○上海聯(lián)適導航技術有限公司 陳宏濤 沈培培

北斗導航定位系統(tǒng)作為GNSS全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)中的一員，自誕生之日便肩負著重要的使命。作為我國完全自主研究發(fā)射的導航定位系統(tǒng)，其在民用方面，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)安全方面起著至關重要的作用。

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)安全至關重要，農(nóng)業(yè)的發(fā)展也關系著國家的發(fā)展。在當前時期，農(nóng)業(yè)機械化、智能化、數(shù)字化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，也是精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標?；诖?，目前已可以實現(xiàn)作業(yè)機械的全無人駕駛，作業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息實時回傳信息化平臺，實現(xiàn)遠程操作、云端指導等功能。

數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設與發(fā)展是建立在無人化作業(yè)的基礎上的，通過采集地塊數(shù)據(jù)，實現(xiàn)科學灌溉、施肥、打藥等，同時采集不同時期的作物作業(yè)數(shù)據(jù)，最后與其產(chǎn)量做關聯(lián)，進而分析其生產(chǎn)的影響因素，做到有理有據(jù)的種植，有理有據(jù)的分析。

而無人化的作業(yè)離不開機械化作業(yè)的輔助，通過對機械化作業(yè)的全過程輔以現(xiàn)代化的技術支持，便可以達到精準化、數(shù)字化的高效率作業(yè)目標。

一、無人駕駛系統(tǒng)

1.自動駕駛系統(tǒng)。自動駕駛系統(tǒng)是無人駕駛系統(tǒng)的一個前身，經(jīng)過這幾年的發(fā)展，自動駕駛系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上已經(jīng)呈現(xiàn)出了百花齊放的效果。特別是在播種、施肥、打藥、中耕、收獲等不同作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)揮了其高效率的作用。

農(nóng)業(yè)用自動駕駛系統(tǒng)即通過改裝拖拉機油路或者方向盤等部件，加裝相應控制設備，自動控制作業(yè)車輛的轉(zhuǎn)向，使其在自動控制模式下以±2.5CM的控制精度進行作業(yè)。

安裝自動駕駛系統(tǒng)后，設備可以24h作業(yè)不間斷，大大提高了作業(yè)效率。通過對作業(yè)地塊的路線規(guī)劃，大大提高了土地利用率，同時也減輕機手的作業(yè)強度，降低勞動人員的操作技術門檻。

2.無人駕駛系統(tǒng)。無人駕駛系統(tǒng)是目前比較熱門的一個話題，也是目前農(nóng)業(yè)領域的一個發(fā)展趨勢和未來的發(fā)展目標。當前，依托于互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，無人駕駛系統(tǒng)已在插秧機上進行了廣泛應用，且效果顯著。

通過將自動駕駛系統(tǒng)安裝在插秧機上，并增添結構件，控制其油門、剎車、秧盤的抬升與下降等，最后在控制器的作用下，各個功能區(qū)相互協(xié)調(diào)，從而可實現(xiàn)完全無人作業(yè)。

目前無人駕駛系統(tǒng)除插秧機外，已成功應用在運苗機、履帶式拖拉機、自走式打藥機、無級變速大馬力拖拉機等設備之上。

二、 智能噴霧系統(tǒng)

北斗智能噴霧控制系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)車輛的速度快慢，自動控制農(nóng)藥噴灑量，并且可以預先設定每畝打藥量，實現(xiàn)精準噴灑的效果。其主要通過北斗定位模塊、顯示屏、控制器以及大小流量控制閥組組成，安裝調(diào)試簡單，其有效控制精準度可達99%以上。

安裝智能噴霧控制系統(tǒng)的打藥機

三、衛(wèi)星整地系統(tǒng)

衛(wèi)星整地系統(tǒng)是基于衛(wèi)星定位技術，結合北斗基準站系統(tǒng)，通過系統(tǒng)設定需要的基準高度，配合液壓油閥等控制部件，可以實時地操作平地鏟進行升降，在地勢高的地方鏟土，地勢低的地方進行卸土，通過幾個來回的作業(yè)，達到土地整平的效果。

安裝有衛(wèi)星整地系統(tǒng)的作業(yè)車輛

整個系統(tǒng)操作過程相對比較簡單，整平后的土地可以更好地進行土地灌溉，包括進行一些水田整平的作業(yè)。

四、精量播種系統(tǒng)

目前農(nóng)機作業(yè)的重要一環(huán)便是播種作業(yè)。為了達到更高的投入產(chǎn)出比，需要對種子、肥料、農(nóng)藥等精準把控，盡可能的減少浪費，降低投入成本，保證最高產(chǎn)量，進而達到更高的效益。

目前國內(nèi)多個廠家，其中包括播種機廠家均有這方面的研究，其設備不僅做到精準播種，還可以實時對播種量和施肥量進行監(jiān)控，獲取單位面積播種量等信息，并可以將信息回傳至信息化平臺，為后面的數(shù)字化農(nóng)業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

五、土壤探測系統(tǒng)

1.系統(tǒng)簡介。數(shù)字化農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要數(shù)字化的作業(yè)數(shù)據(jù)以及理論支撐。由于不同地塊的土壤成分相差較大，我們可以通過土壤探測系統(tǒng)TSM（Topsoil Mapper），實時掃描區(qū)域內(nèi)土壤在一定深度范圍內(nèi)的電導率信息，通過數(shù)字化處理軟件生成區(qū)域內(nèi)的數(shù)字化地圖，進而為變量播種、變量施肥等提供支持。

安裝有TSM土壤探測系統(tǒng)的設備

2.系統(tǒng)組成。TSM土壤探測系統(tǒng)，由前部的傳感器掃描系統(tǒng)、高精度定位天線、顯示控制平板等組成。通過人工作業(yè)行駛到需要掃描的區(qū)域，掃描完成后將數(shù)據(jù)進行導出到本地進行數(shù)據(jù)分析。

TSM土壤探測系統(tǒng)簡介

3. 數(shù)據(jù)分析。將掃描獲取的數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)分析軟件Topsoil Data Analyzer里面進行數(shù)字化處理，可以獲取到該區(qū)域內(nèi)不同深度的電導率信息，進而分析其不同深度的含水量、不同區(qū)域的壓實度以及土壤成分結構信息。

通過分析繪制的土壤信息，可以為下一步的變量施肥、變量播種進行科學地分析。結合后續(xù)的作業(yè)規(guī)劃，在不同的區(qū)域內(nèi)進行針對性的施肥、播種、灌溉等作業(yè)。

六、數(shù)字化農(nóng)業(yè)發(fā)展

1.數(shù)字化農(nóng)業(yè)簡述。前面的內(nèi)容主要簡述了目前機械化作業(yè)的一些應用案例，包括北斗無人駕駛系統(tǒng)、北斗自動駕駛系統(tǒng)、北斗智能噴霧控制系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星整地系統(tǒng)、北斗精量播種系統(tǒng)，以及TSM土壤探測系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的應用為數(shù)字化農(nóng)業(yè)提供了實踐基礎。

目前數(shù)字化農(nóng)業(yè)主要包括高標準的農(nóng)田建設、數(shù)據(jù)化的變量播種/施肥作業(yè)、不同作業(yè)季的田間管理、采集各個區(qū)域作物產(chǎn)量信息。

同時還需要獲取其生長期間的氣象數(shù)據(jù)等外部環(huán)境數(shù)據(jù)，不同時期的農(nóng)作物生長狀況等信息，將同時期信息進行關聯(lián)匯總，并記錄回傳至信息化平臺。

2.數(shù)字化農(nóng)業(yè)應用。目前在黑龍江建三江地區(qū)、上海嘉定地區(qū)已成功進行了數(shù)字化農(nóng)業(yè)與無人農(nóng)場的試驗。

無人農(nóng)場是數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。數(shù)字農(nóng)業(yè)可分為以下四個階段：

1）以感知設備為基礎的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；

2）以農(nóng)業(yè)產(chǎn)銷全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)為基礎的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)；

3）以單農(nóng)機精準智能控制硬件為基礎的精準農(nóng)業(yè)；

4）以大數(shù)據(jù)平臺+智能精準硬件為基礎的智慧農(nóng)業(yè)。

3.數(shù)字化農(nóng)業(yè)無人農(nóng)場的建設。

（1）標準農(nóng)田建設。通過北斗衛(wèi)星整地系統(tǒng)，將現(xiàn)有小型、不規(guī)則、高低不平的田塊進行整合，從而建設出標準化的利于進行無人作業(yè)路徑規(guī)劃、適于農(nóng)機具作業(yè)的農(nóng)田。

（2） 地理信息系統(tǒng)及基礎服務網(wǎng)絡建設。無人農(nóng)場由大數(shù)據(jù)服務平臺、智能農(nóng)機和傳感器物聯(lián)網(wǎng)組成，數(shù)據(jù)傳輸依賴穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡，需要在農(nóng)場建設不低于4G的通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)，5G通信技術具有更好的邊緣計算能力和更小的延時，更適合用于打造數(shù)字化無人農(nóng)場。

另外通過無人機多光譜數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以對地理信息進行采集。

通過架設多個北斗GNSS網(wǎng)絡基準服務站，網(wǎng)絡基準站的部署遵循半徑30km的覆蓋范圍，可以滿足智能農(nóng)機的導航、平地、測繪等基礎服務。

（3）田間物聯(lián)感知網(wǎng)絡構建。田間物聯(lián)感知系統(tǒng)包括小型氣象站監(jiān)測、田間視頻監(jiān)測、土壤信息監(jiān)測等。

田間小型氣象監(jiān)測站

（4）無人農(nóng)業(yè)智能生產(chǎn)硬件。數(shù)字化無人農(nóng)場的作業(yè)生產(chǎn)過程依托于無人智能駕駛系統(tǒng)，其包括無人播種作業(yè)、無人插秧作業(yè)、無人田間管理、無人施肥/打藥作業(yè)、無人收割作業(yè)、無人田間信息采集等，通過這些無人化的作業(yè)，其作業(yè)數(shù)據(jù)可以實時有效的傳送到數(shù)字化農(nóng)業(yè)信息化平臺，對數(shù)據(jù)進行分析，進而改善工藝，提高產(chǎn)量。

無人水田打漿作業(yè)

（5）基于大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的AI智慧農(nóng)業(yè)信息化平臺。無人農(nóng)場的物聯(lián)網(wǎng)指的是構成農(nóng)場的各個基礎要素之間的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)實時互傳共享，達到信息實時反饋，及時感知、收集各個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關鍵節(jié)點的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。其核心即基于物聯(lián)網(wǎng)的無人農(nóng)場智慧管理云平臺，其分支節(jié)點則由各種智能傳感器、無人農(nóng)機具、基礎地理信息等部分組成。具體包括：

1）基礎地理信息采集與共享。

2）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能傳感器。

3）基于高精度定位的無人駕駛設備。

4.數(shù)字化無人農(nóng)場精準化。通過農(nóng)業(yè)“耕種管收”生產(chǎn)中的多類型數(shù)據(jù)的采集、甄別和大數(shù)據(jù)分析，確定各有效數(shù)據(jù)的權重因子，最終建立標準有效數(shù)據(jù)與土壤肥力圖之間的函數(shù)關系，從而根據(jù)預期產(chǎn)量生成施肥處方圖；通過智能農(nóng)機裝備實現(xiàn)變量施肥、減肥增產(chǎn)或不減產(chǎn)，減少或避免倒伏，響應國家“一控、二減、三基本”國策。

自動駕駛、北斗衛(wèi)星平地等精準智能農(nóng)機裝備的投入使用，是建立高標準農(nóng)田、獲取標準有效數(shù)據(jù)的必要途徑，為最終生成土壤肥力分布圖提供有效的數(shù)據(jù)支持；以光譜技術，如無人機多光譜/高光譜、衛(wèi)星高光譜等技術為用戶提供定期的大面積作物長勢監(jiān)測，及時針對不同區(qū)域的長勢情況作出處置，做到合理的田間管理。

以智慧農(nóng)業(yè)服務云平臺為入口，以手機App和小程序的方式為用戶提供全生命生產(chǎn)周期的定制化技術服務，打通農(nóng)業(yè)科技與種植戶之間的最后一公里。

精準農(nóng)業(yè)的是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然階段，下一個發(fā)展階段即為智慧農(nóng)業(yè)的代表形態(tài)無人農(nóng)場。