，在此網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上開發(fā)網(wǎng)格級(jí)變量作業(yè)處方圖生成系統(tǒng)，與農(nóng)業(yè)決策模型嵌合，制作變量施肥作業(yè)處方圖，是進(jìn)行變量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。農(nóng)田網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)用于管理農(nóng)田肥力、產(chǎn)量、高程等數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，利用GIS平臺(tái)(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))開發(fā)網(wǎng)格級(jí)變量作業(yè)處方圖生成系統(tǒng)，與各種農(nóng)業(yè)決策模型嵌合，制作變量播種、施肥和施藥作業(yè)處方圖，為變量控制系統(tǒng)提供變量作業(yè)控制指令。

3.大馬力農(nóng)機(jī)變量控制系統(tǒng)

變量施肥機(jī)械主要是集成車載變量控制系統(tǒng)、GPS、變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)所處的不同田間位置，按要求自動(dòng)調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)肥料投入量。變量作業(yè)目標(biāo)是根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型和產(chǎn)量水平，將氮、磷、鉀等主要土壤養(yǎng)分肥料進(jìn)行科學(xué)配方，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

五、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)存在問(wèn)題和思考

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)、作物栽培管理技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)等一系列高新技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式和管理模式，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉融合的復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)。包括信息感知、信息處理和智能裝備幾個(gè)部分構(gòu)成，信息感知是基礎(chǔ)，信息處理是關(guān)鍵，而智能裝備是則是最終實(shí)現(xiàn)手段。從目前的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐來(lái)看，仍有若干關(guān)鍵瓶頸制約著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展。

1.多源信息的融合問(wèn)題

信息獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，通過(guò)各種傳感器如激光光譜土壤成分傳感器、近紅外光譜土壤養(yǎng)分傳感器獲取的土壤成分?jǐn)?shù)據(jù)、通過(guò)大型收獲機(jī)械的谷物流量數(shù)據(jù)（產(chǎn)量信息）以及通過(guò)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的作物生長(zhǎng)發(fā)育信息等不同來(lái)源的信息，需要進(jìn)行融合分析，互相補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，以提高信息獲取的精度。如土壤的近紅外吸收光譜，獲取有機(jī)質(zhì)、全氮含量等土壤肥力參數(shù)；激光誘導(dǎo)擊穿光譜傳感器系統(tǒng)采用激光激發(fā)土壤中元素的原子光譜，獲取不同位置處土壤的營(yíng)養(yǎng)元素含量、重金屬含量等數(shù)據(jù)；衛(wèi)星遙感獲取的大面積的作物長(zhǎng)勢(shì)、生物量等信息。這些信息通過(guò)融合可全面獲取精準(zhǔn)作業(yè)管理所需的各種數(shù)據(jù)。

2.信息處理與決策建模

決策分析是變量作業(yè)的核心，變量投入技術(shù)是變量作業(yè)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。在獲取各種農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，需要農(nóng)業(yè)技術(shù)專家與系統(tǒng)開發(fā)人員一起設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)：（1）研究農(nóng)田空間屬性的差異性，構(gòu)建地理信息系統(tǒng)；（2）研究作物的生長(zhǎng)過(guò)程以及養(yǎng)分需求，構(gòu)建作物生長(zhǎng)模型系統(tǒng)；（3）構(gòu)建土壤養(yǎng)分專家決策分析系統(tǒng)，根據(jù)土壤養(yǎng)分含量做出決策并生成施肥處方圖。

3.進(jìn)口大馬力機(jī)械的控制裝備配套問(wèn)題

目前東北地區(qū)的主流大馬力作業(yè)機(jī)械則是以引進(jìn)美國(guó)約翰迪爾系列農(nóng)業(yè)機(jī)械為主，其系統(tǒng)自成體系、集成度高，控制體系復(fù)雜，針對(duì)此機(jī)械研制精準(zhǔn)作業(yè)變量控制系統(tǒng)意義重大，同時(shí)也是一項(xiàng)具有很大挑戰(zhàn)性的工作。針對(duì)主流農(nóng)機(jī)作業(yè)的變量需求，研制大馬力機(jī)械變量控制裝備，要求在不破壞原有機(jī)械架構(gòu)的前提下，外加精準(zhǔn)作業(yè)控制機(jī)構(gòu)，與原有機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行嵌合。這是開發(fā)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，發(fā)揮進(jìn)口大馬力機(jī)械生產(chǎn)潛力的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。