● 文|北京空間科技信息研究所 贠敏
讓種田精準(zhǔn)高效
——衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
● 文|北京空間科技信息研究所 贠敏
俗語(yǔ)道:民以食為天。農(nóng)業(yè)是我們的衣食之源,生存之本,我們每天的生活都與農(nóng)業(yè)息息相關(guān)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理念,就是將最先進(jìn)的科技應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,從而達(dá)到科學(xué)合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高農(nóng)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前中國(guó)糧食連續(xù)多年穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn),已儼然是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),但并非農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó),原因在于中國(guó)平原較少,機(jī)械化程度不高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力仍然并長(zhǎng)期落后的現(xiàn)實(shí)難以改變。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)代表著當(dāng)今科技含量最高、綜合性最強(qiáng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化生產(chǎn),將是我國(guó)農(nóng)業(yè)走上現(xiàn)代化道路的一個(gè)重要標(biāo)志。更好更快地發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)將是中國(guó)從農(nóng)業(yè)大國(guó)邁向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的重要一環(huán)。
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)是依靠信息技術(shù)支撐,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)管理和精準(zhǔn)收獲,通過(guò)精細(xì)化管理實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效益、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)發(fā)展新潮流。其核心是全球衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)這一概念最早是20世紀(jì)80年代末由美國(guó)、加拿大的一些農(nóng)業(yè)科研部門提出的。1993年,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)首先在美國(guó)明尼蘇達(dá)州的兩個(gè)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果當(dāng)年用GPS指導(dǎo)施肥的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)施肥的作物產(chǎn)量提高30%左右,同時(shí)減少了化肥施用總量,經(jīng)濟(jì)效益大大提高。此后,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開(kāi)始興起,目前已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種普遍趨勢(shì)。多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,引入衛(wèi)星導(dǎo)航的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)能夠使不同地區(qū)、不同條件下的作物增產(chǎn)3% 到50%,大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力、資金和原材料(種子、肥料、農(nóng)藥、能源等)成本。
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)主要包括農(nóng)業(yè)機(jī)械控制、精準(zhǔn)病蟲(chóng)防治和灌溉、農(nóng)田資源的普查和規(guī)劃等。
1.農(nóng)業(yè)機(jī)械控制
衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制中的應(yīng)用主要包括變量施肥播種機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、無(wú)人駕駛拖拉機(jī)等。
(1)變量施肥播種機(jī)
精細(xì)農(nóng)業(yè)變量控制的出發(fā)點(diǎn)是把大田塊細(xì)化為小田塊,按小田塊收集田間狀態(tài)信息,根據(jù)其差異性做出作業(yè)決策,即依據(jù)當(dāng)前土壤養(yǎng)分狀況和作物生長(zhǎng)狀況等田間狀態(tài)信息編制出田間施肥或播種變量作業(yè)處方信息。作業(yè)處方信息包括田間不同區(qū)域應(yīng)有的施肥量或播種量、定位信息、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)值等農(nóng)事變量作業(yè)信息,并有針對(duì)性地加以實(shí)施。但不同的農(nóng)田,農(nóng)田信息分布空間差異較大,導(dǎo)致單位網(wǎng)格作業(yè)面積的大小定義差距較大,這樣就必須根據(jù)網(wǎng)格大小采用不同精度的GNSS或DGPS數(shù)據(jù)。
☆ 變量施肥播種機(jī)
(2)聯(lián)合收割機(jī)
在聯(lián)合收割機(jī)上安裝全球定位系統(tǒng)接收機(jī)和地理信息系統(tǒng),在農(nóng)作物收獲的時(shí)候,利用GNSS技術(shù)和產(chǎn)量傳感器,由此獲得農(nóng)田作業(yè)區(qū)內(nèi)不同區(qū)域、不同地塊的農(nóng)作物產(chǎn)量分布,把這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后可以制作產(chǎn)量分布圖。之后,再將影響農(nóng)作物生產(chǎn)的種種因素?cái)?shù)據(jù)輸進(jìn)計(jì)算機(jī),從而通過(guò)產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)比的方式,確定農(nóng)作物產(chǎn)量分布不均勻的原因,并且制定相應(yīng)有效的措施。由此,設(shè)計(jì)出農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能控制軟件。在農(nóng)田作業(yè)過(guò)程中,根據(jù)按需投入的原則,推進(jìn)分布式投入,并綜合分析某個(gè)農(nóng)田、具體田塊的總產(chǎn)量有沒(méi)有提高或者減產(chǎn),然后制定新的針對(duì)性更強(qiáng)的田間投入方式。相應(yīng)的利用農(nóng)作物的產(chǎn)量分布圖,可以控制聯(lián)合收割機(jī)的行駛速度、割幅,從而控制收割速度、脫粒喂入量,達(dá)到最佳的收割效果和最大的收割效率。
☆ 聯(lián)合收割機(jī)
(3)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)
無(wú)人駕駛拖拉機(jī)是由固定操作站控制的無(wú)人駕駛農(nóng)業(yè)機(jī)械,在衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)或在田間附近地面系統(tǒng)的導(dǎo)航下工作,具有很多優(yōu)越性:可實(shí)現(xiàn) 24小時(shí)內(nèi)連續(xù)精確作業(yè);沒(méi)有駕駛員,就沒(méi)有必要安裝駕駛室和操縱機(jī)構(gòu);可增加空間來(lái)安裝農(nóng)具,并減少機(jī)器重量,可提高機(jī)組工作效率。
☆ 無(wú)人駕駛拖拉機(jī)
☆ 無(wú)人駕駛拖拉機(jī)工作原理
2.精準(zhǔn)病蟲(chóng)防治和灌溉
衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在精準(zhǔn)病蟲(chóng)防治和灌溉中的應(yīng)用主要包括精準(zhǔn)噴藥、精準(zhǔn)灌溉等。
(1)精準(zhǔn)噴藥
☆ 精準(zhǔn)噴藥飛機(jī)
精準(zhǔn)噴藥是運(yùn)用GNSS監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)草害,是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的新手段,通過(guò)GNSS系統(tǒng)連接高質(zhì)量視頻攝像系統(tǒng)拍攝分析圖像,可以收集原始數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)大田作物,得出田間病蟲(chóng)草害分布大小位置,并可以通過(guò)逐次拍攝確認(rèn)害蟲(chóng)的遷飛路線、種群數(shù)量和為害程度,以及病蟲(chóng)草害發(fā)展方向及流行趨勢(shì)。如要對(duì)大面積農(nóng)田集中進(jìn)行噴藥,則可選擇裝有差分GNSS(DGPS)的飛機(jī)。DGPS航空導(dǎo)航系統(tǒng)可以引導(dǎo)飛行員從機(jī)場(chǎng)直接前往作業(yè)區(qū),在已設(shè)計(jì)的航線和高度飛行噴灑藥物,若飛行員加滿藥物再次返回作業(yè)區(qū)時(shí),系統(tǒng)還能讓飛機(jī)到達(dá)上次藥物噴灑停止時(shí)的準(zhǔn)確地點(diǎn),以確保既無(wú)重復(fù)噴灑又無(wú)遺漏區(qū)域。
(2)精準(zhǔn)灌溉
精確灌溉既能滿足作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)灌水時(shí)間、灌水量、灌水位置、灌水成分的精確要求,又能按照田間的每個(gè)操作單元的具體條件,精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整農(nóng)業(yè)用水管理措施,最大限度地提高水的利用效率。在田間運(yùn)用GNSS土地參數(shù)采樣器采集植物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù),如土壤濕度、地溫等,通過(guò)GNSS中心控制基站,利用專家系統(tǒng)進(jìn)行植物分析,可以調(diào)控植物生長(zhǎng)環(huán)境,精確調(diào)控節(jié)水灌溉系統(tǒng)。
☆ 精準(zhǔn)灌溉
3.農(nóng)田資源的普查和規(guī)劃
☆ 農(nóng)田普查GNSS手持機(jī)
在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中,綜合應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS和遙感技術(shù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的數(shù)字化、可視化管理應(yīng)用。技術(shù)人員利用GNSS手持機(jī)可以獲得農(nóng)田的地理位置信息。運(yùn)用衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù),能夠快速、高效、準(zhǔn)確地量算出作業(yè)面積等參數(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)獲得的農(nóng)田定位信息通過(guò)GIS轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的圖形,同田間的各種信息結(jié)合,形成反映該信息的專題圖和處方圖,如肥力分布圖、病蟲(chóng)害分布圖等,用于農(nóng)作物科學(xué)施肥、病蟲(chóng)害防治和估產(chǎn)等。
增加了衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的土壤水分溫度檢測(cè)儀在測(cè)試土壤含水率的同時(shí),可以測(cè)定測(cè)點(diǎn)的精確定位信息(經(jīng)度、緯度),可隨時(shí)顯示采樣點(diǎn)的位置信息,并可將位置和水分、組數(shù)等信息存儲(chǔ)到主機(jī)內(nèi),也可通過(guò)計(jì)算機(jī)導(dǎo)出。因而,能夠反映土壤水分的空間差異。不僅有利于實(shí)施節(jié)水灌溉,同時(shí)精確的供水也有利于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。實(shí)現(xiàn)了含水率和三維位置信息的自動(dòng)采樣處理。 通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)掌握土壤的水分(墑情)的分布狀況,為差異化的節(jié)水灌概提供科學(xué)的依據(jù),同時(shí)精確的供水也有利于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。
美國(guó)農(nóng)業(yè)人口占其全國(guó)人口總數(shù)的比例不到2%,不但養(yǎng)活了3億美國(guó)人,而且是全球谷物出口大國(guó)。美國(guó)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)主要依賴家庭農(nóng)場(chǎng),兩三個(gè)人一年就可以生產(chǎn)出上千噸的小麥或是玉米。美國(guó)220多萬(wàn)戶的農(nóng)場(chǎng)中,大約有350多萬(wàn)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力,其余的是小孩和老人等,每個(gè)農(nóng)場(chǎng)主平均經(jīng)營(yíng)400英畝(大約2400畝)的土地。每個(gè)農(nóng)場(chǎng)的勞動(dòng)力平均為1.6個(gè)。2010年,美國(guó)收入超過(guò)100萬(wàn)美元的農(nóng)場(chǎng)有88%是屬于家庭農(nóng)場(chǎng),而生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品占全美農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)量的79%。
☆ 格雷格夫婦家
格雷格夫婦是美國(guó)北達(dá)科他州河谷市的一家農(nóng)場(chǎng)的主人。格雷格夫婦的“家”并不是農(nóng)家小院,而是一棟普通的兩層民居,看上去跟美國(guó)城鎮(zhèn)里的大多數(shù)私人住宅沒(méi)有任何區(qū)別。格雷格的辦公室里是全套的現(xiàn)代化辦公設(shè)備,除了打印傳真一體機(jī)外,還有一臺(tái)通過(guò)衛(wèi)星連接上網(wǎng)的電腦。格雷格夫婦的農(nóng)場(chǎng)大約有3000英畝(約18000畝),農(nóng)場(chǎng)的主要農(nóng)作物是大豆、小麥、玉米和蕎麥。
格雷格的倉(cāng)庫(kù)里停放著聯(lián)合收割機(jī)、四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)、風(fēng)鉆機(jī)、農(nóng)用軌道拖車、捆草機(jī)、播種機(jī)……這些農(nóng)業(yè)機(jī)械的總價(jià)值大約為22萬(wàn)美元。這些農(nóng)業(yè)機(jī)械每個(gè)都有特定用途,正是它們把格雷格從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。格雷格十分珍愛(ài)他的“秘密武器”——一臺(tái)安裝了GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的大型拖拉機(jī)。這套自動(dòng)駕駛和衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以使拖拉機(jī)由電腦控制作業(yè),無(wú)需人工操作,而且耕地質(zhì)量高。
新疆位于我國(guó)西北部,總面積166萬(wàn)平方千米,占全國(guó)陸地面積的1/6,主要作物有棉花及小麥、玉米、番茄等。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)商品棉生產(chǎn)基地,2012年棉花產(chǎn)量占全國(guó)的20.68%。2015年,農(nóng)機(jī)管理標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)場(chǎng)將達(dá)到90%以上,農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化作業(yè)水平達(dá)到93%,基本建成全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化示范推廣基地。
☆ 棉花播種
☆ 棉花鋪膜
兵團(tuán)應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航定位自動(dòng)駕駛進(jìn)行棉花播種,能一次完成鋪膜、鋪滴灌帶和播種一條龍作業(yè),1000m播行垂直誤差不超過(guò)2cm,接茬準(zhǔn)確率達(dá)到2cm,徹底解決了農(nóng)機(jī)播種作業(yè)中出現(xiàn)的“播不直、接不上茬”的老大難問(wèn)題。農(nóng)機(jī)駕駛員操作時(shí)只需踩油門和剎車,不用操作方向盤,實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷播種,有效降低了駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度,播種率達(dá)100%,播行非常端直精準(zhǔn),接茬準(zhǔn)確,對(duì)以后作物中耕打藥、施肥、收獲作業(yè)可保證不重不漏,農(nóng)機(jī)工作效率提高了50%。這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用,為農(nóng)作物后續(xù)田間作業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2013年,一四九團(tuán)東阜城農(nóng)業(yè)公司使用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)播種棉花5萬(wàn)畝,僅節(jié)省土地這一項(xiàng),5萬(wàn)畝地能比原來(lái)多播1000畝,可增收250萬(wàn)元。同時(shí)GNSS自動(dòng)定位導(dǎo)航技術(shù)播種還可以提高種子、化肥、灌溉水的利用率,為今后一四九團(tuán)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)夯實(shí)基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、機(jī)械化、精細(xì)化,最終實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化效益,實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效,進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)民增收。
曾經(jīng)渺無(wú)人煙的北大荒如今已建起了我國(guó)耕地規(guī)模最大、機(jī)械化程度最高、綜合生產(chǎn)能力最強(qiáng)的國(guó)有農(nóng)場(chǎng)群,初步形成了以水利化、機(jī)械化、規(guī)?;?、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化為主要特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式,并成為國(guó)家重要的商品糧基地、糧食戰(zhàn)略后備基地和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地,被譽(yù)為“中華大糧倉(cāng)”。60 多年來(lái),黑龍江墾區(qū)累計(jì)生產(chǎn)糧豆3639億斤,向國(guó)家上交商品糧2538億斤。目前,黑龍江墾區(qū)用全省1/5的土地,生產(chǎn)出了全省1/3的糧食,其中商品糧占全省的1/2。
☆ 現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)作業(yè)
建設(shè)現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè),需要現(xiàn)代化的大農(nóng)機(jī)。墾區(qū)農(nóng)機(jī)裝備水平和農(nóng)機(jī)化發(fā)展水平保持國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,達(dá)到世界發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平。2004年以來(lái),墾區(qū)引進(jìn)具有世界先進(jìn)水平的大馬力拖拉機(jī)、大型聯(lián)合收割機(jī)和配套的具有保護(hù)性耕作技術(shù)的農(nóng)機(jī)具。截至目前,已擁有世界智能化大馬力現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備600臺(tái)(套),重點(diǎn)裝備了226個(gè)作業(yè)區(qū)。這些大“寶貝”集衛(wèi)星定位、自動(dòng)導(dǎo)航、精量播種、變量施肥于一體,一次完成深松、淺翻、整地、播種、和墑、鎮(zhèn)壓6項(xiàng)作業(yè),使墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率大幅提高,過(guò)去20天的活兒,現(xiàn)在三五天就結(jié)束了。
溫濕度感應(yīng)、自動(dòng)光照、智能灌溉……農(nóng)民只需要一臺(tái)電腦甚至一部手機(jī),就能掌握田間地頭分分秒秒的變化,做出合理的資源調(diào)配,對(duì)農(nóng)田進(jìn)行“精雕細(xì)刻”……這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為我們展現(xiàn)的現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的美好圖景。
☆ 北京現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬(wàn)畝示范區(qū)示意圖
2013年7月,國(guó)內(nèi)首個(gè)“基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用示范”項(xiàng)目,在北京順義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬(wàn)畝示范區(qū)趙全營(yíng)鎮(zhèn)興農(nóng)天力農(nóng)機(jī)服務(wù)合作社通過(guò)驗(yàn)收。該項(xiàng)目首次成功將我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗定位和TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合,并推廣應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理過(guò)程,為北京農(nóng)業(yè)打造了首個(gè)“基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的新型應(yīng)用及管理平臺(tái)。該項(xiàng)目自行研究的“多種差分算法”,成功將北斗農(nóng)機(jī)定位的誤差控制在5cm范圍內(nèi),為北斗定位真正服務(wù)于精準(zhǔn)播種、施肥、打藥等農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)機(jī)械化作業(yè)提供了全新的、可靠的技術(shù)保障,系統(tǒng)依托TD-LTE移動(dòng)寬帶通信平臺(tái),有效實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)高清影像、圖片、數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦芾碇行?,通過(guò)基于GIS的農(nóng)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)包括作業(yè)調(diào)度、電子圍欄、作業(yè)量統(tǒng)計(jì)、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、收成評(píng)估等多功能的農(nóng)機(jī)綜合管理。
☆ 北京順義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)驗(yàn)收
北京順義都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬(wàn)畝示范區(qū)建設(shè)工程意味著在不久的將來(lái),京郊將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)版“智能種菜”——農(nóng)民也能在家里足不出戶運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3S技術(shù),操作智能農(nóng)機(jī)在田間精準(zhǔn)耕種、管理和收獲莊稼。該萬(wàn)畝示范區(qū)具體目標(biāo)將實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效,糧食單產(chǎn)要提高10%~20%,經(jīng)濟(jì)效益要增加15%;節(jié)資節(jié)本提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,節(jié)約水、肥、藥等,降低勞動(dòng)力投入;基礎(chǔ)設(shè)施要建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型基礎(chǔ)建設(shè);現(xiàn)代裝備通過(guò)現(xiàn)代裝備配套基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化和信息化;生態(tài)景觀將打造優(yōu)美農(nóng)田景觀,建立農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境景觀建設(shè)技術(shù)體系;經(jīng)營(yíng)機(jī)制要探索規(guī)模經(jīng)營(yíng)實(shí)現(xiàn)途徑和生態(tài)環(huán)境管護(hù)機(jī)制。
參考文獻(xiàn)
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