張悅湘

（湖南農業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙410128）

精細農業(yè)是20 世紀80 年代由加拿大、美國的農業(yè)科技研究中心提出的一種綜合跨學科的思想，隨后中國、英國、日本等國也開始了在該領域的研究[1]。精細農業(yè)是以可變尺度區(qū)塊管理為模式的微觀技術體系[2]。其核心技術是以地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術（RS）所構成的“3S”系統(tǒng)。由于濕度、地形、病蟲害等因素帶來的影響，農業(yè)生產中普遍存在小尺度差異，根據當?shù)?、當時的作物生長情況及土壤環(huán)境狀況，制成矢量化的數(shù)據圖，按作物生長所需施肥、施藥，將高經濟效益和生態(tài)環(huán)境保護有機結合。而“3S”技術，則能從不同方面為實現(xiàn)該目標提供技術支持。

1 GIS 及在精細農業(yè)中的應用

1.1 全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS 是一種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，為航空、海洋和陸地領域的用戶提供高精度的定位數(shù)據。它包括三個部分：由24 顆衛(wèi)星組成的空間部分，由地面監(jiān)測站和地面控制站組成的地面部分，用戶接收部分[3]。該系統(tǒng)利用衛(wèi)星無線電技術進行定位和導航。由于衛(wèi)星具有準確的待定點功能，全球定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)全球、全天候、連續(xù)定位。

1.2 GPS 在精細農業(yè)中的應用

農田空間所處地區(qū)作物生長影響因素和作物平均產量信息的收集是實施精細農業(yè)的基礎。全球定位系統(tǒng)(GPS)可以提供三維位置和時間信息，其在精細農業(yè)中的應用包括地形測量（圖1）、農機具精確定位和田間機械的自動導航[4]。

將GPS 安裝在農用機械，如播種機、翻耕機、田間取樣機、收獲機和施肥機上，可以提供農用機械精確定位的空間坐標，以便于農用機械在田間作業(yè)時的路線規(guī)劃和作業(yè)管理。

結合農田信息采集技術，收集和分析作物生長信息，加上土壤含水量、有機質、磷、氮、鉀和病蟲害等環(huán)境因素的分布，建立該地區(qū)的處方圖，農業(yè)機械根據處方圖和實時地圖信息，進行定量施肥、灌溉、噴藥等現(xiàn)場作業(yè)。

圖1 利用DGPS 測定的土壤圓錐指數(shù)[5]

2 RS 及在精細農業(yè)中的應用

2.1 遙感技術（RS）

遙感技術是利用各種傳感探測器，接收和探測來自目標事物所發(fā)射的電磁波，以實現(xiàn)不接觸物體而從遠處感知物體。將接收到的電磁波經過傳輸處理及分析，便可獲取監(jiān)測物體的屬性及各項監(jiān)測指標。為分析地球表層的各類地物信息，研究人員在不同高度平臺上安裝電磁波采集接收器，接收不同的電磁波信號[6]。

2.2 RS 在精細農業(yè)中的應用

遙感技術利用高分辨率傳感器接收農作物反饋的光譜信息，為精細農業(yè)空間數(shù)據庫提供農作物的空間定位和定性分析[7]，實現(xiàn)農作物的綜合監(jiān)測，是完成生產過程和收集環(huán)境信息的基礎。遙感技術能夠真實、全面地反映各種作物的固有光譜特性，從而提高對作物區(qū)分的精確程度。遙感技術在精細農業(yè)中的應用主要包括提高農機具作業(yè)定位精度、改善農業(yè)遙感影像解譯技術、更新農田基礎數(shù)據庫、促進農業(yè)機械與“3S”技術融合等。

具體應用于以下幾方面：（1）作物種植面積的估算與監(jiān)測，作物覆蓋數(shù)據實時記錄，作物分類，各作物種植面積計算；（2）監(jiān)測作物生長狀況，并據此估計作物產量（圖2）；（3）對作物的生長環(huán)境進行監(jiān)測，如土壤狀況、病蟲災害等，實時調控，以保證作物產量。

圖2 利用RS 生成的某農田冬小麥小區(qū)單產空間分布圖[8]

3 GIS 的優(yōu)勢及其在精細農業(yè)的應用

3.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS）利用計算機軟、硬件設備，對地球表層空間數(shù)據進行采集，并結合地理模型分析法對數(shù)據值進行處理。該系統(tǒng)的操作對象是空間數(shù)據，包含幾何數(shù)據、屬性數(shù)據、時間數(shù)據[9]。地理信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)對地理數(shù)據的采集管理、空間屬性的的分析及顯示，其強大的圖形處理能力、地理空間分析能力以及空間模擬和決策能力可以提供實時的動態(tài)數(shù)據。

3.2 GIS 在精細農業(yè)中的應用

GIS 系統(tǒng)作為精細農業(yè)數(shù)據庫的管理者，起著大腦神經中樞的作用，用于管理農田環(huán)境狀況、土壤條件、作物生長情況與產量估算以及病蟲害發(fā)展趨勢等數(shù)據。在處方決策方面（圖3），GIS 可用來繪制各種產量圖、農田土壤信息圖、田間作物長勢圖等[10]；在農作物銷售流通方面，可以將GIS 與物流分析、車輛調派、路線規(guī)劃等技術相結合，以便農產品能更快速的抵達產品銷售區(qū)，保障產品質量；在農業(yè)生產資源環(huán)境監(jiān)測方面，該系統(tǒng)可以匯集各類資源信息，建立應用資源模型，分析各類資源分布及使用狀態(tài)，便于更優(yōu)決策的制定。

圖3 土壤理化性質處方分布圖[11]

43S 技術在精細農業(yè)中的綜合應用

“3S”技術是三大技術GPS、GIS、RS 技術的合稱。該技術已廣泛應用于水土流失調查、農田土地資源調查、自然災害監(jiān)測與評估、精細農業(yè)作物產量監(jiān)測與估算等領域[12]。將“3S”技術集成研究，是“3S”技術的最新發(fā)展方向。遙感技術的優(yōu)點是可以快速獲取各類作物生長和地表生態(tài)環(huán)境的分布信息。GPS 的優(yōu)點是提供準確的定位數(shù)據，而GIS 可以對采集到的數(shù)據信息進行管理和分析。集成是為了解決精細農業(yè)中信息處理的自動化問題，將空間信息學的研究大規(guī)模的投入生產使用，使空間信息的獲取處理到生成分析一體化[13]。

“3S”技術的整合，可以有效地管理各種農業(yè)資源的空間信息，發(fā)展科學的農業(yè)管理模式，監(jiān)測農業(yè)資源和生產活動，將數(shù)據收集、分析、決策整合為一個共同的信息流，降低農業(yè)生產的成本，避免資源的浪費，提高農業(yè)生產效率，推動農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

5 問題與對策

由于現(xiàn)有農業(yè)體制的局限性，技術裝備和相關人才的缺乏，中國的精細農業(yè)正處于研發(fā)階段。

（1）國內“3S”類產品在農業(yè)領域的生產應用還十分短缺，僅有少數(shù)GIS 設備可支持農業(yè)使用，且功能較為單一。不少發(fā)達國家已形成規(guī)模化的農用“3S”產品市場，為精細農業(yè)提供大量軟、硬件設備。生產者可根據自身農田需求，購買相應的生產與管理設備，并可以個性化定制。

（2）目前國內農戶所使用的農業(yè)定位設備大部分采用美國GPS 技術，與美國本土相比，國內的GPS 使用費用更高[14]，同時國外智能農機設備大多安裝有DGPS 系統(tǒng)以消除誤差，相較于國內擁有更高的定位精度。我國的北斗導航系統(tǒng)已進入二期使用階段，但投入農用領域作業(yè)仍處于研發(fā)階段，與此同時國內目前的農用定位設備價格較高，體積較大，不適用于便捷攜帶。

（3）我國農業(yè)正處在向現(xiàn)代化農業(yè)邁進的階段，還存在農民信息化意時淺薄、生產人員技術水平較低的問題。同時目前信息農業(yè)成本較高，農戶基本收入較低，無法承擔昂貴的儀器設備也是阻礙“3S”技術發(fā)展的因素。

6 結 語

中國是一個農業(yè)大國，但農業(yè)集約化水平較低，農業(yè)機械化的程度較差，隨著信息技術的快速發(fā)展，結合現(xiàn)代信息技術、工程設備技術、農業(yè)種植技術是精細農業(yè)的發(fā)展方向?！?S”技術作為精細農業(yè)的核心，我國在這一領域仍有許多技術難題等待解決。推進北斗導航系統(tǒng)農用化，發(fā)展精細農業(yè)物聯(lián)網化[15]，可最終實現(xiàn)傳統(tǒng)農業(yè)向綜合感知、高速傳輸、智能管理的現(xiàn)代農業(yè)轉變。